Luận án tiến sĩ quản lý tài nguyên môi trường: Đồng hóa dữ liệu vệ tinh cho mô hình CMAQ tại Hà Nội

i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án này là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Hải Đông ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tác giả xin gửi lời cảm ơn đến Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn và Biến đổi khí hậu, Trung tâm Dịch vụ viễn thám và địa tin học (nay là Trung tâm Triển khai công nghệ viễn thám), Cục viễn thám quốc gia đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành Luận án.

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới Trung tâm Quan trắc Môi trường, Tổng Cục Môi trường, Chi Cục Bảo vệ môi trường, Sở Tài nguyên và Môi trường Hà Nội đã cung cấp số liệu quan trắc cần thiết cho việc hoàn thành nghiên cứu của tác giả. Với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tác giả xin gửi lời cảm ơn đặc biệt tới hai thầy hướng dẫn là PGS. Doãn Hà Phong và TS. Lê Ngọc Cầu đã tận tình giúp đỡ tác giả từ những bước đầu tiên xây dựng hướng nghiên cứu, cũng như trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thiện Luận án.

Hai thầy luôn ủng hộ, động viên và hỗ trợ những điều kiện tốt nhất để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả trân trọng cảm ơn PGS. Dương Hồng Sơn đã tạo điều kiện thuận lợi về tài liệu, số liệu tính toán phục vụ Luận án. Tác giả chân thành cảm ơn các chuyên gia, các nhà khoa học trong và ngoài Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu và các cơ quan hữu quan đã có những góp ý về khoa học cũng như hỗ trợ nguồn tài liệu, số liệu cho tác giả trong suốt quá trình thực hiện Luận án.

Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn tới những người thân yêu trong gia đình đã luôn ở bên cạnh, động viên cả về vật chất và tinh thần để tác giả hoàn thành tốt Luận án của mình. Tác giả luận án Nguyễn Hải Đông iii MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC HÌNH. viii DANH MỤC BẢNG. xii MỞ ĐẦU.

Đặt vấn đề, lý do lựa chọn đề tài. Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu. Mục tiêu nghiên cứu. Nhiệm vụ nghiên cứu.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu. Phương pháp nghiên cứu. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học.

Ý nghĩa thực tiễn. Luận điểm bảo vệ. Bố cục của luận án. 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐỒNG HÓA.

Tổng quan các phương pháp quan trắc môi trường. Các phương pháp quan trắc môi trường. Phân tích, đánh giá. Khái niệm, tổng quan các phương pháp đồng hóa.

Tổng quan các phương pháp đồng hóa. Nghiên cứu phương pháp đồng hóa số liệu trên Thế giới. Nghiên cứu phương pháp đồng hóa số liệu ở Việt Nam. Tổng quan đồng hóa số liệu khí tượng và hóa học khí quyển.

Đồng hóa số liệu khí tượng học. Đồng hóa số liệu trong hóa học khí quyển. Đồng hóa số liệu trong các mô hình hóa học. Đồng hóa số liệu vệ tinh trong giám sát ô nhiễm không khí 41 Tiểu kết chương 1.

50 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TOÁN HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Đối tượng, phạm vi và mục tiêu nghiên cứu. Kỹ thuật đồng hóa số liệu. Thuật toán của bộ lọc Kalman mở rộng.

Thuật toán của bộ lọc Kalman tổ hợp. Đồng hóa số liệu trong mô hình WRF. Hiệp phương sai lỗi nền. Hệ thống WRF-3DVAR.

Hệ thống WRF-4DVAR. Áp dụng kỹ thuật 4DVAR để đồng hóa số liệu vệ tinh MODIS. Số liệu vệ tinh MODIS. Đồng hóa số liệu AOD từ số liệu vệ tinh MODIS.

81 Tiểu kết chương 2. 86 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐỒNG HÓA SỐ LIỆU VỆ TINH CHO HỆ THỐNG MÔ HÌNH WRF-CMAQ. Mô tả các bước của quá trình thực nghiệm. Kết quả mô phỏng thực nghiệm.

Kết quả mô phỏng vào mùa mưa. Kết quả mô phỏng vào mùa khô. 110 Tiểu kết chương 3. 125 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.

127 v TÀI LIỆU THAM KHẢO. 130 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN. Quy trình các bước thực hiện mô phỏng. Hệ thống tiền xử lý.

Loại bỏ sai số thô. Hệ thống xử lý ARW - mô hình WRF. Khởi tạo số liệu thực. Module đồng hóa số liệu.

Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết. Mô hình chất lượng không khí đa qui mô. Tính toán tốc độ quang phân. Xử lý điều kiện ban đầu.

Xử lý điều kiện biên. Mô hình vận chuyển hóa học. Thống kê một vài số liệu và hình ảnh kết quả của quá trình mô phỏng thực nghiệm. 166 vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT 3DVAR Three-demiensional variational - Biến phân ba chiều 4DVAR Four-demiensional variational - Biến phân bốn chiều AOD Aerosol Optical Depth - Độ sâu quang học sol khí AOT Aerosol Optical Thickness - Độ dày quang học sol khí AQI Air Quality Index - Chỉ số chất lượng không khí BĐKH Biến đổi khí hậu BLUE Best Linear Unbiased Estimate - Ước tính không thiên vị tuyến tính tốt nhất CCTM CMAQ Chemistry-Transport Model - Mô hình Hóa học-Vận chuyển CMAQ CLKK Chất lượng không khí CMAQ Community Multi-scale Air Quality - Chất lượng không khí đa quy mô DOS Darkest Object Subtraction - Phép trừ vật thể tối nhất ĐHBP Đồng hóa biến phân ĐHD Đồng hóa dãy ĐHDL Đồng hóa số liệu EnKF Ensemble Kalman filter - Bộ lọc Kalman tổ hợp FDDA Four-Dimensional Data Assimilation - Đồng hóa số liệu bốn chiều GOCART Goddard Chemistry Aerosol Radiation and Transport - Goddard hóa học bức xạ và vận chuyển Aerosol GPS Global Positioning System - Hệ thống định vị toàn cầu GPS/MET Global Positioning System/Meteorology - Hệ thống định vị toàn cầu/Khí tượng I/O API Input/Output Applications Programming Interface - Giao diện lập trình ứng dụng đầu vào/đầu ra vii LETKF Local Ensemble Transform Kalman Filter - Bộ lọc Kalman biến đổi cục bộ MM5 Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model - Mô hình Mesoscale thế hệ thứ năm MODIS Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer - Máy đo quang phổ hình ảnh có độ phân giải vừa phải NASA National Aeronautics and Space Administration - Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia NCAR National Center for Atmospheric Research - Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia NCEP National Centers for Environmental Prediction - Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia NWP Numerical Weather Prediction - Dự báo thời tiết dạng số OD Optical Depth - Độ sâu quang học OI Optimal interpolation - Nội suy tối ưu OMI Ozone Monitoring Instrument - Công cụ giám sát ôzôn PM Particulate Matter - Vật chất dạng hạt (trong khuôn khổ của nghiên cứu này được gọi là BỤI) SMOKE Sparse Matrix Operator Kerner Emissions - Điều khiển ma trận rời rạc phát thải Kerner WRF The Weather Research and Forecasting Model - Mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết viii DANH MỤC HÌNH Hình 2.1: Các bước chính dự báo và quan trắc của bộ lọc EKF .2: Mối quan hệ giữa các thành phần của WRFDA với các thành phần của hệ thống WRF.3: Định dạng LITTLE_R của số liệu AOD từ vệ tinh MODIS.4: Cửa sổ thời gian phân tích của OBSPROC - 3DVAR.5: Cửa sổ thời gian phân tích của OBSPROC - 4DVAR.1: Sơ đồ các bước thực hiện mô phỏng thực nghiệm.2: Domain (nét màu đỏ) và nest (nét màu vàng) khu vực Hà Nội .3: Tổng hợp số liệu quan trắc tại trạm Nguyễn Văn Cừ năm 2015 .4: Số liệu PM2.5 tháng 01, 02/2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ.5: Tổng hợp số liệu quan trắc tại các trạm cố định năm 2017, 2019 .6: Ảnh MODIS_3K ngày 01/01/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .7: Ảnh MODIS_3K ngày 14/01/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .8: Ảnh MODIS_3K ngày 16/01/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .9: Ảnh MODIS_3K ngày 14/07/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .10: Ảnh MODIS_3K ngày 13/07/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .11: Ảnh MODIS_3K ngày 10/08/2015 (bên trái) và số liệu AOD của ảnh (bên phải) .12: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 16/01/2015 đến 23 giờ ngày 22/01/2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ .13: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 05/02/2015 đến 23 giờ ngày 11/02/2015 tại trạm Nguyễn Văn Cừ .14: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 05/02/2019 đến 23 giờ ngày 11/02/2019 tại trạm Trung Yên .15: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 05/02/2019 đến 23 giờ ngày 11/02/2019 tại trạm Minh Khai .16: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 04/07/2017 đến 23 giờ ngày 10/07/2017 tại trạm Nguyễn Văn Cừ .17: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 06/09/2017 đến 23 giờ ngày 12/09/2017 tại trạm Nguyễn Văn Cừ .18: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 04/07/2017 đến 23 giờ ngày 10/07/2017 tại trạm Trung Yên .19: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 06/09/2017 đến 23 giờ ngày 12/09/2017 tại trạm Trung Yên .20: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 04/07/2017 đến 23 giờ ngày 11/07/2017 tại trạm Minh Khai .21: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 06/09/2017 đến 23 giờ ngày 12/09/2017 tại trạm Minh Khai .22: Tương quan, kết quả hồi quy nồng độ PM2.5 từ trạm quan trắc và mô hình CMAQ trước và sau khi đồng hóa từ 00 giờ ngày 06/09/2019 đến 23 giờ ngày 12/09/2019 tại trạm Trung Yên .