nghiên cứu tác động của tham số hoá các quá trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình mm5

Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, các nguồn năng lượng và nước trong lớp đất gần bề mặt và các quá t

Nh107 Nguyễn Bình Phong

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG

KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Nghiên cứu phát triển sơ đồ phân tích và ban đầu hóa xoáy thuận nhiệt đới 3 chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão ở Việt

Nam

Nguyễn Bình Phong

NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ

CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG

KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5

Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học

Mã số: 60.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Phan Văn Tân

Lời cảm ơn

Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS TS Phan Văn Tân đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, những lời khuyên hữu ích và hơn hết là niềm say mê nghiên cứu khoa học

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên vì đã tạo điều kiện giúp đỡ và tổ chức những hoạt động học tập và nghiên cứu một cách tận tình

Cuối cùng, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên vô cùng to lớn từ gia đình, bạn bè và các bạn đ ồng nghiệp , tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành vì những góp ý hữu ích trong chuyên môn c ũng như những chia sẻ trong cuộc sống

LỜI NÓI ĐẦU

Trong các mô hình khí hậu, việc đưa vào điều kiện biên dưới trong đó có tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đóng vai trò rất quan trọng Sự bến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của Albedo cũng như khả năng hấp thụ và phát

xạ bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài Mặt đệm cũng ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi năng lượng giữa bề mặt và khí quyển thông qua sự vận chuyển rối, bốc thoát hơi từ bề mặt, ngưng kết trong khí quyển…Chính vì vậy, trong các mô hình dự báo khí hậu, vai trò của địa hình và lớp phủ bề mặt có ảnh hưởng lớn đến quá trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển Các quá trình này được tham số hóa và đưa vào mô hình bằng các sơ đồ gọi là sơ đồ đất (LSM: Land Surface Model) Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, các nguồn năng lượng và nước trong lớp đất gần bề mặt và các quá trình hình thành, tan tuyết

Các nghiên cứu đã chỉ ra, sơ đồ sinh - khí quyển BATS (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme) có nhiều ưu điểm trong việc tính toán tác động của các quá trình vật lý bề mặt và đã được nhiều tác giả sử dụng trong các mô hình khí hậu trong đó có mô hình khí hậu khu vực RegCM (mô hình thuỷ tĩnh) Một số nhà nghiên cứu khí hậu cũng đã bước đầu sử dụng sơ đồ BATS trong mô hình MM5 (mô hình phi thủy tĩnh) Để đưa vào được ảnh hưởng của các quá trình bề mặt qui mô dưới lưới vào mô phỏng khí hậu, chúng tôi thử nghiệm áp dụng sơ đồ BATS vào mô hình MM5 nhằm phát triển mô hình và mô phỏng ảnh hưởng của các quá trình vật lý bề mặt đến khí hậu

Chính vì những nguyên nhân trên chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu

tác động của tham số hóa các quá trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình MM5” Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu tác động

Atmosphere Tranfer Scheme) vào mô hình MM5 Mục tiêu chính của luận văn là thay thế sơ đồ đất của MM5 (Noahlsm) bởi sơ đồ BATS, việc nghiên cứu tương tác giữa bề mặt và khí quyển đã được nhiều tác giả nghiên cứu nên sẽ không được trình bày kỹ ở đây

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu về tham số hoá các quá trình bề mặt trong mô hình khí hậu Điển hình là Avissar & Pielke và Koster & Suarez đã đưa ra phương pháp khảm để biểu diễn ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt, Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Colorado đã nghiên cứu về sự trao đổi bức

xạ và lớp biên trong phát triển RegCM2, Dyi-Huey Chang, Le Jiang và Shafiqul Islam đã nghiên cứu lồng độ ẩm đất vào mô hình MM5 Robert E.Dickinson và Muhammad Shaikh trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra sự bốc thoát hơi nước từ

lá của thực vật có tác động lớn đến mô hình khí hậu và đã đưa ra sơ đồ trao đổi sinh quyển - khí quyển để mô phỏng khí hậu…

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tác động của lớp biên phía dưới đối với khí hậu đang được quan tâm Phan Văn Tân và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của tính bất đồng nhất mặt đệm đến các trường nhiệt độ và lượng mưa mô phỏng bằng mô hình RegCM trên khu vực Đông Dương và Việt Nam đã chỉ ra vai trò của các quá trình vật lý bề mặt và những vấn đề cần được triển khai nghiên cứu tiếp trong các mô hình khí hậu

1.2 Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình khí hậu

Khí hậu chịu tác động bởi bề mặt đất ở mọi qui mô thời gian và không gian Trước tiên, khí quyển chịu tác động trực tiếp bởi mặt đệm, bề mặt là nguồn tích trữ nhiệt và ẩm cho khí quyển thông qua dòng hiển nhiệt và bốc hơi Thứ hai, các điều kiện bề mặt đóng vai trò điều chỉnh chu trình tác động hồi tiếp trong

hệ thống khí hậu Thứ ba, các thành phần bức xạ mặt trời tại bề mặt (thông lượng

ẩn nhiệt và hiển nhiệt) là nhân tố chính quyết định lượng nước và nhiệt trong đất

Cuối cùng, các dòng năng lượng bề mặt tác động mạnh đến trị số các yếu tố như

độ ẩm, tốc độ gió, nhiệt độ mực 2 mét, lớp mây thấp và giảng thuỷ Hoạt động của con người phần lớn diễn ra ở lớp khí quyển này và chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các điều kiện khí quyển tại gần bề mặt

Việc tham số hoá các quá trình tại bề mặt đất trong mô hình dự báo thời tiết cũng như các mô hình khí hậu có một vai trò rất quan trọng do những nguyên nhân sau:

- Các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt tại bề mặt là điều kiện biên dưới cho các phương trình năng lượng và ẩm trong khí quyển

- Các sơ đồ bề mặt có tác động rất lớn đến các tham số bề mặt như nhiệt

độ, điểm sương và lớp mây thấp

- Các điều kiện bề mặt qui định cơ chế tác động hồi tiếp (feedback mechanims) đối với các quá trình vật lý trong khí quyển: mây mực thấp ảnh hưởng đến cân bằng bức xạ tại bề mặt, các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt tác động đến sự trao đổi lớp biên và các quá trình đối lưu ẩm

Hình 1.1 Tương tác giữa các quá trình trong khí quyển và bề mặt Ngoài ra, do lượng nước có thể được giữ lại trong lớp đất bề mặt nên độ

ẩm đất còn được xem là một trong những nhân tố có tính ỳ giống như loại bề mặt nước, bề mặt tuyết hoặc băng, có quy mô tương tác với khí quyển từ vài ngày đến mùa Ví dụ như bề mặt nước tích trữ nhiệt vào mùa hè vào giải phóng nhiệt vào mùa đông Để rõ hơn, ta xét một thời kỳ có hai giai đoạn khô và ướt Giai đoạn khô xảy ra sau thời kỳ có mưa và giai đoạn ướt xảy ra lúc bắt đầu thời kỳ mưa Sau thời kỳ mưa, với chế độ ẩm dư thừa trong đất, khả năng bốc hơi từ bề mặt quy định bởi chế độ khí tượng lớp sát bề mặt - giai đoạn khí quyển thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung AB và CD) Trong thời kỳ này bốc hơi từ bề mặt đạt giá trị cực đại và còn gọi là bốc hơi khả năng Sau khi bốc hơi diễn ra nhiều, độ ẩm đất giảm và khả năng cung cấp ẩm do bốc hơi từ bề mặt đất không còn rõ Bốc hơi bề mặt lúc này phụ thuộc vào lượng thoát hơi do thực vật gây ra Khả năng hút nước của thực vật chịu sự chi phối bởi độ ẩm thích hợp

vào khả năng giữ ẩm trong lớp đất bề mặt (không bị ngấm xuống sâu) và độ ẩm thích hợp trong lớp đất rễ cho sự hút nước của rễ cây, giai đoạn này được gọi là giai đoạn độ ẩm đất thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung

BC và AD) Khi thời kỳ ướt bắt đầu, bề mặt xảy ra quá trình thấm nước xuống sâu và độ ẩm đất lại chịu ảnh hưởng của những điều kiện khí quyển bên trên nó (nhiệt, giáng thuỷ) Các quá trình tiếp diễn tạo nên vòng tuần hoàn thay phiên thống trị giữa độ ẩm đất và khí quyển trong việc luân chuyển vật chất (nhiệt, ẩm) của hệ thống khí hậu

Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn sự tương tác giữa nước trong đất và khí quyển,

trong đó E, E p , I và P lần lượt là bốc hơi, bốc hơi khả năng, lượng thẩm thấu và mưa Những nhân tố quan trọng khác góp phần ảnh hưởng của bề mặt tới khí quyển là con người và thế giới sinh vật trên bề mặt Trái đất Sự phát thải các chất khí độc hại do hoạt động sản xuất của con người sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần của khí quyển (các chất xol khí) và hệ quả là các quá trình truyền và

Đất thống trị

Đất thống trị

Khí quyển thống trị

Khí quyển thống trị

E<Ep E=Ep

I=P I<PC

B

D

A

hấp thụ bức xạ bị thay đổi, các quá trình hình thành và tạo mưa thay đổi Tuy rằng năng lượng giành cho các phản ứng sinh hoá trong lớp sát bề mặt là rất nhỏ nhưng về lâu dài hay trong việc mô phỏng khí hậu hoặc mô phỏng khí quyển với quy mô không gian lớn (toàn cầu) thì không thể không xét tới các quá trình này

Sự trao đổi năng lượng của lớp sinh vật sát bề mặt được coi là đóng vai trò quan trọng trong các chu kỳ tuần hoàn hoá-địa-sinh trên trái đất [1] Ví dụ, lượng carbon mà toàn bộ thực vật trên Trái đất trao đổi với khí quyển trong một ngày gấp khoảng 6 lần tổng lượng carbon sinh ra do khí thải công nghiệp của con người [5] Nhấn mạnh thêm rằng quá trình trao đổi giữa thế giới sinh vật với môi trường là liên tục, trong khi sự phát thải của con người gần như là một chiều Hệ quả của chúng vẫn liên quan tới sự thay đổi thành phần của khí quyển và tất nhiên sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trong hệ thống khí hậu

Tóm lại ta thấy rằng để tính toán được chính xác các thông lượng trao đổi giữa bề mặt và khí quyển phải miêu tả được các quá trình trao đổi năng lượng xảy ra tại bề mặt Trái đất và biến trình của độ ẩm đất theo thời gian

1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển

Trong một mô hình khí hậu bao gồm mô hình khí quyển, mô hình đại dương, mô hình thuỷ văn, mô hình bề mặt [2], bộ phận bề mặt sẽ đóng vai trò cung cấp (trả lại) cho mô hình khí quyển các dòng năng lượng phi bức xạ Các dòng năng lượng phi bức xạ bao gồm dòng ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và dòng hiển nhiệt (dòng nhiệt rối) Nói cách khác, bề mặt cung cấp điều kiện biên dưới cho

mô hình khí quyển Để miêu tả chính xác được các dòng năng lượng này, ta phải xem xét đến tất cả các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm và động lượng giữa đất, thực vật và khí quyển xảy ra tại bề mặt Trái đất Sơ đồ miêu tả quá trình tương tác giữa bề mặt và khí quyển (hình 1.3) được gọi là sơ đồ trao đổi năng lượng giữa

đất - thực vật và khí quyển, viết tắt là SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere Transfers) Trong một sơ đồ SVAT phải tính được đến ba quá trình cơ bản sau:

1 Cân bằng năng lượng bức xạ tại bề mặt

2 Trao đổi nhiệt, động lượng và ẩm giữa bề mặt và khí quyển

3 Sự tích trữ năng lượng tại bề mặt

Sơ đồ SVAT nhận đầu vào từ mô hình khí quyển (tại mực thấp nhất) bao gồm bức xạ sóng ngắn từ mặt trời; sóng dài từ khí quyển và mây; giáng thuỷ dạng rắn hoặc dạng lỏng; chế độ gió, nhiệt và ẩm sát bề mặt Các sơ đồ SVAT sẽ tính toán cân bằng nhiệt, ẩm cho lớp bề mặt hoặt động Bề dày của lớp này được lựa chọn tuỳ thuộc vào điều kiện địa phương và quy mô thời gian cần tính toán (thời tiết, khí hậu) Hình 1.3 miêu tả quan hệ qua lại giữa sơ đồ SVAT và mô hình khí quyển trong một mô hình khí hậu

Để tính toán sự trao đổi năng lượng, động lượng và khối lượng giữa bề mặt

và khí quyển, các sơ đồ SVAT đã được phát triển rất sớm, từ các sơ đồ đất-thuỷ văn đơn giản ban đầu của Budyko (1963), Manabe (1969) [6] cho đến các sơ đồ tán lá lớn (big leaf) phức tạp hơn của Deardroff (1978) [6], bao gồm việc tính

Hình 1.3 Quan hệ gắn kết giữa bề mặt và khí quyển trong mô hình hệ

thống khí hậu P là giáng thuỷ, R là bức xạ, T, q, u là nhiệt độ, độ ẩm

không khí và vận tốc gió; SH, LE,  là dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt và ứng

suất bề mặt

toán các phương trình trao đổi nhiệt, ẩm cho một vài tầng đất sâu và một vài tầng thực vật (loại thực vật cao và thấp)

Trong sơ đồ đất-thuỷ văn, lớp đất bề mặt được xem xét như một "chiếc thùng" có thể được lấp đầy bởi giáng thuỷ nếu có và sẽ bị khô đi do bốc hơi và dòng chảy mặt Dòng chảy mặt xảy ra khi chiếc thùng hết khả năng chứa nước, còn tốc độ bốc hơi được xem như là hàm tuyến tính của lượng nước trong thùng (độ ẩm đất)

Trong các sơ đồ SVAT gần đây về cơ bản gồm ba bộ phận chính là bộ phận đất, bộ phận tuyết và bộ phận thực vật Bộ phận đất có vai trò cung cấp các profin nhiệt và ẩm của cột đất tính từ bề mặt trở xuống (bộ phận đất là sơ đồ tối thiểu nhất cho một sơ đồ SVAT), bộ phận thực vật cung cấp tốc độ bốc thoát hơi của lá cây và bộ phận tuyết miêu tả quá trình thành tạo và tan đi của tuyết trên bề mặt Một số sơ đồ SVAT đã đưa vào quá trình cân bằng carbon trong lớp thực vật với các quá trình trao đổi CO2 của thực vật với mục đích nghiên cứu hệ sinh thái Đã có rất nhiều các mô hình dạng SVAT được phát triển trong những năm vừa qua nhưng đa số chúng dựa trên hai mô hình là BATS của Dickinson (1984)

và SiB của Sellers (1986) [6] Hai mô hình này được coi như là mở đầu trong việc đưa vào hầu hết các quá trình xảy ra tại bề mặt vào trong các sơ đồ SVAT áp dụng cho các mô hình khí tượng và khí hậu

1.4 Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển

Năng lượng bức xạ thuần R hấp thụ tại bề mặt tính bởi: n

trong đú S là độ chiếu nắng hay năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt,

 là albedo bề mặt, L là thụng lượng súng dài tới bề mặt (của khớ quyển, mõy), w

Coi cỏc quỏ trỡnh truyền nhiệt rối (SH , bốc thoỏt hơi ( )) E và truyền động

lượng (ứng suất bề mặt ) là tựa khuếch tỏn Theo lý thuyết tương tự của Obukhov, thụng lượng khuếch tỏn F của một lượng  từ bề mặt vào khớ quyển

Monin-cú thể tớnh theo cụng thức xấp xỉ:

Hình 1.4: Sự phân bố lại năng lượng mặt trời tại bề mặt (trái) và

các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt truyền vào trong lớp biên khí

quyển (phải)

trong đó  là mật độ không khí, u là độ lớn của vận tốc gió, s và a tương ứng là  tại bề mặt và trong không khí, và C là hệ số trao đổi không thứ D

nguyên Nếu ta ký hiệu kháng trở khí động học (độ chống chịu) bề mặt:

1



a D

Áp dụng cách tính các thông lượng như trên, xét sự chênh lêch giữa nhiệt

độ không khí tại bề mặt đang xét T và nhiệt độ không khí của khí quyển c T , a

chênh lệch giữa độ ẩm riêng q q , vận tốc c a u tại độ cao r ta có thể viết lại công r thức cho thông lượng hiển nhiệt (SH), tốc độ bốc hơi (E) và ứng suất bề mặt ():

r là kháng trở khí động học đối với trao đổi mômen động lượng, vận tốc

tại độ cao z (hệ số gồ ghề) là bằng không và xem hai quá trình truyền nhiệt và 0

khuếch tán ẩm có sự tương tự hoàn toàn

Phương trình truyền nhiệt xuống các lớp đất sâu:

trong đó T là nhiệt độ của lớp đất, s k là hệ số khuếch tán nhiệt của đất, s sc s

tương ứng là mật độ, nhiệt dung riêng của đất, S là nguồn nhiệt phát sinh hoặc s

tiêu hao do chuyển pha của nước hoặc do trao đổi rối

Phương trình nhập lượng nước (budget) tại bề mặt:

trong đó w là lượng nước tại bề mặt, tính bằng m hoặc kg tuỳ thuộc theo đổi

thứ nguyên bên vế phải S i w, là lượng nước sinh ra hoặc mất đi do tan hoặc đóng băng

Phương trình truyền nước xuống sâu do lắng đọng trọng lực:

  

q S



(1.9)

trong đó  là lượng nước trong đất (m m3 3), q là thông lượng nước truyền

xuống và S là nguồn sinh hoặc tiêu hao nước dưới đất do rễ thực vật Thông r

lượng nước có thể tính theo công thức của Darcy:

trong đó K h h tương ứng là hệ số dẫn thuỷ lực và độ cao cột nước trong đất ( )

Đối với các vùng đất trống, các kháng trở hay nghịch đảo của hệ số trao đổi rối có thể được tính theo lý thuyết rối tại lớp biên hành tinh khí quyển [5] Khi bề mặt là thực vật, do lá cây thoát hơi nước thông qua các lỗ khí khổng nên vấn đề quan trọng cho việc tham số hoá quá trình bốc thoát hơi chính là tham số hoá kháng trở khí khổng r của lá cây Kháng trở khí khổng đặc trưng cho khả s

năng thích hợp trao đổi giữa thực vật và môi trường bên ngoài, khi r đạt giá trị s

nhỏ nhất nghĩa là khả năng bốc thoát hơi là tốt nhất Một công thức tính r hay s

được sử dụng là của Jarvis (1976) [6], trong đó r có thể được phân tách thành s tích các hàm phụ thuộc từng yếu tố nhiệt độ T không khí tại bề mặt, chênh lệch

giữa sức trương hơi nước của không khí trong vòm phủ thực vật và sức trương

hơi nước trong các tế bào của lá cây e , bức xạ quang hợp PAR , nồng độ CO 2

r r

trong đó LAI là chỉ số diện tích lá cây tương đối so với diện tích bề mặt Khi đó

lượng bốc hơi sẽ tính theo công thức:

r r

Trong các sơ đồ SVAT phức tạp hơn sẽ thêm hai phương trình nhập lượng nước và nhiệt trong vòm phủ thực vật với giả thiết rằng không khí trong tán lá thực vật không có khả năng tích trữ nhiệt và ẩm Ngoài ra phải tính đến sự ngăn chặn giáng thủy, sự suy yếu bức xạ và suy yếu động lượng (gió) do tán lá của thực vật mà sẽ liên hệ trực tiếp tới các tham số albedo và độ gồ ghề của bề mặt và quá trình bốc thoát hơi của thực vật

Hiện nay, với những hiểu biết về các cơ chế sinh lý của thực vật và đặc tính vật lý của đất cho phép chúng ta nghiên cứu và mô phỏng các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm tại bề mặt một cách khá chính xác và đã được kiểm chứng bởi một

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MM5

VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ MẶT ĐẤT

2.1 Giới thiệu về mô hình MM5

Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 (MM5) của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR) và Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania Hoa Kỳ (PSU), là thế hệ mới nhất trong một loạt các mô hình

dự báo được Anthes phát triển từ những năm 1970 Qua quá trình thử nghiệm,

mô hình đã được điều chỉnh và cải tiến nhiều lần nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý quy mô vừa và có thể áp dụng đối với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau

Phiên bản 3.5 (MM5V3.5) của mô hình ra đời năm 2001 đã được điều chỉnh, cải tiến thêm so với các phiên bản trước trong các mảng:

+ Kỹ thuật lồng ghép nhiều mực

+ Động lực học bất thuỷ tĩnh

+ Đồng hoá số liệu 4 chiều

+ Bổ xung lựa chọn các sơ đồ tham hoá vật lý

+ Kỹ thuật tính toán

Mô hình MM5 sử dụng hệ thống lưới lồng (nesting grid) nhằm mô phỏng

tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ hơn bước lưới của miền tính ban đầu

Về lý thuyết, MM5 cho phép lồng tối đa 9 khu vực Tỷ lệ của độ phân giải theo phương ngang của miền tính trong với miền tính ngoài luôn là 3:1

MM5 là mô hình số trị tương đối phức tạp và đòi hỏi khối lượng tính toán lớn nên hiện nay chương trình nguồn chỉ chạy trên hệ các máy tính mạnh như: SUN, IBM, CRAY, DEC (Alpha), hay PC-cluster với hệ điều hành Linux Kèm

theo phần mềm mô hình còn có các phần mềm hỗ trợ khác như phần mềm biên dịch Porland Group Fortran (PGI) hay phần mềm đồ hoạ của NCAR (NCAR Graphics)

bộ phận xử lý TERRAIN, REGRID và INTERPF Bộ phận mô phỏng MM5 nhập

dữ liệu đã được xử lý từ các modul trên, mô phỏng các quá trình vật lý và đưa ra

dự báo số của mô hình Sản phẩm dự báo của MM5 được chuyển đến bộ phận

xử lý cuối cùng là modul đồ hoạ (GRAPH/RIP, GRADS) và phân tích dữ liệu (Output Analyis)

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc các modul chính của mô hình MM5

Do phép nội suy theo sơ đồ hình 2.1 không thể mô tả chi tiết về địa hình khu vực và các trường khí tượng khu vực cần dự báo cho nên quá trình nội suy

có thể được tăng cường trong modul RAWINS/Litter_r, đây là modul xử lý các nguồn số liệu quan trọng được cung cấp từ mạng lưới trạm quan trắc bề mặt tiêu chuẩn và các trạm thám không địa phương Trong trường hợp lồng ghép nhiều mực đối với các khu vực khác nhau, mô hình bổ xung modul NESTDOWN với mục đích làm trơn hơn lưới thô ở miền ngoài Modul INTERPB có chức năng chuyển các trường khí tượng từ mực sigma của mô hình về mực khí áp (hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đố cấu trúc đầy đủ các modul của mô hình MM5

Sau đây, chúng tôi trình bày một cách sơ lược một số vấn đề liên quan đến các modul chính của mô hình MM5

INTERPB

Là modul đầu tiên của hệ thống mô hình dự báo MM5, dùng để nội suy theo phương ngang các dữ liệu về độ cao địa hình và thảm thực vật, loại hình bề mặt, ranh giới đất-nước,…cho các miền tính Trường số liệu đưa vào ở đây bao gồm:

Modul REGRID dùng để đọc và phân tích số liệu khí tượng ở các mực khí

áp theo phương ngang đồng thời nội suy các giá trị phân tích được từ lưới thô ban đầu vào lưới tính của mô hình dựa vào các phép chiếu bản đồ đã được định nghĩa trong khi thực hiện tính toán ở modul TERRAIN

REGRID không phải là chương trình đơn lẻ mà là những chương trình xử

lý nhiều quá trình bao gồm hai thành phần chính:

+ Đọc và định dạng lại trường khí tượng ban đầu (thực hiện bởi modul con

pregrid)

+ Nội suy các trường khí tượng vào lưới tính của MM5 (thực hiện bởi

modul con regridder)

2.2.3 Modul INTERPF

Modul INTERPF có chức năng chính là:

+ Nội suy số liệu khí tượng theo chiều thẳng đứng vào lưới mô hình

+ Bổ xung các trường bề mặt như khí áp, nhiệt độ không khí

+ Xử lý mô hình bất thuỷ tĩnh nguyên thuỷ

và dự báo các quá trình quy mô nhỏ hơn (từ 2km đến 200km)

2.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5

Từ những năm 1990 đến 1993, theo các chương trình của GEWEX/GCIP/GAPP, GEWEX/GAPP, NOAA/OGP, Trung tâm môi trường EMC của Trung tâm dự báo Môi trường quốc tế hợp tác với Phòng thuỷ văn NWS và Trung tâm nghiên cứu ứng dụng NESDIS đã nghiên cứu và cải tiến mô hình đất mới để sử dụng trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu của NCEP Trong thời gian đầu, NCEP xây dựng bốn mô hình đất bao gồm:

1) Mô hình thùng chứa (bucket) đơn giản

2) OSU LSM: Có sự lồng ghép giữa lớp biên khí quyển, thực vật và đất gọi tắt là CAPS (Coupled Atmospheric boundary layer - Plant – Soil)

3) Mô hình SSiB

4) Mô hình cân bằng nước đơn giản gọi tắt là SWB (the Simple Water

Balance model)

Kết quả so sánh của bốn mô hình trên đã được Chen đưa ra năm 1996 và

chỉ ra mô hình đất của trường Đại học bang Oregon (OSU LSM) cho kết quả tốt

nhất trong bốn mô hình trên OSU LSM đã được NCEP sử dụng trong các mô

hình dự báo thời tiết, khí hậu khu vực và toàn cầu

OSU LSM đã được sử dụng trong thời gian khoảng 10 năm Sau đó OSU

LSM được phát triển thêm bởi EMC, GCIP/GAPP Tại NCEP, mô hình đất lần

đầu tiên được lồng vào mô hình qui mô vừa ETA vào tháng 1 năm 1996 Năm

1999 với việc đưa thêm vào cơ chế vật lí của sự hình thành và tan băng, tuyết phủ

và với một số lượng lớn người sử dụng, NCEP LSM đã đạt được một bước tiến

lớn

Năm 2000, với sự phát triển của khoa học công nghệ, theo đề nghị của

EMC (Environmental Modeling Center) về hợp tác xây dựng LSM với NCEP và

mô hình đất được đặt tên mới là NOAH LSM

N: National Centers for Environmental Prediction (NCEP)

O: Oregon State University

t

p p

Trong đó, p là khí áp, p s là khí áp mặt đất và p t là khí áp tại đỉnh khí quyển

Hình 2.4 Hệ toạ độ của mô hình MM5 Các mực theo phương đứng trong hệ toạ độ  có đặc điểm uốn sát địa hình

ở lớp dưới và gần sát với các mực khí áp ở lớp trên Theo hệ toạ độ này ta thấy  biến đổi từ 1 (mặt đất) tới 0 (đỉnh khí quyển) và các mực khí quyển được xác định bởi tập giá trị  trong khoảng [0,1] Các biến  ,  được xác định trên các mực nguyên (K=1, 2, ), các biến còn lại được xác định trên các mực phân (K=11/2, 21/2, ) Ưu điểm của hệ toạ độ  là theo đó ta tính được ảnh hưởng của địa hình đến các quá trình nhiệt động lực học xảy ra trong khí quyển

Mô hình MM5 sử dụng lưới tọa độ so le Arakawa B theo phương ngang có dạng như trên hình 2.4a Tại các điểm gạch chéo mô hình thực hiện việc tích phân cho các biến vô hướng như áp suất, độ ẩm riêng, nhiệt độ,… Tại các điểm

có ký hiệu dấu chấm, mô hình thực hiện việc tích phân cho các thành phần gió ngang

2.4.2 Hệ các phương trình cơ bản

 Các phương trình chuyển động ngang:

trong đó, u và v - các thành phần vận tốc theo hướng đông và bắc;  - độ

cao địa thế vị; m - nhân tố bản đồ; 

trong đó, c p = c pd (1+0.8q v ) là nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định,

c pd là nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, q v là tỷ số xáo trộn hơi nước, Q

là năng lượng đoạn nhiệt, D T biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng,

1 2 0

2 0

trong đó,   là biến hình thức của tích phân và   ( =0)=0

 Phương trình thuỷ tĩnh xác định độ cao địa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv:

t s

t p p

p p





 0



trong đó, ps và pt là khí áp trạng thái nền tại bề mặt và tại đỉnh khí quyển

mô hình Áp suất tổng cộng tại mỗi nút lưới được tính như sau:

'

p

p    t  (2.11)

trong đó, p’ là nhiễu động rối; p*(x,y) = ps(x,y) - pt

Khi đó, hệ phương trình của mô hình MM5 trong hệ toạ độ  chuyển thành:

 Các phương trình chuyển động ngang và thẳng đứng:

u

D v p p x

p p x

p mp

uDIV u

p y

m vu p x

m uu p m t

/ /

p y

p p y

p mp

vDIV v

p y

m vv p x

m uv p m t

/ /

p T T

T p p g

p

DIV

p y

m v p x

m u p m t

p

r c v

*''

0

0 0

(2.14)

 Phương trình xu thế khí áp:

v y

p mp x

m u u x

p mp x

m u p p

m

DIV p p

y

m vp p x

m up p m t

0 0

2

2

*

/ /

*

' /

' /

p

D c

Q p D

gp Dt

Dp p c

TDIV T

p y

m vT p x

m T p m t

2

*

'

* 1

/ /

m u p m DIV (2.17)

y

p p

m u x

p p

m p

2.4.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu

2.4.3.1 Điều kiện biên xung quanh

Để chạy mô hình dự báo khí hậu khu vực yêu cầu phải có điều kiện biên xung quanh Trong MM5, ở bốn biên xung quanh ta phải xác định các trường của các biến như gió (U, V), nhiệt độ (T), áp suất, độ ẩm và có thể cả các trường vật

lý nhỏ khác (như là mây) nếu cần thiết Do đó, trước khi mô phỏng, giá trị điều kiện biên phải được đưa vào để ban đầu hóa cho các trường này

Các giá trị biên có thể lấy từ phân tích trong tương lai, từ mô phỏng của lưới thô hơn trước đó (tương tác một chiều) hoặc từ các mô hình dự báo khác (trong dự báo thời gian thực) Đối với dự báo thời gian thực, giá trị biên tương ứng phụ thuộc vào mô hình dự báo toàn cầu Trong trường hợp nghiên cứu các

sự kiện trong quá khứ, điều kiện biên có thể lấy từ số liệu phân tích được tăng

cường từ các thám sát bề mặt và cao không bằng cách tương tự như là điều kiện ban đầu Trong mô hình MM5, việc sử dụng các dự báo của mô hình toàn cầu làm điều kiện biên cho lưới thô nhất có thể thực hiện theo hai phương pháp:

a) Phương pháp Sponge

Theo phương pháp này thì các giá trị trên biên được tính như sau:

LC MC

n chỉ số nút lưới tính từ biên ngoài cùng (n=1), hàm trọng lượng thực nghiệm w(n) ở các điểm nhân tương ứng là 0.0, 0.4, 0.7, và 0.9, các điểm tròn tương ứng

là 0.0, 0.2, 0.55, 0.8 và 0.95 Ở tất cả các nút lưới khác trong miền tính thì w(n)=1

Phương pháp Sponge hiện nay không được sử dụng cho động lực học bất thủy tĩnh của MM5

n F

(2.20) Hàm F giảm tuyến tính từ biên xung quanh và có dạng:

) 3

5 ( )

F   , n=2, 3, 4 (2.21)

0 ) (n 

F , n>4

Trong đó F1 và F2 của phương trình (2.20) được xác định như sau:

t

F



 10





 50

2 1

Trong đó:  t: bước thời gian

s:độ phân giải của mô hình

2.4.3.2 Điều kiện biên trên bức xạ

Thông thường đỉnh của các mô hình thuỷ tĩnh được coi là một vỏ cứng, nơi

có tốc độ thẳng đứng mô hình bằng không Trong thực tế những biên cứng như vậy sẽ phản xạ cơ năng và do đó sinh ra nhiễu khí tượng Trong những mô hình khí tượng có độ phân giải không gian thô thì những phản xạ biên như vậy có thể chấp nhận Trong mô hình thường thừa nhận không có sự trao đổi khối lượng giữa vũ trụ và khí quyển cũng như không có thông lượng khí quyển xuyên qua mặt đất Trong mô hình quy mô vừa MM5, sóng trọng trường nội trở nên quan trọng hơn Vì vậy ở đây nếu không có những cơ chế nhân tạo làm tiêu tan năng lượng của những sóng trọng trường nội này thì chúng sẽ được phản xạ lại trên đỉnh mô hình và đưa đến phát triển những sóng đứng có kích thước bao trùm cả khí quyển thẳng đứng Những sóng như vậy sẽ đưa đến tạo ra trường tốc độ thẳng đứng không thực Để khử loại sóng này trong MM5 sử dụng điều kiện biên trên bức xạ (RUBC), do KLEMP, DURRAN và BOUGEAUL phát triển (1983) Điều kiện biên trên bức xạ được thiết lập trên những căn cứ lí thuyết sau:

a) Áp dụng vào khí quyển trên thì các quá trình khí quyển có thể mô

tả bằng các phương trình tuyến tính hoá,

b) Tính ổn định tĩnh và dòng trung bình được coi là hằng số, c) Hiệu ứng Coriolis được bỏ qua,

d) Áp dụng được gần đúng thuỷ tĩnh Việc thiết lập RUBC trong các

mô hình phổ là tương đối đơn giản, nhưng phức tạp hơn đối với những mô hình nút lưới

2.4.3.3 Tham số hoá vật lý

Các quá trình quy mô dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuyếch tán rối ngang

và thẳng đứng, các quá trình bề mặt đều có vai trò rất quan trọng đối với động lực học khí quyển Chính vì vậy chúng cần được tham số hoá trong mô hình dự báo Các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình MM5 rất phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các đối tượng sử dụng khác nhau Các quá trình vật lý được tham số hoá trong mô hình bao gồm: đối lưu, vi vật lý mây, bức xạ, lớp biên hành tinh, các quá trình bề mặt đất

2.4.3.4 Tham số hoá đối lưu

Quá trình vật lý quan trọng nhất phải được tham số hoá là đối lưu Quá trình vận chuyển nhiệt thẳng đứng bằng đối lưu là quá trình chủ yếu để duy trì tốc độ giảm nhiệt thẳng đứng trong tầng đối lưu thám sát và phân bố ẩm Để mô phỏng được hiệu ứng này phải thông qua điều chỉnh đối lưu (convective adjustment) Có nghĩa là độ ẩm tương đối và tốc độ giảm nhiệt độ trong từng cột lưới sẽ được xem xét ở cuối mỗi bước thời gian

Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để liên kết mây với các trường giải được của độ ẩm, nhiệt độ và gió Tuy nhiên, chưa có được một phương pháp nào là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều có những ưu nhược điểm riêng Hiện nay có rất nhiều sơ đồ tham số hoá đối lưu như sơ đồ của Betts

và Miller, 1986, 1993; Kuo, 1965, 1974; Arakawa và Shubert,1 974; Grell, 1993;

Frank và Cohen, 1987; (Emanuel, K.A and D.J Raymond, 1993) Trong một

mô hình khu vực nói chung, vấn đề tham số hoá đối lưu cumulus trong chu kỳ nước có tầm quan trọng đặc biệt, bởi lẽ cả những mô hình khu vực có độ phân giải cao hiện nay vẫn chưa thể mô phỏng được những ổ đối lưu riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá khác nhau: Anthes-Kuo, Grell, Arakawa-Schubert, Fritsch-Chappell, Kain-Fritsch, Betts-Miller, Kain-Fritsch 2, Shallow Cumulus

2.4.3.5 Tham số hoá vi vật lý mây

- Sơ đồ Kessler (1969): là một sơ đồ mây ấm đơn giản (warm cloud), và

nó bao gồm hơi nước, nước mây và mưa

- Sơ đồ Lin: trong sơ đồ này, có sáu dạng băng tồn tại trong mây bao gồm: hơi nước, nước mây, mưa và băng mây, tuyết và graupel Đây là một sơ đồ vi vật

lí tương đối tinh và nó có thể thích hợp hơn cho việc sử dụng trong các đề tài nghiên cứu

- Sơ đồ băng đơn giản - NCEP: sơ đồ này có tính đến ảnh hưởng của việc đóng băng Có ba dạng nước (hydrometeos) được tính đến trong sơ đồ gồm: hơi nước, nước mây, băng và mưa tuyết Băng trong mây và nước mây được tính theo cùng một dạng và chúng được phân biệt qua nhiệt độ, mây dạng băng chỉ có thể tồn tại khi mà nhiệt độ nhỏ hơn hay bằng nhiệt độ đóng băng, nếu không như vậy thì chỉ có tồn tại nước mây Các điều kiện trên cũng giống đối với mưa và tuyết

- Sơ đồ pha xáo trộn - NCEP: Sơ đồ này cũng tương tự như sơ đồ băng đơn giản trên Tuy nhiên, mưa và tuyết được xem là hai dạng khác nhau Sơ đồ này cho phép nước chậm đông (supercooled water) tồn tại và tuyết sẽ tan dần dần khi nó rơi Trong sơ đồ có tính đến cả sự đóng băng

Hình 2.5 Các sơ đồ minh họa quá trính vi vật lý mây (a) sơ đồ Kessler; (b) sơ đồ Lin;

(c) sơ đồ NCEP băng đơn giản; (d) sơ đồ NCEP pha xáo trộn

- Sơ đồ ETA : Sơ đồ thực chất là dự báo tỉ số xáo trộn của nước/băng mây Giáng thủy lỏng và giáng thủy đóng băng nhận được theo tỉ số xáo trộn của mây và được giả thiết là rơi xuống mặt đất trong một bước thời gian riêng lẻ

2.4.3.6 Các sơ đồ tham số hoá bức xạ

Các lựa chọn sơ đồ tham số hoá bức xạ trong mô hình MM5 bao gồm:

- None: Không tham số hoá bức xạ

- Simple Cooling: Tốc độ giảm nhiệt của khí quyển không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không có sự tác động của mây và chu trình ngày đêm

- Cloud - radiation scheme: Khi không đủ cơ sở để tính đến sự tác động của bức xạ sóng dài và sóng ngắn với bầu trời quang mây và có mây như xu thế của nhiệt độ không khí, đó là dòng bức xạ bề mặt

- CCM2 radiation scheme: Phù hợp với bước lưới rộng và có thể tính chính xác trong thời gian dài cho dòng bức xạ bề mặt

- RRTM Longwave scheme: Là sự phối hợp với sơ đồ bức xạ sóng ngắn của mây khi chọn IFRAD = 4 Đó là mô hình truyền nhanh bức xạ (rapit radiative transfer model) và dùng hệ số tương quan để biểu diễn ảnh hưởng của phổ hấp thụ tính lượng hơi nước, CO2, O3

2.4.3.7 Các sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh

Trong mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh sau:

- None: Không tham số hoá lớp biên

- Bulk PBL: Thích hợp với độ phân giải thô thẳng đứng trong lớp biên, chẳng hạn với kích thước ô lưới thẳng đứng > 250m Có hai kiểu ổn định

- High-Resolution Blackdar PBL: Thích hợp với độ phân giải cao của lớp biên, ví như 5 lớp thấp nhất, lớp bề mặt có độ dày < 100m, bốn chế độ ổn định,

bao gồm lớp xáo trộn đối lưu tự do được sử dụng phân tách bước thời gian ổn định

- Bulk-Thompson PBL: Thích hợp đối với cả độ phân giải thô và độ phân giải cao của lớp biên Động năng xoáy được dùng đối với xáo trộn thẳng đứng,

cơ bản là công thức Mellor - Yamada

- ETA PBL: Đó là sơ đồ của Mellor - Yamada dùng trong mô hình ETA

dự báo sự xáo trộn thẳng đứng địa phương

- MRF PBL: Thích hợp đối với lớp biên hành tinh phân giải cao (như sơ

đồ Blackada) Sơ đồ được Troen - Mahrt biểu diễn bằng các số hạng gradien và profile nhiệt độ (K) trong lớp xáo trộn

- Gayno - Seaman PBL: Cơ bản giống sơ đồ Mellor - Yamada Nhưng khác biệt là dùng nhiệt độ thế vị nước lỏng như là biến bảo toàn, được tính chính xác trong điều kiện bão hoà Hiệu quả của sơ đồ có thể so sánh được với sơ đồ Blackada vì nó cũng phân tách bước thời gian

2.4.3.8 Các sơ đồ đất

Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ đất sau:

- None: Không dự báo nhiệt độ lớp đất bề mặt;

- Force - Restone (Blackada) scheme: Dùng cho lớp mỏng đơn thuần ngay trên bề mặt và nhiệt độ của lớp đó;

- Five - Layer Soil Model: Dự báo nhiệt độ của 5 lớp: 1, 2, 4, 8, 16m;

- OSU/Eta-Suface Model: Mô hình lớp đất bề mặt có thể dự báo nhiệt độ

và độ ẩm của 4 lớp: 10, 30, 60, 100 cm

- NoahLSM: Mô hình đất dùng tính nhiệt độ và độ ẩm các lớp đất sâu

CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BATS CHO MM5

Nhằm tăng cường thêm lựa chọn về sơ đồ đất cho mô hình MM5 trong việc thử nghiệm mô phỏng khí hậu Chúng tôi tiến hành sử dụng sơ đồ BATS trong mô hình MM5

3.1 Mô tả sơ đồ BATS

Chức năng chính của BATS là:

1) Tính lượng bức xạ mặt trời hấp thụ bởi bề mặt và bức xạ sóng dài thuần, 2) Tính các dòng trao đổi động lượng, hiển nhiệt và ẩm giữa bề mặt và các lớp khí quyển,

3) Xác định các thành phần gió, độ ẩm và nhiệt độ trong khí quyển, trong các tán lá thực vật và tại mực quan trắc bề mặt,

4) Tính giá trị nhiệt độ và lượng ẩm tại bề mặt

Cấu trúc bề mặt trong BATS gồm một lớp phủ thực vật và ba lớp đất Bề mặt được chia làm 18 loại với các đặc tính vật lý tương ứng khác nhau, như màu đất (được chia thành 8 lớp màu, từ đậm đến nhạt), kết cấu đất (được chia thành

12 cấp, từ rất thô (cát) đến rất mịn (sét)) Ngoài ra, hàm lượng ẩm của đất, lượng nước mưa biến thành dòng chảy và trạng thái bề mặt (có nước hay tuyết phủ không) cũng sẽ được tính đến [6]

3.1.1 Albedo bề mặt

Albedo đặc trưng cho khả năng phản xạ của bề mặt đối với bức xạ sóng ngắn và phát xạ sóng dài Albedo bề mặt phụ thuộc vào bước sóng, góc thiên đỉnh mặt trời và trạng thái bề mặt cũng như loại bề mặt Đối với bề mặt không

có tuyết phủ, BATS tính albedo cho ba trường hợp là albedo của thực vật đối với bức xạ mặt trời nhìn thấy (  <0.7  m), và bức xạ gần hồng ngoại ( 

>0.7  m), và albedo của đất Mặc dù albedo của thực vật còn phụ thuộc vào