Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Thanh Hóa, nằm trong vùng Bắc Trung Bộ Việt Nam, có diện tích rộng lớn khoảng 11.129,48 km² với khí hậu nhiệt đới gió mùa ẩm đặc trưng, mùa hè nóng ẩm và mùa đông lạnh, ít mưa. Lượng mưa trung bình hàng năm đạt khoảng 1.700 mm, trong khi nhiệt độ không khí trung bình dao động từ 22 đến 23°C, với các biến động lớn theo mùa và vùng miền. Thanh Hóa thường xuyên chịu ảnh hưởng của thiên tai như bão, lũ, sương muối, gây thiệt hại nghiêm trọng đến sản xuất nông nghiệp và đời sống dân cư. Việc khai thác và quản lý tài nguyên khí hậu một cách hiệu quả là yếu tố then chốt để phát triển kinh tế - xã hội bền vững của tỉnh.

Trong bối cảnh biến đổi khí hậu ngày càng phức tạp, việc xác định chính xác các chỉ tiêu khí tượng như nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và lượng mưa là rất cần thiết. Tuy nhiên, phương pháp quan trắc truyền thống tại các trạm khí tượng còn hạn chế về phạm vi và độ phủ, đặc biệt ở những vùng địa hình phức tạp như Thanh Hóa. Công nghệ viễn thám với khả năng thu thập dữ liệu đa phổ, đa độ phân giải và phủ rộng trên toàn bộ khu vực nghiên cứu đã mở ra hướng tiếp cận mới, cung cấp thông tin nhanh chóng, đồng bộ và khách quan về các yếu tố khí tượng.

Mục tiêu nghiên cứu là xác định các chỉ tiêu khí tượng quan trọng bằng ảnh vệ tinh tại tỉnh Thanh Hóa trong giai đoạn 2018-2019, xây dựng mô hình tương quan giữa dữ liệu viễn thám và số liệu quan trắc tại các trạm, từ đó đề xuất phương pháp quan trắc khí tượng hiệu quả bằng công nghệ viễn thám. Nghiên cứu này góp phần làm tăng dày số liệu khí tượng phục vụ dự báo ngắn hạn, hỗ trợ quản lý tài nguyên môi trường và phòng chống thiên tai tại địa phương.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết bức xạ nhiệt và hấp thụ khí quyển: Bức xạ điện từ phát ra từ bề mặt trái đất và khí quyển được phân tích trong các dải phổ hồng ngoại nhiệt và sóng siêu cao tần để xác định nhiệt độ không khí và hàm lượng hơi nước. Các khí như CO₂, H₂O, O₃ có các dải hấp thụ đặc trưng ảnh hưởng đến tín hiệu vệ tinh.

  • Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến: Xây dựng mối quan hệ tuyến tính giữa các biến độc lập (nhiệt độ bề mặt, chỉ số NDVI, dữ liệu viễn thám) và biến phụ thuộc (nhiệt độ không khí, độ ẩm, lượng mưa) để ước lượng các chỉ tiêu khí tượng.

  • Khái niệm chỉ số khác biệt thực vật (NDVI): NDVI phản ánh mức độ phủ xanh thực vật, có mối quan hệ nghịch với nhiệt độ bề mặt, được sử dụng để ước tính nhiệt độ không khí gần mặt đất.

  • Khái niệm độ ẩm tương đối và sức trương hơi nước: Độ ẩm tương đối là tỷ lệ phần trăm giữa sức trương hơi nước thực tế và sức trương hơi nước bão hòa ở cùng nhiệt độ, là chỉ tiêu quan trọng phản ánh trạng thái ẩm của không khí.

  • Mô hình chuyển đổi dữ liệu viễn thám sang dữ liệu raster và GIS: Dữ liệu ảnh vệ tinh được xử lý, chuyển đổi từ dạng grid sang raster, nội suy và chồng lớp để phân tích không gian và xây dựng bản đồ phân bố các yếu tố khí tượng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS, AVHRR, cùng số liệu quan trắc khí tượng từ 7 trạm trên địa bàn tỉnh Thanh Hóa (Hồi Xuân, Tĩnh Gia, Thanh Hóa, Bái Thượng, Như Xuân, Yên Định, Sầm Sơn) trong giai đoạn 2018-2019.

  • Phương pháp phân tích: Áp dụng phương pháp hồi quy tuyến tính đa biến để xây dựng mô hình tương quan giữa dữ liệu viễn thám và số liệu quan trắc. Sử dụng công cụ GIS và phần mềm ENVI, ArcGIS để xử lý ảnh, chuyển đổi dữ liệu, nội suy và chồng lớp raster.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Dữ liệu quan trắc từ 7 trạm khí tượng được chọn đại diện cho các vùng địa hình và khí hậu khác nhau trong tỉnh. Số liệu ảnh vệ tinh được xử lý theo từng ngày, từng giờ để đảm bảo tính thời gian và không gian phù hợp.

  • Timeline nghiên cứu: Thu thập và xử lý dữ liệu trong khoảng thời gian 2018-2019, thực hiện phân tích hồi quy và xây dựng mô hình trong năm 2019, hoàn thiện luận văn vào cuối năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Mối quan hệ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt: Mô hình hồi quy tuyến tính cho thấy hệ số tương quan cao (khoảng 0.8) giữa nhiệt độ không khí gần mặt đất và nhiệt độ bề mặt đo từ ảnh MODIS. Sai số trung bình của mô hình chỉ khoảng 1.2°C, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế.

  2. Ước tính độ ẩm tương đối từ dữ liệu viễn thám: Mô hình hồi quy đa biến sử dụng dữ liệu tổng cột hơi nước và nhiệt độ không khí cho kết quả ước tính độ ẩm tương đối với sai số trung bình dưới 10%. Độ chính xác này được xác nhận qua so sánh với số liệu quan trắc tại 7 trạm.

  3. Hiệu chỉnh lượng mưa từ dữ liệu vệ tinh GSMaP: So sánh lượng mưa 24h và 48h giữa dữ liệu vệ tinh và số liệu trạm cho thấy sai số trung bình khoảng 15%. Sau khi hiệu chỉnh bằng mô hình hồi quy, sai số giảm xuống còn khoảng 7%, cải thiện đáng kể độ chính xác ước tính lượng mưa.

  4. Phân bố không gian các yếu tố khí tượng: Bản đồ phân bố nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và lượng mưa được xây dựng với độ phân giải không gian phù hợp, thể hiện rõ sự phân hóa theo địa hình và vùng khí hậu trong tỉnh Thanh Hóa.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của mối quan hệ chặt chẽ giữa nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt là do bức xạ nhiệt từ mặt đất ảnh hưởng trực tiếp đến không khí gần mặt đất, phù hợp với các lý thuyết bức xạ và hấp thụ khí quyển. Kết quả sai số thấp tương tự các nghiên cứu của Chen (1983) và Green (2002) trên các khu vực khác nhau.

Việc ước tính độ ẩm tương đối dựa trên tổng cột hơi nước và nhiệt độ không khí thể hiện tính khả thi của phương pháp viễn thám trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa phức tạp như Thanh Hóa. Sai số dưới 10% là mức chấp nhận được trong ứng dụng thực tế, đồng thời phù hợp với các nghiên cứu của Kaufman và Gao (1990).

Hiệu chỉnh lượng mưa vệ tinh bằng mô hình hồi quy giúp giảm sai số đáng kể, khắc phục hạn chế của dữ liệu vệ tinh trong việc đo lượng mưa cục bộ và biến động nhanh. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu đánh giá chất lượng sản phẩm GSMaP tại lưu vực sông Mã.

Dữ liệu được trình bày qua các bản đồ phân bố và biểu đồ so sánh số liệu vệ tinh với số liệu trạm, giúp trực quan hóa sự phân bố và biến động của các yếu tố khí tượng, hỗ trợ công tác dự báo và quản lý tài nguyên môi trường.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai hệ thống quan trắc viễn thám kết hợp trạm mặt đất: Tăng cường sử dụng dữ liệu vệ tinh MODIS, GSMaP kết hợp với mạng lưới trạm quan trắc hiện có để nâng cao độ chính xác và độ phủ của số liệu khí tượng. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; Chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường tỉnh Thanh Hóa.

  2. Phát triển phần mềm và mô hình phân tích dữ liệu khí tượng viễn thám: Xây dựng công cụ xử lý tự động dữ liệu vệ tinh, mô hình hồi quy đa biến để ước tính các chỉ tiêu khí tượng phục vụ dự báo và quản lý tài nguyên. Thời gian: 1 năm; Chủ thể: Các viện nghiên cứu, trường đại học.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo về công nghệ viễn thám, GIS và phân tích dữ liệu khí tượng cho cán bộ quản lý và kỹ thuật viên tại các cơ quan liên quan. Thời gian: liên tục; Chủ thể: Sở Giáo dục và Đào tạo, Sở Tài nguyên và Môi trường.

  4. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào quy hoạch và phòng chống thiên tai: Sử dụng mô hình và dữ liệu viễn thám để hỗ trợ xây dựng kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, quy hoạch sử dụng đất, quản lý tài nguyên nước và phòng chống thiên tai tại Thanh Hóa. Thời gian: 3-5 năm; Chủ thể: UBND tỉnh, các sở ngành liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ quản lý tài nguyên và môi trường: Nắm bắt phương pháp sử dụng dữ liệu viễn thám để quản lý khí tượng, hỗ trợ ra quyết định trong quy hoạch và bảo vệ môi trường.

  2. Nhà nghiên cứu và học viên cao học ngành Quản lý tài nguyên và môi trường: Tham khảo mô hình, phương pháp phân tích dữ liệu viễn thám và ứng dụng trong nghiên cứu khí tượng thủy văn.

  3. Cán bộ kỹ thuật tại các trạm khí tượng và thủy văn: Áp dụng kỹ thuật xử lý ảnh số, GIS và mô hình hồi quy để nâng cao chất lượng số liệu và dự báo.

  4. Các tổ chức phòng chống thiên tai và phát triển nông nghiệp: Sử dụng kết quả nghiên cứu để dự báo thời tiết, lượng mưa, hỗ trợ phòng tránh rủi ro thiên tai và điều chỉnh kế hoạch sản xuất.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ảnh vệ tinh có thể thay thế hoàn toàn trạm quan trắc không?
    Ảnh vệ tinh cung cấp dữ liệu với độ phủ rộng và thời gian cập nhật nhanh, nhưng vẫn cần trạm quan trắc mặt đất để hiệu chỉnh và kiểm chứng độ chính xác. Sự kết hợp hai nguồn dữ liệu là tối ưu.

  2. Sai số trong ước tính nhiệt độ không khí từ ảnh vệ tinh là bao nhiêu?
    Nghiên cứu cho thấy sai số trung bình khoảng 1.2°C, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế, đủ chính xác cho các ứng dụng quản lý và dự báo khí tượng.

  3. Phương pháp nào được sử dụng để hiệu chỉnh lượng mưa vệ tinh?
    Mô hình hồi quy tuyến tính đa biến dựa trên số liệu trạm quan trắc được sử dụng để hiệu chỉnh dữ liệu lượng mưa vệ tinh, giảm sai số từ khoảng 15% xuống còn 7%.

  4. Dữ liệu viễn thám có thể áp dụng cho các vùng địa hình phức tạp như Thanh Hóa không?
    Có, với kỹ thuật xử lý ảnh số và GIS, dữ liệu viễn thám có thể được nội suy và chồng lớp để phản ánh chính xác sự phân bố không gian của các yếu tố khí tượng trong vùng địa hình đa dạng.

  5. Làm thế nào để nâng cao năng lực sử dụng công nghệ viễn thám trong quản lý khí tượng?
    Cần tổ chức đào tạo chuyên sâu về công nghệ viễn thám, GIS và phân tích dữ liệu, đồng thời phát triển phần mềm hỗ trợ xử lý và mô hình hóa dữ liệu khí tượng.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công mô hình hồi quy tuyến tính đa biến xác định nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối và lượng mưa từ dữ liệu ảnh vệ tinh MODIS và GSMaP tại tỉnh Thanh Hóa với độ chính xác cao.
  • Kết quả cho thấy viễn thám là công cụ hiệu quả, bổ sung và hỗ trợ cho hệ thống quan trắc truyền thống, đặc biệt trong điều kiện địa hình phức tạp và mạng lưới trạm hạn chế.
  • Phương pháp xử lý ảnh số, GIS và mô hình hồi quy được áp dụng thành công, tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ viễn thám trong quản lý tài nguyên và phòng chống thiên tai.
  • Đề xuất triển khai hệ thống quan trắc kết hợp, phát triển phần mềm phân tích và đào tạo nhân lực để nâng cao hiệu quả ứng dụng công nghệ viễn thám tại địa phương.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng phạm vi nghiên cứu, cập nhật dữ liệu mới và tích hợp mô hình vào hệ thống dự báo khí tượng thủy văn của tỉnh.

Call-to-action: Các cơ quan quản lý, nhà nghiên cứu và cán bộ kỹ thuật được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao hiệu quả quản lý tài nguyên khí hậu và phòng chống thiên tai tại Thanh Hóa và các vùng tương tự.