3.1.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Hình 3.1 là đồ thị của tín hiệu sau khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo. Vị trí đỉnh của lớp son khí được hiểu là vị trí sườn dốc xuống của cường độ son khí khi bắt đầu suy giảm đột ngột. Vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt sẽ được xác định theo phương pháp đạo hàm - gradient đã được trình bày trong chương 1 của luận án. Kết quả của phương pháp đạo hàm này được thể hiện cụ thể trong Hình 3.5 áp dụng đối với 3 tín hiệu lidar đàn hồi trường gần, tại ba thời điểm
khác nhau trong một ngày, cho phép xác định vị trí và sự thay đổi độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt theo thời gian[72].
Để xác định vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp theo thuật toán đạo hàm, tín hiệu tán xạ ngược đàn hồi sẽ được chuẩn hóa theo tọa độ [48]. Trong Hình 3.1 a tôi đưa ra đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu đã chuẩn hóa theo độ cao. Từ đồ thị 3.1 a sẽ chỉ ra vị trí đỉnh của lớp son khí tầng thấp tương ứng đối với tín hiệu đo thể hiện trong hình 3.1 b.
3.1.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode
Phép đo tín hiệu tán xạ đàn hồi sử dụng hệ lidar nhỏ thực hiện quan trắc lớp son khí bề mặt vào thời gian ban đêm, khi nhiễu nền do tán xạ của bức xạ mặt trời không còn nữa. Một kết quả điển hình của hệ đo được thực hiện lúc 20h Hình 3.1: a) Đồ thị đạo hàm cường độ tín hiệu chuẩn hóa theo thời gian, xác định đỉnh lớp son khí bề mặt theo phương pháp gradient. b) Tín hiệu đàn hồi của lớp son khí tầng thấp chuẩn hóa theo khoảng cách đo vào lúc 20 h ngày 27/5/2011.
0 0.5 1 1.5 2 2.5
-500 0 500
Lidar Signal: 27 may 2011 Ha Noi
0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 0.5 1 1.5 2x 10 4 a) b) Độ cao (km) I.z 2 (a.u) H(z ) (a.u) Đỉnh lớp son khí bề mặt
ngày 4 tháng 7 năm 2012, tại thời điểm quan trắc lớp son khí bề mặt có mật độ thấp chúng ta hiểu đó là một ngày trời khá trong. Tín hiệu ghi nhận thấy có sự xuất hiện của Mây Ti tầng cao ~7 km, điều đó thể hiện điều kiện đo có khí quyển trong và chất lượng tín hiệu ghi nhận có độ phẩm chất cao. Sau khi chuẩn hóa cường độ tín hiệu theo độ cao chúng ta thấy được miền son khí lớp bề mặt tồn tại dưới độ cao ~1,5 km như trong Hình 3.2.
Trước khi xác định thông số độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt từ tín hiệu lidar sử dụng laser diode 905 nm, chúng tôi đánh giá chất lượng tín hiệu của phép đo bằng tỉ số tín hiệu trên nhiễu như trong Hình 3.3. Đối với tín hiệu lidar sử dụng laser diode năng lượng nhỏ chúng ta thấy chất lượng tín hiệu hoàn toàn đáng tin cậy trong khoảng đo dưới 3,5 km hoặc trong miền tồn tại Mây Ti ~6,5 km – 7,5 km. Trên khoảng cách 3,5 km là miền son khí tự do tồn tại với mật độ hạt thấp do đó tín hiệu tán xạ Mie giảm mạnh. Tỉ số tín hiệu trên nhiễu được đánh giá bằng thuật toán và sử dụng chương trình xử lý số xây dựng theo lý thuyết của nhóm tác giả B. Heese và cộng sự được thể hiện trong Hình 3.3.
Hình 3.2: Tín hiệu trường gần của hệ lidar sử dụng laser diode chuẩn hóa theo khoảng cách, tín hiệu đo lấy trung bình trong thời gian 30 s vào lúc 20h ngày 4/7/2012. 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 10 20 30 40 50 60 Khoảng cách (km) I.z 2 Lớp son khí bề mặt
Trên khoảng cách miền son khí bề mặt, trên ~2 km cho tới vị trí dưới lớp Mây Ti ~6,5 km, chúng ta thấy có sự sụt giảm mạnh tín hiệu tán xạ ngược. Điều này dễ hiểu bởi tại đó là miền son khí tự do có mật độ cư trú thấp. Ở đó tín hiệu tán xạ đàn hồi ngược trở về giảm mạnh bởi đóng góp của tín hiệu tán xạ Rayleigh là chủ yếu, mà bước sóng dài 905 nm sẽ cho cường độ tán xạ rất nhỏ, cường độ tán xạ trên phân tử khí tỉ lệ với 𝜆−4 [103], điều đó giải thích tại sao chúng ta không sử dụng lidar YAG bước sóng 1064 nm khảo sát khí quyển miền tự do dù công suất phát tại bước sóng đó lớn hơn rất nhiều so với công suất phát tại bước sóng 532 nm. Tuy nhiên với đầu thu APD phân giải đơn photon đang mở ra một bài toán thú vị là kết hợp hệ lidar YAG công suất cao phát bước sóng 1064 nm sử dụng đầu đo APD mới để quan trắc các lớp mây tầng cao. Với mục đích nâng cấp, cải tiến với mong muốn khai thác tối đa hiệu năng của hệ lidar và cơ sở vật chất hiện có của nhóm cho mục đích quan trắc môi trường từ xa.
Sử dụng chương trình tính toán số viết bằng ngôn ngữ Matlab, phụ lục 2.5, theo phương pháp Gradient xác định độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt. Trong Hình 3.4 chúng ta thấy độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt vào thời điểm đo tồn tại ở vị trí ~1,45 km. Tại đó ứng với cực tiểu của đồ thị H 𝑧ℎ = ∆𝑋
∆𝑧 = 𝑑𝑋 𝑑𝑍
(như trong công thức 2.5) phụ thuộc vào khoảng cách đo.
Hình 3.3: Tỉ số tín hiệu trên nhiễu của tín hiệu trong Hình 3.2.
1 2 3 4 5 6 7 8 2 4 6 8 10
Vị trí tỉ số tín hiệu trên nhiễu bằng 1
Khoảng cách T ỉ số tín h iệu tr ên n h iễu
3.2. Quan trắc sự thay đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt 3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG 3.2.1. Bằng hệ lidar sử dụng laser Nd: YAG
Kết quả về sự thay đổi độ cao đỉnh của lớp son khí có liên quan trực tiếp với quá trình hấp thụ bức xạ mặt trời trong ngày, đã được trình bày trong bài báo [19] của nhóm tác giả, như hình 3.5. Trong kết quả công bố ở bài báo [19] của nhóm nghiên cứu chúng tôi đi tới một số kết luận về độ cao của lớp son khí trung bình trong ngày, sự tăng lên của độ cao đỉnh lớp son khí vào thời gian nửa đầu ban ngày và giảm vào thời gian nửa chiều, tối và đêm. Quá trình đó được lý giải bởi quá trình hấp thụ và bức xạ năng lượng của mặt trời. Kết quả về độ cao của lớp son khí xác định ~1,2 km là khá phù hợp với những kết quả nghiên cứu khác ở những vị trí địa lý có nhiều điểm tương đồng so với Hà Nội như các công bố [25, 29, 54].
Trong Hình 3.5 thể hiện độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội vào ngày 27/5/2011 vào 3 thời điểm khác nhau: 10 giờ sáng, 4 giờ chiều và 20 giờ tối. Kết quả từ hệ đo lidar thể hiện quy luật nâng cao độ cao đỉnh của lớp son khí bề mặt vào thời gian buổi sáng đầu thời gian chiều và hạ thấp vào thời gian nửa cuối ngày vào ban đêm.
Hình 3.4: Xác định đỉnh của lớp son khí bề mặt. Vị trí đỉnh của lớp son khí bề mặt Khoảng cách (km) 𝐇 𝒛 𝒉 = 𝒅 𝑿 𝒅𝒛
Hình 3.6 là hình ảnh phân bố lớp son khí tầng thấp biến đổi tại vị trí đặt hệ lidar quan trắc khí quyển Hà Nội theo thời gian thực. Từ tín hiệu lidar đàn hồi chúng ta thấy sự thay đổi cường độ chuẩn hóa theo độ cao theo thời gian, điều đó khẳng định có sự thay đổi mật độ son khí theo độ cao và theo thời gian. Sự phân tầng và độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt thay đổi thể hiện sự tồn tại các tầng son khí nhiễu loạn với mật độ khác nhau trong khoảng miền quan trắc và sự thay đổi liên tục độ cao đỉnh lớp bề mặt chứng tỏ vai trò của quá trình đối lưu khí quyển gây ra do năng lượng bức xạ mặt trời. Quy luật tăng độ cao vào buổi sáng và giảm vào buổi chiều đối xứng tại đỉnh bức xạ của mặt trời vào khoảng 14h giờ địa phương. Quy luật này là hợp lý bởi bức xạ mặt trời vào ngày nắng sẽ đạt đỉnh vào giữa trưa, năng lượng hấp thụ sẽ làm tăng nhanh quá trình đối lưu làm nâng cao khối son khí gần bề mặt. Đến thời gian nửa cuối ngày khi năng lượng
I.Z
2
Hình 3.5: Xác định vị trí đỉnh lớp son khí bề mặt thực hiện với tín hiệu vào buổi sáng, buổi chiều và buổi tối trong ngày 27/5/2011 tại Hà Nội [19].
0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 HEIGHT(Km) G R A D IE N T O F P (Z ). Z 2
Lidar Signal: 27 MAY 2011 HA NOI
10 Am 4 Pm 8 Pm 1,215m 345m 285m Độ cao (km) ∆ 𝑿 /∆ 𝒛
lưu dữ trong khối khí giải phóng và hạ nhiệt độ khiến tỉ trọng khối khí tăng và hạ thấp độ cao.
3.2.2. Bằng hệ lidar sử dụng laser diode công suất cao
Sử dụng phần mềm xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt cho toàn bộ tín hiệu ghi nhận trong toàn thời gian quan trắc ban đêm của hệ lidar diode ở bước sóng 905 nm. Chúng ta sẽ nhận được đồ thị như trong Hình 3.7 về sự biến đổi độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt theo thời gian thực.
Chúng tôi đã sử dụng hệ lidar mini quan trắc liên tục lớp son khí bề mặt trong thời gian ban đêm tại Hà Nội. Từ số liệu quan trắc chúng tôi đi tìm sự thay đổi độ cao lớp son khí bề mặt theo thời gian thực. Tín hiệu quan trắc cho thấy sự phân bố độ cao đỉnh lớp son khí có xu thế giảm theo thời gian ở khoảng đầu
Vị trí đỉnh lớp son khí tầng thấp
Hình 3.6: Quan trắc lớp son khí tầng thấp trên bầu trời Hà Nội theo thời gian thưc trong ngày.
Độ c
ao (km)
Đỉnh lớp son khí bề mặt
Lớp mây tầng thấp
ngày, đạt cực tiểu vào khoảng thời gian 01h đến 03h và tăng nhẹ vào đầu giờ sáng – bình minh khi có bức xạ nhiệt của mặt trời của ngày mới. Thời điểm thực hiện phép đo là những ngày trời nắng của mùa thu Hà Nội – ngày 06/10/2012, khi nhiệt độ ở mặt đất có sự thay đổi mạnh giữa đêm và ngày. Sự thay đổi này chúng ta có thể lý giải như sau: Vào ban ngày năng lượng bức xạ mặt trời gây ra hoạt động khuếch tán mạnh trong lớp son khí tồn tại ở bề mặt do đối lưu đưa lên cao. Về đêm khi nhiệt độ xuống thấp và xảy ra sự bức xạ năng lượng ở chính các đám son khí (hiện tượng hấp thụ tại bề mặt trái đất) và lớp mặt đệm môi trường làm chúng hạ nhiệt và đồng thời hạ độ cao, khiến mật độ son khí ở sát mặt đất tăng thể hiện ở màu sắc cường độ tín hiệu chuyển dần thành đỏ hơn khi độ cao đỉnh lớp son khí giảm. Lớp son khí sát mặt đất trở nên dày đặc hơn vào thời điểm nửa đêm về sáng, từ 1h đến 3h. Và đến đầu giờ bình minh (~4 h) thì lớp son khí có xu thế tăng độ cao do sự đối lưu bởi bức xạ năng lượng mặt trời. Từ thông số quan trắc lớp son khí tầng cao bằng hệ lidar nhỏ sử dụng laser diode cho phép chương trình xử lý số liệu tự động xác định độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt.
Hình 3.7: Phân bố độ cao đỉnh lớp son khí bề mặt tại Hà Nội đêm ngày 6/10/2012.
Độ c
ao (km) Đỉnh lớp son khí bề mặt Mây tầng cao
22 01 04
3.2.3. Đánh giá kết quả đo của hệ lidar sử dụng laser diode
Trong phần này chúng tôi tiến hành so sánh kết quả dữ liệu đo của hệ lidar nhỏ với kết quả ghi nhận từ hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd công suất cao hoạt động ở kênh bước sóng 532 nm đo theo phương thẳng đứng quan trắc đồng thời tại Viện Vật lý. Trong Hình 3.8 là tín hiệu ghi nhận đối với hệ lidar sử dụng laser công suất cao YAG: Nd và hệ lidar sử dụng laser diode công suất nhỏ. Hệ lidar sử dụng laser diode hoạt động tại bước sóng 905 nm được thiết lập đo theo phương hợp với phương ngang góc 75o. Sau khi tín hiệu đã được chuẩn hóa theo góc thiên đỉnh và khoảng cách được thể hiện trong Hình 3.8. Trong cả hai tín hiệu ghi nhận của hai hệ lidar chúng ta đều thấy sự tồn tại của lớp son khí trường gần với độ cao đỉnh ~1,5 km và sự tồn tại của lớp mây tầng cao ở độ cao
Phép đo thực hiện với hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd 532 nm
Hình 3.8: Tín hiệu tán xạ đàn hồi của hai hệ lidar độc lập ghi nhận đồng thời từ 20h tới 24h ngày 18/11/2012.
Độ c
ao (km)
20h 22h 24h
~3 km. Kết quả của hai phép đo này là hoàn toàn phù hợp và đáng tin cậy đối với cả hệ lidar nhiều bước sóng sử dụng laser YAG: Nd công suất lớn và hệ lidar sử dụng laser diode năng lương nhỏ.
Sự khác biệt xảy ra giữa hai tín hiệu là do vị trí đặt của hai hệ khác nhau, đối tượng quan sát là khác nhau. Hệ lidar sử dụng laser YAG: Nd được đặt tại tầng 9 của tòa nhà 2H và quan trắc theo phương đứng. Hệ lidar sử dụng laser diode được đặt tại tầng 7 và quan sát theo phương hợp với phương ngang một góc 75o. Trong thời gian tới chúng tôi tiếp tục cải tiến với mục đích thiết kế một hệ lidar quét 3 chiều tự động và nhỏ gọn phục vụ nghiên cứu và đạo tạo dựa trên cơ sở hệ lidar sử dụng laser diode này.
3.3 Đặc trƣng độ sâu quang học
Tôi lựa chọn tín hiệu lidar quan trắc vào hồi 20h ngày 21 tháng 11 năm 2012, ngày đó có sự tồn tại son khí với mật độ thấp, không có sự đứt gẫy đột ngột về mật độ trong khoảng cách dưới 5 km, như trên hình 3.9. Trong đồ thị chúng ta thấy rõ sự phù hợp tốt giữa 3 đường tín hiệu trong miền không gian trên 5 km, điều đó thể hiện chất lượng tín hiệu của hệ đo ghi nhận là đáng tin cậy. Ở khoảng cách dưới 5 km khi có sự xuất hiện của son khí trong lớp bề mặt
Độ cao (km)
Hình 3.9: Cường độ tín hiệu của lớp son khí bề mặt khi đã chuẩn hóa theo khoảng cách đo, khảo sát 20 h ngày 21 tháng 11 năm 2012 [16].
Tín hiệu tán xạ đàn hồi Tín hiệu tán xạ Raman Tín hiệu radiosonde L og ( I.z 2 ) (a.u )
ta thấy cường độ tín hiệu đàn hồi tăng mạnh ngược lại cường độ tín hiệu Raman lại suy giảm do đóng góp hấp thụ ở bước Raman 607 nm của lớp son khí này.
Độ sâu quang học OD – Optical Depth được xác định bằng biểu thức 2.6 trong chương 2 của luận án. Độ sâu quang học được hiểu là phần năng lượng bức xạ quang bị mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của bức xạ đó, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi trường. Từ đồ thị Hình 3.6 chúng ta thấy trong khoảng cách 13 km từ mặt đất, lớp son khí tầng thấp phân bố trong khoảng cách dưới 3 km (tương đương 23% tổng không gian quan trắc) độ sâu quang học ~87%. Thông số độ sâu quang học cho phép xác định tỉ lệ phần trăm năng lượng bị hấp thụ tại bước sóng khảo sát. Qua đó chúng ta có thể đánh giá vai trò của lớp son khí tầng thấp trong quá trình hấp thụ năng lượng mặt trời và là thông số quan trọng được quan tâm trong các mô hình theo dõi và dự báo sự biến đổi khí quyển [24, 28, 89, 97, 100].
3.4. Đặc trƣng suy hao
Sử dụng chương trình xử lý số liệu, trực tiếp từ tín hiệu Raman chúng ta tìm được hệ số suy hao của son khí trong lớp tầng thấp. Đây là một ngày điển hình về sự đóng góp với mật độ lớn của lớp son khí dưới 5 km. Đỉnh của lớp son