Vệ tinh theo dõi hạn hán: chỉ số NDVI, độ ẩm đất và nước ngầm GRACE

Vệ tinh theo dõi hạn hán qua bốn loại tín hiệu: lượng mưa ước tính từ vệ tinh, độ ẩm lớp đất mặt đo bằng sóng vi ba, sức sống của cây qua chỉ số thực vật NDVI và nhiệt độ bề mặt, và lượng nước ngầm suy ra từ thay đổi trọng lực. Ghép các tín hiệu này, người ta thấy hạn đang hình thành từ nhiều tuần trước khi lá cây vàng úa, và thấy được cả những vùng không có trạm đo.

Hạn hán khác bão lũ ở chỗ nó đến chậm, không có ngày bắt đầu rõ ràng. Vệ tinh giúp đo cái chậm đó bằng con số.

Hạn đi qua nhiều tầng, mỗi tầng một loại vệ tinh

Một đợt hạn thường diễn ra theo chuỗi: thiếu mưa trước (hạn khí tượng), rồi đất khô (hạn nông nghiệp), rồi sông hồ, nước ngầm cạn (hạn thuỷ văn). Mỗi tầng có cách đo riêng từ không gian:

Lượng mưa nhìn từ trên cao

Trạm đo mưa chính xác nhưng thưa, nhất là ở vùng núi và biên giới. Vệ tinh lấp chỗ trống. Sứ mệnh GPM (Đo mưa toàn cầu) của NASA và Nhật Bản, với vệ tinh chính phóng năm 2014, ghép dữ liệu radar và vi ba của nhiều vệ tinh thành sản phẩm IMERG cập nhật mỗi nửa giờ. Bộ dữ liệu CHIRPS, do Đại học California Santa Barbara và Cục Địa chất Hoa Kỳ phát triển, ghép ảnh hồng ngoại vệ tinh với số liệu trạm, có chuỗi từ năm 1981, rất hợp để tính lượng mưa so với trung bình nhiều năm.

Từ chuỗi mưa, người ta tính chỉ số mưa chuẩn hoá SPI (do McKee và cộng sự đề xuất năm 1993): lượng mưa của một giai đoạn (1, 3, 6, 12 tháng) được quy về thang chuẩn, 0 là bình thường, dưới −1 là khô hạn vừa, dưới −1,5 là hạn nặng, dưới −2 là hạn rất nặng. Theo định nghĩa thống kê, mức SPI dưới −2 chỉ xảy ra khoảng 2–3% số lần, tức hiếm như một sự kiện vài chục năm.

Độ ẩm đất: sóng vi ba nghe được nước

Đất ướt và đất khô phát xạ vi ba rất khác nhau, vì nước có hằng số điện môi cao hơn đất khô nhiều lần. Hai vệ tinh chuyên đo độ ẩm đất dùng băng L, tần số khoảng 1,4 GHz:

• SMOS của Cơ quan Vũ trụ châu Âu, phóng năm 2009.
• SMAP của NASA, phóng đầu năm 2015. Radar của nó hỏng sau vài tháng, nhưng bộ đo bức xạ vẫn hoạt động, cho bản đồ độ ẩm toàn cầu vài ngày một lần.

Giới hạn: chúng chỉ đo khoảng 5 cm đất trên cùng, độ phân giải thô (vài chục km), và kém chính xác dưới rừng rậm. Rễ lúa, rễ cà phê nằm sâu hơn nhiều. Các nhà khoa học đưa số đo bề mặt vào mô hình đất để ước tính độ ẩm vùng rễ.

Cây nói gì: chỉ số NDVI và nhiệt độ tán lá

Lá xanh khoẻ hấp thụ mạnh ánh sáng đỏ để quang hợp, và phản xạ mạnh ánh sáng hồng ngoại gần nhờ cấu trúc tế bào. Lá héo thì ngược lại. Chỉ số thực vật khác biệt chuẩn hoá tận dụng điều đó:

NDVI = (Hồng ngoại gần − Đỏ) / (Hồng ngoại gần + Đỏ)

NDVI nằm trong khoảng −1 đến 1. Nước và mây cho giá trị âm hoặc gần 0, đất trống khoảng 0,1–0,2, cây thưa khoảng 0,2–0,5, rừng và ruộng lúa tốt khoảng 0,6–0,9.

Ví dụ tính

Một điểm ảnh ruộng ngô có phản xạ hồng ngoại gần 0,45, đỏ 0,05: NDVI = 0,40 / 0,50 = 0,80, cây khoẻ. Ba tuần sau trong đợt nắng hạn: hồng ngoại gần 0,30, đỏ 0,12, NDVI = 0,18 / 0,42 ≈ 0,43. Chỉ số tụt gần một nửa.

Nhưng NDVI thấp chưa chắc là hạn: có thể ruộng vừa gặt, hoặc đó là vùng vốn khô. Vì vậy chuyên gia so với chính nó qua nhiều năm bằng chỉ số điều kiện thực vật VCI (do Felix Kogan đề xuất): VCI = (NDVI hiện tại − NDVI nhỏ nhất nhiều năm) / (NDVI lớn nhất − NDVI nhỏ nhất) × 100, cùng thời điểm trong năm. VCI dưới khoảng 35–40 thường được coi là dấu hiệu hạn.

Cây thiếu nước thì đóng khí khổng, thoát hơi nước ít đi, lá nóng lên. Ảnh hồng ngoại nhiệt đo được điều đó, thường trước khi lá đổi màu. Ghép chỉ số nhiệt với VCI ra chỉ số sức khoẻ thực vật VHI, dùng rộng rãi trong cảnh báo hạn nông nghiệp.

Nước ngầm cân bằng trọng lực

Cặp vệ tinh GRACE (NASA và Đức, 2002–2017) và người kế nhiệm GRACE-FO (từ 2018) bay nối đuôi nhau, đo khoảng cách giữa hai vệ tinh chính xác tới cỡ micromet. Khi bay qua vùng có khối lượng lớn hơn, vệ tinh đi trước bị kéo nhẹ, khoảng cách thay đổi. Từ đó tính được thay đổi tổng khối lượng nước trong lưu vực: nước mặt, độ ẩm đất, nước ngầm, băng tuyết.

GRACE đã cho thấy nhiều tầng nước ngầm lớn trên thế giới bị khai thác nhanh hơn tốc độ bổ cập, như vùng tây bắc Ấn Độ và Thung lũng Trung tâm California trong các đợt hạn dài. Độ phân giải thô, cỡ vài trăm kilômét, nên chỉ dùng cho lưu vực lớn, nhưng đây là cách duy nhất "cân" được nước ngầm từ không gian.

Ứng dụng ở Việt Nam và khu vực

• Tây Nguyên và Nam Trung Bộ: mùa khô kéo dài, vùng cà phê, hồ tiêu phụ thuộc nước tưới. NDVI, nhiệt độ bề mặt và lượng mưa vệ tinh giúp theo dõi hạn trên diện rộng, nhất là những năm El Niño.
• Lưu vực sông Mê Công: Ủy hội sông Mê Công vận hành hệ thống giám sát và dự báo hạn cho toàn lưu vực, dựa nhiều vào dữ liệu vệ tinh vì số liệu trạm giữa các nước không đồng đều.
• Hồ chứa: vệ tinh đo cao bằng radar và ảnh diện tích mặt nước cho biết mực nước, dung tích các hồ lớn, kể cả hồ ở thượng nguồn ngoài biên giới.

Đọc bản đồ hạn từ vệ tinh thế nào

• Xem đó là chỉ số gì. Bản đồ SPI nói về mưa, VHI nói về cây, GRACE nói về tổng nước. Ba bản đồ có thể khác màu cùng một vùng mà không mâu thuẫn.
• So với trung bình nhiều năm, không so với tháng trước. Mùa khô thì đương nhiên khô hơn mùa mưa.
• Chú ý độ phân giải. Ô lưới 25 km không nói được về một thửa ruộng.
• Kết hợp quan sát mặt đất. Tưới tiêu có thể giữ ruộng xanh giữa vùng hạn khí tượng; ngược lại sâu bệnh có thể làm NDVI giảm không vì hạn.

Dữ liệu MODIS, Sentinel-2, Landsat, CHIRPS và SMAP đều miễn phí. Sinh viên và cán bộ kỹ thuật có thể tự tính NDVI cho vùng mình qua các nền tảng xử lý ảnh trực tuyến, và bản tin hạn hán, xâm nhập mặn của cơ quan khí tượng thuỷ văn quốc gia là nguồn chính thức để đối chiếu.