Nghiên Cứu Mô Hình Giám Sát Sự Bốc Thoát Hơi Nước Từ Dữ Liệu Ảnh Vệ Tinh Tại Tây Bắc Việt Nam

Nước là một trong các nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mà Trái đất ban tặng cho con người. 166 trang · Trường Đại học Mỏ - Địa chất · 2021.

• Người hướng dẫn: PGS.TS Trần Xuân Trường
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Trắc địa bản đồ và Quản lý đất đai
• Đề tài: Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước Từ Ảnh Vệ Tinh Khu Vực Tây Bắc Việt Nam
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hòa Bình

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Các khái niệm bốc thoát hơi nước
• 1.1.1. Bốc hơi nước (E)
• 1.1.2. Thoát hơi nước (T)
• 1.1.3. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration)
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC SỬ DỤNG DỮ LIỆU ẢNH VỆ TINH PHỤC VỤ ƯỚC TÍNH, GIÁM SÁT LƯỢNG BỐC THOÁT HƠI NƯỚC BỀ MẶT LỚP PHỦ
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC
• LỜI CẢM ƠN

Tóm tắt

I. Tính Cấp Thiết Của Đề Tài

Nước là một trong các nguồn tài nguyên thiên nhiên vô cùng quý giá mà Trái đất ban tặng cho con người. Nước cũng là thành phần quyết định đến sự sinh tồn và phát triển của vạn vật trên Trái đất. Trước những thay đổi của khí hậu, nguồn tài nguyên nước đang đứng trước nguy cơ ngày càng cạn kiệt. Do vậy, việc xây dựng chiến lược khai thác, sử dụng hiệu quả và bảo vệ nguồn tài nguyên này là rất cần thiết. Theo Allen và cộng sự (1990), bốc hơi nước (E) là sự trở lại của hơi nước vào trong khí quyển thông qua sự khuếch tán của các phân tử nước từ đất, thảm thực vật và các bề mặt ẩm ướt khác. Thoát hơi (T) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng. Tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước. Nông nghiệp là một trong những ngành sử dụng nguồn nước ngọt lớn nhất. Tuy nhiên, do nguồn nước hạn chế, các ngành nông nghiệp cần có chiến lược sử dụng tiết kiệm và tăng hiệu quả sử dụng nước trong tưới tiêu.

1.1. Tầm Quan Trọng Của Việc Ước Tính Lượng Bốc Thoát Hơi Nước

Thông tin về bốc thoát hơi nước (ET) rất quan trọng trong công tác quản lý tài nguyên nước. Thông tin không chỉ xác định lượng nước mất đi do bốc hơi mà còn chỉ ra được mối quan hệ giữa sử dụng đất, phân bổ và sử dụng nước. Ở hầu hết các nơi trên thế giới, lượng bốc thoát hơi nước được xem là yếu tố quan trọng thứ hai của chu trình nước sau mưa. Việc ước tính chính xác lượng bốc thoát hơi nước trên quy mô lớn là nhiệm vụ cần thiết để định hướng, đề xuất chiến lược quản lý nước phù hợp. Thực tế, số lượng trạm quan trắc khí tượng, thủy văn xác định lượng bốc thoát hơi nước tại các tỉnh ở Việt Nam còn rất hạn chế. Việc thu thập dữ liệu tại các trạm còn khá thủ công, chi phí thu thập dữ liệu cao, hiệu quả lao động thấp. Do đó, cần có các công cụ thu thập dữ liệu về khí tượng, thủy văn trên quy mô lớn với chi phí thấp hơn và hiệu suất cao hơn.

II. Mô Hình Giám Sát Bốc Thoát Hơi Nước

Để khắc phục các hạn chế trong việc thu thập số liệu thủ công, có thể sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh trong việc chiết xuất dữ liệu khí tượng phục vụ tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ. Thực tiễn đã có nhiều mô hình giám sát lượng bốc thoát hơi nước khác nhau đã được áp dụng trên thế giới và ở Việt Nam. Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm và phù hợp với các điều kiện địa hình, khí hậu và thực trạng bề mặt lớp phủ. Việc lựa chọn mô hình để ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt lớp phủ cho khu vực cụ thể cần căn cứ vào yêu cầu dữ liệu đầu vào của các mô hình, tính ưu việt của các mô hình đó và phù hợp với trình độ khoa học công nghệ hiện tại.

2.1. Các Mô Hình Được Sử Dụng

Tại Việt Nam, để xác định lượng bốc thoát hơi nước, thường sử dụng kết quả đo trực tiếp tại các trạm quan trắc khí tượng, thủy văn. Số liệu đo trực tiếp có ưu điểm là số liệu đo hàng ngày, đo nhiều đợt trong ngày và dữ liệu được lưu trữ trong thời gian dài. Tuy nhiên, số liệu còn khá thô chưa thể cung cấp một cách chi tiết trong một khu vực rộng lớn, đặc biệt là khu vực có địa hình chia cắt, nhiều tiểu vùng khí hậu. Hiện nay, có nhiều loại dữ liệu ảnh vệ tinh, từ ảnh vệ tinh có độ phân giải thấp và trung bình như ảnh Modis, Landsat đến các loại ảnh vệ tinh Aster, Sentinel có độ phân giải cao phủ trùm lãnh thổ Việt Nam ở các thời điểm khác nhau. Với các dữ liệu ảnh này, kết hợp với thông tin bổ trợ khác cho phép nghiên cứu mối quan hệ giữa năng lượng bức xạ mặt trời với lượng bốc thoát hơi nước từ dữ liệu ảnh vệ tinh.

III. Khu Vực Tây Bắc Việt Nam

Khu vực Tây Bắc Việt Nam có địa hình núi cao và chia cắt sâu, có nhiều khối núi và dãy núi cao chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam. Dãy Hoàng Liên Sơn dài 180 km, rộng 30 km, với một số đỉnh núi cao trên 2.000 m. Dãy núi Sông Mã dài 500 km, có những đỉnh cao trên 1.000 m. Giữa hai dãy núi này là vùng đồi núi thấp, lưu vực sông Đà, với hệ thống sông suối, thủy văn phong phú. Đặc điểm địa hình, khí hậu, hệ thống thủy văn và lớp phủ thực vật của khu vực Tây Bắc ảnh hưởng trực tiếp đến lượng bốc thoát hơi nước. Việc nghiên cứu giám sát lượng bốc thoát hơi nước cho khu vực Tây Bắc là rất cần thiết để đảm bảo nhu cầu nước cho cây trồng, cảnh báo hạn hán, phòng tránh thiên tai, cháy rừng.

3.1. Đặc Điểm Địa Hình Và Khí Hậu

Khu vực Tây Bắc chủ yếu là diện tích đất nông, lâm nghiệp với độ che phủ rừng đạt 44,7% và sự đa dạng về lớp phủ thực vật. Đặc điểm về địa hình và khí hậu của khu vực này tạo ra những điều kiện thuận lợi cho việc nghiên cứu và giám sát lượng bốc thoát hơi nước. Việc sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh để ước tính lượng bốc thoát hơi nước sẽ giúp cải thiện quản lý tài nguyên nước, nâng cao hiệu quả sử dụng nước trong nông nghiệp và lâm nghiệp.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ mang tên “Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát sự bốc - thoát hơi nước của lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam từ dữ liệu ảnh vệ tinh” thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ (chuyên hướng Đo ảnh và Viễn thám), được thực hiện tại Khoa Trắc địa bản đồ và Quản lý đất đai, Trường Đại học Mỏ - Địa chất dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Xuân Trường và PGS.TS Doãn Hà Phong.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Bốc thoát hơi nước ($ET$) là thành phần quan trọng thứ hai trong chu trình thủy văn toàn cầu sau lượng mưa. Trong nông nghiệp và lâm nghiệp, thông tin không gian và thời gian của $ET$ giữ vai trò quyết định trong việc đánh giá nhu cầu tiêu thụ nước của thảm phủ, phân bổ tài nguyên nước, cảnh báo hạn hán và phòng chống cháy rừng. Tại Việt Nam, mạng lưới quan trắc khí tượng thủy văn mặt đất còn rất thưa (trung bình mỗi tỉnh chỉ có trên dưới 10 trạm), kỹ thuật đo thủ công, chi phí cao, số liệu có tính chất điểm rời rạc nên không thể phản ánh chính xác sự phân bố không gian trên diện rộng, nhất là tại các địa bàn có địa hình chia cắt phức tạp.

Khu vực Tây Bắc Việt Nam có đặc điểm địa hình núi cao hiểm trở chạy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam (dãy Hoàng Liên Sơn dài 180 km, rộng 30 km, đỉnh cao trên 2.000 m; dãy Sông Mã dài 500 km, đỉnh cao trên 1.000 m), xen kẽ lưu vực sông Đà, các cao nguyên đá vôi (Tà Phình, Mộc Châu, Nà Sản) và các thung lũng lòng chảo (Điện Biên, Nghĩa Lộ, Mường Thanh). Khu vực này có nền nhiệt cao hơn 2 - 3°C so với Đông Bắc, số giờ nắng lớn, độ che phủ rừng đạt 44,7% với cơ cấu thực vật và trạng thái rừng hỗn giao phức tạp (rừng phòng hộ, đặc dụng, sản xuất). Những yếu tố này tác động trực tiếp đến cường độ bốc thoát hơi nước.

Khoảng trống nghiên cứu được xác định: các công trình viễn thám trước đây tại Việt Nam chủ yếu áp dụng trên địa hình bằng phẳng hoặc cây trồng nông nghiệp thuần loài; chưa có nghiên cứu nào kết hợp mô hình viễn thám cân bằng năng lượng với mô hình bức xạ mặt trời để xác định lượng bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$) cho vùng đồi núi phức tạp, nhiều tiểu vùng khí hậu như Tây Bắc; đồng thời chưa có cơ sở khoa học để xác lập bộ hệ số tuyến tính $a, b$ thực nghiệm của mô hình Priestley - Taylor cho khu vực này.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu cụ thể:

1. Lựa chọn, đề xuất được mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$) phù hợp với điều kiện địa hình, khí hậu và bề mặt lớp phủ khu vực Tây Bắc Việt Nam.
2. Xây dựng được quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ với các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp thông tin độ cao địa hình khu vực Tây Bắc Việt Nam.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

• Đối tượng nghiên cứu: Bốc thoát hơi nước của bề mặt lớp phủ; dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8; mô hình cân bằng năng lượng SEBAL; mô hình Priestley - Taylor; năng lượng bức xạ ròng mặt trời và các tham số bề mặt chiết xuất từ ảnh vệ tinh.
• Phạm vi không gian: Thực nghiệm tại địa bàn tỉnh Hòa Bình, đại diện cho khu vực Tây Bắc Việt Nam.
• Phạm vi thời gian: Sử dụng chuỗi số liệu quan trắc khí tượng giai đoạn 2015 - 2021 để xác định hệ số thực nghiệm $a, b$ của mô hình Priestley - Taylor. Thực nghiệm giám sát không gian $ET_a$ tại 3 thời điểm ảnh: ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021.
• Phạm vi dữ liệu: Ảnh vệ tinh quang học và nhiệt Landsat 8 kết hợp mô hình số độ cao (DEM).

---

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu và công trình đã điểm lại

1. Các phương pháp đo đạc trực tiếp và mô hình khí tượng truyền thống

• Đo trực tiếp: Phương pháp quan trắc bốc hơi bằng ống Piche (Bộ Tài nguyên Môi trường, 2012) ghi nhận số đọc lúc 7h và 19h; phương pháp thủy tiêu kế (Lysimeter) xác định $ET_0 = R + I - P$ thông qua đo mưa ($R$), tưới ($I$) và thấm sâu ($P$) (Lê Anh Tuấn, 2009).
• Mô hình dựa trên bức xạ:
  • Mô hình Makkink (1957) ban đầu xác định $u = 0,61$, $v = 0,12$; sau đó Hasen (1984) hiệu chỉnh tại Hà Lan thành $u = 0,70$, $v = 0$; Xue và Singh (1999) khảo sát tại Thụy Điển và Mỹ xác định $u = 0,77$, $v = 0,22$.
  • Mô hình Priestley - Taylor (1972) ban đầu đề xuất $a = 0,61$, $b = 0,12$; kiểm định tại Thụy Sĩ (1984) cho kết quả $a = 0,90$, $b = 0$; tại Đài Loan (2005) cho $a = 1,00$, $b = 0$.
  • Mô hình Irmak (2003): $ET_a = 0,289R_{nd} + 0,023T + 0,489$.
  • Nghiên cứu của Xu và Singh (2001) đánh giá sai số 4 mô hình bức xạ so với chậu đo bốc hơi Pan qua các mùa:

Phương pháp	Mùa Đông (%)	Mùa Xuân (%)	Mùa Hè (%)	Mùa Thu (%)	Trung bình năm (%)
Hargreaves ($E_{Hag}$)	-49,04	-7,85	1,37	-18,71	-10,00
Makkink ($E_{Mak}$)	-20,19	4,64	3,20	-4,09	0,00
Priestley - Taylor ($E_{Prt}$)	-10,60	-1,07	5,26	-6,43	0,00
Turn ($E_{Tur}$)	-66,34	-10,35	1,14	-12,28	-11,69

• Mô hình kết hợp: Penman (1948), Penman - Monteith (Monteith, 1965) và tiêu chuẩn FAO 56 Penman - Monteith (Allen và cộng sự, 1998) được xem là chuẩn tính toán $ET_0$ nhưng đòi hỏi nhiều thông số khí tượng phức tạp.

2. Các mô hình cân bằng năng lượng bề mặt từ dữ liệu viễn thám

Văn bản điểm lại các mô hình viễn thám tiêu biểu: SEBAL (Bastiaanssen và cộng sự, 1998), SEBI (Choudhury và Menenti, 1993), SEBS (Su, 2001, 2002, 2005), S-SEBI (Roerink và cộng sự, 2000; Liou và cộng sự, 2002) và METRIC (Allen và cộng sự, 2005, 2007; Long và cộng sự, 2010).

Mô hình	Số liệu vào chính	Giả định và cơ chế xử lý	Nhược điểm chính
SEBI	$T_{pbl}, u, T_s, R_n, G$	Dựa trên độ tương phản giữa vùng ẩm ướt ($ET$ cực đại) và vùng khô ($ET = 0$).	Cần các trị đo bổ trợ trực tiếp trên mặt đất.
SEBAL	$R_n, G, u, z_a, T_s, VI$	Quan hệ tuyến tính giữa $T_s$ và độ chênh nhiệt $dT$; hiệu chuẩn tự động qua pixel “nóng” và “lạnh”.	Áp dụng trên mặt phẳng; chọn điểm ảnh nóng/lạnh phụ thuộc kinh nghiệm chủ quan.
S-SEBI	$T_s, \alpha, R_n, G$	Phần bay hơi $EF$ nội suy tuyến tính giữa đường bao nhiệt độ khô $T_H$ và ẩm $T_{LE}$ theo suất phân sai $\alpha$.	Giới hạn nhiệt độ cực trị phải xác định theo từng khu vực cụ thể.
SEBS	$T_a, z_a, u, T_s, R_n, G$	Tính toán độ nhám truyền nhiệt thay đổi theo địa hình; phân biệt lớp biên và lớp bề mặt khí quyển.	Cần nhiều biến khí tượng; thuật toán giải dòng nhiệt ẩn phức tạp.
METRIC	$u, z_a, T_s, VI, R_n, G$	Mở rộng từ SEBAL, hiệu chuẩn nội bộ dựa trên $ET$ tham chiếu từ trạm thời tiết mặt đất.	Chọn điểm ảnh cực trị thủ công, kết quả phụ thuộc kỹ năng người xử lý.

• Các nghiên cứu ứng dụng quốc tế:

  • Singh và cộng sự (2020): Tích hợp Landsat 8 và Sentinel-2 giảm sai số tương đối từ 48% xuống 10% trên diện rộng.
  • Cha và cộng sự (2020): Kết hợp SEBAL và viễn thám đa nguồn ước tính $ET$ mùa vụ vùng khô hạn.
  • Ghaderi và cộng sự (2020): Ứng dụng SEBAL tại đồng bằng Ein Khosh (Iran) so với FAO 56 Penman - Monteith đạt $RMSE = 0,5\text{ mm/ngày}$, $MAPE = 2,9%$, $MBE = 0,3\text{ mm/ngày}$, hệ số tương quan $R = 0,97$.
  • Bruno và cộng sự (2018): Sử dụng Landsat 8 và SEBAL cho nông nghiệp, thảm thực vật bản địa, sai số so với FAO 56 đạt khoảng 1,00 mm/ngày.
  • Madugundu và cộng sự (2017): Ứng dụng METRIC và Landsat 8 trên 50 ha cỏ linh lăng tại Ả Rập Xê Út, $RMSE$ từ 0,13 đến 4,15 mm/ngày.

• Các nghiên cứu tại Việt Nam:

  • Phạm Thị Thanh Ngà và cộng sự (2020): Dùng dữ liệu Himawari-8 (2017 - 2019) tính bức xạ mặt trời với sai số 1,41 - 2,14 $\text{MJ/m}^2/\text{ngày}$ (tương đương 0,6 - 0,9 mm/ngày $ET$).
  • Trần Thị Hồng Ngọc và Mark Honti (2017): So sánh Penman - Monteith, Hargreaves & Samani, Priestley - Taylor tại Tứ Giác Long Xuyên (2010 - 2015), lượng $ET$ dao động 3,73 - 4,83 mm/ngày (1.761 mm/năm).
  • Nguyễn Văn Hùng (2017): Dùng S-SEBI và Landsat 7 tại lưu vực sông Cầu, sai số tuyệt đối trung bình đạt 11% (ngày 23/11/2001) và 18% (ngày 04/11/2000), đề xuất hệ số liên hệ $c$ nhưng chưa xác định thực nghiệm $a, b$ cho Priestley - Taylor.
  • Trần Thị Tâm, Nguyễn Hồng Sơn, Đỗ Thanh Tùng (2016): Dùng thuật toán Mu và cộng sự (2007) trên ảnh MODIS tại Bắc Trung Bộ và Duyên hải miền Trung, chênh lệch so với Penman - Monteith từ -53,49 đến 230,10 mm/năm.
  • Nhóm tác giả Lê Minh, Lương Chính Kế, Trần Ngọc Tưởng, Nguyễn Văn Hùng, Lê Minh Sơn, Phạm Văn Mạnh (2013, 2014): Tính bức xạ ròng từ MODIS với sai số 6%; xác định hệ số $a = 0,80$ cho mô hình Makkink và $a = 0,90 - 1,00$ cho mô hình Priestley - Taylor theo giờ tại miền Bắc Việt Nam với sai số không quá 10%.

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các công trình tại Việt Nam chủ yếu dùng ảnh MODIS độ phân giải không gian thô (250 - 1.000 m) hoặc ảnh Landsat 7 bị lỗi sọc, chưa tận dụng kênh nhiệt Landsat 8 (độ phân giải 30 m sau tái mẫu). Hầu hết các nghiên cứu áp dụng trực tiếp các hệ số mặc định của thế giới mà chưa thực nghiệm xác định bộ hệ số tuyến tính $a, b$ cho mô hình Priestley - Taylor tại khu vực địa hình đồi núi dốc, chia cắt mạnh và thảm phủ hỗn giao phức tạp như Tây Bắc. Đồng thời, chưa có nghiên cứu nào xây dựng chương trình tính toán bán tự động trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine (GEE) tích hợp giữa thuật toán viễn thám và mô hình khí tượng.

---

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình toán học

1. Phương trình cân bằng năng lượng bề mặt đất (SEBAL): $$\lambda LE = R_n - G - H$$ Trong đó: $R_n$ là bức xạ ròng ($\text{W/m}^2$), $G$ là thông lượng nhiệt truyền vào đất ($\text{W/m}^2$), $H$ là nhiệt cảm ứng ($\text{W/m}^2$), $\lambda LE$ là thông lượng nhiệt ẩn bốc thoát hơi nước. Bức xạ ròng hấp thụ bởi bề mặt được xác định qua cân bằng sóng ngắn và sóng dài: $$R_n = R_{S\downarrow} - \alpha R_{S\downarrow} + R_{L\downarrow} - R_{L\uparrow} - (1-\varepsilon_o)R_{L\downarrow}$$ Với $R_{S\downarrow}$ là bức xạ sóng ngắn tới, $\alpha$ là suất phân sai bề mặt (albedo), $R_{L\downarrow}$ và $R_{L\uparrow}$ là bức xạ sóng dài tới và phát xạ, $\varepsilon_o$ là độ phát xạ bề mặt đất.

2. Mô hình bức xạ Priestley - Taylor: $$ET_a = a \frac{\Delta}{\Delta + \gamma} \frac{R_n}{\lambda} + b$$ Trong đó: $ET_a$ là lượng bốc thoát hơi nước thực tế (mm/ngày); $R_n$ là năng lượng bức xạ ròng ($\text{MJ/m}^2/\text{ngày}$); $\Delta$ là độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa ($\text{kPa/}^\circ\text{C}$); $\gamma$ là hằng số Psychrometric ($\text{kPa/}^\circ\text{C}$); $\lambda$ là nhiệt ẩn hóa hơi ($\text{MJ/kg}$); $a, b$ là hệ số tuyến tính thực nghiệm.

3. Cơ sở phản xạ phổ của các đối tượng tự nhiên:

• Thực vật: Hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ và xanh lam bởi chất diệp lục (Chlorophyll), phản xạ mạnh ở dải sóng lục ($0,54\ \mu\text{m}$) và vùng cận hồng ngoại (NIR) do cấu trúc tế bào lá; ở vùng hồng ngoại sóng ngắn (SWIR), khả năng phản xạ phụ thuộc vào hàm lượng nước trong lá cây.
• Nước: Hấp thụ rất mạnh bức xạ ở dải cận hồng ngoại và hồng ngoại; phản xạ ánh sáng nhìn thấy biến thiên theo độ đục và nồng độ Chlorophyll.
• Đất trống: Phổ phản xạ tăng dần đều từ vùng ánh sáng nhìn thấy đến cận hồng ngoại tùy thuộc độ ẩm và thành phần khoáng vật.

[Ảnh Landsat 8 (Quang học + Nhiệt) + Mô hình DEM]
[Chiết xuất tham số bề mặt: Rn, Ts, α, εo, NDVI, SAVI, LAI, Δ, γ, λ]
[Hệ số thực nghiệm a, b từ chuỗi khí tượng trạm 2015-2021]
[Tích hợp mô hình Priestley - Taylor trên Google Earth Engine]
[Bản đồ và số liệu phân bố lượng bốc thoát hơi nước thực tế ETa]

Phương pháp nghiên cứu thực tế

• Phương pháp thu thập số liệu thứ cấp: Thu thập dữ liệu khí tượng đo đạc nhiều năm tại tỉnh Hòa Bình, số liệu niên giám thống kê, bản đồ hiện trạng rừng, tài liệu điều kiện tự nhiên - kinh tế xã hội và các tiêu chuẩn tính toán của FAO, WMO.
• Phương pháp phân tích, tổng hợp: Hệ thống hóa các mô hình bốc thoát hơi nước hiện hành, so sánh ưu nhược điểm để lựa chọn giải pháp tích hợp SEBAL và Priestley - Taylor.
• Phương pháp viễn thám: Xử lý dữ liệu quang học và nhiệt Landsat 8 để tính toán nhiệt độ bề mặt ($T_s$), suất phân sai bề mặt ($\alpha$), độ phát xạ ($\varepsilon_o$), các chỉ số thực vật ($NDVI$, $SAVI$, $LAI$) và năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày ($R_{nd}$).
• Phương pháp thực nghiệm: Tính toán lượng bốc thoát hơi nước từ số liệu quan trắc khí tượng tỉnh Hòa Bình giai đoạn 2015 - 2021 bằng 4 phương pháp (Priestley - Taylor, Makkink, Hargreaves & Samani, Turn); tính $R_n$ theo tiêu chuẩn FAO 56 để làm cơ sở xác định hệ số hồi quy $a, b$.
• Phương pháp so sánh, kiểm chứng: So sánh giá trị $R_n$ tính từ Landsat 8 với kết quả theo FAO 56; so sánh $ET_a$ ước tính từ mô hình đề xuất với số liệu đo thực tế từ ống bốc hơi Piche và trạm khí tượng tại Hòa Bình tại 3 thời điểm (01/7/2015, 04/6/2017, 18/8/2021).
• Phương pháp mô hình hóa và lập trình: Xây dựng quy trình tự động tính toán các tham số bề mặt và phân bố $ET_a$ trên nền tảng Google Earth Engine (GEE).

Nguồn dữ liệu sử dụng

• Dữ liệu khí tượng: Chuỗi số liệu đo nhiệt độ, bức xạ, độ ẩm, tốc độ gió, lượng bốc hơi bề mặt giai đoạn 2015 - 2021 từ các trạm quan trắc khí tượng thủy văn trên địa bàn tỉnh Hòa Bình.
• Dữ liệu viễn thám: Cảnh ảnh vệ tinh Landsat 8 chụp khu vực nghiên cứu vào các ngày 01/7/2015, 04/6/2017 và 18/8/2021.
• Dữ liệu độ cao: Mô hình số độ cao (DEM) khu vực Tây Bắc.

---

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý luận về bốc hơi nước ($E$), thoát hơi nước ($T$) và bốc thoát hơi nước ($ET$). Trình bày các định nghĩa chuẩn hóa của FAO về bốc thoát hơi nước tham chiếu ($ET_0$), bốc thoát hơi nước cây trồng trong điều kiện tiêu chuẩn ($ET_c$) và phi tiêu chuẩn ($ET_{c,adj}$), cùng bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$).

Chương này phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động, ưu nhược điểm của các nhóm phương pháp:

1. Phương pháp đo trực tiếp: Ống đo bốc hơi Piche và Thủy tiêu kế (Lysimeter).
2. Mô hình dựa trên năng lượng bức xạ mặt trời: Makkink, Priestley - Taylor, Irmak.
3. Mô hình kết hợp: Penman, Penman - Monteith, FAO 56 Penman - Monteith.
4. Mô hình cân bằng năng lượng viễn thám: SEBAL, SEBI, SEBS, S-SEBI, METRIC.

Phần tổng quan các công trình trong và ngoài nước đã chỉ ra rằng các mô hình SEBAL/METRIC có độ chính xác cao nhưng đòi hỏi chọn điểm ảnh "nóng" và "lạnh" thủ công, dễ gây sai số chủ quan khi áp dụng cho vùng núi không bằng phẳng. Kết quả khảo sát thực tế tại miền Bắc Việt Nam (các nghiên cứu của Lê Minh, Trần Ngọc Tưởng, Lương Chính Kế, Nguyễn Văn Hùng từ năm 2013 - 2017) khẳng định bức xạ ròng chiết xuất từ ảnh vệ tinh có sai số so với đo thực địa dưới 10%. Từ đó, chương 1 xác lập luận cứ khoa học: kết hợp việc chiết xuất tham số bức xạ từ ảnh vệ tinh Landsat 8 theo nguyên lý SEBAL với mô hình Priestley - Taylor đã được hiệu chuẩn hệ số $a, b$ bằng thực nghiệm địa phương.

Chương 2. Cơ sở khoa học sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ

Chương 2 trình bày cơ sở vật lý viễn thám và bản chất tương tác quang phổ của các đối tượng mặt đất chính:

• Đặc tính phổ thực vật: Vùng nhìn thấy hấp thụ mạnh bởi Chlorophyll (đỉnh phản xạ tại $0,54\ \mu\text{m}$ tạo màu lục); vùng NIR phản xạ mạnh do cấu trúc biểu bì lá; vùng SWIR hấp thụ mạnh bởi lượng nước trong mô lá.
• Đặc tính phổ của nước: Hấp thụ triệt để vùng NIR và SWIR, độ phản xạ giảm dần theo độ sâu và độ trong.
• Cơ sở chiết xuất các tham số khí tượng - bề mặt:
  • Năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày ($R_{nd}$) và nhiệt độ bề mặt ($T_s$) từ kênh nhiệt TIRS.
  • Nhiệt ẩn hóa hơi ($\lambda$), hằng số Psychrometric ($\gamma$), độ dốc áp suất hơi bão hòa ($\Delta$) được tính toán kết hợp từ dữ liệu ảnh và mô hình số độ cao DEM mà không phụ thuộc vào trạm đo mặt đất.
  • Suất phân sai bề mặt ($\alpha$), độ phát xạ ($\varepsilon_o$), chỉ số thực vật ($NDVI$), chỉ số thực vật hiệu chỉnh đất ($SAVI$) và chỉ số diện tích lá ($LAI$).
• Phương pháp xác định hệ số tuyến tính $a, b$: Thiết lập thuật toán hồi quy tương quan giữa giá trị $ET$ đo tại trạm với giá trị tính toán từ năng lượng bức xạ.
• Quy trình công nghệ và thuật toán: Xây dựng sơ đồ khối quy trình tính toán tự động và viết mã nguồn chương trình xử lý trên nền tảng Google Earth Engine (GEE).

Chương 3. Kết quả thực nghiệm và thảo luận

Chương 3 triển khai toàn bộ các nội dung tính toán và kiểm chứng thực nghiệm tại tỉnh Hòa Bình:

1. Xác định hệ số $a, b$ cho mô hình Priestley - Taylor: Phân tích chuỗi số liệu khí tượng thủy văn 2015 - 2021 tại các trạm thuộc tỉnh Hòa Bình, xác lập cặp hệ số $a, b$ phù hợp nhất với điều kiện tự nhiên khu vực Tây Bắc.
2. Chiết xuất tham số từ ảnh Landsat 8: Thực nghiệm tính toán $R_{nd}, T_s, \lambda, \gamma, \Delta$ trên các cảnh ảnh Landsat 8 vào các ngày 01/7/2015, 04/6/2017 và 18/8/2021 kết hợp dữ liệu DEM.
3. Kiểm chứng năng lượng bức xạ ròng: So sánh giá trị $R_n$ trích xuất từ ảnh Landsat 8 với kết quả tính toán theo công thức chuẩn FAO 56 Penman - Monteith.
4. Thành lập bản đồ phân bố $ET_a$: Sử dụng chương trình trên nền tảng GEE để tính toán và biểu diễn không gian lượng bốc thoát hơi nước thực tế trên toàn bộ bề mặt tỉnh Hòa Bình tại 3 thời điểm nghiên cứu.
5. Đánh giá độ chính xác: Đối soát kết quả $ET_a$ ước tính từ ảnh vệ tinh với số liệu quan trắc bốc hơi thực tế tại các trạm mặt đất, khẳng định độ tin cậy và khả năng thay thế số liệu đo truyền thống bằng công nghệ viễn thám.

---

Kết quả và những đóng góp mới

Luận điểm bảo vệ

• Luận điểm 1: Giá trị của các tham số năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày ($R_{nd}$), nhiệt ẩn quá trình bốc thoát hơi nước ($\lambda$), hằng số Psychrometric ($\gamma$), độ dốc đường cong áp suất hơi nước bão hòa ($\Delta$) được tính toán từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao (DEM) có thể thay thế các tham số được tính từ dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng, thủy văn phục vụ ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.
• Luận điểm 2: Hệ số tuyến tính $a, b$ của mô hình Priestley - Taylor được xác định bằng phương pháp thực nghiệm từ chuỗi dữ liệu khí tượng đo trực tiếp tại các trạm khí tượng thủy văn. Các tham số được tính toán từ ảnh vệ tinh Landsat 8 và mô hình số độ cao (DEM) sử dụng trong mô hình, quy trình, chương trình ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ đã đề xuất hoàn toàn phù hợp và đảm bảo độ chính xác với điều kiện địa hình, khí hậu, bề mặt lớp phủ tại tỉnh Hòa Bình, khu vực Tây Bắc Việt Nam.

Những đóng góp mới của luận án

1. Về mặt khoa học: Đề xuất được bộ hệ số tuyến tính $a, b$ của mô hình Priestley - Taylor phục vụ ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ phù hợp với đặc thù địa hình chia cắt mạnh, nhiều tiểu vùng khí hậu và thảm thực vật đa dạng của khu vực Tây Bắc Việt Nam.
2. Về mặt phương pháp và công nghệ: Đề xuất mô hình tích hợp, xây dựng quy trình công nghệ và thiết lập chương trình xử lý tự động trên nền tảng Google Earth Engine (GEE). Chương trình cho phép chiết xuất đầy đủ các tham số khí tượng - bề mặt ($R_{nd}, T_s, \lambda, \gamma, \Delta$) từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp mô hình số độ cao DEM để tính toán $ET_a$ mà không phụ thuộc vào số liệu trạm quan trắc mặt đất.

Kiến nghị và giải pháp ứng dụng

• Ứng dụng mô hình và quy trình công nghệ của luận án vào công tác theo dõi hạn hán, cảnh báo nguy cơ cháy rừng và điều tiết tưới tiêu trong sản xuất nông - lâm nghiệp tại tỉnh Hòa Bình và các tỉnh thuộc lưu vực sông Đà.
• Mở rộng phạm vi áp dụng quy trình tính toán trên nền tảng GEE cho các vùng đồi núi khác có mạng lưới trạm quan trắc khí tượng thưa thớt tại Việt Nam.

---

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Phạm vi thực nghiệm giám sát không gian của luận án mới tập trung tại tỉnh Hòa Bình và thực hiện trên 3 cảnh ảnh Landsat 8 tương ứng với 3 thời điểm (01/7/2015, 04/6/2017 và 18/8/2021).
• Việc sử dụng dữ liệu vệ tinh quang học và nhiệt Landsat 8 chịu hạn chế về độ phân giải thời gian (chu kỳ lặp 16 ngày đối với ảnh đơn lẻ) và dễ bị ảnh hưởng bởi mây che phủ trong mùa mưa tại vùng núi cao Tây Bắc.

Hướng nghiên cứu phát triển

• Mở rộng kiểm chứng bộ hệ số thực nghiệm $a, b$ và mô hình tích hợp trên toàn bộ các tỉnh thuộc vùng Tây Bắc (Sơn La, Điện Biên, Lai Châu, Lào Cai, Yên Bái).
• Kết hợp đa nguồn dữ liệu vệ tinh (tích hợp Landsat 8, Landsat 9 và Sentinel-2 hoặc các vệ tinh địa tĩnh như Himawari) để rút ngắn chu kỳ quan sát xuống 8 ngày hoặc theo giờ, nâng cao khả năng giám sát liên tục theo chu kỳ sinh trưởng của cây trồng.

---

Giá trị tham khảo

Đối tượng thụ hưởng và ứng dụng

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học, giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Trắc địa - Bản đồ, Viễn thám, Hệ thống Thông tin Địa lý (GIS), Khí tượng Thủy văn, Quản lý Tài nguyên Nước và Lâm nghiệp.
• Cơ quan quản lý nhà nước: Sở Tài nguyên và Môi trường, Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Chi cục Kiểm lâm, các công ty khai thác công trình thủy lợi tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu

• Hệ thống cơ sở lý luận và các công thức toán học chi tiết về các mô hình bốc thoát hơi nước (Makkink, Priestley - Taylor, Penman - Monteith, SEBAL, SEBS, S-SEBI, METRIC).
• Phương pháp luận chiết xuất các tham số khí động học và bức xạ ròng từ kênh nhiệt Landsat 8 kết hợp mô hình DEM.
• Quy trình kỹ thuật và thuật toán triển khai giám sát tài nguyên trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao việc chỉ dựa vào số liệu quan trắc trạm truyền thống không đáp ứng được yêu cầu giám sát bốc thoát hơi nước ở vùng Tây Bắc?

Số lượng trạm quan trắc tại các tỉnh Tây Bắc còn rất ít (trung bình chỉ khoảng 10 trạm/tỉnh), việc thu thập thủ công tốn kém chi phí và nhân lực. Do đặc điểm địa hình Tây Bắc bị chia cắt sâu bởi các dãy núi cao (Hoàng Liên Sơn, Sông Mã) và có nhiều tiểu vùng khí hậu, số liệu đo điểm tại trạm không thể hiện được tính biến thiên không gian chi tiết trên diện rộng.

2. Mô hình của luận án chiết xuất những tham số nào trực tiếp từ ảnh Landsat 8 và DEM mà không cần trạm khí tượng?

Các tham số được tính toán trực tiếp gồm: năng lượng bức xạ ròng trung bình ngày ($R_{nd}$), nhiệt độ bề mặt ($T_s$), suất phân sai bề mặt ($\alpha$), độ phát xạ ($\varepsilon_o$), các chỉ số thực vật ($NDVI, SAVI, LAI$), nhiệt ẩn hóa hơi ($\lambda$), hằng số Psychrometric ($\gamma$) và độ dốc đường cong áp suất hơi bão hòa ($\Delta$).

3. Điểm khác biệt giữa cách tiếp cận của luận án với các mô hình viễn thám truyền thống (như SEBAL thuần túy) là gì?

Mô hình SEBAL truyền thống yêu cầu lựa chọn thủ công các pixel "nóng" (khô) và "lạnh" (ướt) trong cảnh ảnh để giải phương trình cân bằng năng lượng, điều này phụ thuộc vào kinh nghiệm chủ quan và không chính xác trên địa hình đồi núi dốc. Luận án sử dụng thuật toán SEBAL để chiết xuất bức xạ ròng $R_n$, sau đó tích hợp vào mô hình Priestley - Taylor với bộ hệ số $a, b$ được hiệu chuẩn thực nghiệm riêng cho khu vực Tây Bắc.

4. Dữ liệu thực nghiệm của luận án được thực hiện trong giai đoạn và tại các thời điểm nào?

Bộ hệ số thực nghiệm $a, b$ của mô hình Priestley - Taylor được tính toán từ chuỗi dữ liệu khí tượng giai đoạn 2015 - 2021. Thực nghiệm ước tính và thành lập bản đồ phân bố $ET_a$ được thực hiện trên ảnh vệ tinh Landsat 8 tại 3 thời điểm: ngày 01/7/2015, ngày 04/6/2017 và ngày 18/8/2021 tại tỉnh Hòa Bình.

5. Nền tảng công nghệ nào được sử dụng để xây dựng chương trình giám sát bốc thoát hơi nước tự động trong luận án?

Luận án xây dựng chương trình tính toán và giám sát lượng bốc thoát hơi nước thực tế dựa trên nền tảng điện toán đám mây Google Earth Engine (GEE), cho phép tự động hóa quy trình xử lý dữ liệu viễn thám không gian lớn và kết xuất bản đồ nhanh chóng.

---

Kết luận

Luận án đã xây dựng thành công cơ sở khoa học và quy trình công nghệ ứng dụng ảnh vệ tinh Landsat 8 kết hợp mô hình số độ cao DEM và thuật toán viễn thám để ước tính lượng bốc thoát hơi nước thực tế ($ET_a$) cho khu vực Tây Bắc Việt Nam. Nghiên cứu đã xác lập bộ hệ số tuyến tính thực nghiệm $a, b$ cho mô hình Priestley - Taylor phù hợp với địa hình đồi núi phức tạp tại tỉnh Hòa Bình từ chuỗi dữ liệu khí tượng 2015 - 2021. Việc lập trình tự động hóa mô hình trên nền tảng Google Earth Engine mang lại giải pháp công nghệ hiệu quả, cho phép giám sát tài nguyên nước và lớp phủ thực vật trên diện rộng mà không phụ thuộc vào mật độ trạm đo khí tượng mặt đất. Kết quả của luận án là tài liệu tham khảo có giá trị cao về mặt lý thuyết trắc địa viễn thám và phục vụ thực tiễn công tác quản lý tài nguyên môi trường, nông lâm nghiệp tại các tỉnh miền núi phía Bắc.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1 trình bày các vấn đề khái niệm cơ bản bốc thoát hơi nước, các phương pháp và mô hình ước tính lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ từ dữ liệu khí tượng và dữ liệu ảnh vệ tinh, tổng quan về các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến ước tính, giám sát lượng bốc thoát hơi nước bề mặt lớp phủ, đánh giá chung về các kết quả nghiên cứu và xác định các vấn đề cần thảo luận phát triển trong luận án. Các khái niệm bốc thoát hơi nước 1.1 Bốc hơi nước (E) Bốc hơi nước E (Evaporation) là quá trình mà nước lỏng được chuyển thành hơi nước (hóa hơi) và được loại bỏ khỏi bề mặt, là công đoạn đầu tiên trong vòng tuần hoàn mà nước chuyển từ thể lỏng thành hơi nước trong khí quyển. Nguyên nhân chính của sự bốc hơi nước là sự chênh lệch về áp suất hơi nước ở bề mặt và áp suất của khí quyển xung quanh. Nước bốc hơi từ nhiều loại bề mặt, chẳng hạn như hồ, sông, vỉa hè, đất trống và thảm thực vật.

Tuy nhiên, sự bốc hơi phổ biến nhất được dùng để nói tới sự mất nước từ các bề mặt của khối nước, đất trống hay từ các đối tượng không có sự sống khác (Allen và cộng sự 1990). Ngưng tụ 6. Ngưng tụ 3. Dòng chảy bề mặt 9.

Dòng chảy bề mặt 10. Cây hấp thụ 9. Dòng chảy ngầm 8. Thấm nước (Nguồn: Cơ quan quản lý khí quyển và đại dương quốc gia NOAA, Hoa Kỳ) Hình 1.

Vòng tuần hoàn của nước 10 1.2 Thoát hơi nước (T) Thoát hơi T (Transpiration) là hiện tượng hơi nước thoát ra không khí từ bề mặt lá, thân cây như một phản ứng sinh lý của cây trồng để chống lại sự khô hạn xung quanh nó. Quá trình thoát hơi xảy ra bên trong thân, lá do sự trao đổi hơi với khí quyển được điều khiển bởi lỗ khí khổng của lá. Gần như toàn bộ lượng nước do cây trồng hấp thụ sẽ bị mất đi do thoát hơi nước và chỉ một phần nhỏ được sử dụng trong cây sinh trưởng phát triển. Do đó, sự mất nước từ thảm thực vật gọi là sự thoát hơi nước của thực vật, tổng lượng nước mất đi qua sự khuếch tán của các phân tử nước vào trong khí quyển thường được gọi là sự thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

Quá trình cân bằng nước khu vực có rừng Thoát hơi thực vật là quá trình nước được vận chuyển từ các rễ cây đến các lỗ nhỏ bên dưới bề mặt lá, ở đây nước chuyển sang trạng thái hơi và thoát vào khí quyển. Do đó, thoát hơi thực chất là bốc hơi của nước từ lá cây. Lượng nước bốc thoát hơi từ cây trồng ước tính chiếm khoảng 10% của hàm lượng nước trong khí quyển. Thoát hơi thực vật là một quá trình không nhìn thấy được, khi nước đang bốc hơi trên bề mặt các lá cây, bạn không thể đi ra ngoài và nhìn thấy các lá cây đang bốc 11 thoát hơi.

Trong mùa phát triển của cây trồng, một lá cây sẽ bốc thoát hơi nước nhiều lần hơn trọng lượng của chính nó. Một mẫu Anh (tương đương 4046 m2) trồng ngô có thể thoát hơi được khoảng 11.100 lít nước/ngày, và một cây sồi lớn có thể thoát hơi được 151. Sự thoát hơi nước từ thực vật bị tác động bởi các yếu tố tương tự ảnh hưởng đến sự bốc hơi từ các bề mặt ẩm ướt khác. Tuy nhiên, thực vật có rễ và có thể hấp thụ được nước từ trong khối đất khi bề mặt đất quá khô để hỗ trợ quá trình bốc hơi (Claude E.

Các khối nước luôn luôn phơi ra một bề mặt ẩm ướt cho quá trình bốc hơi, nhưng thực vật cũng có thể tăng quá trình bốc hơi từ các khối nước. Diện tích lá của một số loài thực vật thủy sinh nổi hoặc trôi trên mặt nước có thể lớn hơn nhiều lần so với bề mặt nước chúng bao phủ (Claude E. Boyd 2012) Như vậy, mặc dù lá của các loài thực vật có cơ chế để làm giảm sự bốc hơi nước nhưng sự thoát hơi nước bởi các thảm thực vật, trạng thái rừng có thể vượt qúa mức độ bốc hơi từ bề mặt đất thoáng. Bốc thoát hơi nước ET (Evaporation Transpiration) Sự bốc hơi và thoát hơi nước xảy ra đồng thời và không có cách nào dễ dàng để phân biệt giữa hai quá trình.

Ngoài lượng nước sẵn có trong lớp đất mặt, sự bốc hơi từ đất trồng trọt chủ yếu được xác định bởi phần bức xạ mặt trời đến bề mặt đất. Tỷ lệ này giảm dần trong thời kỳ sinh trưởng khi cây trồng phát triển và tán cây che phủ ngày càng nhiều diện tích mặt đất. Khi cây trồng còn nhỏ, nước bị mất chủ yếu do bốc hơi từ đất, giai đoạn cây trồng sinh trưởng và phát triển tốt che phủ hoàn toàn bề mặt đất, khi đó quá trình thoát hơi nước là nguồn chính trong quá trình bốc thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).4 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi nước Các yếu tố chính ảnh hưởng đến sự bốc thoát hơi là năng lượng bức xạ mặt trời, độ ẩm không khí, nhiệt độ, vận tốc gió và thực vật bề mặt lớp phủ. Bức xạ mặt trời và nhiệt độ có liên quan chặt chẽ với nhau và khi nhiệt độ tăng, hàm lượng năng lượng của các phân tử nước gia tăng làm cho chúng có nhiều 12 khả năng để khuếch tán vào không khí.

Ngoài ra, không khí ấm hơn có khả năng tốt hơn để giữ hơi nước. Không khí ngay trên bề mặt ẩm ướt có thể nhanh chóng trở nên bão hòa với hơi nước, nhưng gió sẽ chuyển không khí bão hòa đi và thay vào đó bằng không khí khô hơn vì thế quá trình bốc hơi tiếp tục (Claude E. Bức xạ mặt trời cung cấp năng lượng dẫn đến nhiệt độ bề mặt (đất, nước) tăng lên tạo điều kiện chuyển hóa các phân tử nước từ thể lỏng sang thể hơi. Theo cơ chế hoạt động của hệ mặt trời, dưới tác động của bức xạ mặt trời lượng nước bốc hơi nhiều hơn về ban ngày và ít hơn vào ban đêm, mùa hè lượng bốc hơi nhiều hơn mùa đông (Lê Anh Tuấn 2009).

Lượng bốc thoát hơi nước tỷ lệ thuận với nhiệt độ, nhiệt độ càng cao thì lượng bốc thoát hơi nước càng lớn, đặc biệt lượng bốc thoát hơi nước tăng lên đáng kể trong mùa sinh trưởng phát triển của cây trồng trong điều kiện không khí ấm hơn (Cục khảo sát địa chất Hoa Kỳ 2020). Độ ẩm không khí tỷ lệ nghịch với lượng bốc hơi nước, độ ẩm không khí càng thấp thì khả năng bốc hơi nước càng lớn và ngược lại. Vì sự chênh lệch áp suất của của các lớp không khí, vào mùa khô độ ẩm không khí thường thấp hơn dẫn đến áp suất không khí cũng thấp dẫn đến lượng bốc hơi tăng. Vào mùa mưa độ ẩm không khí đạt giá trị cực đại (bão hòa hơi nước) thì hiện tượng bốc hơi gần như không có (Lê Anh Tuấn 2009).

Gió là sự thay đổi áp suất của các vùng khí quyển gây ra chuyển động của khối không khí. Tốc độ gió càng mạnh càng làm tăng sự cuốn hút của các phần tử ở bề mặt đất, nước chuyển từ thể lỏng thành thể khí và bay vào không trung. Gió làm dịch chuyển khối không khí ẩm gần mặt đất lên cao, đẩy khối không khí khô hơn từ trên cao đến gần mặt đất dẫn đến khả năng bốc hơi tăng lên (Lê Anh Tuấn 2009). Lượng thoát hơi nước cũng bị ảnh hưởng bởi đặc điểm cây trồng, mỗi loại cây khác nhau sẽ có giá trị thoát hơi nước với tốc độ khác nhau.

Các loại cây sống trong vùng khô cằn thì thoát hơi ít hơn các loại cây khác. Ví dụ cây xương rồng để giữ lại lượng nước quý báu bằng cách giảm bớt sự thoát hơi hơn các cây trồng khác. Lượng thoát hơi nước được thể hiện tương ứng với diện tích lá trên một đơn vị bề mặt của 13 đất dưới nó. Khi cây trồng còn nhỏ gần như 100% ET đến từ bốc hơi nước, trong khi ở thời điểm sinh trưởng phát triển mạnh độ che phủ kín diện tích đất thì hơn 90% ET đến từ thoát hơi nước (Allen và cộng sự 1990).

Bốc thoát hơi nước tham chiếu ET0 (Potential evaptransporation) Lượng bốc thoát hơi nước từ bề mặt tham chiếu (là một loại cỏ giả định để đối chiếu, bề mặt các đặc điểm cụ thể theo tiêu chuẩn) được gọi là bốc thoát hơi nước của cây trồng tham chiếu ký hiệu là ET0. Khái niệm thoát hơi nước tham chiếu được đưa ra để nghiên cứu nhu cầu bốc thoát hơi của khí quyển, độc lập với từng loại cây trồng (Allen và cộng sự 1990). ET0 tham chiếu là lượng bốc thoát nước qua một thảm thực vật được duy trì độ ẩm đầy đủ trong suốt thời gian sinh trưởng. Năm 1990, Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (FAO), Hội tưới tiêu Quốc tế và Tổ chức khí tượng thế giới tổ chức một hội nghị để thống nhất phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi của cây trồng.

Các nhà khoa học (Doorenhos và Fruit 1975) đã đưa ra khái niệm lượng bốc thoát hơi tham chiếu (Reference evapotranspiration), viết tắt là ET0, để chỉ khả năng bốc thoát hơi thực vật theo tiêu chuẩn hoặc điều kiện tham khảo (tham chiếu). ET0 là lượng nước dùng để tưới cho một cây trồng là cỏ chuẩn, trồng và chăm sóc đúng kỹ thuật, phủ đều trên toàn bộ mặt đất và được cung cấp nước đầy đủ trong điều kiện tối ưu. Các điều kiện tham chiếu gồm: Chiều cao của cây trồng h = 0,12m, điện trở bề mặt đất là 70 s/m, và suất phân sai bề mặt đất là 0,23. Khi các tham số về cây trồng, điện trở bề mặt, suất phân sai bề mặt đã đảm bảo theo tiêu chuẩn khi đó yếu tố ảnh hưởng đến ET0 là các thông số về khí hậu.

Do đó, ET0 là một thông số khí hậu và có thể được tính toán từ dữ liệu thời tiết. ET0 thể hiện sức mạnh bay hơi của bầu không khí tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong năm và không xem xét đến các đặc tính của cây trồng và các yếu tố đất đai. Phương pháp FAO 56 Penman - Monteith được khuyến nghị là phương pháp duy nhất để xác định ET0 áp dụng trên toàn thế giới và được hướng dẫn cụ thể 14 trong tài liệu “sự thoát hơi nước của cây trồng - hướng dẫn tính toán các yêu cầu về nước cho cây trồng” (Allen và cộng sự 1998).