ĐẠI H Ọ C Q U Ố C (ỈIA IIÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tư NHIÊN
NGHIÊN CỬU MỐI QUAN HỆ GIỮA ĐỘ PHƠI
NGÀY CỦA TẢN XẠ, T ổN G XẠ VÀ THỜI GIAN
NẮNG Ở VIỆT NAM
Mõ sô": ỌT.01.23
Chủ trì cTể lòi: PGS. TS Nguyen Ihróng Đi ôn
Cóc thành viên tham gio: CN Nguyễn Đáng Quang
đại học quốc gia hà nôi
TRUNG TÀM THÔNG tin thư viền
D T / Z 6 ^
MÀ NỘI - 2003
BÁO CÁO TÓ M T Ắ T f)Ể TẢI
1. Tên đê tài: Nghiên cứu mối quan hệ giữa độ phơi ngày cùa hức x;i mat trời
khuếch tán , lổng cộng và thời gian nắng ờ Việt Nam
2. Mã số: QT.01.23
3. Chủ trì đề tài: PGS. TS. Nguyỗn Hướng Điổn
4. Các cán bộ tham gia:
CN Nguyễn Đãng Quang
5. Mục tỉêư và nội dung nghiên cứu:
!) Mục liôu:
- Xác định các cổng thức thực nghiệm lính toán dọ phííi ((ổng lương) rmny cùa
hức xạ Mặt Trời khuếch tán từ hức xạ tổng cộng và thời giíin nắng (lựa Iron CÍÍC số
liỌu quan trác của ba đại lượng dó cho các vùng trên lãnh lliổ Việt Nam
- Đánh giá dọ chính xác và khả năng ứng dụng của các cổng thức thu dược.
2) Nội dung:
a) Tìm hiểu mối quan hệ dịnh tính giữa tán xạ, tổng xạ và số giờ nắng.
b) Nghiôn cứu phương pháp xác định và thính giá mối quan họ (.lịnh Iưựng
giữa các dại lượng cần nghiên cứu.
c) Thi! thập số liệu về tán xạ, tổng xạ và số giờ nắnsi qiiíHi (rắc (lirợc líii các
ĩrạm khí tượng trên lãnli thổ Việt Nam.
MỤC LỤC
trang
M ở đầu 2
Chương 1. T ổng quan 3
1.1. Các clòng hức xạ trong khí quyển 3
1.2. Nãng lưựng hức xạ mặt tròi lỏi mặt đẩt khi không có klií quyển 4
1.3. Tổng quan các nghiên cứu về quan hê giữa tán xa, tổng xa và
lh('fi gian nắng 7
Chương 2. Phương pliáp ngliiên cứu 12
2.1. Dự đoán dạng hàm thực nghiệm 12
2.2. Một số thổng số đánh giá mức độ chính xác của còng ihức ihực
nghiêrn 14
2.3. Phương pháp bình phương tối thiểu xác định các thíim số cùa
công thức thực nghiệm 1S
2.4. Chọn số lượng hạng lử tối ưu trong công lluíc Ihực nghiêm 17
C h ương 3. X ử lý số liệu và kết quả tín h (oán 19
3.1. Sỏ liệu và phương pháp xử lý SƯ bộ I y
3.2. Xác lập, đánh giá độ chính xác của công thức ill ực nghiệm và
nhận xếl kết quả 21
Kết III ộ 11 32
Tài liệu tham khảo 'n
Phụ lục 35
M Ở ĐẦ U
Bức xạ Mặt trời là nguồn năng lượng chủ yếu và vô cùng quý giá đối vói
Trái Đất. Nó quyết định đến sự biến đổi khí hậu, sự sống của mọi sinh vật và
con ngưừi.
Con người cần phải biết khai thác triệt để và sử dụng nguồn nãĩm lượng
hức xạ Mặt Trừi một cách có hiệu quả nhất, nghiên cứu giảm illicit lình hường
xấu đến sự sống của con ngirừi và động thực vật nhầm mục tiêu phát triển bền
vững. Trong những thập kỷ gần đây, ử những nước tiỏn tiên ngưừi la đã mở
nhiệt đốt nóng mặt đất, phẩn khác bị phản xạ (rở lại khí quyển. riiÀn hức xạ
mặt trời bị mặt đất hay khí quyển (chủ yến do mây) pliản xa trừ lai dược gọi là
bức xạ phản chiếu hay phản xạ.
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 trường khuếch tán bức xạ, chứ hấp ihụ thì râl lì,
trờ mAý. Nói chung, phần hức xạ do mặt đệm hấp thụ ihưòng gấp ha lần phần
hức xạ do khí quyển hâ'p ihụ.
Đốn lượt mình, do bị đốt nóng, mật đất trở thành nguồn phíít xa nhiệt
Inrríng tới khí quyển. Bức xạ phát ra từ mặl đất gọi là hức xạ tnãl đííl. Tương lự
như vây. khí quyển cũng phát xạ về mọi hướng và một phán hướng vổ mặt đấl,
phẩn này gọi là hức xạ nghịch của khí quyển.
Các dòng hức xạ kể trên khác nhau về thành phần phổ. Phẩn cơ hản của
hức xạ mặt trời do phát xạ ử nhiệl độ cao, nên nằm Irony khoảnu phổ nhìn
tliấy. Trong khi đỏ bức xạ mặt đấl và bức xạ khí quyển phán lớn ở hước sóng
lứn bơn 4 Jim. Do sự khác hiệt này mà hức xạ mặl Irời được gọi là bức xạ sóng
ngấn còn bức xạ mặt đấl và khí quyổn gọi là hức xạ sóng dài.
Như vây, trong khí quyển luôn (oil tại 1T1ỎI hê các tlòng bức Xí) khác
nhau về Ihành phrìn phổ và hướng. Khi nghiên cứu CÍÌC dòng này la ilmrfnj: xét
phẩn được chuyển vân (truyền đi), phàn bị phản xa và pliẩn hi hííp thụ chuyển
3
thành nhiệt, v ề mặt năng lượng, tổng đại số của tất cả các dòng bức xạ qua
một bề mặt nào đó (năng lượng bức xạ tới- năng lượng bức xạ rời khỏi Hề mặt)
đặc tnmg cho sự thu- chi hức xạ, gọi là cán cfln hức xạ.
Nghiên cứu tất cà các dòng bức xạ trong khí quyển là nhiệm vụ của
cluiyôn ngành hức xạ học.
1.2. NĂNG LƯỢNG BỨC XẠ MẶT TRỜI TỚI MẶT ĐẤT KHI
KHỎNG CÓ KHÍ QUYỂN
Nếu không có khí quyển, bức xạ mặt trời sẽ tới mặt đấl dưới dạng
những tia song song. Khi đó trong một đơn vị thời gian trên mỏi đơn vị diện
lích mặt đất nằm ngang ở điổm hất kỳ sẽ có năng lượng hức xạ mật trừi đi tới,
Tích phân biểu thức trên trong một khoảng thời gian nào đó cho ta tính
năng lượng bức xạ từ mặt trời đến mỗi đơn vị diện tích mặt đấl ử vị trí có vĩ độ
ọ trong khoảng thời gian đó (tức độ phơi bức xạ Irong khoảng thời gian đó).
Chẳng hạn, ta có thể tính độ phơi bức xạ trong một ngày đêm, tức năng lượng
bức xạ từ mặt trời tới mặt đất Irong suốt thời gian từ lúc mặt trời mọc đến lúc
mặt trời lặn tại một địa phương bất kì. Tại hai thời điểm này ho-0, tức sinho=0
nên:
sin (psin 5 + COS (p COS 5 COS
sin (p sin ô
2nl
\
____
0
*
■c J
= 0
cos
COS (p COS Ô
= -tgcptgỗ
(1.4)
± t0 = -f— arccos(-tgcptgS)
2n
(1-5)
(tìâư "+" ứng với thời điểm mặl Inti lặn, còn dấu ứng với thời điổm
mặt trời mọc).
Nlnr vậy thời điểm mặt trời mọc và lặn chỉ phụ thuộc vào vT độ và xích
vĩ. Khi đó tích phân (1.3) ta được độ phơi ngày:
H 0 = Js'dt = SQ J ísimpsinô + COS(pCOS5 COS
-1 o -ỉ0
Trong một ngày đêm R và ô biến đổi không đáng kể nôn:
vùng vĩ độ cao xung
quanh vòng cực
( I cp I >66,55°) có
một lliời gian dài
trong nătĩi không có
bức xạ lói, nhưng
lh(fi gian giữa mùa
hò có lượng bức xạ
lới lớn nhất (tại đỉnh
Hr
Ilinh 1.2. Biến trình níím của hức
Xí\ à
mội M") VI (lô nêu
không có khí quyến
cực, bức xạ đến sau 24 giờ vào ngày hạ chí gấp 1,365 lổn lớn hơn ớ xích d
ao
6
Ở hán câu Nam sự việc xảy ra tưưng tự nhưng về thời gian lệch đi 6
tháng so với bán cầu Bắc. Thêm vào dó, do quỹ đạo Trái Đâì quanh mật 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 lượng bức xạ tới lại càng ít.
Ngược lại, Trái Đất gần mặt trời nhất vào ngày mùng 3 iháng 1, gần ngày hạ
chí ở bán cầu Nam, nên lượng bức xạ lới lại càng lãng mạnh. Sự tăng, giảm
bức xạ do khoảng cách Mặt Trời- Trái Đâ't thay đổi trong một năm chỉ vào
khoảng ±3% so với mức trung bình nhưng cũng là một trong những nhan tô
ỉàm cho khí hậu ở bán cầu Nam có phần khắc nghiệt hơn ở hán càu Bắc.
1.3.TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN c ú u VỀ QUAN HỆ GIỮA TÁN
XẠ, TỔNG XẠ VÀ THỜI GIAN NẮNG
Trong điều kiện trời không mây, ít bụi, việc tính toán hức xạ Mặt
Trời khuếch tán tới mặl đấl nằm ngang có lliể thực hiện (lược không khó
xạ với độ phưi lổng xạ và số gi ừ nắng, Tuy các còng thức thực nghiêm cổ độ
chính xác không cao lắm nhưng tạo khả nâng tính toán bức xạ (án trên diện
rộng từ những đại lượng dễ quan trắc hưn.
Trên thế giới đã có nhiều công trình nghiên cứu Ihco hưứng này,
đưa ra nhiều hệ íhức Ihực nghiệm giữa độ phơi tán xạ với lổng xạ và số
giờ nắng. Có thể phân chúng thành 3 loại:
Hệ thức loại 1: Đó là các hệ lliức xác định đọ phoi lán xạ IỈD từ số
giờ nắng s trong thời gian phơi (khổng có sự lliatn gia của (ổng xạ).
Người đi đầu hướng này là Angtrom |xem 9| với cổng thức dạng:
HD = a + bs (1.1!)
Trong đó a, b là các hằng số thực nghiệm. Sau này còn có nhiều tác
giả khác cững có các công thức tương lự và có phần phức lạp hơn như
Prescott, Ucrainxep[9] xác định.
Hệ thức loại 2: Hệ thức tính độ phơ! lán xạ Hn từ độ phơi tổng xa
I In (không có sự lliam gia của số gify nắng). Liu và Jordan I 10 I 1Í1 những
người đẩu liên xác định hệ llìức ỈOcii này. công thức cua họ có (huig mót
đa thức:
—~ = a + btc + + dxjl (1.12)
^c.
8
trong đó a, b, c, d là các hằng số thực nghiệm, Tc là độ truyền qua của khí
quyển đối với độ phơi tổng xạ ngày, theo định ngliĩa là tỉ số :
To (113)
H 0
trong đó H0 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
đưực(xem còng thức (1.6)). Đại lượng T0 cũng đặc trưng cho mức đọ trong
suốt của khí quyển đối với tổng xạ, cho nên trong một số tài liệu nó cíĩng được
gọi là “độ trong suốt hữu hiệu” của khí quyển. Dạng cụ thể của công thức do
Liu và Jordan [10] xác lập đưực như sau:
_ \
Tt
« . - -
cos[2(tr; -0.9)]. (1.17)
Irong đổ to s=2 7rt0/T* là góc giờ Mặt Trời lặn Irên mặt phang năiĩi ngang,
có thể lính được một cách lí thuyết lừ số thứ (ự của ngày dang xét trong
năm.
Các hệ ihức loại 3: là các công thức liên hệ cả ba đại lương HD, HG
và s đã được một sô tác giả đưa ra. Công thức thường cổ dang một đa
thức của các biến, chảng hạn như cồng Ihức của Iqbal [8]:
1 * 0= 0 ,79 1 - 0 ,6 3 5 — (118)
Ho
trong đó s là số gi('í nắng trong thời giíin ph(ti, s„ là giií Ilị đó nếu khổng
có khí quyển, hay còn gọi là số giờ nắng thiên văn, có tliổ tính được từ
giờ Mặl Trời lặn Irong ngày t0 như sau (xem công lliức ( 1.5)):
s -2 t = — . arccos (-tg(p.lgô) (1-19)
n
Gopinalhan [7] dựa trên các số liệu quan trắc ở Nain Phi dã xây
(lựng được công thức:
—-°- = 0.879-0,575^, -0,121— ( 1 -2())
° s„
(1.21)
Tương (ự, Pnri và đồng nghiệp [ 13| lại có cônu thức
Iíí>- = 1,194-0,838xr -0,446 —
áp đụng cho vùng Ân Độ, còn Tullcr I I 4 1 l;ii tìm ra CÔ11U thức
!!'’ = 0,894 -0,7% Tr - ( U I S (l 22
H,;
10
áp dụng cho Hoa Kỳ.
Theo các tác giả, công thức (1.20), (1.21) và (1.22) có độ chính
Trong đề tài này chúng tôi sử dụng các số liệu quan trắc lổng xạ
Hr , lán xạ HD và số giờ nắng s trong lừng ngày suối nhiều nãm ở các
Irạm khí tưựng cho trong bảng 2.1 để tính toán và xây dựng công lliức
111 ực nghiệm, còn H0 (tl ùn g để tính Tr ) (Ỉ1Ì hoàn loàn tính được llico công
lliức (1.6) cùng các công lliức phu trợ (1-7) và (l.R) (chỉ càn hi ỐI ngày
quan trắc và vĩ độ địa lí của nơi quan Irắc), và sn = 2ln với I,, lính theo
công thức (1.5). Như vậy, sau khi xác định dược dạng cu Ihể cua công
Ihức thực nghiệm, ta có thể dùng nỏ dể tính II,) khi biết Ilr và s.
12
Bảng 2.1. Các trạm có số liệu đirợc sứ (lụng trong tính toán
TT
TÊN TRẠM
KTNH Độ
vĩ ĐỘ
THỜI GIAN
LẨY SỐ LIÊU
1 Cao Bằng
106.15 22.40 1962-2000
2 Hà Nội 105.51 21.02
1960-2000
3 Phù Liễn
106.38 20.48 1960-2000
4 Vinh
105.40 18.40 1962-2002
5 Đà Nẩng
108.12 16.02 1979-2000
6
Pleiku 108.01
13.58
1981-1999
H i
3. Hệ số lương quan bội luyến lính:
(2.4)
TỊ- ]-
<T 2
(2.5)
■V l ói dãy sò liệu độc lập:
4. Sai sô trung bình toàn phương:
RM SE= M -e (h ;,k - h ;',k ); <2 r»
V N K=1
5. Sai số trung bình loàn phương iưưng đối:
RMSER - RM^E .inO% (2 -7 )
h ;!;
6.Sai số hệ lliống:
N K-l
7. Sai số hệ thống tương đôi:
(2.X)
MBER = ^ 2 . 1 0 0 % (2 -9)
K
14
2.3. PHƯƠNG PHÁP BÌNH PHƯƠNG Tố! THIÊU XÁC ĐỊNH
CÁC THAM SỐ CỬA CÔNG THỨC THực NGHIỆM [31
Nếu mọi quan trắc có giá trị hàm y|,y2, , yN được liến hành với
cùng độ chính xác, thì việc ước lượng các tham số an được xác
định với điều kiện tổng bình phương các độ lệch các giá trị quan trắc yk
đối vổi các giá trị tính toán f(xlk,x2k, ,Xjk; a,,a2, ,an) đạt cực tiổu, tức
N
E = X (y>= - f(Xllc Xjk’a aJ )2 (2 .10)
k=l
đạt cực tiểu.
i -1
15
trong đó af là các hệ số cần tìm.
Giả sử có tất cả N trường hợp có cả y và X, (i=l, , n), nếu ký hiệu
là giá trị thực thì ta có:
y-r, “ y. = Z ai-xn
i = l
yJ7 ~ yĩ ~ 'Xi2
i-1
Y tn ~ Y n - y . a , -x iN
i=l
y-iic * y k =
i = l
Khi đó sai số sẽ là:
= y-i* - y k =y-T*
iH
(2.14)
rà n phải tìm dạng của y (lức các aj ) sao cho sai sổ bình phương là
nhỏ nhất
E = ị o ị = ị (yln, - Ị a , x ik)2 đ?lm in
k=l k=l i=l
« - Ễ £ = 0 0=1, n)
ổa.
. 3C N n
n = Z 2(y-i> " ỉ a ix^ )-xA
« j k=i i=i
N N u
< = > Z y n c - x . , k - I x jk. X a , x , k
=0
k=l k=l i=l
lớn I hì sai số càng lớn. Vì lí do đó mà nil i ổ 11 khi lăng số lụm ụ lử (long
công thức thực nghiêm, sai số trung hình loàn phương cua cóng (hức
không giảm đi như lí llniyết mà lại lăng lên. Do vây, la pliải tìm cách
giảm sô hạng tử này xuống mà vẫn giữ được clnít lượng của công 111 ức.
Để làm việc này la áp dụng qui tắc sau:
Tăng dổn số hạng tử ử vế phái của công ihức (tăng n), mỗi lần như
vâv lại tínli lại các hê số theo plnrơng pliáp hình plunmu lôi Iliiếu và
lính lai tổng hình phương cùa các độ 1 cell Bn theo côn ụ 111 ức
17
ĐAI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRUNG TÂM t h ò n g tin th ư v iề n
0 T~ / Ậ Q
N f N
En = Y j ~ S akX
i=l V k-1
(2.17)
Cần phải chia giá trị En tính dược cho (N-n-1) và so sánh (ỉ số thu
được với giá trị trước đó của tỉ số ấy. Phải tăng số hạng tử trong công
thức cho đến khi tỉ số
E„
s 0 =•
" N -n -1
(2.18)
ngừng giảm một cách đáng kể, lức là có thể áp dụng tiêu chuẩn
< e (2.19)
s u SD+|
s.
với E nhỏ tuỳ chọn, thì dừng lại ở n hạng lử.
18
f
20
h d = ĩ h ;)ì
6
(3.4)
i = l
Tương tự như cách tính dó đối với tổng xạ trong ngày:
(3.5)
i = l
với
I hơi điểm mặt trời mọc theo giờ thực dịa phương t„ được lính theo
công thức (1.5), còn thời điểm mặt trời lặn thì đối xứng với nó qua giữa
trưa.
Sau khi x ử l í s ơ hộ, lại mỗi tram, mỗi ngày
SC c ó
một hộ ha giá trị
độ phơi lán xạ Hn, tổng xạ Hn và số giờ nắng s gọi là một loai số liệu
quan trắc.
F)ơn vị của ĨĨD, H(,, H„ là w /rn 2.ngày. s, sn línli then giờ/ngày. Số
liệu Hp, Ht;, s dùng để xác định công thức thực nghiêm là các số liệu
quan uắc, còn H0 và s0 là các giá trị lính toán (cách lính cluing dã nêu
trong mục 2.1). Việc tính toán H0 và s0 được lập trình Imng ngôn ngữ
3.2. XÁC LẬP, ĐÁNH GIÁ ĐỘ CHÍNH XÁC CỦA CỒNG THÚC
Các bước liên hành để dự đoán dang hàm dã IỈƯIÍC trình bày Irong
mục 2.1. Cách làm cụ thể như sau:
Từ số liệu qiiíin trắc la tính được các tỷ số
y = ——,Xị=Tc =——, x2 = — đối với từng ngày. Chon nlnìnu 11 uàV mà
H(1 ■ H0 s0
s/s() có giá trị nằm Irong lừng dải hẹp, la châm lèn rnãl phanu các điểm có
FORTRAN.
THực NGHIỆM VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ
H„ = a,Hf. + a7Tf!H0 + a , t a ,T,. H„ =a,H,. I a„ ta,- H,.
s0 SM H(, sn
n . K )
Đòi chiếu công thức (2.15) với (3.X) la thấy 11=4,
x [k = H Gk , x 2k — t(jk ^G k ’^
3
k — “ “ H(;k , X
4
k — x r.k H ( ;k ’ y lit ~M |)|c ■ G
1
il
•s0k s()k
II,. s
«, -
Hr, s„
22
Copyright: Tài liệu đại học ©