Mục lục
Mục lục 1
Mở đầu 2
Chơng 1: tổng quan 4
1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng TKNT 4
1.2. Các đặc trng vật lý cơ bản của bức xạ 7
1.3. Sự hấp thụ bức xạ trong khí quyển 14
1.4. Sự khuếch tán bức xạ trong khí quyển 18
1.5. Cách tính bức xạ sóng ngắn trong khí quyển 20
1.6. Chế độ nhiệt và bức xạ ở khu vực đồng bằng phía bắc 26
Chơng 2: cơ sở lý thuyết mạng thần kinh nhân tạo (TKNT) 29
2.1. Các khái niệm cơ bản về mạng thần kinh nhân tạo 29
2.2. Các quy tắc và phơng pháp xây dựng mạng TKNT 38
2.3. Các loại mạng TKNT và ứng dụng 45
Chơng 3: ứng dụng mạng tknt dự báo một số yếu tố khí tợng
cho khu vực đồng bằng phía bắc việt nam 57
3.1.Giới thiệu phần mềm NeuroSolutions 58
3.2.Một số kỹ thuật phụ trợ 60
3.3. Các chỉ số đánh giá, so sánh 61
3.4. Kết quả 63
Kết luận 78
Tài liệu tham khảo 81
1
Mở đầu
Bức xạ Mặt trời là nguồn năng lợng chủ yếu và vô cùng quý giá đối với trái
đất. Nó quyết định đến sự biến đổi khí hậu, sự sống của con ngời. Chính điều đó đòi
hỏi con ngời phải biết khai thác triệt để và sử dụng nguồn năng lợng này một cách
có hiệu quả nhất. Nghiên cứu giảm thiểu những ảnh hởng xấu đến sự sống của con
ngời và động thực vật nhằm mục tiêu phát triển bền vững. Trong những thập kỷ gần
đây, ở những nớc tiên tiến ngời ta không chỉ mở rộng mạng lới đo đạc, nghiên cứu
quy luật biến đổi theo không gian và thời gian của các yếu tố bức xạ Mặt Trời, mà

báo bức xạ mặt trời của mô hình quy mô vừa Eta cho khu vực nam Brazil, kết quả đ-
ợc đánh giá là khả quan và có ý nghĩa thực tiễn, giúp cải thiện đáng kể dự báo của
mô hình (sai số của mô hình giảm 20 30%).
Cùng với bức xạ, nhiệt độ tối cao là một trong các yếu tố khí tợng từ lâu ít đ-
ợc quan tâm đúng mức. Nhiệt độ tối cao đặc biệt có ý nghĩa đối với sản xuất nông
nghiệp, ngành xây dựng, và tất nhiên là trong khoa học khí tợng, đặc biệt là trong
những tháng mùa hè.
Trong tập luận văn này, để xây dựng mạng TKNT dự báo hai yếu tố khí tợng
là tổng xạ và nhiệt độ tối cao, tôi sử dụng số liệu quan trắc của các yếu tố: Bức xạ
tổng cộng (Tổng xạ), nhiệt độ tối cao của 4 trạm: Láng (Hà Nội), Phủ Liễn (Hải
Phòng), Yên Định (Thanh Hóa) và Vinh (Nghệ An) trong vòng 10 năm (1981 -
1990) kết hợp với sử dụng các số liệu tái phân tích của NCEP của các yếu tố: tổng
xạ ngày tại bề mặt, tổng xạ đến đỉnh của khí quyển, nhiệt độ trung bình ngày, nhiệt
độ tối cao, độ ẩm tuyệt đối tầng 1000mb, độ ẩm tơng đối bề mặt, lợng mây trung
bình ngày, tổng lợng nớc khả giáng trong cột khí quyển, các thành phần gió bề mặt,
độ dày lớp khí quyển giữa các mực 1000, 850 và 500mb,
Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo, luận văn gồm 3 chơng:
Chơng I: Tổng quan
Chơng II: Cơ sở lý thuyết về mạng TKNT
Chơng III: ứng dụng mạng TKNT dự báo một số yếu tố khí tợng cho
khu vực đồng bằng phía Bắc Việt Nam.
3
Chơng 1: tổng quan
1.1 Tình hình nghiên cứu và ứng dụng mạng TKNT
Các công nghệ mới trong kỹ thuật, vật lý, đặc biệt là vật lý khí quyển, sinh
học đã làm nảy sinh một loạt các vấn đề phi tuyến, bất ổn định và phức tạp. Để
giải đợc các bài toán đó đòi hỏi phải có các công cụ xử lý, tính toán phi tuyến, trong
số các công cụ đó, mạng thần kinh nhân tạo (TKNT) tỏ ra có u thế vợt trội. Mạng
TKNT đáp ứng đợc nhu cầu vì nó đợc luyện trên các mẫu, sử dụng các công cụ
thống kê và giả thuyết tối u. Có nhiều loại mạng TKNT khác nhau, trong đó có

nh những công cụ thống kê cho các bài toán phức tạp giúp hiệu chỉnh sản phẩm mô
hình số, tái tạo và bổ xung số liệu, tính toán tổng lợng ozon trong khí quyển
1
Processing Elements
2
ADAptive LInear Neuron
3
Multiple ADALINE
4
Do tính đa dạng của các loại mạng khác nhau nên rất khó cho việc phân loại
mạng, nhng trong luận văn này, tôi cũng cố gắng đa ra một cách phân loại phổ biến
nhất mà đã đợc nhiều tác giả trình bày. Sự phân loại ở đây chỉ áp dụng cho các thuật
toán và các phơng pháp học phổ biến đợc dùng trong mạng TKNT, có thể còn nhiều
thuật toán cũng nh phơng pháp khác nhng do không đợc sử dụng rộng rãi nên cũng
không đợc đa vào phân loại trong luận văn này.
Bảng 1: Phân loại mạng TKNT và ứng dụng [21]
ứng dụng Thuật toán Học có điều kiện Học không điều kiện
Phát hiện
mối liên hệ
Hopfield (Zurada, 1992; Haykin,
1994)
- Hebbian (Zuruda, 1992;
Haykin, 1994; Kung,
1993)
Nhận thức đa lớp (Zuruda, 1992;
Carling, 1992; Haykin, 1994;
Bishop, 1995; Patterson, 1996)
Lan truyền ngợc
(Zuruda, 1992; Haykin,
1994; Bishop, 1995;)

Kohenen
-
Thuật toán Oja (Zurada,
1992; Kung, 1993)
Dự báo
Mạng thời gian trễ (Zurada, 1992;
Kung, 1993, de Vries và Principe,
1992)
Mạng truy hồi toàn phần (Zurada,
1992)
Lan truyền ngợc theo
thời gian (BPTT)
-
Tính đến nay, trên thế giới đã có rất nhiều công trình nghiên cứu ứng dụng
mạng TKNT đợc công bố trên các tạp chí, gần đây nhất là vào tháng 4 năm 2006,
Ricardo A. Guarnieri cùng đồng nghiệp [24] đã sử dụng mạng TKNT hiệu chỉnh dự
báo tổng xạ của mô hình khí hậu khu vực Êta, trớc đó, vào tháng 1 năm 2000, David
Silverman và John A. Dracup [11] đã dùng mạng TKNT dự báo ma ở khu vực
California, năm 2002, luận văn Thạc sỹ của Bin Li [7] (Đại học Georgia, Hy Lạp) đã
sử dụng mạng TKNT là công cụ nội suy trờng khí tợng về trạm thay cho các phơng
pháp nội suy truyền thống và nhiều công trình nghiên cứu chuyên biệt về lĩnh vực
mạng TKNT đáng chú ý khác nh các công trình của Danilo P. Mandic [9], Hopfield
[16], Jose C. Principe [18], Lakhmi C. Jain và N.M. Martin [19], Marcelo C.
Medeiros và đồng nghiệp [20], Pattrick van der Smagt và Ben Krose [21] và S.
Haykin [25].
Còn ở Việt Nam, các tác giả Lê Xuân Cầu [1] đã ứng dụng mạng TKNT dự
báo lũ trong thủy văn, tác giả Nguyễn Hớng Điền và cộng sự cũng đã có nhiều công
trình nghiên cứu ứng dụng mạng TKNT trong dự báo khí tợng thủy văn [3, 4]. Tất cả
các công trình trên đều có chung kết luận: Mạng TKNT đã cải thiện đáng kể kết quả
dự báo so với các phơng pháp khác.

tích 1,41.10
18
km
3
,

khối lợng khoảng 1.10
30
kg (gấp hơn 330 000 lần trái đất). Trái
đất quay xung quanh mặt trời theo một quĩ đạo elíp gần tròn (mặt trời ở một tiêu
điểm) mà khoảng cách ngắn nhất từ mặt trời đến trái đất là 147 triệu km (ngày 3
tháng 1) khoảng cách xa nhất là 152 triệu km (ngày 5 tháng 7), khoảng cách trung
bình là 149,5 triệu km (ánh sáng truyền mất hơn 8 phút). Mặt trời bức xạ liên tục l-
ợng bức xạ khổng lồ ra xung quanh. Lợng bức xạ mặt trời lớn tới mức có thể làm tan
và bốc thành hơi một vỏ nớc đá dầy 12m bọc quanh nó trong vòng 1 phút. Tuy
7
nhiên, khí quyển trái đất chỉ hứng đợc một phần 2 tỷ lợng bức xạ của mặt trời. Tuy
vậy, lợng bức xạ này cũng rất lớn, vào khoảng 1,5.10
28
J mỗi ngày [2].
Bức xạ mặt trời trên đờng tới trái đất bị nhiều tác dụng làm suy yếu cho nên
phổ bức xạ mặt trời mà ta quan trắc đợc trên trái đất không giống nh phổ bức xạ tại
gốc của mặt trời. Ngời ta thấy phổ bức xạ điện từ của mặt trời rất rộng, từ tia
Gamma đến sóng vô tuyến.
Bảng 2: Các loại bức xạ và bớc sóng trong không gian
Loại bức xạ Bớc sóng
Tia có bớc sóng trong chân không < 10
-5
àm
Tia Rơnghen (X)

vật đen tuyệt đối của mặt trời là thích hợp cho rất nhiều mục đích khác nhau.
- Cờng độ phát xạ năng lợng của mặt trời là rất ổn định: Những đo đạc về độ
rọi của bức xạ mặt trời đã đợc S.P. Langley và đặc biệt là C. G. Abbot thực hiện từ
nhiều năm trớc đây. Sự thay đổi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất trong năm có
thể dễ dàng đợc đa vào tính toán, nhng những biến đổi về sự hấp thụ của khí quyển
lại gây ra rất nhiều khó khăn. Phơng pháp hiệu quả nhất đợc Abbot và các đồng
nghiệp đa ra là:
8

=

z
dzk
z
eSS



cos
0
trong đó, S

z
là độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại mực z
S

0
là độ rọi bức xạ mặt trời đơn sắc tại giới hạn trên của khí quyển
k


Mức độ hấp thụ bức xạ của mặt đệm lớn hơn rất nhiều so với khí quyển vì khí
quyển về cơ bản là môi trờng khuếch tán bức xạ, chứ hấp thụ thì rất ít, trừ mây. Nói
chung, phần bức xạ do mặt đệm hấp thụ thờng gấp ba lần phần bức xạ do khí quyển
hấp thụ.
9
h
o
Hình 1: Để tính trực xạ trên mặt
ngang
Đến lợt mình, do bị đốt nóng, mặt đất trở thành nguồn phát xạ nhiệt hớng tới
khí quyển. Bức xạ phát ra từ mặt đất gọi là bức xạ mặt đất. Tơng tự nh vậy, khí
quyển cũng phát xạ về mọi hớng và một phần hớng về mặt đất, phần này gọi là bức
xạ nghịch của khí quyển.
Các dòng bức xạ kể trên khác nhau về thành phần phổ. Phần cơ bản của bức
xạ mặt trời do phát xạ ở nhiệt độ cao, nên nằm trong khoảng phổ nhìn thấy. Trong
khi đó bức xạ mặt đất và bức xạ khí quyển phần lớn ở bớc sóng lớn hơn 4 àm. Do sự
khác biệt này mà bức xạ mặt trời đợc gọi là bức xạ sóng ngắn còn bức xạ mặt đất và
khí quyển gọi là bức xạ sóng dài.
Nh vậy, trong khí quyển luôn tồn tại một hệ các dòng bức xạ khác nhau về
thành phần phổ và hớng. Khi nghiên cứu các dòng này ta thờng xét phần đợc vận
chuyển, phần bị phản xạ và phần bị hấp thụ chuyển thành nhiệt. Về mặt năng lợng,
tổng đại số của tất cả các dòng bức xạ qua một bề mặt nào đó (năng lợng bức xạ tới-
năng lợng bức xạ rời khỏi bề mặt) đặc trng cho sự hấp thụ- phát xạ, còn đợc gọi là
cán cân bức xạ.
Nghiên cứu tất cả các dòng bức xạ trong khí quyển là nhiệm vụ của chuyên
ngành bức xạ học.
d. Sự phân bố của bức xạ mặt trời theo vĩ độ
Nếu không có khí quyển, bức xạ mặt trời tới mặt đất dới dạng những tia song
song. Khi đó trong một đơn vị thời gian trên mỗi đơn vị diên tích mặt đất nằm ngang
ở điểm bất kỳ sẽ có năng lợng bức xạ mặt trời đi tới, tức độ rọi trực xạ (mà trong

=sinsin+coscoscos (1.2)
trong đó là xích vĩ (vĩ độ của mặt trời), thay đổi theo thời gian trong năm giữa
hai giá trị 23
0
27', còn là góc giờ mặt trời,


=
t2
với là chu kỳ quay của trái
đất quanh trục của nó ( 24 giờ), còn t là thời điểm trong ngày (theo giờ thực ứng
với kinh độ địa phơng) tính mốc lúc giữa tra. Thay (1.2) vào (1.1) ta đợc:
)coscoscossin(sin'
2

+=
R
S
S
o
(1.3)
Biểu thức trên cho phép ta tính đợc lợng nhiệt từ mặt trời đến mỗi đơn vị diện
tích mặt đất ở các vị trí có vĩ độ khác nhau trong một khoảng thời gian nào đó (tức
độ phơi bức xạ trong khoảng thời gian đó). Chẳng hạn, ta có thể xét độ phơi bức xạ
trong một ngày đêm, tại một điểm đã cho, lợng nhiệt từ mặt trời tới mặt đất trong
suốt thời gian từ lúc mặt trời mọc đến lúc mặt trời lặn. Tại hai thời điểm này h
o
=0,
tức là sinh
o



coscos
sinsin
2
cos
(1.4)
)arccos(
2



tgtgt
o
=
(1.5)
(dấu "+" ứng với thời điểm mặt trời lặn, còn dấu "-" ứng với thời điểm mặt trời
mọc).
Nh vậy thời điểm mặt trời mọc và lặn chỉ phụ thuộc vào vĩ độ và xích vĩ. Khi
đó tích phân (1.3) ta đợc độ phơi ngày:








+==
o




o
o
o
t
t
R
S
H
2
sincoscos
2
sinsin
2
2
(1.6b)
Vì t
o
đợc xác định theo công thức (1.5) nên H chỉ phụ thuộc vào vĩ độ địa lý
và thời gian trong năm. Do đó nó biểu thị quy luật phân bố của bức xạ mặt trời theo
vĩ độ và thời gian trong năm trong điều kiện không có khí quyển.
Từ (1.1) và (1.2) ta thấy độ rọi đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm t = 0 (lúc giữa
tra) tại nơi thoả mãn điều kiện:
sinsin + coscos = cos(-) = 1 (1.7)
tức là tại lúc giữa tra ngày mặt trời qua thiên đỉnh (=), còn độ rọi sẽ nhỏ nhất,
E=0, tại thời điểm mặt trời mọc và lặn (h
O
=0).

Hình 2: Biến trình năm của bức xạ ở một số vĩ độ
và hạ chí. ở giữa xích đạo thì hai cực đại rơi vào ngày xuân phân (22/3) và thu phân
(22/9). Dịch lên phía bắc, nh ở Việt Nam chẳng hạn, hai cực đại này xích lại gần
nhau hơn, tới chí tuyến thì chúng nhập lại thành một cực đại duy nhất. ở vùng vĩ độ
trung bình ở bán cầu Bắc, biến trình năm của H có dạng đơn thể hiện một cực đại
vào ngày hạ chí và một cực tiểu vào ngày đông chí. ở vùng vĩ độ cao xung quanh
vòng cực (>66,55
0
) có một thời gian dài trong năm không có bức xạ tới, nhng
thời gian giữa mùa hè có lợng bức xạ tới lớn nhất (tại đỉnh cực, bức xạ đến sau 24
giờ vào ngày hạ chí gấp 1,365 lần lớn hơn ở xích đạo).
ở bán cầu Nam sự việc xảy ra tơng tự nhng về thời gian lệch đi 6 tháng so với
bán cầu Bắc. Thêm vào đó, do quỹ đạo trái đất quanh mặt trời có dạng elíp và lúc
trái đất xa mặt trời nhất lại vào ngày mùng 5 tháng 7, gần ngày đông chí ở bán cầu
Nam (22/6), cho nên lợng bức xạ tới lại càng ít. Ngợc lại, trái đất gần mặt trời nhất
vào ngày mùng 3 tháng 1, gần ngày hạ chí ở bán cầu Nam, nên lợng bức xạ tới lại
càng tăng mạnh. Sự tăng, giảm bức xạ do khoảng cách mặt trời - trái đất thay đổi
trong một năm chỉ vào khoảng 3% so với mức trung bình nhng cũng là một trong
những nhân tố làm cho khí hậu ở bán cầu Nam có phần khắc nghiệt hơn ở bán cầu
Bắc.
Để rõ hơn về điều này, ta có thể xem trong hình vẽ dới đây:
Hình 3: Bức xạ mặt trời (cal/cm2/ngày) đến bề mặt trái đất trong trờng hợp không
có khí quyển
Nhận xét: Trong trờng hợp không có khí quyển, độ rọi bức xạ đạt cực đại tại
khu vực xích đạo, khoảng 790 - 895 ly/ngày (cal/cm
2
/ngày). Trong khi đó, ở hai cực
có dao động rất lớn, xấp xỉ 0 vào mùa đông và cực đại vào mùa hè đạt tới 1100
13
ly/ngày. Một cực đại thứ hai xuất hiện ở khoảng gần vĩ tuyến 45

dải sóng lân cận bớc sóng =4-5àm năng lợng tới mặt đất là ít nhất. Hình 4c là sự
phóng to đờng cong phân bố phổ bức xạ sóng dài của mặt đất coi là đen tuyệt đối (đ-
ờng đứt nét phía trên) và một đờng phân bố trong thực tế (đờng liền nét phía dới) ở
vùng phát xạ cực đại của nó (bớc sóng 5 - 15àm).
14
Hình 4: Phân bố năng lợng bức xạ mặt trời và mặt đất theo bớc sóng
Đối với oxy (O
2
): Oxy có các dải hấp thụ trong khoảng phổ nhìn thấy và cực
tím. Trong khoảng phổ nhìn thấy có các dải A với tâm ở 0,76 àm và dải B với tâm ở
0,69àm. Song hệ số hấp thụ của oxy trong hai dải này không lớn nên ảnh hởng của
nó đến sự suy giảm bức xạ là không đáng kể. Oxy hấp thụ các sóng cực tím mạnh
hơn rất nhiều ở các dải mang tên Runghe - Surman, Gherxbeg.
Sự hấp thụ này chủ yếu diễn ra ở các lớp trên cao dẫn đến sự phân ly phân tử
oxy và tạo thành ozon.
15
Đối với ozon (O
3
): Ozon chủ yếu phân bố ở độ cao từ 10km đến 60km, có
mật độ tập trung lớn nhất ở độ cao 22km. Ozon có khả năng hấp thụ bức xạ trong
một số khoảng phổ, đặc biệt là trong khoảng phổ cực tím. Vạch hấp thụ quan trọng
nhất của ozon là vạch Gartlei nằm trong khoảng phổ cực tím từ = 0,200àm đến
= 0,320 àm, ngoài ra còn có vạch yếu hơn với tâm ở = 0,360àm. Trong vạch
Gartlei, hấp thụ cực đại xảy ra ở bớc sóng = 0,255àm. Qua lớp ozon bức xạ ở
khoảng bớc sóng này bị suy giảm tới một nửa (khi áp suất và nhiệt độ ở điều kiện
tiêu chuẩn).
Trong khoảng phổ nhìn thấy ozon hấp thụ một dải bức xạ có bớc sóng từ
0,430 - 0,750àm, hấp thụ mạnh nhất xảy ra ở bớc sóng = 0,600àm. Tuy hệ số hấp
thụ của ozon trong dải này nhỏ hơn nhiều so với dải Gartlei nhng năng lợng bức xạ
tập trung trong khoảng phổ này lớn nên sự suy yếu cũng đáng kể.

nhiều vạch, dải khác nhau. Trong khoảng phổ nhìn thấy, hơi nớc cũng có khá nhiều
vạch hấp thụ, song chúng không mạnh lắm, đáng kể hơn cả là dải
(0,685 - 0,730àm) và dải "ma" (0,585 - 0,606àm).
Sự hấp thụ bức xạ hồng ngoại của hơi nớc có ý nghĩa to lớn hơn cả. Các dải
hấp thụ cơ bản trong quãng phổ này đợc đa ra trong bảng 4.
Bảng 4: Các dải hấp thụ của hơi nớc
Kí
hiệu
dải

1 2
x - y
Tâm
dải
0.72 0.82 0.93 1.13 1.38 1.86 1.01 1.05 1.68 3.2- 4 4-4.9
Lợng bức xạ do hơi nớc hấp thụ trong các dải này phụ thuộc vào lợng hơi nớc
có trong khí quyển. Nhiều tác giả đã đa ra các công thức thực nghiệm liên hệ giữa
hai đại lợng này. Một trong các công thức nh vậy là công thức Miuk và Moller:
S=0,172(mW
0
)
0,303
(1.8)
Trong đó S: giá trị hấp thụ mật độ thông lợng trực xạ tính ra cal/cm
2
phút,
m: khối lợng quang học khí quyển theo hớng đến mặt trời,
W
0
: lợng hơi nớc trong cột không khí tiết diện đơn vị tính ra g/cm

quyển. Khuếch tán chỉ xảy ra trong trờng hợp môi trờng mà tia bức xạ đi qua là bất
đồng nhất về quang học. Đó là môi trờng có những phần tử "ngoại lai" với các tính
chất khác với tính chất của môi trờng xung quanh, hoặc môi trờng có thăng giáng
của mật độ.
Có thể sơ bộ giải thích bản chất của sự tán xạ nh sau: dới tác động của các
dao động của vectơ điện tử trong phần tử khuếch tán này sẽ thực hiện những dao
động cỡng bức và phát sóng. Nh vậy chính những phần tử khuếch tán đã trở thành
những nguồn phát sóng điện từ thứ cấp. Tập hợp các sóng điện từ này nói chung là
rất phức tạp, song nếu kích thớc phần tử nhỏ hơn nhiều so với bớc sóng tới thì tập
hợp này có thể đợc xác định nh dao động của một điện cực. Khi đó dao động cỡng
bức trong phần tử khuếch tán sẽ có cùng tần số và bớc sóng với bớc sóng tới. Nếu
sóng đầu phân cực thì sóng khuếch tán thứ hai cũng phân cực và độ chói của nó sẽ
khác nhau theo các hớng. Trong trờng hợp kích thớc phần tử tơng đơng hoặc lớn hơn
bớc sóng tới, chúng ta phải dùng lập luận khác để giải thích.
Độ rọi và hớng khuyếch tán phụ thuộc vào tỷ số giữa kích thớc phân tử
khuyếch tán và bớc sóng của ánh sáng khuyếch tán. Nếu tỷ số này nhỏ, nh trờng hợp
các phân tử không khí và ánh sáng khuyếch tán, thì độ rọi khuyếch tán tỷ lệ với
-4
.
Đây là một trờng hợp đặc biệt và đợc gọi là khuyếch tán Rayleigh-Cabannes. Do b-
ớc sóng ngắn bị khuyếch tán hiệu quả hơn so với các bớc sóng dài hơn, nên trong
một luồng sáng, ánh sáng xanh bị khuyếch tán nhiều hơn ánh sáng đỏ và vàng, do
đó, bầu trời có mầu xanh, còn khu vực gần mặt trời có mầu đỏ. Linke đã tính toán sự
truyền qua của bức xạ mặt trời trong khí quyển, bỏ qua sự hấp thụ và giả thiết rằng
18
khí quyển là trong suốt. Bảng sau đây cho ta giá trị mà Linke đã tính toán cho thí
nghiệm của mình:
19
Bảng 5: Sự truyền bức xạ xuống bề mặt biển bỏ qua sự hấp thụ và khuyếch tán của
bụi (chỉ có khuyếch tán phân tử)

mặt trời phát ra đều là sóng ngắn (99%). Năng lợng toàn phần đến một điểm nào đó
sau một khoảng thời gian nhất định (giờ, ngày, tháng, năm. . .) đợc xác định là tổng
năng lợng do tất cả các dòng bức xạ đem lại. Dới đây ta lần lợt xét các thành phần
của tổng xạ sóng ngắn tới mặt đất. [2]
a. Trực xạ theo các số liệu quan trắc và tính toán
Trong các phần trên ta đã xét trực xạ tới mặt đất khi không có khí quyển. Khi
có khí quyển, để tính độ rọi trực xạ (trong các tài liệu trớc đây vẫn gọi là cờng độ
trực xạ) trên mặt đất, E, ta cần lu ý đến sự suy yếu của nó theo định luật Bouguer-
Lambert, do đó thay cho công thức (1.1) hoặc (1.3) ta có :
20
)coscoscossin)(sin0(sinh)0('
2
0
0
2
0

+==
mm
R
S
R
S
S
(1.9)
trong đó (0) là độ trong suốt toàn phần, m là khối lợng quang học của khí quyển.
Để tính đợc độ phơi (tổng lợng) trực xạ trong một khoảng thời gian nào đó ta
cần tích phân phơng trình trên theo thời gian. Song việc đó rất khó thực hiện vì (0)
trong thực tế biến đổi rất ngẫu nhiên. Để tính gần đúng ta có thể dùng giá trị trung
bình

Biến trình của S' theo thời gian trong thực tế rất phức tạp, do sự biến đổi của
h
o
và (o), ngoài ra nó còn phụ thuộc nhiều vào việc mây không che, che một phần
hay che kín đĩa mặt trời và tính chất vật lý (độ trong suốt) của mây. Đối với biến
trình ngày, độ rọi trực xạ trung bình
'S
(trung bình trợt) thờng đạt cực đại vào giữa
tra và bất đối xứng qua giữa tra: buổi chiều
'S
thờng lớn hơn buổi sáng ở thời điểm
đối xứng tơng ứng qua giữa tra. Đối với biến trình năm, cực đại của
'S
không rơi
21
vào các tháng giữa hè mà thờng rơi vào các tháng cuối xuân, đầu hè (lúc có độ trong
suốt lớn) và cực tiểu vào tháng mời hai.
Độ rọi trực xạ trung bình năm hoặc độ phơi (tổng lợng) trực xạ trong một
năm nói chung giảm dần khi lên vĩ độ cao. Nhng giá trị cao nhất lại đạt đợc ở những
vĩ độ cận nhiệt đới - nơi có nhiều sa mạc, ít mây, ma. Qua bảng 6 ta thấy rõ điều
này. Trong bảng, ngoài các giá trị độ phơi năm trung bình thực tế quan trắc đợc còn
có độ phơi năm khả năng, tức độ phơi thu đợc khi khí quyển trong sạch và độ phơi
năm nếu không có khí quyển (lý thuyết).
Bảng 6. Độ phơi năm của trực xạ (kJ/m
2
năm) ở các vĩ độ khác nhau
Vĩ độ
60
0
N 50

St
là độ phơi thực của nó trong
cùng một khoảng thời gian thì giữa chúng có mối liên hệ sau:
H
St
=H
Skn
f(a) (1.10)
trong đó f(a) là một hàm nào đấy của thông số a, đặc trng cho ảnh hởng của mây và
f(a)=1 khi quang mây. ảnh hởng của mây có thể thông qua lợng mây n, dạng mây,
thời gian chiếu nắng s trong khoảng thời gian đang xét, chẳng hạn, công thức của
Savinov:
2
1' ns
HH
SknSt
+
=
(1.11)
trong đó s' là thời gian chiếu nắng tơng đối của mặt trời (tỷ số giữa thời gian chiếu
nắng thực tế s và thời gian chiếu nắng thiên văn hoặc tối đa s
o
tức thời gian nắng nếu
22
không có khí quyển hoặc khi bầu trời không mây),
n
là lợng mây trung bình. Một
công thức khác do Ukrainsev đa ra có dạng:
H
St

S

=
Nếu coi sự suy yếu của trực xạ trong khí quyển hoàn toàn do khuếch tán gây
ra (coi khí quyển không hấp thụ và không phản xạ) thì có thể viết:
( )
( )
)0(1sin'
2
0
0
m
o
h
R
S
SSSD

==
(1.13)
trong đó là hệ số tỷ lệ.
Giả sử bức xạ khuếch tán toả đều theo mọi phơng thì một nửa sẽ hớng vào
không gian vũ trụ, do đó =1/2 (điều này khá đúng trong điều kiện khí quyển sạch
và khô). Khi đó
)coscoscossin))(sin0(1(
2
))0(1(sin
2
2
0

(o)
0,550 0,685 0,812 0,874 0,938 0,960 0,980 0,992 0,999
Bảng 8: Độ rọi tán xạ và trực xạ lý thuyết trong khí quyển lý tởng.
Độ rọi
h
0
(độ)
10 20 30 40 50 60
D (W/m
2
) 20 37 52 64 71 75
S' (W/m
2
) 160 366 568 756 918 1050
D/S' (%) 12,2 10,1 9,1 8,4 7,8 7,2
d. Tổng xạ
Độ rọi tổng xạ G trên một bề mặt nào đó là tổng các độ rọi trực xạ S' và tán
xạ D trên mặt đó, tức là
G= S'+D
Trên mặt ngang, trong khí quyển lý tởng cũng nh khí quyển thực ta đã nghiên
cứu cách tính S' và D, do vậy việc tính G không có gì khó khăn. Việc tính toán độ
phơi tổng xạ H
G
cũng tơng tự nh vậy.
Trên thực tế số trạm quan trắc trực xạ và tán xạ ít hơn nhiều so với số trạm
quan trắc tổng xạ vì quan trắc tổng xạ dễ thực hiện hơn và cũng may là các nghiên
cứu về tổng xạ có ý nghĩa thực tiễn lớn hơn.
Do tổng xạ là tổng của trực xạ và tán xạ nên nó cũng phụ thuộc vào các yếu
tố có ảnh hởng tới trực xạ và tán xạ nh: độ cao mặt trời, độ trong suốt của khí quyển
và các nhân tố khác. Theo các tài liệu quan trắc, khi trời quang mây sự phụ thuộc

0
G
G
G
H
H
=

trong đó H
G0
là độ phơi tổng xạ (hoặc trực xạ) tại giới hạn trên của khí quyển (hoặc
tại mặt đất nếu không có khí quyển) mà giá trị của nó hoàn toàn tính đợc (xem công
thức 1.6b). Đại lợng
G
cũng đặc trng cho mức độ trong suốt của khí quyển đối với
tổng xạ, cho nên trong một số tài liệu nó cũng đợc gọi là độ trong suốt hữu hiệu
của khí quyển.
Hệ thức (1.15) sau này còn đợc Liu-Jordan và các tác giả khác phát triển cho
những khoảng thời gian phơi khác nhau và các vùng khác nhau. Dựa vào các hệ thức
nh vậy và giá trị độ phơi tổng xạ H
G
quan trắc đợc ta có thể tính đợc độ phơi tán xạ
H
D
.
Nếu xét biến trình năm của độ phơi tổng xạ ngày ta thấy ở đa số các điểm
trên mặt đất chúng đều thể hiện rõ cực đại vào tháng 6 hoặc tháng 7, cực tiểu vào
tháng 12 (ở bán cầu Bắc). Song ở một số địa điểm, biến trình năm của đại lợng này
phức tạp hơn nhiều, phụ thuộc vào biến trình năm của lợng mây. ở Hà Nội, cực tiểu
của tổng xạ lại rơi vào tháng 2 hoặc tháng 3 là lúc bầu trời thờng có nhiều mây che