CHƯƠNG 3: THÔNG SỐ KỸ THUẬT CỦA LASER XUNG Nd:YAG ĐÃ CHẾ TẠO VÀ CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU MÂY TI SỬ DỤNG HỆ LIDAR DI ĐỘNG
3.2. Kết quả quan trắc mây Ti tầng cao sử dụng hệ lidar di động
3.2.3. Các đặc trưng vi mô của mây Ti tầng cao
Hình 3.11 là tín hiệu của 1 phép đo của hệ lidar ghi nhận trên kênh tán xạ đàn hồi trong chế độ đếm photon lấy trung bình trong thời gian 50 phút tương đương với 50000 xung laser. Tín hiệu thể hiện rất rõ sự tồn tại của lớp mây Ti phân bố trên độ cao từ 11,7 km tới 14,7 km, trong khoảng không gian có mây Ti chúng ta thấy rõ sự hấp thụ mạnh mẽ của lớp tinh thể băng trong lớp mây đối với năng lượng xung laser truyền qua, làm cho cường độ tín hiệu giảm từ mức 7 xuống dưới mức 6 trong thang
Thơi gian thực
Độ cao
Thời gian quan trắc
Độ cao
log, tức là giảm đi khoảng 10 lần về mặt năng lượng giữa 2 vị trí đáy và đỉnh của lớp mây Ti.
Độ cao đỉnh và độ cao đáy của lớp mây là thông số cơ bản cần để đưa vào thuật toán xác định các thông số vĩ mô cũng như vi mô khác của mây Ti như: Độ dày, độ sâu quang học, hệ số tán xạ ngược… Để xác định vị trí chính xác của lớp mây Ti chúng tôi sử dụng thuật toán Gradient được trình bày trong mục 2.3, theo công thức 2.3 và hình minh họa 3.5, tương đương với thuật toán trong phần phụ lục 2.6.
Hình 3.11: Đồ thị cho phép xác định độ cao đỉnh và đáy lớp mây Ti kết quả phép đo được lấy lấy trung bình từ 50000 xung laser tương đương 50 phút quan trắc ở chế độ đếm photon được thực hiện tại Quảng Bình sử dụng hệ lidar di động.
10 11 12 13 14 15 16 17 18
5 6 7 8 9 10
Height (km)
Log(I*Z*Z)
Lidar signal Fit @ above Fit @ below
Độ cao (km)
Cường độ tín hiệu
Đáy lớp mây Ti
Đỉnh lớp mây Ti
Hình 3.12: Đồ thị thể hiện tiết hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti theo thuật toán Fernald [1].
Hình 3.12 thể hiện rõ tiết diện tán xạ lớp mây chiếm ưu thế hoàn toàn - đường màu đỏ so với tiết diện tán xạ từ các phân tử khí trong miền quan sát – đường màu tím. Từ thông số trên hình 3.12 chúng tôi xác định được giá trị trung bình của hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti là: 0,55. 10-5 (m-1sr-1).
Hình 3.13: Tỷ số tán xạ ngược của lớp mây Ti so với lớp phân tử khí từ 10 km tới 18 km.
Hình 3.13 thể hiện rõ cường độ tín hiệu tán xạ quay về của lớp mây Ti lớn hơn tín hiệu của các phân tử khí tới 80 lần tại vị trí tâm đám mây có mật độ đậm đặc nhất.
Chính sự khác biệt về khả năng tán xạ ngược của lớp mây Ti mà vai trò của chúng
10 11 12 13 14 15 16 17 18
0 1 2
x 10-4
He so tan xa (m-1sr-1)
Do cao (km)
Back scat Sum Back scat Aer Back Mole
10 11 12 13 14 15 16 17 18
04 20 40 60 80
Ty so tan xa nguoc
Do cao (km)
Độ cao (km)
Tiết diện tán xạ ngược
Độ cao (km)
Tỉ số tán xạ ngược
trong hiệu ứng nhà kính giam giữ bức xạ của bề mặt trái đất là đáng kể. Vì đó các tham số về hệ số tán xạ ngược của lớp mây Ti là một chỉ số quan trọng trong mô hình dự báo thời tiết và biến đổi khí hậu của NASA.
Trong các tham số vi mô của son khí tầng cao thì độ sâu quang học là tham số quan trọng bậc nhất. 𝜏 được xác định bằng biểu thức 2.4 trong chương 2 của luận văn và chương trình số tương ứng trong phụ lục 2.6. Độ sâu quang học thể hiện phần năng lượng bức xạ laser mất mát do tán xạ hoặc hấp thụ xảy ra trên miền không gian truyền qua của bức xạ, nó đặc trưng cho sự mất mát năng lượng bức xạ gây ra bởi môi trường. Hiểu biết về độ sâu quang học của miền khí quyển tại nơi quan trắc cho phép chúng ta đánh giá được mức độ ảnh hưởng của lớp khí quyển tới hiệu ứng nhà kính và lượng năng lượng bức xạ đóng góp của mặt trời lên tổng thể năng lượng gây ra các hiện tượng tự nhiên trên bầu khí quyển của trái đất. Độ sâu quang học là một thông số quan trọng trong mô hình dự báo khí hậu của Trái đất mà mô hình dự báo hiện đang được sử dụng.
Hình 3.14: Sự thay đổi độ sâu quang học của lớp khí quyển có mây Ti trong miền từ 7 tới 18 km, độ sâu quang học đã được chuẩn hóa về 1 đơn vị trên toàn miền dưới 18 km.
Hình 3.14 thể hiện đóng góp của mây Ti trong quá trình lưu giữ năng lượng của bức xạ Mặt trời trong tầng đối lưu của Trái đất. Như trong phép đo này, mây Ti
7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
0.8 0.85 0.9 0.95 1
Do sau quang hoc
Do cao (Km)Độ cao
Độ sâu quang học chuẩn hóa
tồn tại trong khoảng 3 km nhưng hấp thụ gần như hoàn toàn năng lượng bức xạ truyền trong khoảng 11 km từ độ cao 7 km tới 18 km.
Bảng 3.2. Thông số quang đặc trưng của lớp mây Ti xác định từ tín hiệu đàn hồi của hệ lidar di động.
Tham số đặc trưng Kí hiệu Giá trị
Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại 18 km (1) S/n 10,82 Tỉ số tín hiệu trên nhiễu tại 18 km (2) S/n 2,014
Độ cao đỉnh lớp mây Htop 14,7 km
Độ cao đáy lớp mây Hbase 11,7 km
Độ sâu quang học 𝜏 0,597
Hệ số suy hao trung bình 𝜎̅ = 𝜏
∆𝑧
1,99 10-4 m-1 Hệ số tán xạ ngược trung bình 𝛽̅ 0,55. 10−5(𝑚−1𝑠𝑟−1)
Tỉ số Lidar S 58
Trường hợp (1) là phép đo của hệ lidar di động khi sử dụng kĩ thuật đếm photon sử dụng PMT gated quan trắc vào ban đêm và trường hợp thứ (2) là tín hiệu thu được khi sử dụng PMT R4700 của hãng Hamamatsu hoạt động ở chế độ tương tự khi quan trắc vào ban ngày trong cùng khoảng thời gian 50 phút. Các khảo sát trong thời gian ngắn tại Quảng Bình, TP Hồ Chí Minh và Hà Nội của hệ lidar mobile cùng với số liệu từ hệ lidar cố định sử dụng laser Quantel được nhóm nghiên cứu tập hợp và xử lý để công bố trong bài báo “PROPERTIES OF CIRRUS CLOUDS FROM LIDAR MEASUREMENTS ABOVE VIETNAM” sắp tới của nhóm trong thời gian kéo dài từ 2011 tới 2017. Trong quá trình xử lý tín hiệu chúng tôi nhận thấy chất lượng tín hiệu từ hai hệ đo là hoàn toàn tương đương và không có sự khác biệt khi so sánh kết quả các phép đo đồng thời cả hai hệ trong miền khảo sát dưới 20 km.