Nghiên cứu các công bố quốc tế, các nghiên cứu đã thực hiện trên thế giới ứng dụng công nghệ viễn thám xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất, độ ẩm không khí và lượng mưa để ứng dụng phát triển các mô hình tính toán cho khu vực tỉnh Thanh Hoá.
2.4.1.1. Về nhiệt độ
A. Ước tính nhiệt độ không khí gần mặt đất thông qua các thông số khí quyển và độ cao.
Mendez (2004) đã nghiên cứu tính toán nhiệt độ khí quyển từ dữ liệu MODIS-7 tính nhiệt độ không khí gần mặt đất Ta thông qua việc nội suy từ mối quan hệ tuyến tính giữa nhiệt độ ở 1000 Mmb và nhiệt độ không khí sát mặt đất theo công thức:
Ta = psurf dT1000-620 / dp1000-620 + T1000 (2.1)
psurf : áp suất bề mặt
dT1000-620: là sự chênh lệch nhiệt độ giữa lớp áp suất 1000 và 620 Mmb. dp1000-620: là sự chênh lệch áp suất giữa lớp áp suất 1000 và 620 Mmb. T1000 : là nhiệt độ ở lớp 1000 Mmb.
Ta : nhiệt độ không khí ở 2 mét.
Phát triển công thức của Mendez, Flores (2010) đã tính toán với công thức theo độ cao như sau:
Ta = mZ +To (2.2) Trong đó :
To : là nhiệt độ tại mực nước biển.
Z : là độ cao của mặt đất cộng thêm 2m có thể được tính từ DEM m: là hệ số của hàm quan hệ tuyến tính giữa Z và Ta
Nhiệt độ tại mực nước biển có thể xác định bằng dữ liệu nhiệt độ bề mặt nước biển từ dữ liệu MODIS.
B. Ước tính nhiệt độ không khí gần mặt đất thông qua nhiệt độ bề mặt.
Chen (1983) đã khám phá ra rằng từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt từ vệ tinh GOES có thể xác định nhiệt độ bề mặt. Sau đó, Chen tiếp tục xét mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt với nhiệt độ không khí và phát hiện ra tồn tại mối quan hệ tuyến tính giữa chúng và có hệ số tương quan rất cao giữa chúng. Các kết quả tính toán cho thấy hệ số tương quang cỡ 0.76 ở độ cao 1.5 mét và độ lệch chuẩn chỉ là 1.3-2.0 độ C.
Như vậy, với số lượng trạm quan trắc thực địa đủ lớn, ta có thể xác định nhiệt độ không khí gần mặt đất bằng một hàm quan hệ với nhiệt độ bề mặt:
Ta = a + b.Tm (2.3)
Trong đó: Ta là nhiệt độ không khí gần mặt đất; Tm là nhiệt độ bề mặt được xác định từ dữ liệu vệ tinh MODIS; a,b là các hệ số hàm quan hệ được xác định thông qua dữ liệu quan trắc và dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS.
2.4.1.2. Về độ ẩm
A. Hàm lượng hơi nước trong không khí
Dựa vào tính chất vật lý về sự tương tác năng lượng của khí quyển Kaufman và Gao đã đưa ra thuật toán tính tổng cột hơi nước thông qua hệ số hấp thụ hơi nước theo các tỉ số sau:
T obs (0.940μm) = ρ*(0.940μm) / ρ*(0.865μm) (2.4) T obs (0.905μm) = ρ*(0. 905μm) /ρ*(0.865μm) (2.5) T obs (0.93μm) = ρ*(0. 936μm) /ρ*(0.865μm) (2.6)
Trong đó: Tobs là hệ số hấp thụ, ρ* là độ phản xạ tại đỉnh khí quyển của kênh phổ tương ứng.
Công thức (2.4), (2.5), (2.6) được áp dụng tương tự với bước sóng 1.240μm.
Từ đường cong mối quan hệ giữa cột hơi nước W và hệ số hấp thụ hơi nước Tobs ta xác lập được mối quan hệ giữa chúng theo hàm toán học:
wi= f( Tobs) (2.7)
Từ từng giá trị Wi ta sẽ tính được tổng lượng hơi nước theo công thức: W = f1w 1+ f2w2+ f3w3 (2.8)
Trong đó:
w1, w2, w3 là lượng hơi nước thu được từ kênh 0.936, 0.940 và 0.905 μm.
f1, f2, f3 là hàm trọng số phục thuộc vào độ nhạy của từng kênh phổ Như vậy ta sẽ tính được lượng hơi nước cần thiết.
B. Độ ẩm không khí
Người ta gọi lượng hơi nước chứa trong không khí là độ ẩm không khí. Những đặc trưng chủ yếu của độ ẩm là sức trương hơi nước và độ ẩm tương đối. Cũng như mọi chất khí, hơi nước có sức trương (áp suất riêng của hơi nước). Sức trương hơi nước e tỉ lệ thuận với mật độ (lượng hơi nước chứa trong một đơn vị thể tích không khí) và nhiệt độ tuyệt đối của nó. Sức trương hơi nước cũng được biểu diễn bằng những đơn vị thường
dùng để biểu diễn khí áp, nghĩa là bằng milimét chiều cao cột thủy ngân (mmHg) hay bằng miliba.
Nếu không khí chứa hơi nước ít hơn lượng cần để bão hoà trong nhiệt độ nhất định, ta có thể lượng tính mức độ gần tới trạng thái bão hoà của nó. Để xác định mức độ gần tới bão hoà này, người ta tính độ ẩm tương đối. Độ ẩm tương đối r là tỷ số biểu diễn bằng phần trăm giữa sức trương hơi nước thực tế e chứa trong không khí và sức trương hơi nước bão hoà E dưới cùng nhiệt độ:
r = (e/E) 100% . (2.9) Trong đó:
e là sức trương hơi nước được tính từ độ ẩm riêng
E là sức trương hơi nước bão hòa tính từ nhiệt độ không khí t:
𝐸 = 6.11𝑒(237.3+𝑡17.27𝑡 )
(2.10)
Nhiệt độ không khí t được tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh.
W. Timothy (1984) nghiên cứu và xây dựng các điểm quan hệ giữa độ ẩm riêng (Q) và tổng cột hơi nước (W) cho 3 vùng: ôn đới, cận nhiệt đới và nhiệt đới. Mỗi một đường cong là một đường hồi quy bậc hai và hệ số tương quan rất cao lần lượt là 0.97, 0.97 và 0.90.
Từ đó ta có thể xác định độ ẩm riêng
Q = aW2 + bW + c (2.11) (a,b,c là các hệ số hàm hồi quy)
Sức trương hơi nước –áp suất hơi nước e được xác định theo công thức:
e= Q x P /622 (2.12) Trong đó: P là khí áp – áp suất không khí.