ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT CỦA TP HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI – 2013 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA SAU ĐẠI HỌC MỐI QUAN HỆ GIỮA NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ QUÁ TRÌNH ĐÔ THỊ HÓA, NHIỆT ĐỘ ĐÔ THỊ VÀ LỚP PHỦ THỰC VẬT CỦA TP HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số Chƣơng trình đào tạo thí điểm Người hướng dẫn khoa học PGS TS Phạm Văn Cự HÀ NỘI LỜI.
TỔNG QUAN 12
1 1 1 Khái niệm nhiệt độ bề mặt và các bộ cảm viễn thám hồng ngoại nhiệt
Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là chỉ số nhiệt độ của lớp giữa bề mặt đất và khí quyển, nơi mà phần lớn bức xạ mặt trời được hấp thụ Sau khi hấp thụ, bề mặt Trái Đất sẽ bức xạ năng lượng trở lại vào khí quyển và không gian Sự cân bằng giữa lượng bức xạ mặt trời hấp thụ phụ thuộc vào hai yếu tố chính: khả năng truyền dẫn của không khí và sự hấp thụ của các vật liệu trên bề mặt.
Nhiệt độ bề mặt đất (LST) được duy trì bởi sự cân bằng giữa bức xạ Mặt Trời, bức xạ sóng dài, và bức xạ hồng ngoại thoát ra từ mặt đất Nó cũng liên quan đến thông lượng nhiệt hiện và nhiệt ẩn cũng như thông lượng nhiệt đi vào đất Do đó, LST là chỉ số quan trọng phản ánh cân bằng năng lượng tại bề mặt Trái Đất.
Hình 1 1: Sự cân bằng năng lƣợng trong hệ thống khí hậu
Sự cân bằng bức xạ phụ thuộc vào đặc trưng truyền dẫn trong dải hồng ngoại của hơi nước, mây và các khí nhà kính như CO2 Nồng độ khí này đang gia tăng, góp phần vào biến đổi khí hậu Do đó, việc đo lường liên tục nhiệt độ bề mặt đất (LST) trên quy mô toàn cầu và khu vực là cần thiết để đánh giá các thay đổi khí hậu.
Để đo lường nhiệt độ bề mặt đất (LST) ở những khu vực rộng lớn và khó tiếp cận, các bộ cảm biến trên vệ tinh là giải pháp tối ưu, cung cấp cái nhìn toàn cảnh về bề mặt Trái Đất Công nghệ viễn thám cho phép đo các đặc tính nhiệt của lớp phủ bề mặt và khí quyển thông qua bức xạ điện từ phát ra, phản xạ, tán xạ và truyền dẫn Các thiết bị thụ động như bức xạ kế có thể thu thập thông tin về bức xạ từ các đối tượng và sử dụng các dải bước sóng phù hợp để suy diễn nhiệt độ từ các bức xạ đã đo.
Viễn thám thụ động sử dụng bộ cảm biến trên vệ tinh để đo lường bức xạ phát ra từ bề mặt trái đất Mỗi pixel được đo lường dựa trên trường nhìn tức thời (IFOV - instantaneous field of view) của cảm biến, cho phép thu thập thông tin chi tiết về các đặc điểm bề mặt.
Hình 1 2 : Đường đi của năng lượng bức xạ, phát xạ đến bộ cảm trên vệ tinh
Vùng bước sóng điện từ từ 3-35μm, thường được gọi là vùng hồng ngoại trong viễn thám mặt đất, cho phép thu nhận bức xạ và ước tính nhiệt độ bề mặt Đặc biệt, cửa sổ khí quyển từ 8-14μm là rất quan trọng trong quá trình này Các bộ cảm biến thu nhận ảnh với kênh hồng ngoại nhiệt bao gồm AVHRR (trên vệ tinh NOAA), MVIRI (Meteosat) và AATSR (ENVISAT).
MODIS (TERRA) với độ phân giải thấp từ 1km trở lên
Trong nghiên cứu đô thị thường yêu cầu độ phân giải cao hơn, trong đó có các ảnh vệ tinh thu nhận từ các bộ cảm biến nhƣ LANDSAT
Hiện nay, ảnh Landsat có nhiều thế hệ với số lượng kênh phổ và độ phân giải khác nhau Trong đó, ảnh Landsat TM thu từ vệ tinh Landsat-4 và -5, cùng với ảnh Landsat ETM+ từ vệ tinh Landsat-7, là những loại được sử dụng phổ biến nhất.
The Landsat satellite features a swath width of 185 km and utilizes 8-bit pixel values, representing grayscale levels from 0 to 255 It is equipped with advanced sensors including the Multispectral Scanner (MSS), Thematic Mapper (TM), and Enhanced Thematic Mapper Plus (ETM+).
Bảng 1 1: Đặc trƣng của sensor và độ phân giải không gian của ảnh Landsat 7 ETM+
Ảnh vệ tinh Landsat được ứng dụng hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như lập bản đồ chuyên đề, phân tích biến động sử dụng đất và lớp phủ, cũng như phân biệt các loại khoáng vật Đặc biệt, dữ liệu từ Band 6 (bao gồm Band 61 và Band 62) là cơ sở quan trọng để xây dựng bản đồ nhiệt độ bề mặt đất, hỗ trợ giám sát hiệu ứng nhà kính và tác động của đô thị hóa đến nhiệt độ Mặc dù ảnh hồng ngoại nhiệt của Landsat có độ phân giải thấp hơn so với các cảm biến khác, nhưng với quỹ đạo chụp toàn cầu và tư liệu lưu trữ lâu dài, nó rất phù hợp cho nhiều nghiên cứu ứng dụng, đặc biệt trong ước tính nhiệt độ bề mặt đô thị với độ chi tiết cao.
Kênh 8 0 52 ÷ 0 90 Lục cho thấy khả năng đo lường bức xạ hồng ngoại gần lên đến 15m trên toàn vùng, không chỉ giới hạn ở các điểm quan trắc như phương pháp truyền thống từ các trạm khí tượng.
1 1 2 Cơ chế thu nhận ảnh hồng ngoại nhiệt
Trong vùng hồng ngoại nhiệt, bức xạ từ Trái Đất vượt xa bức xạ phản xạ từ Mặt Trời, vì vậy viễn thám tại khu vực này được áp dụng để xác định nhiệt độ bề mặt đất.
Kênh hồng ngoại nhiệt đƣợc sử dụng để xác định nhiệt bề mặt
Hình 1 3: Phân loại sóng điện từ
Các bộ cảm biến vận hành chủ yếu được sử dụng để phát hiện đặc tính bức xạ nhiệt của các vật liệu mặt đất Tuy nhiên, các kênh phổ hữu ích bị hạn chế bởi cường độ bức xạ phát ra và các cửa sổ khí quyển Cửa sổ khí quyển tối ưu để phát hiện là từ 8-14μm, vì tại đây sự hấp thụ của khí quyển là thấp nhất.
Hình 1 4: Cửa sổ khí quyển và các vùng phát xạ nhiệt
Hầu hết năng lượng bề mặt đất được các bộ cảm biến nhiệt thu nhận trong dải bước sóng từ 10,5 đến 12,5 μm, giúp ước tính nhiệt độ bề mặt và các quá trình nhiệt khác Các bộ cảm biến này thu thập dữ liệu viễn thám hồng ngoại nhiệt trong hai cửa sổ 3-5 μm và 8-14 μm dựa trên bức xạ tự nhiên phát ra.
Bức xạ hồng ngoại nhiệt trong dải 8-14μm phát ra từ bề mặt liên quan đến nhiệt độ và độ phát xạ bề mặt Để xác định nhiệt độ và độ phát xạ từ dữ liệu hồng ngoại nhiệt, cần hai điều kiện Thứ nhất, bức xạ đo được bị ảnh hưởng bởi khí quyển do quá trình hấp thụ và phát xạ lại của các khí, đặc biệt là hơi nước trong vùng hồng ngoại Do đó, cần hiệu chỉnh khí quyển bằng mô hình truyền bức xạ để đạt được nhiệt độ bề mặt chính xác Thứ hai, bản chất không xác định của các số đo nhiệt độ và độ phát xạ dẫn đến việc có N+1 tham số không biết khi đo bức xạ trong N kênh, bao gồm N lớp độ phát xạ và 1 lớp nhiệt độ bề mặt Để ước tính độ phát xạ và nhiệt độ trong dữ liệu hồng ngoại nhiệt đa phổ, cần có các giả thiết bổ sung, thường liên quan đến các đo đạc độ phát xạ trong phòng thí nghiệm hoặc thực địa.
Giá trị bức xạ thu nhận trong dải hồng ngoại nhiệt của phổ điện từ trên các bộ cảm biến vệ tinh bao gồm ba thành phần chính: (1) phát xạ bề mặt truyền qua khí quyển (τεBλ); (2) bức xạ hướng dưới từ khí quyển phản xạ bởi bề mặt và đi qua khí quyển tới bộ cảm biến (τ(1-ε)Lλ↓); và (3) phát xạ từ khí quyển truyền qua khí quyển tại điểm phát xạ (Lλ↑).
Minh họa điều này qua phương trình truyền bức xạ như sau:
Trong đó, τ và ε là độ truyền qua và độ phát xạ
CƠ SỞ DỮ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 29
Hình 2 1: Vị trí khu vực nghiên cứu
2 1 1 Vị trí địa lý và điều kiện tự nhiên [10] a Vị trí địa lý
Thành phố Hà Nội nằm ở vị trí từ 20°53' đến 21°23' vĩ độ Bắc và 105°44' đến 106°02' kinh độ Đông Thành phố tiếp giáp với các tỉnh Thái Nguyên và Vĩnh Phúc ở phía Bắc, Hà Nam và Hòa Bình ở phía Nam, Bắc Giang, Bắc Ninh và Hưng Yên ở phía Đông, cùng với Hòa Bình và Phú Thọ ở phía Tây.
Thủ đô Hà Nội có ba dạng địa hình chính: vùng đồng bằng, vùng trung du và đồi núi thấp, cùng với vùng núi cao Đồng bằng chiếm phần lớn diện tích tự nhiên, được hình thành nhờ phù sa bồi đắp, nằm ở hữu ngạn sông Đà, hai bên sông Hồng và các chi lưu khác Địa hình của Hà Nội thấp dần từ Bắc xuống Nam và từ Tây sang Đông, với độ cao trung bình từ 5 đến 20 mét so với mực nước biển.
Khí hậu Hà Nội mang đặc trưng của vùng nhiệt đới gió mùa, chia thành hai mùa chính: mùa nóng và mùa lạnh Mùa nóng kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10, với thời tiết nóng ẩm và mưa nhiều, gió chủ yếu từ hướng Đông Nam, đặc biệt là vào tháng 6 và tháng 7, khi nhiệt độ và lượng mưa đạt đỉnh Ngược lại, mùa lạnh bắt đầu từ tháng 11 đến tháng 3, thời tiết trở nên lạnh và khô, với tháng 1 là tháng có nhiệt độ và lượng mưa trung bình thấp nhất Gió thường thịnh hành từ hướng Đông Bắc, trong khi tháng 4 và tháng 10 được xem là thời điểm chuyển tiếp, giúp Hà Nội trải qua bốn mùa rõ rệt: Xuân, Hạ, Thu, Đông.
Nhiệt độ trung bình ở vùng đồng bằng khoảng 23oC 24oC, miền núi vào khoảng 21oC 22,8oC So với nhiều tỉnh vùng đồng bằng Bắc Bộ, lƣợng mƣa ở
Hà Nội là khá lớn nhƣng phân bố không đều Ba Vì đạt lƣợng mƣa trong năm cao nhất là 2100mm
Thành phố Hà Nội, nằm bên cạnh hai con sông lớn là sông Hồng và sông Đà, còn được biết đến với nhiều sông ngòi và hồ ao như sông Nhuệ, sông Đáy, sông Tô Lịch, sông Lù, sông Sét, sông Bùi, sông Đuống, và sông Cà Lồ Sông Hồng chảy qua trung tâm Thủ đô Hà Nội với chiều dài 163 km, chiếm khoảng một phần ba tổng chiều dài của con sông này trên lãnh thổ Việt Nam.
2 1 2 Tình hình phát triển đô thị Hà Nội [10]
Trước khi được lựa chọn là Kinh đô Thăng Long - Hà Nội là một khu làng nằm ven sông Tô Lịch tên là Long Đỗ (Rốn Rồng)
Giữa thế kỷ V, thành một quận gọi tên là Tống Bình
Thế kỷ X, trung tâm Hà nội trở thành dinh luỹ của chính quyền đô hộ phươngBắc Tên gọi Đại La
(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)
Hình 2 2: Bản đồ Hồng Đức 1470 (do Biệt Lãm vẽ lại năm 1956)
+Thời Lý: Năm 1010, Lý Công Uẩn, vị vua đầu tiên nhà Lý , quyết định xây dựng kinh đô mới ở vùng đất này với tên Thăng Long
Thời Trần: Cấu trúc phường - đô thị có đặc trưng nhiều hoạt động từ nông nghiệp đến thủ công nghiệp và thương mại Kẻ Chợ
Trong thời kỳ Lê, từ thế kỷ XVI đến XVII, hệ thống thành luỹ Thăng Long được kiểm soát xây dựng với 16 cửa ô, bao gồm 36 phường, được chia thành ba loại chính: phường thợ thủ công, phường nông dân và phường thương gia.
1894: quy hoạch lại thành phố
-Thời kỳ thuộc địa Pháp 1873 – 1945:
Trong quy hoạch của người Pháp, trung tâm của thành phố Hà Nội bao gồm: Khu vực 36 phố phường, Khu vực phía Tây Hồ Gươm, Khu vực Thành cổ
Thành phố Hà Nội đƣợc quy hoạch kiểu ô bàn cờ, trên nguyên tắc bố cục kiến trúc thuần tuý của Pháp (1894)
(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)
Hình 2 3: Bản đồ quy hoạch thành phố Hà Nội từ 1873-1943
Từ năm 1945 đến 1954, sự phát triển đô thị diễn ra chậm chạp, trong khi làn sóng di dân mạnh mẽ đã dẫn đến việc thành lập nhiều khu vực mới ở ngoại thành, đặc biệt là ở phía Nam, Tây Nam và phía Tây thành phố.
Thông qua kế hoạch thực hiện 5 năm lần thứ nhất (1955-1960) và kế hoạch
5 năm lần thứ hai (1961 - 1965), quyết định mở rộng Hà Nội đƣợc phê duyệt
(1961) Lúc này Hà Nội mở rộng cả 4 phía Khu vực nội thành đƣợc chia thành
4 khu : Ba Đình, Đống Đa, Hoàn Kiếm, Hai Bà Trƣng
Quy hoạch tổng thể Hà Nội giai đoạn 1954 - 1960 tập trung vào việc phát triển thành phố chủ yếu ở phía hữu ngạn sông Hồng Khu vực trung tâm được xác định bao gồm Ba Đình, Hoàn Kiếm và phần phía Nam Hồ Tây, với tổng diện tích đất đai lên tới 7000ha.
Quy hoạch tổng thể Hà Nội giai đoạn 1960 - 1964 định hướng phát triển chủ yếu ở khu vực phía Nam sông Hồng và một phần khu phía Bắc như Gia Lâm, Đông Anh Các khu vực phát triển chính bao gồm phía Tây Bắc với Phú Thượng, Xuân La, Xuân Đỉnh, Cổ Nhuế; phía Tây gồm Cầu Giấy, Dịch Vọng, Yên Hoà, Trung Hoà; và phía Nam là Giáp Bát cùng một phần khu vực Định Công Quy mô quy hoạch bao trùm diện tích 130 km² với dân số khoảng 380.000 người, bao gồm 4 quận nội thành và 4 huyện ngoại thành.
Vào tháng 12 năm 1978, Hà Nội đã được mở rộng về phía Bắc và phía Tây, không chỉ bao gồm 4 khu nội thành và 4 huyện ngoại thành mà còn bổ sung thêm 2 thị xã là Sơn Tây.
Hà Đông và một số huyện khác Từ đây quận dùng thay cho các khu Diện tích
Năm 1981, kế hoạch phát triển xây dựng được dự kiến sẽ hạn chế trong 4 quận nội thành là Hoàn Kiếm, Ba Đình, Đống Đa và Hai Bà Trưng cho đến năm 2000, sau đó sẽ mở rộng thành phố về phía Đông Anh và Gia Lâm.
(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)
Hình 2 4: Quy hoạch tổng thể Hà Nội 1960 – 1964 và 1978 – 1982
Từ năm 1986 đến 1992, định hướng phát triển thành phố chủ yếu tập trung vào khu vực phía Nam sông Hồng, với phần đất phía Tây hồ Tây được chuyển đổi thành đất dự trữ phát triển, quy mô lên đến 13.500 ha Dân số trong giai đoạn này ước tính từ 1,5 đến 1,7 triệu người, với chỉ tiêu đất đô thị đạt 90 m2/người tại khu vực nội thành Ranh giới hành chính của thành phố mở rộng lên tới 2.123 km2.
2 462 105 người, trả lại một phần đất cho Hà Tây, Vĩnh Phúc đưa Sóc Sơn về
Hà Nội Tổng diện tích: 927km2
Năm 1996, Hà Nội được định hướng phát triển chủ yếu ở khu vực hữu ngạn sông Hồng, với các hướng chính bao gồm Tây Bắc theo đường 32 và một phần trục Nam Thăng Long Khu vực phát triển được giới hạn phía trong sông Nhuệ (bờ tả), hướng Tây Nam theo trục đường 6 đến Hà Đông, và hướng Nam theo đường 1 đến Pháp Vân Ngoài ra, một phần mở rộng cũng được thực hiện vào huyện Thanh Trì, trong khi phía Gia Lâm phát triển theo đường Nguyễn Văn Cừ, đường 1 (phía Bắc) đến cầu Đuống và đường 5 đến Sài Đồng.
Năm 1998 đánh dấu một bước ngoặt quan trọng trong quá trình đô thị hóa, khi các công trình cải tạo và xây dựng đường giao thông, khu công nghiệp (KCN) và đô thị được triển khai ở không gian nông thôn phía Tây thành phố và bên kia sông Hồng.
(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)
Hình 2 5: Bản đồ quy hoạch Hà Nội các năm 1992, 1996, 1998
(Viện quy hoạch đô thị và nông thôn quốc gia)
Hình 2 6: Biến đổi hành chính của thành phố Hà Nội (1885 đến 2006)
Có thể nói, lịch sử hình thành và phát triển của thủ đô Hà Nội gắn liền với quá trình đô thị hoá
2 2 1 Tiêu chí chọn dữ liệu viễn thám
Dữ liệu cơ bản đƣợc sử dụng trong nghiên cứu này là ảnh vệ tinh viễn thám Việc chọn lựa dữ liệu đƣợc dựa vào các tiêu chí sau:
Thời gian thu nhận ảnh trong năm ảnh hưởng lớn đến chất lượng hình ảnh do sự khác biệt về điều kiện khí quyển và góc chiếu của mặt trời Để giảm thiểu sự khác biệt về bức xạ, nên chọn thời điểm thu nhận ảnh trong cùng một mùa Đối với khu vực Hà Nội, mùa khô từ tháng 10 năm trước đến tháng 4 năm sau là thời điểm lý tưởng, khi không có mưa và trời quang đãng, giúp thu được ảnh tốt hơn so với mùa hè.
Để đánh giá biến động trong thời gian dài, việc lựa chọn ảnh từ các bộ cảm biến có chu kỳ quan sát lâu dài là rất quan trọng Bộ cảm biến Landsat TM và ETM+ đã cung cấp nguồn ảnh quan sát toàn cầu từ năm 1972, nhưng từ năm 2003, chất lượng ảnh bị ảnh hưởng do trục trặc kỹ thuật Cả hai bộ cảm biến này đều có khả năng thu nhận thông tin bức xạ nhiệt, hữu ích cho nghiên cứu nhiệt độ bề mặt đất Dữ liệu từ Landsat có thể được sử dụng để phân tích xu hướng thay đổi về nhiệt độ và độ che phủ đất.