Nhiệt độ bề mặt đất là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là nhiệt độ thực tế của lớp vỏ bề mặt trái đất đo được qua bức xạ hồng ngoại phát ra từ đất, nước, thực vật hoặc đô thị. Chỉ số này phản ánh khả năng hấp thụ và phát xạ năng lượng bề mặt, phục vụ giám sát hạn hán, quản lý nông nghiệp và quy hoạch đô thị hiệu quả.

Định nghĩa nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature – LST)

Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là nhiệt độ thực tế của lớp bề mặt ngoài cùng của trái đất, đo được hoặc ước tính dựa trên bức xạ hồng ngoại phát ra từ đất, nước, thực vật hoặc đô thị. LST phản ánh khả năng hấp thụ và phát xạ năng lượng của bề mặt, khác với nhiệt độ không khí đo tại độ cao cố định (thường 1,5–2 m trên mặt đất).

LST thường được biểu diễn theo đơn vị độ Celsius (°C) hoặc Kelvin (K). Thông số này là chỉ số quan trọng để đánh giá cân bằng năng lượng bề mặt và quá trình trao đổi nhiệt giữa mặt đất và khí quyển, xuất hiện trong nhiều lĩnh vực như khí tượng, nông nghiệp, thủy văn và quy hoạch đô thị.

  • Khác biệt so với nhiệt độ không khí: LST đo bề mặt, trong khi nhiệt độ không khí đo tại trạm khí tượng.
  • Đơn vị: °C hoặc K; giá trị LST cao xuất hiện ở vùng ít che phủ (đất trống, bê tông).
  • Ý nghĩa: phản ánh trực tiếp năng lượng bức xạ phát ra và độ ẩm bề mặt.

Phương pháp đo lường

Quan trắc vệ tinh là phương pháp phổ biến nhất để thu thập LST với phạm vi toàn cầu và tần suất lặp cao. Các vệ tinh như MODIS (NASA) và VIIRS (NOAA) sử dụng cảm biến hồng ngoại nhiệt (TIR) để ghi lại bức xạ phát ra từ bề mặt, sau đó ước tính nhiệt độ thông qua thuật toán hiệu chỉnh khí quyển.

Đo tại chỗ (in situ) sử dụng cảm biến nhiệt độ mặt đất đặt cố định hoặc cầm tay để ghi nhận giá trị thực theo thời gian. Dữ liệu in situ thường dùng để hiệu chỉnh và kiểm chứng kết quả từ vệ tinh, đảm bảo độ chính xác cao hơn.

  • MODIS/Terra & Aqua: độ phân giải không gian 1 km, tần suất một đến hai lần mỗi ngày (NASA LP DAAC).
  • VIIRS/Suomi NPP: độ phân giải 750 m, tần suất quan sát tương tự MODIS.
  • Cảm biến cầm tay: PT100, thermistor để đo trực tiếp tại hiện trường.
Phương pháp Độ phân giải không gian Tần suất Ưu nhược điểm
MODIS (TIR) 1 km 1–2 lần/ngày Phủ sóng toàn cầu, dễ bị mây che phủ
VIIRS (TIR) 750 m 1–2 lần/ngày Độ phân giải cao hơn, chi phí xử lý lớn
In situ điểm đo liên tục theo thiết lập độ chính xác cao, phạm vi nhỏ

Nguyên lý vật lý

LST được xác định dựa trên bức xạ nhiệt phát ra từ bề mặt theo định luật Stefan–Boltzmann: L=εσT4 L = \varepsilon \sigma T^4 trong đó L là công suất bức xạ phát ra (W/m²), ε là hệ số phát xạ của bề mặt, σ là hằng số Stefan–Boltzmann (5,670 × 10⁻⁸ W/m²K⁴) và T là nhiệt độ bề mặt (K).

Khi bức xạ đi qua khí quyển, tín hiệu bị suy giảm và tán xạ do hơi nước, khí CO₂ và aerosol. Do đó, thuật toán chuyển đổi kênh nhiệt hồng ngoại vệ tinh thành LST phải hiệu chỉnh khí quyển (atmospheric correction) và hiệu chỉnh góc quan sát.

  • Hệ số phát xạ ε thay đổi theo loại bề mặt (nước ~0,98; đất trống 0,92–0,96; đô thị 0,85–0,90).
  • Hiệu ứng góc quan sát: giá trị LST sai lệch khi góc nhìn lệch so với vuông góc.
  • Hiệu chỉnh khí quyển: sử dụng mô hình MODTRAN hoặc LUTs (Look-Up Tables).

Các yếu tố ảnh hưởng tới LST

Độ che phủ bề mặt là yếu tố quan trọng nhất. Các bề mặt thảm thực vật và nước có hệ số phát xạ cao và khả năng làm mát qua bốc hơi tốt, dẫn đến LST thấp hơn so với bề mặt bê tông hoặc đất trống.

Độ ẩm trong đất và không khí ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng tích trữ và truyền dẫn nhiệt. Đất ẩm có khả năng dẫn nhiệt tốt, làm giảm biên độ dao động nhiệt trong ngày so với đất khô.

  • Địa hình và độ dốc: hướng nghiêng về phía mặt trời làm tăng LST.
  • Tính chất bề mặt: màu sắc (albedo), độ xốp và độ ẩm.
  • Hoạt động đô thị: bê tông, nhựa đường giữ nhiệt, tạo đảo nhiệt đô thị (UHI).
Yếu tố Ảnh hưởng chính Ví dụ
Che phủ thực vật Giảm LST qua bốc hơi Rừng, đồng cỏ
Đô thị Tăng LST do hấp thụ nhiệt Đường phố, tòa nhà
Độ ẩm đất Ổn định nhiệt độ Đất ẩm vs. đất khô

Ứng dụng trong khí tượng và biến đổi khí hậu

Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là chỉ số quan trọng trong mô hình cân bằng năng lượng bề mặt – khí quyển, được sử dụng làm dữ liệu đầu vào cho mô hình khí hậu toàn cầu (GCM) và mô hình khu vực (RCM). Sự khác biệt giữa LST và nhiệt độ không khí cho phép mô phỏng chính xác hơn quá trình đối lưu, bay hơi và hình thành mây mưa.

Theo Báo cáo IPCC 2021, xu hướng tăng LST khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới liên quan chặt chẽ đến hiện tượng nóng lên toàn cầu, với mức tăng trung bình 0,2–0,3 °C mỗi thập kỷ từ 2000–2020 . Dữ liệu MODIS cho thấy các đỉnh LST xảy ra sớm hơn 5–10 ngày so với thập niên 1990 ở các vùng bán khô hạn.

  • Phân tích chuỗi thời gian LST hỗ trợ dự báo hạn hán: ngưỡng LST > +2 SD so với trung bình nhiều năm báo hiệu stress nước nghiêm trọng .
  • LST làm tham số dự báo bão nhiệt đới và sóng nhiệt đô thị, giúp cải thiện độ chính xác mô hình thời tiết ngắn hạn.

Ứng dụng trong nông nghiệp và quản lý tài nguyên

LST kết hợp với chỉ số thực vật NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) tạo ra chỉ số LST–NDVI, dùng để đánh giá hiệu suất cây trồng và stress nước. Vùng nào có LST cao và NDVI thấp thường cho thấy cây trồng đang chịu áp lực khô hạn hoặc phát triển kém.

Hãng FAO khuyến nghị sử dụng LST hàng ngày để điều chỉnh lịch tưới, tối ưu hóa lượng nước và năng suất. Ví dụ, vùng đồng bằng sông Cửu Long có thể giảm 15 % lượng nước tưới mỗi vụ nhờ mô hình LST–NDVI kết hợp dữ liệu khí tượng địa phương .

  • Dự báo thời điểm gieo trồng: LST thấp ban đêm cho thấy đất đủ ẩm, phù hợp khởi đầu vụ mùa.
  • Giám sát stress nước: LST > 30 °C ban ngày kết hợp NDVI < 0,3 báo động hạn.
  • Quản lý phân bón: LST vùng cao cho thấy tốc độ sinh trưởng nhanh, cần tăng phân bón hữu cơ.

Ứng dụng trong nghiên cứu đô thị

Hiệu ứng đảo nhiệt đô thị (UHI) được xác định bằng độ chênh LST giữa khu vực đô thị và nông thôn lân cận. Nhiều nghiên cứu cho thấy UHI trung bình 2–4 °C ở các thành phố lớn như Bangkok, Jakarta và Manila.

Dữ liệu LST được dùng để đánh giá hiệu quả quy hoạch xanh: công viên, hồ điều hòa và vật liệu bê tông thấm nước có thể giảm LST bề mặt từ 3–5 °C. Mạng lưới cảm biến UAV nhiệt ghi nhận giảm LST cục bộ đến 7 °C ngay sau khi trồng cây dày đặc.

Giải pháp đô thị Giảm LST (°C) Ví dụ thực tiễn
Cây xanh đô thị 2–4 Park Connaught, Kuala Lumpur
Mái nhà xanh 1–3 Singapore’s Biophilic Roofs
Vật liệu phản quang 3–5 Los Angeles Cool Pavements

Thách thức và giới hạn đo lường

Độ phân giải không gian của các cảm biến nhiệt hồng ngoại vệ tinh (250 m–1 km) giới hạn khả năng quan sát chi tiết các biến đổi LST trong đô thị nhỏ hoặc vùng nông nghiệp nhỏ lẻ. Các vùng nhiều mây hoặc bụi khí quyển gây nhiễu tín hiệu, dẫn đến sai số lên đến 2–3 °C nếu không hiệu chỉnh đầy đủ.

Việc hiệu chỉnh khí quyển sử dụng mô hình MODTRAN hoặc LUTs yêu cầu dữ liệu hơi nước, aerosol và nhiệt độ khí quyển đồng bộ. Thiếu hụt trạm đo in situ tại nhiều khu vực nhiệt đới cận xích đạo làm giảm khả năng hiệu chỉnh chính xác, đặc biệt trong mùa mưa kéo dài.

  • Sai số do mây và aerosol: có thể gây lệch LST dương hoặc âm.
  • Giới hạn tần suất quan sát: 1–2 lần/ngày không phản ánh biến động nhanh.
  • Thiếu trạm hiệu chỉnh in situ tạo lỗ hổng dữ liệu đáng kể ở khu vực châu Phi và Nam Mỹ.

Xu hướng công nghệ và cải tiến

Sử dụng UAV trang bị cảm biến viễn thám nhiệt (thermal microsensors) cung cấp độ phân giải < 5 m, cho phép giám sát LST chi tiết cho quy hoạch đô thị và nông nghiệp chính xác cao. Hệ thống UAV tự động phối hợp bay theo lưới giúp thu thập dữ liệu liên tục và nhanh chóng.

Mô hình machine learning kết hợp đa nguồn dữ liệu (vệ tinh TIR, dữ liệu in situ, mô hình khí tượng) đang được phát triển để tái tạo LST ở độ phân giải cao (30–100 m) và tần suất ngày/nhiều lần/ngày. Mạng lưới cảm biến phân tán (WSN) giá rẻ cho phép giám sát LST liên tục tại cấp thửa ruộng hoặc khu phố.

  1. UAV thermal: độ phân giải < 5 m, giám sát chi tiết vùng nhỏ.
  2. Deep learning LST downscaling: nâng độ phân giải không gian từ 1 km lên 30 m.
  3. WSN nhiệt giá rẻ: giám sát liên tục với chi phí thấp.

Tài liệu tham khảo

Các bài báo, nghiên cứu, công bố khoa học về chủ đề nhiệt độ bề mặt đất:

WorldClim 2: các bề mặt khí hậu phân giải không gian 1‐km mới cho các vùng đất toàn cầu Dịch bởi AI
International Journal of Climatology - Tập 37 Số 12 - Trang 4302-4315 - 2017
TÓM TẮTChúng tôi đã tạo ra một tập dữ liệu mới về dữ liệu khí hậu tháng được nội suy không gian cho các vùng đất toàn cầu với độ phân giải không gian rất cao (khoảng 1 km2). Tập dữ liệu này bao gồm nhiệt độ hàng tháng (tối thiểu, tối đa và trung bình), lượng mưa, bức xạ mặt trời, áp suất hơi nước và tốc độ gió, được tổng hợp trong khoảng thời g...... hiện toàn bộ
#khí hậu #dữ liệu khí hậu #nội suy không gian #vệ tinh MODIS #nhiệt độ #lượng mưa #độ ẩm #tốc độ gió
Rút Trích Nhiệt Độ Bề Mặt Đất Từ TIRS Của Landsat 8 — So Sánh Giữa Phương Pháp Dựa Trên Phương Trình Truyền Bức Xạ, Thuật Toán Cửa Sổ Kép và Phương Pháp Kênh Đơn Dịch bởi AI
Remote Sensing - Tập 6 Số 10 - Trang 9829-9852
Việc đảo ngược chính xác các biến số địa/vật lý bề mặt đất từ dữ liệu viễn thám cho các ứng dụng quan sát trái đất là một chủ đề thiết yếu và đầy thách thức đối với nghiên cứu biến đổi toàn cầu. Nhiệt độ bề mặt đất (LST) là một trong những tham số chính trong vật lý của các quá trình bề mặt trái đất từ quy mô địa phương đến toàn cầu. Tầm quan trọng của LST đang ngày càng được công nhận và ...... hiện toàn bộ
#Nhiệt độ bề mặt đất #Landsat 8 #cảm biến hồng ngoại nhiệt #phương trình truyền bức xạ #thuật toán cửa sổ kép #phương pháp kênh đơn #viễn thám #biến đổi toàn cầu #trái đất #độ phát xạ #SURFRAD #MODIS.
Nghiên cứu mối quan hệ giữa đảo nhiệt đô thị và mật độ dân số các quận, huyện ở Thành phố Hồ Chí Minh bằng dữ liệu ảnh Sentinel - 3 SLSTR
Khoa học Kỹ thuật Mỏ Địa chất - - Trang 67-75 - 2021
Đảo nhiệt đô thị xảy ra do các nguyên nhân của quá trình đô thị hóa, trong đó nguyên nhân chính do sự tăng mật độ dân số dẫn đến các thay đổi các đối tượng nhân tạo trên bề mặt đất. Gần đây, việc sử dụng thuật toán Split - Window đối với hai kênh phổ hồng ngoại nhiệt có bước sóng 11 µm và 12 µm để tính toán nhiệt độ bề mặt hàng ngày với hai thời điểm ngày và đêm phục vụ xác định sự thay đổi nhiệt ...... hiện toàn bộ
#Đảo nhiệt đô thị #Nhiệt độ bề mặt #Sentinel - 3 SLSTR #Thành phố Hồ Chí Minh
Theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt đất tại tỉnh Kiên Giang - cách tiếp cận dựa trên dữ liệu viễn thám đa thời gian
Tạp chí Khoa học Đại học Đồng Tháp - Tập 14 Số 8 - Trang 3-17 - 2025
Nhiệt độ bề mặt đất (Land Surface Temperature - LST) là một thông số quan trọng trong việc theo dõi các điều kiện khí hậu, đặc biệt trong điều kiện biến đổi khí hậu gia tăng như hiện nay. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm theo dõi sự thay đổi LST tỉnh Kiên Giang giai đoạn 2005 – 2023. Ảnh vệ tinh Terra MODIS (MOD11A1) và Aqua MODIS (MYD11A1) theo ngày được sử dụng để trích xuất LST trên nền tảng ...... hiện toàn bộ
#MODIS #nhiệt độ bề mặt đất #viễn thám #GEE #mở rộng đô thị #thay đổi sử dụng đất/lớp phủ #Đồng bằng sông Cửu Long
Sử dụng dữ liệu vệ tinh theo dõi hiện tượng nước trồi khu vực ven biển Ninh Thuận - Bình Thuận giai đoạn 2015 - 2022.
Tạp chí Khoa học Đo đạc và Bản đồ - Số 58 - Trang 41-48 - 2023
Nước trồi là một hiện tượng cơ bản ở vùng biển Ninh Thuận - Bình Thuận thường xuyên diễn ra vào mùa hè, nguyên nhân là do khối nước lạnh bị đẩy từ đáy lên, hình thành do sự kết hợp của gió mùa tây nam, lực Coriolis, vận chuyển Ekman với đặc điểm của địa hình đáy, đường bờ, các vùng phân kỳ và hội tụ của dòng chảy. Nơi có nước trồi thường mang đến nguồn thực vật phù du phong phú, giàu chất dinh dưỡ...... hiện toàn bộ
#Nước trồi #Ninh Thuận - Bình Thuận #Nhiệt độ bề mặt biển #Diệp lục chất a
Phân tích hiện tượng đảo nhiệt đô thị: mối liên hệ giữa nhiệt độ bề mặt đất và bề mặt không thấm nước
Tạp chí Khoa học Đo đạc và Bản đồ - Số 31 - 2017
Sự gia tăng về phần trăm diện tích của các khu vực không thấm nước là kết quả của quá trình đô thị hóa nhanh chóng ở các thành phố lớn. Đã có một số nghiên cứu về tác động của quá trình đô thị hóa tới hệ sinh thái, đặc biệt khi chỉ số không thấm nước vượt quá ngưỡng để duy trì hệ sinh thái bền vững. Bài viết này nghiên cứu mối quan hệ giữa đảo nhiệt đô thị (Urban heat island-UHI) và phần trăm diệ...... hiện toàn bộ
Đánh giá phân bố nhiệt độ bề mặt khu vực Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn từ dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat và Sentinel 2
Tạp chí Dầu khí - Tập 8 - Trang 28 - 34 - 2022
Dữ liệu ảnh vệ tinh Landsat 5, Landsat 8 và Sentinel 2A được sử dụng để phân tích nhiệt độ bề mặt khu vực nghiên cứu, từ đó xây dựng bản đồ phân bố nhiệt độ bề mặt Liên hợp Lọc hóa dầu Nghi Sơn. Kết quả nghiên cứu có thể sử dụng trong giám sát sự thay đổi nhiệt độ bề mặt, phục vụ công tác quy hoạch sử dụng đất cũng như giảm thiểu các ảnh hưởn...... hiện toàn bộ
#Land surface temperature #thermal infrared remote sensing #Nghi Son Refinery and Petrochemical Complex
Nghiên cứu ảnh hưởng của mô hình cảnh quan, nhiệt độ bề mặt đất và điều kiện xã hội kinh tế đến sự phổ biến của virus Tây Nile (WNV) tại Chicago Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 159 - Trang 143-161 - 2008
Bài báo này phát triển một phương pháp thông qua việc tổng hợp cảm biến từ xa, các chỉ số cảnh quan và các phương pháp thống kê để kiểm tra ảnh hưởng của mô hình cảnh quan, nhiệt độ bề mặt đất và điều kiện xã hội kinh tế đến sự lây lan của virus Tây Nile (WNV) mà muỗi và động vật chủ gây ra tại Chicago, Hoa Kỳ. Hình ảnh sử dụng đất/che phủ đất và nhiệt độ bề mặt đất được thu thập từ hình ảnh của t...... hiện toàn bộ
#virus Tây Nile #WNV #muỗi #động vật chủ #mô hình cảnh quan #nhiệt độ bề mặt đất #điều kiện xã hội kinh tế #phân tích thống kê #sức khỏe cộng đồng
Điều gì đã xảy ra với nhiệt độ bề mặt liên quan đến hoạt động của điểm sáng mặt trời trong 130 năm qua? Dịch bởi AI
Springer Science and Business Media LLC - Tập 111 - Trang 609-622 - 2012
Dựa trên phân tích tổng hợp sử dụng các danh mục hoạt động và không hoạt động của mặt trời, phản ứng của nhiệt độ bề mặt đối với các hoạt động mặt trời được phân loại khác nhau và một cơ chế khả dĩ đã được thảo luận. Kết quả cho thấy hoạt động của điểm sáng mặt trời gia tăng trong các chu kỳ mặt trời từ 13 đến 24 (1880–2010) và dường như đã có những đóng góp tích cực cho sự gia tăng nhiệt độ toàn ...... hiện toàn bộ
#hoạt động điểm sáng mặt trời #nhiệt độ bề mặt #khí hậu trái đất #ENSO #cơ chế từ dưới lên
Đặc điểm quang điện hóa của hệ oxit được hình thành bởi quá trình oxy hóa điện ly plasma Dịch bởi AI
Russian Journal of General Chemistry - Tập 88 - Trang 1318-1324 - 2018
Bài báo này mô tả các đặc tính quang điện hóa của oxit titan được hình thành qua quá trình oxy hóa điện ly plasma. Khả năng tương quan giữa hoạt tính quang của các hệ hình thành và các đặc điểm trở kháng của chúng đã được nghiên cứu. Các mạch tương đương cho phép giải thích đặc điểm của phổ trở kháng đã được xây dựng và giải thích. Vai trò của việc xử lý nhiệt và sự biến đổi bề mặt với bạch kim đố...... hiện toàn bộ
#quang điện hóa #oxit titan #oxy hóa điện ly plasma #trở kháng #hoạt tính quang #xử lý nhiệt #biến đổi bề mặt #bạch kim
Tổng số: 24   
  • 1
  • 2
  • 3