2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.1. Phương pháp xác định nhiệt độ bề mặt biển từ số liệu đo cao vệ tinh
Nhiệt độ bề mặt biển là nhiệt độ nước gần bề mặt đại dư ng và là một điều kiện khí hậu và thời tiết quan trọng được đo ởi máy đo sóng vô tuyến vi sóng vệ tinh, hồng ngoại, các phao nổi, và các tàu. Có các dụng cụ khác nhau để đo nhiệt độ ở các độ sâu khác nhau. Ví dụ, hầu hết phao đều có bộ cảm biến nằm ở độ sâu khoảng 1 mét, hoặc được đặt ở các khoảng đều đặn dọc theo dây buộc. Nhiệt độ bề mặt biển, khi đo từ không gian, đại diện cho một chiều s u liên quan đến tần số của dụng cụ vệ tinh. Ví dụ, thiết bị hồng ngoại đo chiều sâu khoảng 20 micromet, trong khi máy đo tia cực tím đo chiều sâu vài milimet. Các nhiệt độ bề mặt biển tối ưu nội suy bằng vi điện tử (OI) được thiết kế để đại diện cho nhiệt độ bề mặt biển nền tại độ sâu khoảng 1 mét, hoặc nhiệt độ ngay dưới lớp ngày đêm. Giới hạn của lớp bề mặt biển thay đổi theo phư ng pháp đo được sử dụng, nhưng nó nằm trong khoảng từ 1mm và 20m ên dưới mặt nước biển. Nhiệt độ bề mặt biển ấm được xem như là một nguyên nhân chính gây ra bão và áp thấp nhiệt đới trên các đại dư ng. Các c n o nhiệt đới ngược lại cũng có thể gây ra sự suy giảm nhiệt độ mặt biển trên đường nó đi qua do xáo trộn rối của 30 mét nước phía trên bề mặt đại dư ng. Nhiệt độ mặt biển có biến tr nh ngày đêm, giống như iến trình nhiệt độ của lớp không khí phía trên nó, nhưng mức độ ít h n do nhiệt dung riêng của nước biển cao h n của không khí. Biến trình này biến đổi ít h n vào những ngày có gió so với những ngày lặng gió. Ngoài ra, các dòng chảy biển và hoàn lưu nhiệt muối toàn cầu cũng ảnh hưởng đáng kể đến giá trị trung bình nhiệt độ mặt biển trên hầu khắp các đại dư ng trên thế giới. Giá trị của nhiệt độ mặt biển rất quan trọng trong dự báo thời tiết, chẳng hạn như trong sự hình thành của gió biển và sư ng mù biển. Chúng cũng được sử dụng để hiệu chỉnh các phép đo từ các vệ tinh thời tiết.
Các phép đo này có thể được kết hợp theo nhiều cách khác nhau để tạo ra các bản đồ nhiệt độ bề mặt biển toàn cầu đ được sử dụng để dự báo thời tiết, dự áo đại dư ng và các ứng dụng ven biển như dự báo thủy sản, giám sát ô nhiễm và du lịch. Bản đồ nhiệt độ bề mặt biển cũng được sử dụng rộng rãi bởi các nhà hải dư ng học, các nhà khí tượng học và các nhà khoa học về khí hậu để nghiên cứu khoa học. Trước năm 1997, nhiệt độ bề mặt biển chỉ có sẵn trên toàn cầu từ việc thu thập thông tin vệ tinh IR, nhưng với sự ra đời của TMI, việc thu thập vi sóng trở nên có thể. Trong khi các IR nhiệt độ bề mặt biển có độ ph n giải cao h n so với các nhiệt độ bề mặt biển vi
sóng (IR từ 1 đến 4km so với vi sóng 25km), việc thu hồi hồng ngoại được ngăn chặn ởi các đám m y cho nhiệt độ bề mặt biển vi sóng được cải thiện kể từ khi nhiệt độ bề mặt biển có thể được đo qua đám m y. Điều này đ được chứng minh là đặc biệt quan trọng trong dự báo lốc xoáy nhiệt đới vì những đám m y xung quanh một c n o đ ngăn ngừa các phép đo nhiệt độ bề mặt biển đủ cho đến khi các dụng cụ vi sóng trở nên có sẵn trong năm 1998.
Nhiệt độ bề mặt biển được đo ởi các vệ tinh ay xung quanh trái đất. Vệ tinh quỹ đạo cực là vệ tinh bay ở độ cao khoảng 850km, có quỹ đạo gần như song song với các đường kinh tuyến của trái đất, nghiêng một góc gần 900 so với mặt phẳng xích đạo và góc nghiêng đó gần như không đổi trong quá trình hoạt động. Vệ tinh NOAA (của Mỹ) bay ở độ cao khoảng 850km với góc nh n 110.80, quay quanh trái đất 14 vòng mỗi ngày, mỗi vòng hết 98 đến 102 phút. Hiện tại các vệ tinh quỹ đạo cực trong hệ thống quan trắc toàn cầu của Hoa kỳ có loạt vệ tinh NOAA, dựa trên hệ thống TIROS- N, hoạt động từ năm 1978 cho đến nay đ là NOAA-17, hoạt động từ 2002. Hiện nay, ngành Khí tượng thủy văn nước ta đang thu số liệu từ các vệ tinh NOAA-15, NOAA- 16 và NOAA-17 của Hoa kỳ. Chúng đều có các loại thiết bị ghi hình (Imager) và thám trắc kế (sounder) khí quyển thẳng đứng, trong đó đáng chú ý là ức xạ kế độ phân giải rất cao AVHRR, các bộ thám trắc kế tiên tiến AMSU-A (-A1, -A2), AMSU-B thám sát khí quyển thẳng đứng tiên tiến và thám trắc kế bức xạ hồng ngoại độ phân giải cao (HIRS). Sản phẩm được sử dụng rộng rãi là các ảnh mây vệ tinh độ phân giải cao.
Nhiệt độ bề mặt biển đo từ vệ tinh cung cấp một cái nhìn tổng quát về đại dư ng cả theo không gian và thời gian, cho phép việc đánh giá động lực học lớp bề mặt đại dư ng trên một vùng rộng lớn mà các tàu và trạm phao không thể thực hiện được. Các vệ tinh quan trắc nhiệt độ bề mặt biển (MODIS) của NASA đ cung cấp dữ liệu nhiệt độ bề mặt biển toàn cầu kể từ năm 2000, với độ trễ một ngày [47].
Các phư ng pháp để xác định nhiệt độ bề mặt biển từ các vệ tinh viễn thám bao gồm hồng ngoại nhiệt và bức xạ vi sóng thụ động. Cả hai phư ng pháp đều có điểm mạnh và điểm yếu riêng.
Đo nhiệt độ bề mặt biển bằng phương pháp hồng ngoại nhiệt
Đo nhiệt độ bề mặt biển bằng phư ng pháp hồng ngoại nhiệt đ đư c thực hiện từ h n 30 năm. Chúng thu được từ những quan trắc bức xạ ở các ước sóng ~ 3,7 mm
hoặc gần 10 mm. Mặc dù kênh 3,7 mm nhạy cảm h n với nhiệt độ bề mặt, nó được sử dụng chủ yếu chỉ cho các phép đo vào an đêm v sự phản xạ tư ng đối mạnh mẽ của bức xạ mặt trời trong vùng ước sóng này gây nhiễu bức xạ thu nhận được. Cả hai dải sóng đều rất nhạy cảm với sự xuất hiện của mây, tán xạ bởi xon khí và h i nước trong khí quyển. V lý do này, các đo đạc hồng ngoại nhiệt của nhiệt độ bề mặt biển đầu tiên đòi h i sự hiệu chỉnh khí quyển của tín hiệu thu nhận và chỉ có thể được thực hiện cho các điểm ảnh không bị ảnh hưởng của mây. Vì vậy, các bản đồ nhiệt độ bề mặt biển biên dịch từ các đo đạc hồng ngoại nhiệt được tổng hợp thường theo hàng tuần hoặc hàng tháng, đ y là thời gian cho phép đủ để thu nhận được các điểm ảnh không bị mây che phủ trên toàn khu vực. Các thiết bị hồng ngoại nhiệt đ được sử dụng để thu nhận nhiệt độ bề mặt biển bao gồm: AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer); ATSR (Along-Track Scanning Radiometer); GOES (Geostationary Operational Environmental Satellite) Imager và MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer).
Đo nhiệt độ bề mặt biển bằng phương pháp bức xạ vi sóng th động
Do cường độ tín hiệu của đường cong bức xạ Planck trái đất thấp h n trong vùng vi sóng, độ chính xác và độ phân giải cho nhiệt độ bề mặt biển thu nhận được từ đo đạc vi sóng thụ động kém h n so với nhiệt độ bề mặt biển thu nhận được từ đo đạc hồng ngoại nhiệt. Tuy nhiên, ưu thế của các đo đạc vi sóng thụ động là bức xạ ở các ước sóng dài h n phần lớn là không bị ảnh hưởng bởi m y và thường dễ dàng h n để hiệu chỉnh cho các hiệu ứng khí quyển. Đo nhiệt độ bề mặt biển bằng phư ng pháp bức xạ vi sóng thụ động chủ yếu được thực hiện tại một kênh gần 7 GHz. Các thiết bị đo vi sóng thụ động đ được sử dụng để thu nhận nhiệt độ bề mặt biển bao gồm: SMMR (Scanning Multichannel Microwave Radiometer); TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission) và AMSR (Advanced Microwave Scanning Radiometer) [52].
Xác định độ dày lớp hoạt động bề mặt nhiệt độ nước biển
Lớp hoạt động là lớp mà ở đó quan trắc thấy biến tr nh năm của nhiệt độ hầu như không đáng kể. Để xác định độ s u iên dưới lớp hoạt động cần dựng đồ thị biến đổi của iên độ năm của nhiệt độ nước với độ sâu dựa vào số liệu. Độ sâu ở đó iên độ của nhiệt độ nước gần bằng không sẽ iên độ dưới của lớp hoạt động.
Trong đề tài nghiên cứu các tác giả đ dùng phư ng pháp theo các tính toán án thực nghiệm của các nhà khoa học trên thế giới. Đ y là phư ng pháp xác định dựa trên gradien của nhiệt độ theo độ s u, trước hết nội suy tuyến tính các tầng sâu từ các tầng sâu chuẩn từ đó tính gradien nhiệt độ tại các tầng s u đó, quá tr nh tính độ dày lớp hoạt động bề mặt nước biển cho vùng biển nghiên cứu được viết tổng quát bằng ngôn ngữ lập trình Fortran, hiển thị kết quả bằng công nghệ GIS phần mềm đồ hoạ Mapinfo. Công thức tính gradien nhiệt độ theo độ sâu:
G =
dz dT
Trong đó: G - gradien, T - nhiệt độ, z - độ sâu
Tại các gradien đó xác định hệ số đặc trưng cho từng lớp, lớp đồng nhất H1 (Mixed Layer), lớp đột biến nhiệt H2 (Thermocline).
Quy tr nh tính H1 và H2 được thực hiện như sau: Xác định gradien nhiệt độ từ mặt đến độ sâu Z, tính từ mặt xuống đến độ s u Z, H1 được tính từ mặt đến điểm giới hạn G1, trong báo cáo này chọn G1 ≤ 0.02, H2 được tính từ H1 đến điểm giới hạn G2, chọn 0.02 ≤ G2 ≤ 0.04 (xem hình 2.8).