CHƯƠNG 2 NGUỒN SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Nguồn số liệu
2.1.1. Nguồn số liệu điều tra, khảo sát biển
Các dữ liệu nhiệt độ tại vùng biển Việt Nam và khu vực kế cận đ được các nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu. Có thể thấy rõ qua các công trình khoa học đ công ố của các tác giả nước ngoài như Wirtkiet. all (1961). Các tác giả trong nước như Võ Văn Lành (1985, 1990), Đinh Văn Ưu (1988), Lê Phước Trình (1997), Lã Văn Bài (1985), Hoàng Xu n Nhuận (1977). Các c quan nghiên cứu đầu ngành trong cả nước như Viện Hải dư ng học Nha Trang, Phân viện Hải Dư ng học Hải Phòng (nay là Viện Tài nguyên và Môi trường biển), Phân viện Hải Dư ng học Hà Nội (nay là viện Địa chất và Địa Vật lý biển), Đại Học Quốc Gia. Khu vực biển Đông nói chung và vùng biển thuộc Tây Nam Việt Nam nói riêng cũng được nhiều chư ng tr nh nghiên cứu biển tiến hành nghiên cứu khảo sát. Các chuyến khảo sát biển của các chư ng tr nh lớn như NAGA (năm 1959 – 1961), chư ng tr nh Biển 48 - 06- 01, 48B- 01, KHCN-06, KC-09, chư ng tr nh Biển Đông-Hải Đảo, và các chuyến khảo sát của Nga, Anh, Nhật, Úc, Trung Quốc, Mỹ, Cộng hoà Liên ang Đức v.v.
Có thể tổng kết s ộ khối lượng khảo sát các chuyến khảo sát biển có quy mô lớn trên khu vực biển Đông như sau: trên 600 chuyến của Việt Nam, 230 chuyến của Liên Xô (cũ), 250 chuyến của Nhật Bản, 100 chuyến của Anh, 70 chuyến của Trung Quốc, 250 chuyến của Australia, 2837 chuyến của Mỹ, gần đ y là các chuyến khảo sát tổng hợp của Nhật bản và Đức. Tổng số trạm đo mặt rộng h n 150.000 trạm, 126.000 trạm đo nhiệt độ nước biển, 35.000 trạm đo độ muối, 8.000 trạm đo độ dinh dưỡng, 3.000 trạm đo chất nhiễm bẩn môi trường, v.v. Các tầu nghiên cứu biển như Gagarinski, Lavreinchep, Sosanski, Bogorov, Nhesmianov, SONNEY đ cung cấp một số lượng lớn tài liệu phong phú và đáng tin cậy. Các bản đồ khí tượng thuỷ văn iển của Việt Nam đ sử dụng các chuỗi số liệu khí tượng thuỷ văn iển trong vòng nhiều năm. Các số liệu này chủ yếu cho đến năm 1985 được thu thập từ các trạm khí tượng hải văn cố định thuộc ngành Khí tượng Thuỷ văn quản lý và từ các trạm quan trắc trên tầu biển, giàn khoan dầu khí. Nguồn số liệu để xây dựng các bản đồ này là các trạm quan trắc thu thập được trong thời kỳ từ 1959 đến 1987. Việc thống kê và tính toán các đặc
trưng được tiến hành cho các ô vuông kích thước 1x1 độ kinh vĩ tuyến. Ngoài ra, có thể tham khảo các số liệu tại Trung tâm dữ liệu của Viện Hải dư ng học Nha Trang và Viện Địa chất và Địa vật lý Biển.
Dữ liệu đo đạc thực địa là nguồn số liệu bao gồm 32 điểm đo được thực hiện vào tháng 3, 4 và 11 năm 2017 ằng thiết bị đo các thông số hoá lý tại hiện trường AAQ1183s-IF trong khuôn khổ đề tài: “Ứng dụng viễn thám và GIS nghiên cứu xu thế biến động điều kiện tự nhiên và tài nguyên thiên nhiên làm cơ sở khoa học định hướng phát triển kinh tế và đảm bảo quốc phòng - an ninh vùng biển đảo Tây Nam Việt Nam”, mã số VT - UD.01/16-20, thuộc Chư ng tr nh KHCN cấp Quốc gia về công nghệ vũ trụ giai đoạn 2016 – 2020. Nguồn số liệu này được đo đạc theo 3 mặt cắt Rạch Giá - Phú Quốc, Phú Quốc - Thổ Chu và Thổ Chu - Cà Mau (Hình 2.1), chúng được sử dụng để đánh giá tư ng quan với kết quả tính toán được từ dữ liệu viễn thám.
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí đo nhiệt độ m t biển thực địa
Do số liệu được thu thập từ nhiều nguồn khác nhau, tại những khoảng thời gian khác nhau và phạm vi phân bố của các nguồn số liệu cũng khác nhau. Vì vậy, việc lựa chọn số liệu để đưa vào xử lý là rất cần thiết. Trong luận văn này, các nguồn số liệu gốc cũng như các số liệu tổng hợp của nhiều thời kỳ có thời gian từ năm 2002 đến nay
được sử dụng. Các nguồn số liệu trước thời gian này phần lớn là những số liệu chưa thông qua xử lý tổng hợp hoặc kết quả chỉ phân tích ở tỷ lệ rất nh . Về c ản không phản ánh được các thông tin chi tiết cho bản đồ 1:100.000. Theo các kết quả nghiên cứu từ năm 1990 trở lại đ y, có nhiều công tr nh đ là sự tổng hợp và xử lý của nhiều nguồn số liệu trước đó, v vậy khi ph n tích và đối sánh số liệu đ công ố trong các thời kỳ khác nhau, chúng ta dựa vào và kế thừa các số liệu cũng như kết quả nghiên cứu công bố từ 1990 trở lại đ y là hoàn toàn hợp lý và đầy đủ.
2.1.2. Nguồn số liệu vệ tinh, ra da
Kể từ năm 2013, nhiều quốc gia hoặc c quan khác nhau bao gồm Úc, Canada, ESA, Pháp, Nhật, Anh và Hoa Kỳ đ tạo ra tổng cộng 61 bộ dữ liệu GHRSST L2, L3 và L4. Sản phẩm GHRSST, L2 thường được gọi là sản phẩm L2P (được xử lý trước); đ y là một sản phẩm GHRSST cụ thể được thiết kế để dễ dàng xử lý dữ liệu (GHRSST, 2013 ). Ở Hoa Kỳ, tất cả các bộ dữ liệu tuân thủ quy định của GHRSST đều được nhập vào Trung tâm tập hợp dữ liệu toàn cầu (Global Data Assembly Center - GDAC) thuộc PO.DAAC (GHRSST, 2013a). Tại GDAC, dữ liệu GHRSST là có sẵn trong kho chứa kéo dài 30 ngày và sau đó được gửi đến NODC_National Oceanographic Data Center) để lưu trữ vĩnh viễn. Trong số 61 bộ dữ liệu này, hiện có 29 bộ dữ liệu L2, 11 bộ dữ liệu L3 và 21 bộ dữ liệu L4. Độ phân giải theo thời gian của nó từ 15 phút đến hàng ngày, với đa số là hàng ngày. Đối với dữ liệu dạng vệt đo (L2), độ phân giải không gian dao động từ 1 đến 25 km; Cho dữ liệu lưới điện, từ 0.01 – 0.250.
Phục vụ cho việc sử dụng dữ liệu độ phân dải cao giải ngắn hạn, JPL đ phát triển bộ dữ liệu độ phân giải cao đa tỉ lệ (Multi-scale Ultra-high Resolution MUR), cung cấp thông tin về nhiệt độ bề mặt biển toàn cầu hàng ngày ở độ phân giải không gian 0,010 (khoảng 1km) trong đó MUR có sẵn từ tháng 6/2002 đến nay. Đ y chính là nguồn dữ liệu được sử dụng trong luận văn này.
Mô tả về nguồn d liệu d ng
- Bộ dữ liệu độ phân giải cao đa tỉ lệ phiên bản 4 (MUR) L4 được phân tích dựa trên các quan trắc nhiệt độ bề mặt biển từ một số thiết bị bao gồm AMSRE (Advanced Microwave Scanning Radiometer-EOS) của NASA, MODIS (Moderate Resolution Imaging.Spectroradiometer) trên vệ tinh Aqua và Terra của NASA, thiết bị vi sóng
trên vệ tinh WindSat của Hải quânHoa Kỳ, AVHRR.(Advanced Very High. Resolution Radiometer) trên một số vệ tinh NOAA, và các quan sát SST ngoài thực địa từ dự án iQuam của NOAA…
-Tập dữ liệu này được tài trợ bởi chư ng tr nh MEaSUREs của NASA (http://earthdata.nasa.gov/our-community/community-data-system-
programs/measures-projects) do nhóm Tiến sĩ Toshio M.Chin từ JPL. Tập dữ liệu này tuân thủ thông số định dạng của chế độ xử lý dữ liệu GHRSST (GDS) phiên bản 2.
- Phạm vi không gian: -90 đến 90 theo vĩ độ; -180 đến 180 theo kinh độ. - Độ phân giải không gian: 0,01 độ x 0,01 độ.
- Độ phân giải theo thời gian:từng ngày. - Số liệu có từ năm 2002 đến nay
Cách thu thập ố liệu
Bước 1: vào trang web: https://podaac-
opendap.jpl.nasa.gov/opendap/allData/ghrsst/data/GDS2/L4/GLOB/JPL/MUR/v4.1/
Tiếp theo, trong trang we này có các mục thông tin, truy cập dữ liệu, cách sử dụng các tài liệu, trích dẫn và các tệp file dữ liệu của các năm từ năm 2002 đến 2017 (mỗi ngày trang sẽ update các số liệu mới nhất lên).
Sau đó tiến hành download dữ liệu theo.link sau:
https://podaacopendap.jpl.nasa.gov/opendap/allData/ghrsst/data/GDS2/L4/GLOB/JPL/ MUR/v4.1/ (Hình 2.3)
Hình 2.3: File dữ liệu
Bước 2: khi đ vào đường dẫn ở trên, ta chọn 1 ngày ất k , chọn vào tệp cần lấy, th sẽ xuất hiện một mẫu yêu cầu dữ liệu được lập tr nh sẵn và chọn vào trường nhiệt độ với kinh độ, vĩ độ tư ng ứng (Hình 2.4)
Hình 2.4: Mẫu chọn năm và ngày cần lấy dữ liệu
Bước 3: Saukhi đ nhập hết thông tin ta ấn Get ASCll (hình 2.5) và phần mềm này sẽ xuất cho ta một tệp dữ liệu, trong tệp dữ liệu có các thông tin như vĩ độ, độ Kelvin…
Hình 2.6: Tệp dữ liệu đƣợc tải xuống
Thông tin tệp dữ liệu: Glo al Attri utes cho các thông tin về kinh độ, vĩ độ, thời gian ắt đầu, thời gian kết thúc…
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).