BTNMT
TTKTTVQG

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRUNG TÂM KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN QUỐC GIA

********

BÁO CÁO
TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP BỘ ĐỀ TÀI:
“NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG
MƯA TRÊN CƠ SỞ ẢNH MÂY VỆ TINH ĐỊA TĨNH
MTSAT CHO KHU VỰC VIỆT NAM”

Chủ nhiệm Đề tài: KS. Nguyễn Vinh Thư

Tuấn, KS. Nguyễn Thị Phương Thảo, ThS. Nguyễn Thị Hoàng Giang, TS. Lương Tuấn
Minh, KS. Vũ Duy Tiến. … ngày… thán …năm… …,ngày… tháng… năm… ……, ngày …tháng… năm…
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI Nguyễn Vinh Thư
CƠ QUAN THỰC HIỆN
GIÁM ĐỐC

Bùi Minh Tă
ng
CƠ QUAN CHỦ TRÌ
PHÓ TỔNG GIÁM ĐỐC

Nguyễn Văn Tuệ Hà Nội, ngày…tháng…năm… Hà Nội, ngày…tháng…năm…

tục và gây thiệt hại nghiêm trọng về người và vật chất. Phân tích một cách đị
nh lượng
lượng mưa đã và đang xảy ra, qua đó đưa ra những dự báo trước những đợt mưa, lũ có
ý nghĩa rất quan trọng trong phát triển kinh tế - xã hội và an toàn dân sinh. Tuy nhiên,
với hiện trạng của mạng lưới trạm quan trắc tại nước ta hiện nay và với công nghệ đang
phân tích và dự báo sử dụng thì đây là một công việc rất khó khăn và không thể một
sớm một chiề
u có được. Đây thực sự là những thách thức lớn đối với ngành Khí tượng
Thủy văn ở nước ta.
Đứng trước tình hình trên, Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia (KTTV QG),
Bộ Tài nguyên và Môi trường trong những năm vừa qua đã đầu tư xây dựng mới nhiều
các hệ thống hiện đại như: trạm radar thời tiết, hệ thống thu nhận và xử lý ảnh mây vệ
tinh độ phân giải cao, mạng l
ưới trạm quan trắc bề mặt, hệ thống truyền phát số liệu
mới,…nhằm mục đích tăng cường hơn nữa năng lực giám sát, cảnh báo và dự báo các
hiện tượng trên phục vụ phát triển kinh tế xã hội, góp phần giảm thiểu thiệt hại do thiên
tai bão, lũ gây ra. Các hệ thống, thiết bị đầu tư trên, nhìn chung bước đầu đã được sử
dụng khá hiệu quả
tại các đơn vị nghiệp vụ trong Trung tâm KTTV quốc gia và mang
lại hiệu quả tích cực.
Tuy nhiên, việc phát triển khai thác các sản phẩm chiết xuất từ thông tin radar,
vệ tinh tại các đơn vị còn rất hạn chế, do cả những nguyên nhân chủ quan và khách
quan. Chúng ta chỉ chủ yếu mới ứng dụng các nguồn số liệu trên vào nghiệp vụ dự báo
bão, áp thấp nhiệt đới (ATNĐ) và phân tích hệ thống thời tiết cơ
bản; trong khi đó, khả
năng khai thác và ứng dụng các loại số liệu này trong nghiệp vụ dự báo còn rất lớn.
Hiện nay, trên thế giới đã phát triển nhiều những thuật toán mới trong lĩnh vực viễn
thám và cùng với sự tăng cường đáng kể về số lượng và chất lượng vệ tinh quan trắc
khí quyển trái đất. Với thời gian quan trắc của vệ tinh mà chúng ta nhận được hàng
ngày khoảng 15 phút trên 05 kênh phổ, do vậy nguồn số liệu vệ tinh này hoàn toàn có

Bộ Tài nguyên và Môi trường. Chân thành cảm ơn !
CHỦ NHIỆM ĐỀ TÀI
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
6
MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 4
MỤC LỤC 6
DANH MỤC HÌNH 8
DANH MỤC BẢNG 11
CÁC TỪ VIẾT TẮT 12
SỰ CẦN THIẾT 14
NỘI DUNG BÁO CÁO 16
- Chương I. Tổng quan phương pháp xác định mưa từ thông tin ảnh vệ tinh 16
- Chương II. Nguồn số liệu và phương pháp nghiên cứu 16
- Chương III. Các kết quả đạt được 16
- Kết luận và kiến nghị 16
- Phụ lục và tài liệu tham khảo 16
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG MƯA TỪ
THÔNG TIN ẢNH VỆ TINH
17
1.1. Các kênh phổ của vệ tinh MTSAT 17
1.1.1. Kênh 11μm (IR1). 17
1.1.2. Kênh 12μm (IR2). 20
1.1.3. Kênh 6.7μm (WV) 21
1.1.4. Kênh 3.7μm 24
1.1.5. Kênh 0.75μm (VIS) 27
1.2. Các phương pháp xác định mưa 29
1.2.1. Phương pháp đơn phổ 29

2.2.3.3. Đánh giá mưa thời gian thực 58
CHƯƠNG III. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 60
3.1. Đánh giá theo sản phẩm mưa phân giải cao (HRPPs.) 61
3.2. Đánh giá theo mưa từ vệ tinh TRMM 64
3.3. Đánh giá theo nguồn quan trắc mưa thực. 65
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 83
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
8

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh IR1 chụp cơn bão Sangsan 2006 17
Hình 1.2. Phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ khác nhau 18
Hình 1.3. Tương quan giữa nhiệt độ và phát xạ theo các bước sóng λ khác nhau (T:
Nhiệt độ, E
λ:
: phát xạ) 19
Hình 1.4. Mô phỏng bức xạ nhiệt dải phổ IR1, IR2 và WV 20
Hình 1.5. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh hồng ngoại IR2 lúc 06z 31/8/2009 21
Hình 1.6. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh hơi nước (WV) lúc 06z 26/8/2009 22
Hình 1.7. Ảnh vệ tinh mô tả bức xạ trên các kênh IR1, WV và IR1-WV 23
Hình 1.8. So sánh sự khác biệt giữa IR1 và WV để khoanh vùng mây đối lưu 24
Hình 1.9. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh IR4 chụp lúc 16z 21/9/2009 25
Hình 1.10. Phân tích lượng mây bao phủ kênh 3.7μm và 10.7μm 25
Hình 1.11. Phân tích nhiệt độ bức xạ kênh 3.7μm và 10.7μm 26
Hình 1.12. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh thị phổ lúc 06Z ngày 7/9/2006 28
Hình 1.13. Xây dựng bảng LUT dựa vào bức xạ nhiệt của các kênh 34

pháp CMORPH, ANN và PERSIANN (đơn vị mm/giờ)
63
Hình 3.4. Biểu đồ phân tán lượng mưa trong ô lưới 0.25° × 0.25° giữa ANN với
CMORPH và PERSIANN lúc 21z ngày 2 tháng 9 năm 2006
63
Hình 3.5. Biểu đồ phân tán cường độ mưa theo ANN và TRMM/TMI-PR cho các
tháng 6 (a), 7 (b), 8 (c) và 9 (d) năm 2006
64
Hình 3.6. Phân bố lượng mưa trong 06 giờ lúc 00UTC ngày 9 tháng 9 năm 2006 theo
phương pháp ANN và PERSIANN (đơn vị mm)
66
Hình 3.7. Biểu đồ phân tán lượng mưa trong 06 giờ giữa ANN và PERSIANN với các
trạm quan trắc thực tế lúc 00UTC ngày 9 tháng 9 năm 2006
66
Hình 3.8. Phân bố lượng mưa ngày lúc 00z ngày 5 tháng 7 năm 2006 theo phương pháp
ANN và PERSIANN (đơn vị mm)
67
Hình 3.9. Biểu đồ phân tán lượng mưa ngày từ mô hình ANN và PERSIANN với các
trạm quan trắc mưa thực tế lúc 00Z ngày 5 tháng 7 năm 2006
67
Hình 3.10. Biểu đồ phân tán lượng mưa ngày từ mô hình ANN với quan trắc thực tế từ
các trạm quan trắc ở Việt Nam từ ngày 1 đến 31 tháng 7 năm 2006
68
Hình 3.11. Tổng lượng mưa trong 06 giờ xác định từ mô hình ANN lúc 18z ngày 17
tháng 10 năm 2010
69
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
10

Hình 4.3. Tổng lượng mưa trong 03 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 12z ngày 26/10/2010
(trên) và lúc 06z ngày 29/10/2010 (dưới)
90
Hình 4.4. Tổng lượng mưa trong 06 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 00UTC ngày
29/10/2010 (trên) và lúc 06UTC ngày 29/10/2010 (dưới)
91
Hình 4.5. Tổng lượng mưa trong 12 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 09z ngày 26/10/2010
(trên) và lúc 09z ngày 27/10/2010 (dưới)
92
Hình 4.6. Tổng lượng mưa trong 24 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 00z ngày 31/10/2010
(trên) và lúc 00z ngày 1/11/2010 (dưới)
93
Hình 4.7. Tổng lượng mưa trong 48 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 12z ngày 26/10/2010
(trên) và lúc 21z ngày 30/10/2010 (dưới)
94
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
11
Hình 4.8. Tổng lượng mưa trong 72 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 00z ngày 27/10/2010
(trên) và lúc 00z ngày 29/10/2010 (dưới)
95
Hình 4.9. Tổng lượng mưa trong 72 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 06z ngày 30/10/2010
(trên) và lúc 06z ngày 31/10/2010 (dưới)
96
Hình 4.10. Tổng lượng mưa trong 72 giờ từ vệ tinh MTSAT lúc 00z ngày 25/11/2010
(trên) và lúc 06z ngày 26/11/2010 (dưới)
97

DANH MỤC BẢNG

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
12

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Ý nghĩa
AMeDAS
Hệ thống thu thập dữ liệu khí tượng tự động (Automated
Meteorological Data Acquisition System)
ANN
Mạng thần kinh nhân tạo (Artificial Neuron Network)
ATNĐ
Áp thấp nhiệt đới
AVHRR
Bộ đo bức xạ phân giải cao tiên tiến (Advanced Very High
Resolution Radiometer)
CERES
Bộ quan trắc mây và năng lượng bức xạ trái đất (Clouds
and Earth Radiant Energy System)
CLW
Lượng nước lỏng chứa trong mây (Cloud Liquid Water)
CMA
Cơ quan Khí tượng Trung Quốc (China Meteorological
Administration)
CMORPH
Phương pháp tính mưa theo kỹ thuật Morphing (CPC
Morphing Technique)
FY
V
ệ tinh Phong Vân (Feng-Yun Satellite)
GMS

MTSAT
Vệ tinh địa tĩnh đa chức năng MTSAT (Multi-functional
Transport Satellite)
MW
Vi sóng (Microwave)
NOAA
Cơ quan quản lý khí quyển đại dương quốc gia Hoa Kỳ
(National Oceanic Atmospheric Administration)
NWS
Cơ quan Thời tiết Quốc gia Hoa Kỳ (National Weather
Service)
PERSIANN
Phương pháp tính mưa theo kỹ thuật mạng thần kinh nhân
tạo (Precipitation Estimation from Remotely Sensed
Information using Artificial Neural Networks)
PR
Radar quan trắc mưa (Precipitation Radar)
QMORPH
Phương pháp tính mưa theo một phần của kỹ thu
ật
Morphing Quad-Morphing Technique
RR
Cường độ mưa (Rain Rate)
SURF
Tham số bề mặt đệm (Surface Index)
TB
Nhiệt độ sáng (Brightness Temperature)
TMI
Bộ cảm ứng vi sóng (TRMM Microwave Imager)
TRMM

Ở Việt Nam, do hạn chế về mạng lưới trạm quan trắc khí tượng, thủy văn và trạm
đo mưa, việc phân tích diễ
n biến trường mưa và ước lượng được lượng mưa đã và đang
xảy ra trên toàn lãnh thổ nước ta và vùng phụ cận đóng vai trò rất quan trọng trong
công tác dự báo thời tiết nói chung và dự báo thủy văn nói riêng. Phân tích và theo dõi
quá trình diễn biến liên tục các trung tâm mưa giúp chúng ta có thể nhanh chóng định
tính đưa ra các dự báo, cảnh báo về tình hình mưa trong tương lai. Trên thông tin ảnh
vệ tinh, khi quan sát sự được di chuyển của khối không khí lạnh tràn xuống kèm theo
các dải mây, ổ mây
đối lưu mạnh gây mưa, các vùng mây đậm đặc có nhiệt độ thấp từ
biển hoặc phía tây di chuyển, thì các nhà dự báo có thể nhận định được xu thế diễn
biến mưa trong tương lai gần (nowcasting) một cách khá chính xác.
Các mô hình dự báo thủy văn ngày nay đều đòi hỏi phải có được nguồn số liệu đầu
vào là giá trị về mưa một cách đủ dày và đủ độ tin cậy thì mới đưa ra được các bả
n tin
dự báo thủy văn về lũ, dòng chảy, mực nước, một cách chính xác cho từng sông
trong mạng lưới sông hồ nhiều và phân bố rất phức tạp ở nước ta. Số liệu định lượng về
mưa chiết xuất từ thông tin vệ tinh trên các khu vực Trung Quốc, vùng núi xa xôi có
tầm quan trọng nhất định trong việc tăng cường số liệu mưa, đầu vào cho các mô hình
dự báo thủy văn, nơi mà hầ
u như không tồn tại các trạm quan trắc hoặc do nguyên nhân
chính trị, an ninh quốc gia không có được.
Một số phương pháp phân tích và ước lượng lượng mưa từ ảnh vệ tinh được phát
triển ở nước ta trước đây chỉ là những nghiên cứu ban đầu, mang tính chất xút tác cho
hàng loạt những nghiên cứu tiếp theo nhằm khai thác hiệu quả nguồn số liệu vệ tinh
phân giải cao còn mới mẻ và quí giá này. Các phương pháp trên nhìn chung chỉ dừng
lại ở mức độ phân tích định tính bằng mắt thường, thông tin về tổng lượng mưa và
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.

ại hiệu quả. Kết quả
thu được từ nghiên cứu này là những số liệu đo mưa hoàn toàn có thể trợ giúp các dự
báo viên khí tượng, thủy văn tham khảo một cách hữu ích trong nghiệp vụ dự báo
KTTV, nhất là hiện nay chúng ta đang nghiên cứu, áp dụng thử nghiệm phương pháp
dự báo cực ngắn mưa dông cho khu vực Hà Nội dựa chủ yếu vào nguồn số liệu viễn
thám đang thu nhận t
ại Trung tâm.

Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
16
NỘI DUNG BÁO CÁO
- CHƯƠNG I. TỔNG QUAN PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH MƯA TỪ THÔNG TIN
ẢNH VỆ TINH
- CHƯƠNG II. NGUỒN SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
- CHƯƠNG III. MỘT SỐ KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
- TÀI LIỆU THAM KHẢO
- PHỤ LỤC Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
17
CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH LƯỢNG
MƯA TỪ THÔNG TIN ẢNH VỆ TINH
1.1. Các kênh phổ của vệ tinh MTSAT
1.1.1. Kênh 11

Với c
1
, c
2
là các hằng số tương ứng
c
1
=3.741832 × 104 [W.cm
-2
.μm
4
] và c
2
= 14387.86 [μm.K].
Quang phổ phát xạ của vật đen tuyệt đối với nhiệt độ trong dải nhiệt độ từ
300°K (27°C) đến 5500°K (5227°C), tức là từ nhiệt độ của phòng (room) ở đến
nhiệt độ mặt trời được chỉ ra ở hình 1.2 dưới đây.

Hình 1.2. Phát xạ của vật đen tuyệt đối ở các nhiệt độ khác nhau
Định luật Planck dùng để tính toán phổ phát xạ, tuy nhiên đôi khi nó có thể được
dùng để xác định nhiệt độ (T°) của vật đen tuyệt đối khi đã biết phát xạ E
λ
. Biến đổi lại
công thức của định luật Planck ta có:
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
19
IR1, bức xạ nhận được từ kênh này rất hữu ích trong phân tích trường nhiệt đỉnh mây,
nhất là trong trường hợp mây có đỉnh cao và lạnh.
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
21

Hình 1.5. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh hồng ngoại IR2 lúc 06z 31/8/2009
1.1.3. Kênh 6.7
μ
m (WV)
Bước sóng của kênh này nằm trong khoảng 6.7μm hay còn gọi là phổ hơi nước
(hình 1.6) với mức lượng tử là 1024 và có độ phân giải không gian là 4.0km tương tự
như các kênh hồng ngoại khác. Mức xám của điểm ảnh thu được là biểu hiện của phát
xạ mà bộ cảm ứng của vệ tinh thu được trong dải hấp thụ của hơi nước trong cột không
khí của quyển từ bề mặ
t trái đất đến độ cao của đỉnh mây với thiết diện bằng diện tích
của điểm ảnh. Hơi nước được biểu hiện rõ nhất trong tầng khí quyển đối lưu từ 850mb
đến 300mb. Tại các vùng nhiệt đới hơi nước nhiều hơn so với các vùng khác và thường
rất đồng nhất, cho nên tại các vùng nhiệt đới loại ảnh này ít khi được sử dụng cho các
đối tượng mây tầng th
ấp dưới 850mb và càng không được sử trong phân tích các đối
tượng của bề mặt trái đất.
Trong phân tích định tính các ảnh hơi nước. đặc biệt tại các vùng vĩ độ cao, người
ta hay chú ý đến sự di chuyển và thay đổi của các vùng tối, tức là các vùng khô hơn.
Sự thay đổi và di chuyển của các vùng tối này là biểu hiện về sự thay đổi và di chuyển
của các khối không khí tương đối khô dưới tác động của các áp cao lục địa ho
ặc lưỡi
cao. Ảnh hơi nước thường được kết hợp với ảnh hồng ngoại trong phân tích thời tiết,
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

m
Ngoài các kênh hồng ngoại nhiệt và kênh hơi nước kể trên, các vệ tinh khí tượng
ngày nay cũng đều gắn bộ cảm biến để thu được số liệu bức xạ gần bề mặt (Near
Infrared) kênh 3.7μm. Với dải phổ trên, kênh ảnh này cho phép chúng ta quan trắc được
cả ban ngày lẫn ban đêm. Vào thời gian tối, do không còn ánh sáng mặt trời nên kênh
thị phổ không chụp được các đối tượng mây. Điều này rất khó khăn cho các nhà phân
tích và d
ự báo thời tiết đặc biệt là trong phân tích sương mù và xoáy thuận nhiệt đới khi
cấu trúc mây không rõ ràng, xoáy mây kém biểu hiện, đĩa mây lệch tâm,…
Độ phân giải số liệu nhận được của kênh này trên vệ tinh địa tĩnh MTSAT lên tới
1024 mức lượng tử (10 bits) và 4km/pixel. Trong các nghiên cứu về phân loại mây tự
động, người ta đã tính đến chuyện kết hợp thông tin từ kênh này với kênh IR1 và kênh
hơi nước để tăng cường độ chính xác khi nhận dạng và phân lo
ại ra được nhóm mây Ci
tầng cao mỏng và mây tầng thấp do ảnh hưởng của địa hình,
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
25

Hình 1.9. Ảnh vệ tinh MTSAT kênh IR4 (3.7μm) chụp lúc 16z 21/9/2009 Hình 1.10. Phân tích lượng mây bao phủ kênh 3.7μm và 10.7μm
Trung tâm Dự báo KTTV Trung ương Trung tâm KTTV quốc gia

Nghiên cứu phương pháp xác định lượng mưa trên cơ sở ảnh mây vệ tinh địa tĩnh MTSAT cho khu vực Việt Nam.
26
Trên hình 1.10a so sánh nhiệt độ sáng nhận được từ vệ tinh trên kênh 3.7µm và
10.7µm vào thời gian ban đêm, khi không có bức xạ phản chiếu tại kênh 3.7µm, với