Nghiên Cứu Xác Định Các Thông Số Khí Quyển Từ Số Liệu Lidar Quan Trắc Xon Khí

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu xác định thông số khí quyển từ dữ liệu lidar quan trắc xon khí, ứng dụng trong phân tích môi trường và khí tượng.

• Tác giả: Trần Phúc Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Anh
• Trường học: Trường Đại Học Tài Nguyên Và Môi Trường Hà Nội
• Chuyên ngành: Khí Tượng Và Khí Hậu Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Xác Định Các Thông Số Khí Quyển Từ Dữ Liệu Lidar Quan Trắc Xon Khí
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CƠ SỞ KHOA HỌC LIDAR
• 1.1. Kỹ thuật LIDAR
• 1.2. Lược sử về công nghệ LIDAR
• 1.3. Hệ thống LIDAR
• 1.4. Phân loại và ứng dụng của LIDAR
• 1.5. Phương trình LIDAR
• 1.6. Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR
• 1.6.1. Nghiên cứu ngoài nước
• 1.6.2. Nghiên cứu trong nước
• 1.7. Khí quyển và các thông số khí quyển
• 1.7.1. Cấu trúc của khí quyển
• 1.7.1.1. Thành phần của khí quyển
• 1.7.1.2. Phân tầng khí quyển
• 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
• 2.1. Mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA)
• 2.2. Số liệu bóng thám không
• 2.3. Các phương pháp xác định các thông số khí quyển
• 2.3.1. Xác định hệ số suy hao bằng phương pháp độ dốc
• 2.3.2. Xác định hệ số tán xạ ngược, hệ số suy hao bằng phương pháp điểm biên
• 2.3.3. Phương pháp xác định độ cao lớp biên khí quyển
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Thuật toán xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR
• 3.1.1. Sơ đồ thuật toán và các bước tính toán
• 3.1.2. Chương trình tính
• 3.2. Xử lý số liệu và phân tích đánh giá một số trường hợp cụ thể
• 3.3. Các thông số khí quyển và đặc trưng của xon khí quan trắc bằng thiết bị LIDAR IGP
• 3.4. Quan trắc mây Ci bằng LIDAR IGP ngày 25/12/2017
• 3.5. Độ cao lớp biên khí quyển từ số liệu LIDAR MPLNET và bóng thám không
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC II

Tóm tắt

I. Giới thiệu và mục tiêu nghiên cứu

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc nghiên cứu khoa học để xác định các thông số khí quyển từ dữ liệu Lidar trong quá trình quan trắc xon khí. Mục tiêu chính của nghiên cứu là tính toán các thông số như hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược, và độ dày quang học khí quyển. Nghiên cứu cũng nhằm phân tích các trường hợp điển hình để đánh giá hiệu quả của phương pháp sử dụng kỹ thuật Lidar trong phân tích khí quyển.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu

Việc quan trắc xon khí và các đối tượng khác trong khí quyển là vấn đề cấp thiết do ảnh hưởng trực tiếp đến thời tiết và khí hậu. Công nghệ quan trắc như Lidar đã được phát triển để đo đạc các thông số khí quyển một cách chính xác. Tuy nhiên, ở Việt Nam, việc ứng dụng Lidar trong khí tượng học vẫn còn hạn chế, đòi hỏi các nghiên cứu sâu hơn.

1.2. Mục tiêu cụ thể

Nghiên cứu đặt ra hai mục tiêu chính: (1) Tính toán các thông số khí quyển từ dữ liệu Lidar, bao gồm hệ số suy hao và tán xạ ngược; (2) Phân tích các trường hợp điển hình để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Các kết quả này sẽ góp phần vào việc ứng dụng Lidar trong khoa học môi trường và khí tượng học.

II. Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên phương pháp nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Lidar để thu thập và xử lý dữ liệu Lidar. Phương pháp điểm biên (Klett-Fernald) được áp dụng để tính toán các thông số khí quyển. Nghiên cứu cũng sử dụng mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA) và số liệu bóng thám không để đảm bảo độ chính xác.

2.1. Kỹ thuật Lidar

Lidar là công nghệ quan trắc chủ động, sử dụng ánh sáng laser để đo đạc các thông số khí quyển. Các tín hiệu tán xạ ngược được thu nhận và phân tích để xác định các đặc tính của khí quyển. Lidar được phân loại dựa trên mục đích sử dụng, bao gồm Lidar quan trắc xon khí, mây, và các lớp khí quyển khác.

2.2. Phương pháp xử lý dữ liệu

Phương pháp điểm biên (Klett-Fernald) được sử dụng để tính toán hệ số suy hao và tán xạ ngược từ dữ liệu Lidar. Phương pháp này dựa trên việc xác định các điểm tham chiếu trong tín hiệu Lidar để tính toán các thông số khí quyển. Nghiên cứu cũng sử dụng phương pháp biến đổi hiệp phương sai (WCT) để xác định độ cao lớp biên khí quyển.

III. Kết quả và thảo luận

Nghiên cứu đã xác định được các thông số khí quyển như hệ số suy hao, tán xạ ngược, và độ dày quang học từ dữ liệu Lidar. Các kết quả được so sánh với số liệu bóng thám không và dữ liệu AERONET để đảm bảo độ chính xác. Nghiên cứu cũng phân tích các trường hợp điển hình, bao gồm quan trắc mây Ci và xon khí, để đánh giá hiệu quả của phương pháp.

3.1. Xác định thông số khí quyển

Các thông số khí quyển như hệ số suy hao và tán xạ ngược được tính toán từ dữ liệu Lidar sử dụng phương pháp điểm biên. Kết quả cho thấy sự tương quan cao giữa các giá trị tính toán và số liệu bóng thám không, chứng minh tính hiệu quả của phương pháp.

3.2. Phân tích trường hợp điển hình

Nghiên cứu phân tích các trường hợp quan trắc mây Ci và xon khí, cho thấy khả năng của Lidar trong việc xác định các đặc tính của khí quyển. Các kết quả này góp phần vào việc ứng dụng Lidar trong khí tượng học và khoa học môi trường.

IV. Kết luận và kiến nghị

Nghiên cứu đã chứng minh hiệu quả của kỹ thuật Lidar trong việc xác định các thông số khí quyển từ dữ liệu Lidar. Các kết quả nghiên cứu có giá trị thực tiễn cao, đóng góp vào việc phân tích khí quyển và quan trắc xon khí. Nghiên cứu cũng đề xuất các hướng phát triển trong tương lai, bao gồm việc mở rộng ứng dụng Lidar trong khí tượng học và khoa học môi trường.

4.1. Giá trị thực tiễn

Nghiên cứu cung cấp các phương pháp và công cụ hiệu quả để đo đạc khí quyển và phân tích khí quyển, góp phần vào việc nâng cao hiểu biết về khí quyển Trái Đất. Các kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong các lĩnh vực như khí tượng học, khoa học môi trường, và quan trắc xon khí.

4.2. Hướng phát triển

Nghiên cứu đề xuất việc mở rộng ứng dụng Lidar trong các nghiên cứu về khí quyển Trái Đất và khoa học môi trường. Các hướng nghiên cứu trong tương lai bao gồm việc phát triển các phương pháp xử lý dữ liệu tiên tiến và tích hợp Lidar với các công nghệ quan trắc khác.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Quan trắc các thông số khí quyển đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu và dự báo các hiện tượng thời tiết, khí hậu cũng như đánh giá chất lượng không khí. Theo ước tính, hơn 99% khối lượng khí quyển tập trung ở độ cao dưới 30 km, với thành phần đa dạng gồm ni-tơ, ô-xy, hơi nước, xon khí và các khí khác. Xon khí, bao gồm các hạt rắn và lỏng lơ lửng trong khí quyển, có kích thước từ 1 nm đến vài trăm micromet, ảnh hưởng trực tiếp đến bức xạ mặt trời và các quá trình vật lý trong khí quyển. Việc xác định chính xác các thông số khí quyển như hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược và độ dày quang học xon khí là cần thiết để phục vụ nghiên cứu môi trường, ô nhiễm không khí và ứng dụng viễn thám.

Luận văn tập trung nghiên cứu xác định các thông số khí quyển từ số liệu LIDAR quan trắc xon khí, sử dụng dữ liệu thu thập từ hệ thống LIDAR IGP tại Viện Vật lý Địa cầu và LIDAR MPLNET tại Hà Nội trong khoảng thời gian từ tháng 12/2017 đến tháng 5/2018. Mục tiêu chính là xây dựng thuật toán xử lý số liệu LIDAR theo phương pháp điểm biên (Klett – Fernald) để tính toán các thông số khí quyển, đồng thời phân tích và đánh giá một số trường hợp điển hình nhằm nâng cao độ chính xác và ứng dụng thực tiễn. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển công nghệ quan trắc khí quyển tại Việt Nam, góp phần cải thiện dự báo thời tiết và đánh giá ô nhiễm không khí dựa trên các chỉ số khoa học cụ thể.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình nghiên cứu chính:

1. Phương trình LIDAR: Mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu tán xạ ngược thu được và các thông số khí quyển, bao gồm hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao do xon khí và phân tử gây ra. Phương trình này là cơ sở để tính toán các thông số khí quyển từ dữ liệu LIDAR.

2. Phương pháp điểm biên (Klett – Fernald): Phương pháp giải phương trình LIDAR dựa trên việc biết trước giá trị hệ số suy hao tại một điểm tham chiếu trong khí quyển, từ đó tính toán các giá trị tại các độ cao khác nhau. Phương pháp này cho phép xác định hệ số tán xạ ngược và hệ số suy hao xon khí một cách chính xác hơn so với phương pháp độ dốc truyền thống.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu bao gồm:

• Hệ số suy hao (extinction coefficient): Đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm bức xạ mặt trời trong khí quyển do hấp thụ và tán xạ bởi xon khí và phân tử.
• Hệ số tán xạ ngược (backscatter coefficient): Đại lượng đặc trưng cho cường độ ánh sáng bị tán xạ ngược trong một đơn vị thể tích và góc khối.
• Độ dày quang học xon khí (Aerosol Optical Depth - AOD): Tích phân của hệ số suy hao xon khí từ mặt đất lên tới đỉnh khí quyển, phản ánh mức độ mờ đục của khí quyển do xon khí.
• Lớp biên hành tinh (Planetary Boundary Layer - PBL): Lớp khí quyển thấp nhất, có độ dày khoảng 1,5 – 3 km, chịu ảnh hưởng trực tiếp của bề mặt trái đất và các quá trình chuyển động rối.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

• Số liệu LIDAR IGP: Thu thập tại Viện Vật lý Địa cầu từ tháng 12/2017 đến tháng 5/2018, sử dụng laser Nd-YAG với các bước sóng 1064 nm, 532 nm, 355 nm và 266 nm. Độ phân giải không gian đạt tới 2-3 m, với chế độ đo trung bình tín hiệu (Average 512) để giảm nhiễu.
• Số liệu LIDAR MPLNET: Thu thập tại Hà Nội trong năm 2011-2012, cung cấp dữ liệu về cấu trúc thẳng đứng của xon khí, mây và độ cao lớp biên.
• Số liệu AERONET: Dữ liệu độ dày quang học xon khí (AOD) từ quang phổ kế CIMEL 318, dùng để hiệu chỉnh và so sánh kết quả tính toán từ LIDAR.
• Số liệu bóng thám không: Thu thập tại trạm VVNB, cung cấp thông tin về áp suất, nhiệt độ, mật độ khí quyển phục vụ cho mô hình khí quyển tiêu chuẩn quốc tế (ISA).

Phương pháp phân tích chính là xử lý số liệu LIDAR theo phương pháp điểm biên Klett – Fernald, kết hợp với mô hình khí quyển ISA và số liệu thám không để xác định các thông số khí quyển. Thuật toán xử lý số liệu được xây dựng và triển khai trên phần mềm chuyên dụng, bao gồm các bước hiệu chỉnh tín hiệu, loại bỏ nhiễu nền, tính toán hệ số suy hao và tán xạ ngược, xác định độ cao lớp biên khí quyển.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 12/2017 đến tháng 5/2018 cho thu thập số liệu LIDAR IGP, cùng với việc sử dụng số liệu MPLNET và AERONET từ các năm trước để so sánh và đánh giá. Quá trình xử lý và phân tích số liệu được thực hiện song song với thu thập dữ liệu, đảm bảo tính liên tục và chính xác của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định hệ số suy hao xon khí: Sử dụng phương pháp điểm biên, hệ số suy hao xon khí được tính toán với giá trị dao động trong khoảng 0.02 – 0.15 km⁻¹ tùy theo điều kiện quan trắc. Ví dụ, trong kỳ quan trắc ngày 09/03/2018, hệ số suy hao đạt khoảng 0.1 km⁻¹ tại độ cao 1 km, giảm dần lên trên cao.

2. Hệ số tán xạ ngược xon khí: Kết quả cho thấy hệ số tán xạ ngược dao động từ 1×10⁻⁶ đến 5×10⁻⁵ m⁻¹ sr⁻¹, phản ánh sự phân bố không đồng đều của xon khí trong khí quyển. So sánh với số liệu MPLNET tại Hà Nội cho thấy sự tương đồng trong cấu trúc thẳng đứng của xon khí.

3. Độ dày quang học xon khí (AOD): Giá trị AOD tính từ số liệu LIDAR và AERONET có sự tương quan cao, với sai số trung bình dưới 10%. Ví dụ, ngày 09/04/2018, AOD đo được từ LIDAR là 0.25, trong khi AERONET báo cáo 0.27.

4. Độ cao lớp biên khí quyển: Độ cao lớp biên được xác định dao động trong khoảng 1.2 – 2.8 km, phù hợp với các nghiên cứu trước đó và số liệu thám không. Độ cao lớp biên có xu hướng tăng vào ban ngày và giảm vào ban đêm, phản ánh ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và chuyển động rối trong khí quyển.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các biến động trong hệ số suy hao và tán xạ ngược chủ yếu do sự thay đổi mật độ và thành phần xon khí trong khí quyển, chịu ảnh hưởng bởi điều kiện thời tiết, nguồn phát thải và quá trình vận chuyển khí quyển. Kết quả phù hợp với các nghiên cứu quốc tế như của Liu và cộng sự (2017) tại Thượng Hải, cũng như các nghiên cứu trong nước về đặc trưng xon khí tại Việt Nam.

Việc sử dụng phương pháp điểm biên Klett – Fernald cho phép xác định chính xác hơn các thông số khí quyển so với phương pháp độ dốc truyền thống, đặc biệt trong điều kiện khí quyển không đồng nhất. Dữ liệu LIDAR kết hợp với số liệu AERONET và thám không giúp nâng cao độ tin cậy và tính chính xác của kết quả.

Các biểu đồ tín hiệu LIDAR hiệu chỉnh khoảng cách, hệ số suy hao và tán xạ ngược thể hiện rõ sự phân bố theo chiều cao của xon khí, đồng thời cho phép xác định các lớp mây và lớp biên khí quyển một cách trực quan. Bảng so sánh AOD giữa LIDAR và AERONET minh chứng cho tính khả thi của phương pháp trong nghiên cứu khí quyển thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai hệ thống LIDAR đa điểm tại các vùng đô thị và công nghiệp nhằm thu thập dữ liệu khí quyển liên tục, nâng cao độ phân giải không gian và thời gian của các thông số khí quyển. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp với các viện nghiên cứu.

2. Phát triển phần mềm xử lý số liệu LIDAR tự động tích hợp phương pháp điểm biên để rút ngắn thời gian phân tích và tăng tính chính xác, hỗ trợ công tác dự báo và cảnh báo ô nhiễm không khí. Thời gian thực hiện: 6-12 tháng; Chủ thể: Các nhóm nghiên cứu công nghệ thông tin và khí tượng.

3. Tăng cường phối hợp sử dụng số liệu LIDAR với các mạng lưới quan trắc khác như AERONET, MPLNET và thám không để xây dựng hệ thống quan trắc khí quyển đa nguồn, phục vụ nghiên cứu khí hậu và môi trường toàn diện. Thời gian thực hiện: liên tục; Chủ thể: Viện nghiên cứu khí tượng, các tổ chức quốc tế.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho cán bộ kỹ thuật và nhà khoa học về công nghệ LIDAR và xử lý số liệu khí quyển nhằm đảm bảo vận hành hiệu quả hệ thống và khai thác tối đa dữ liệu thu thập được. Thời gian thực hiện: 1 năm; Chủ thể: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường, Viện Vật lý Địa cầu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu và chuyên gia khí tượng – khí hậu: Sử dụng kết quả để phát triển các mô hình dự báo thời tiết, khí hậu và nghiên cứu ảnh hưởng của xon khí đến môi trường.

2. Cơ quan quản lý môi trường và chính sách công: Áp dụng các thông số khí quyển chính xác trong đánh giá chất lượng không khí, xây dựng chính sách kiểm soát ô nhiễm và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

3. Các viện nghiên cứu và trường đại học chuyên ngành khoa học môi trường, vật lý khí quyển: Là tài liệu tham khảo quan trọng cho việc đào tạo, nghiên cứu và phát triển công nghệ quan trắc khí quyển hiện đại.

4. Doanh nghiệp và tổ chức phát triển công nghệ viễn thám và quan trắc môi trường: Tham khảo để cải tiến thiết bị LIDAR, phát triển phần mềm xử lý số liệu và ứng dụng trong các dự án giám sát môi trường.

Câu hỏi thường gặp

1. LIDAR là gì và tại sao được sử dụng trong quan trắc khí quyển?
   LIDAR (Light Detection and Ranging) là kỹ thuật quan trắc chủ động sử dụng laser để đo khoảng cách và phân tích các thành phần khí quyển dựa trên tín hiệu tán xạ ngược. LIDAR cho phép đo đạc chính xác các thông số như hệ số suy hao, tán xạ ngược và độ dày quang học, rất hữu ích trong nghiên cứu khí tượng và ô nhiễm không khí.

2. Phương pháp điểm biên Klett – Fernald có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp điểm biên cho phép xác định các thông số khí quyển chính xác hơn bằng cách sử dụng giá trị hệ số suy hao tại một điểm tham chiếu, giúp giải phương trình LIDAR hiệu quả trong điều kiện khí quyển không đồng nhất, vượt trội hơn phương pháp độ dốc chỉ cho giá trị trung bình.

3. Dữ liệu LIDAR có thể ứng dụng trong những lĩnh vực nào?
   Dữ liệu LIDAR được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu khí hậu, dự báo thời tiết, đánh giá ô nhiễm không khí, nghiên cứu phân bố xon khí và mây, hiệu chỉnh khí quyển cho ảnh vệ tinh, cũng như trong các dự án giám sát môi trường và quản lý tài nguyên thiên nhiên.

4. Làm thế nào để đảm bảo độ chính xác của số liệu LIDAR?
   Độ chính xác được nâng cao bằng cách kết hợp số liệu LIDAR với các nguồn dữ liệu khác như AERONET, MPLNET và số liệu thám không, đồng thời sử dụng các thuật toán xử lý tín hiệu tiên tiến như phương pháp điểm biên và hiệu chỉnh nhiễu nền.

5. Việt Nam đã áp dụng công nghệ LIDAR trong quan trắc khí quyển như thế nào?
   Hiện tại, công nghệ LIDAR tại Việt Nam mới được triển khai ở một số viện nghiên cứu và trường đại học, với các hệ thống như LIDAR IGP và MPLNET tại Hà Nội. Nghiên cứu vẫn đang trong giai đoạn phát triển và mở rộng ứng dụng để phục vụ công tác dự báo và quản lý môi trường.

Kết luận

• Luận văn đã xây dựng thành công thuật toán xử lý số liệu LIDAR theo phương pháp điểm biên để xác định các thông số khí quyển như hệ số suy hao, hệ số tán xạ ngược và độ dày quang học xon khí.
• Kết quả phân tích các trường hợp điển hình cho thấy sự phù hợp cao giữa số liệu LIDAR và các nguồn dữ liệu tham chiếu như AERONET và MPLNET, đảm bảo độ tin cậy của phương pháp.
• Độ cao lớp biên khí quyển được xác định chính xác, góp phần nâng cao hiểu biết về cấu trúc khí quyển và ảnh hưởng của xon khí đến môi trường.
• Nghiên cứu góp phần phát triển công nghệ quan trắc khí quyển tại Việt Nam, mở ra hướng ứng dụng trong dự báo thời tiết và đánh giá ô nhiễm không khí.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng mạng lưới quan trắc LIDAR, phát triển phần mềm xử lý tự động và đào tạo nhân lực chuyên môn để ứng dụng rộng rãi hơn trong thực tiễn.

Hành động khuyến nghị: Các cơ quan nghiên cứu và quản lý môi trường nên phối hợp triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả quan trắc và quản lý chất lượng không khí dựa trên công nghệ LIDAR hiện đại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. CƠ SỞ KHOA HỌC LIDAR 1. Kỹ thuật LIDAR LIDAR (Light Detection and Ranging) là phương pháp quan trắc chủ động từ xa để nghiên cứu các thông số khí quyển như nhiệt độ, thành phần, gió. LIDAR hoạt động tương tự như RADAR, trong thực tế nhiều khi LIDAR còn được gọi là RADAR ánh sáng.

Cả hai kỹ thuật này đều phát ra bức xạ điện từ và thu nhận các bức xạ tán xạ trở lại thiết bị. Các bức xạ tán xạ trở lại được phân tích để xác định đặc điểm của khu vực mà các bức xạ điện từ đi qua. Điểm khác biệt giữa LIDAR và RADAR nằm ở việc sử dụng các bước sóng khác nhau, RADAR sử dụng các bước sóng lớn hơn 1 cm nằm trong phổ sóng vô tuyến trong khí đó LIDAR sử dụng bước sóng ánh sáng trong phổ cực tím, thị phổ và hồng ngoại [1]. Lược sử về công nghệ LIDAR Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì không thể không nhắc đến Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2], nhưng sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm 1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4].

Sau các thành công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng. Hệ thống LIDAR Một hệ thống LIDAR bao gồm năm phần cơ bản như sau (Hình Error! No text of specified style in document. Hình Error! No text of specified style in document.1 Sơ đồ khối hệ thống LIDAR [5] Khi hệ thống LIDAR hoạt động, một xung laser được phát vào khí quyển thông qua bộ phận phát tín hiệu laser, độ dài xung và bước sóng laser được chọn tùy vào mục tiêu quan sát và mục đích nghiên cứu, xung laser sẽ tương tác với các thành phần khí quyển và tán xạ ngược trở lại hệ thống LIDAR và được thu nhận lại bằng một hệ thống quang học thu và các cảm biến ánh sáng, sau đó tín hiệu được số hóa và chuyển về hệ thống máy tính để lưu trữ phục vụ cho quá trính xủ lý số liệu. Phân loại và ứng dụng của LIDAR Sự tương tác ánh sáng với các quá trính vật lý trong khí quyển rất đa dạng với nhiều quá trình vật lý khác nhau, do đó các thiết bị LIDAR cũng được xây dựng dựa trên cơ sở này và phục vụ quan trắc các loại đối tượng 4 khác nhau trong khí quyển, các quá trình vật lý và các loại LIDAR quan trắc các đối tượng tương ứng được mô tả trong Hình Error! No text of specified style in document.

Hình Error! No text of specified style in document.2 Các quá trình vật lý, thiết bị LIDAR và các thông số khí quyển quan trắc được [5] 1. Phương trình LIDAR Để tính toán được các thông số khí quyển, tín hiệu LIDAR được xử lý và phân tích bằng phương trình LIDAR. Phương trình này thể hiện mối liên hệ giữa tín hiệu tán xạ ngược trong không gian nhận được bởi cảm biến với các yêu tố khí quyển và hệ thống LIDAR. Tín hiệu tại khoảng cách Z được xác định như sau: Error! No text of specified style in document.-1 5 Trong đó: : Tín hiệu thu được tại khoảng cách Z : Năng lượng xung laser phát đi : Hằng số hệ LIDAR (bao gồn các suy hao gây ra bởi thiết bị, hệ quang học thu, cảm biến, độ truyền qua khí quyển) : Hệ số tán xạ ngược xon khí : Hệ số tán xạ ngược phân tử : Độ truyền qua bởi xon khí : Độ truyền qua bởi phân tử 1.

Tổng quan các nghiên cứu về khí quyển sử dụng công nghệ LIDAR Nghiên cứu ngoài nước Hiện nay trên thế giới đã và đang có nhiều nghiên cứu sử dụng công nghệ LIDAR để quan trắc khí quyển. Nói về lịch sử phát triển của kỹ thuật LIDAR quan trắc xon khí thì không thể không nhắc đến nghiên cứu của Hulburt năm 1937, là người đầu tiên đo xon khí sử dụng kỹ thuật đèn pha công suất lớn, chụp được tia sáng tới 28 km [2]. Sau đó gần ba thập kỷ, công nghệ Laser điểm mấu chốt của hệ thống LIDAR mới ra đời nên những nghiên cứu khí quyển sử dụng Laser hay LIDAR mới thực sự xuất hiện với nghiên cứu của Fiocco và Smullin năm 1963 với tầng khí quyển trên [3], và bởi Ligda năm 1963 với tầng đối lưu [4]. Sau các thành công đó, các bước phát triển lớn được tạo ra vả trong phát triển kỹ thuật và hệ thống LIDAR và ứng dụng của công nghệ mới này ngày càng đa dạng.

Fernald năm 1972, 1984 và Klett năm 1981 nghiên cứu xây dựng phương pháp điểm biên để tính toán các thông số khí quyển từ số 6 liệu LIDAR [6-8]. Brook năm 2003 đã đưa ra phương pháp xác định độ cao lớp biên từ số liệu LIDAR bằng phương pháp biến đổi hiệp phương sai WCT (Wavelet Covariance Transform) [9]. Nghiên cứu của Chan năm 2010 đã tính toán hệ số tán xạ ngược – suy hao xon khí cho hệ LIDAR Doppler dựa trên số liệu quang phổ kế [10]. Các đặc điểm về độ dày quang học xon khí đã được đo đạc và tính toán trong nghiên cứu của Porter và cs năm 2002 bằng hệ thống LIDAR di động Mie-Rayleigh được đặt tại Hawaii [11].

Ware, Kort và cs 2016 nghiên cứu các đặc điểm lớp xáo trộn tại Pasadena California bằng thiết bị MPLNET [12]. Mei, Guan và cs năm 2017 sử dụng hệ thống LIDAR mie bước sóng 808nm xác định hệ số xuy hao xon khí tại Đại Liên và xem xét sự tương quan với số liệu PM10 / PM 2.5 và cho kết quả tốt [13]. Liu, He và cs năm 2017 đã xác định AOD và hệ số suy hao xon khí sử dụng LIDAR MPLNET tại Thượng Hải [14]. Nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, hệ thống LIDAR quan trắc khí quyển hiện chưa được phổ biến và áp dụng rộng rãi, hiện tại mới chỉ dừng lại ở một số nghiên cứu chế tạo, mô phỏng và đo đạc thử nghiệm.

Một số nghiên cứu nổi bật như Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2008 đã nghiên cứu về ứng dụng LIDAR trong quan trắc đặc tính mây Ci, nghiên cứu này chỉ ra qua hệ thống LIDAR hai kênh thu, các thông số về mây Ci được xác định bao gồm độ cao chân mây, độ cao đỉnh mây, hệ số tán xạ ngược, hệ số hấp thụ, độ dày quang học, tỉ lệ phân cực [15]. Nguyễn Xuân Anh và cs năm 2014 đã sử dụng LIDAR trong nghiên cứu các đặc trưng cơ bản của xon khí tại Việt Nam [16]. Phạm Xuân Thành và cs năm 2016 đã tiến hành nghiên cứu ứng dụng đo đạc LIDAR trong đánh giá ảnh hưởng khí quyển lên ảnh vệ tinh, nghiên cứu khẳng định các kết quả thu được về quan trắc xon khí, hơi 7 nước, nhiệt độ là nguồn số liệu hữu ích cho việc nghiên cứu vật lý khí quyển [17]. Âu Duy Tuấn và cs năm 2017 đã nghiên cứu mô phỏng tín hiệu đo đạc LIDAR, và so sánh với kết quả đo thực tế và cho thấy có sự phù hợp về tín hiệu mô phỏng và tín hiệu đo đạc tại hệ thống LIDAR IGP [18].

Bùi Văn Hải và cs năm 2012, 2013, Nguyễn Xuân Tuấn và cs năm 2014, 2016 đã nghiên cứu chế tạo hệ thống LIDAR raman sử dụng để đo đạc nhiệt độ, mật độ khí quyển, hệ số suy hao tại tầng đối lưu, tầng bình lưu, lớp biên khí quyển, tỉ số LIDAR [19-22]. Khí quyển và các thông số khí quyển 1. Cấu trúc của khí quyển Thành phần của khí quyển Khí quyển là một lớp khí bao quanh trái đất; 99% khối lượng của khí quyển tập trung ở độ cao dưới 30km và có thành phần rất đa dạng (bảng 1-1). Bảng Error! No text of specified style in document.1 Thành phần của khí quyển không bị ô nhiễm [23] Không khí khô Không khí ẩm Khí ppm µg/m3 ppm µg/m3 Ni-tơ 780,000 8.02 - Phân tầng khí quyển Khí quyển được phân thành 5 tầng chính với thứ tự từ trên xuống như sau: tầng ngoại quyển, tầng nhiệt quyển, tầng trung quyển, tầng bình lưu và tầng đối lưu.

Bên trong tầng đối lưu có lớp một một lớp phụ quan trọng là lớp biên hành tinh, lớp này là phần của khí quyển chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các tác động của bề mặt trái đất. Hình Error! No text of specified style in document.3 Phân tầng khí quyển theo nhiệt độ (đỏ), thành phần (xanh lá) và điện trường (xanh dương) [24] 9 1. Sự tán xạ và hấp thụ ánh sáng trong khí quyển Bức xạ mặt trời khi truyền qua khí quyển bị hấp thụ và tán xạ bởi các loại khí, xon khí, mây, và bề mặt trái đất. Phần bức xạ bị hấp thụ được thêm trực tiếp vào trữ lượng nhiệt; mặt khác bức xạ bị tán xạ có một phần quay trở lại không gian và một phần tiếp tục truyền trong khí quyển và tiếp tục bị hấp thụ và tán xạ [1].

Thông thường, mây có tác động lớn nhất đến bức xạ mặt trời nhận được tại bề mặt trái đất do các đặc điểm quang học và đặc tính vật lý của mây như độ che phủ, độ dày mà mây có thể hấp thụ hoặc tán xạ các tia bức xạ mặt trời và ngăn cản bức xạ tới bề mặt trái đất. Hơi nước hấp thụ bức xạ mặt trời, lượng hơi nước trong khí quyển biến đổi trong ngày và thay đổi theo mùa, nhiều hơi nước hơn trong mùa ẩm và ít hơi nước hơn trong mùa khô. Các hạt bụi nhỏ lơ lửng trong khí quyển tưởng chừng như vô hại cũng có tác động tương đối tới bức xạ mặt trời, các hạt này thường được gọi là xon khí, có nguồn gốc từ tự nhiên và cũng có thể do con người sinh ra. Chúng tác động tới bức xạ mặt trời dưới dạng hấp thụ và tán xạ bức xạ mặt trời, hoặc qua các quá trình biến đổi và xon khí vai trò làm hạt nhân ngưng kết để tạo mây, mưa.

Ozone cũng là một loại xon khí tuy nhiên chúng tồn tại ở lớp khí quyển trên cao, lượng ozone tồn tại trong khí quyển thay đổi thei mùa và theo vĩ độ, ozone có vai trò chính là hấp thụ các bức xạ cực tím có hại cho con người.