Trên cơ sở phân tích trên, với mục đích đánh giá khả năng mô phỏng của CAM đối với các trường khí tượng có mức độ biến động mạnh do ảnh hưởng của ENSO, nghiên cứu sẽ tiến hành chạy mô hì
Trang 164
Ứng dụng mô hình khí hậu toàn cầu CAM mô phỏng các trường khí hậu cho đợt El Nino mạnh năm 1982-1983
Trần Quang Đức*
Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN,
334 Nguyễn Trãi, Thanh Xuân, Hà Nội, Việt Nam
Nhận ngày 01 tháng 4 năm 2013 Chấp nhận xuất bản ngày 29 tháng 4 năm 2013
Tóm tắt Sử dụng số liệu khí hậu điều kiện ban đầu và điều kiện biên nhiệt độ mặt nước biển của
NCAR/NCEP trên các mực và bề mặt giai đoạn từ năm 1982 đến năm 1983 bài báo nghiên cứu
mô phỏng một số trường khí tượng cơ bản cho đợt El Nino mạnh năm 1982-1983 Mô phỏng bước đầu cho một đợt El Nino chưa thể đưa ra nhận định về khả năng mô phỏng các trường khí tượng đối với các đợt ENSO, nghiên cứu cho thấy đối với đợt El Nino mạnh năm 1982-1983 mô hình khí hậu toàn cầu CAM đã mô phỏng rất tốt các trường khí tượng cơ bản đặc trưng như: trường nhiệt, trường áp, trường gió
Từ khóa: ENSO, El Nino, CAM, mô phỏng
1 Khái quát đợt ENSO 1982-1983 và mô
hình toàn cầu CAM
Theo nghiên cứu của nhiều nhà khoa học và
nghiên của tác giả trên cơ sở sử dụng dị thường
nhiệt độ mặt nức biển (SSTA) vùng Nino3 [1],
trong thời kì từ năm 1950-2010 có 14 đợt El
Nino và 14 đợt La Nina, trong đó có 7 đợt El
Nino mạnh và 9 đợt La Nina mạnh, có 3 đợt El
Nino kế tiếp nhau và 2 đợt La Nina kế tiếp
nhau Đợt El Nino năm 1982-1983 là một trong
những đợt mạnh nhất thế kỷ với thời điểm bắt
đầu vào tháng 4 năm 1982 và kết thúc vào
tháng 8 năm 1983 kéo dài tổng cộng 16 tháng
Thời điểm El Nino mạnh nhất trong đợt vào
_
ĐT: 84-4-38584943
E-mail: ductq@vnu.edu.vn
tháng 12 năm 1982 và tháng 1 năm 1983 với dị thường nhiệt độ mặt nước biển Nino3 là +3,30C Các nghiên cứu về ENSO và ảnh hưởng của ENSO tới các trường khí tượng đã được các nhà khoa học quan tâm từ rất sớm Các kết quả nghiên cứu cho thấy ENSO ảnh hưởng với mức
độ khác nhau không chỉ trên khu vực xảy ra và gần hiện tượng mà còn ảnh hưởng trên quy mô rộng lớn do đó tác động tới thời tiết khí hậu nhiều nơi trên thế giới
Có nhiều mô hình số trị khí hậu, và các mô hình cũng được thiết kế với các qui mô khác nhau Mỗi mô hình có những ưu điểm riêng, thế mạnh riêng CAM 3.0 là mô hình số trị khí hậu cho thành phần trung tâm của hệ thống khí hậu
- “Khí quyển” CAM được phát triển từ vài chục năm gần đây bởi Trung Tâm Nghiên Cứu
Trang 2Khí Quyển Quốc Gia – Hoa Kỳ (NCAR), qua
nhiều giai đoạn cải tiến nâng cấp, bổ xung,
hoàn thiện và thay đổi tên, CAM 3.0 là phiên
bản cuối trong những năm gần đây Đối với mô
hình khí hậu toàn cầu kết hợp khái niệm biên
xung quanh không còn tồn tại, biên dưới khí
quyển thường dùng nhiệt độ bề mặt nước biển
(SST) và độ phủ băng Trong CAM3.0, ngoài
cơ chế hồi tiếp nội tại tác động bên trong hệ
thống khí hậu, tương tác qua biên dưới, nguồn
lực chính điều khiển hệ thống là nguồn bức xạ
Mặt Trời Vì là mô hình toàn cầu nên cơ chế
tương tác vật lý trên toàn cầu được kết nối chặt
chẽ và do đó có thể mô tả được các tác động
qua lại trên phạm vi rộng lớn, như tác động của
hiện tượng ENSO [2-6]
Trên cơ sở phân tích trên, với mục đích
đánh giá khả năng mô phỏng của CAM đối với
các trường khí tượng có mức độ biến động
mạnh do ảnh hưởng của ENSO, nghiên cứu sẽ
tiến hành chạy mô hình khí hậu toàn cầu
CAM3.0 và đánh giá bước đầu một số trường
khí tượng mô phỏng giai đoạn trước và trong
đợt El Nino 1982-1983
2 Các trường mô phỏng và cấu hình mô
hình
Các trường mô phỏng
Sau đây là một số các trường khí tượng mô
phỏng và đặc điểm của chúng trong đợt El
Nino:
Trường khí áp mực biển: trường áp suất khí
quyển mực biển có sự thay đổi mạnh trên khu
vực xích đạo Thái Bình Dương đối với giai
đoạn trước và trong El Nino Áp suất khí quyển
phía tây và phía đông Thái Bình Dương
(thường được đặc trưng bởi số đo khí áp tại hai
trạm Darwin (12,4ºS, 130,9ºE) và Tahiti
(17,5ºS, 149,6ºW) có xu hướng ngược chiều
nhau Trong khi trước giai đoạn El Nino khí áp tại Darwin thấp hơn đáng kể so với khí áp tại Tahiti, thì trong giai đoạn El Nino khí áp tại Darwin cao hơn đáng kể so với khí áp tại Tahiti [7]
Trường bức xạ sóng dài đi ra (ORL): tương
tự như đối với trường áp suất khí quyển mực biển, trường bức xạ sóng dài đi ra cũng có sự thay đổi mạnh trên khu vực xích đạo Thái Bình Dương đối với giai đoạn trước và trong El Nino Bức xạ sóng dài đi ra tại xích đạo đông Thái Bình Dương có xu hướng mạnh, yếu ngược nhau, trong khi trước giai đoạn El Nino bức xạ sóng dài đi ra tương đối thấp thì trong giai đoạn El Nino bức xạ sóng dài đi ra cao đáng kể [7]
Trường gió ngang: cũng tương tự như đối
với trường áp suất khí quyển mực biển và trường bức xạ sóng dài đi ra trường gió cũng có
sự thay đổi mạnh trên khu vực xích đạo Thái Bình Dương đối với giai đoạn trước và trong El Nino Trong giai đoạn trước hay không ENSO gió vùng xích đạo Thái Bình Dương có hướng đông với cường độ tương đối mạnh, trong khi
đó đối với giai đoạn El Nino xẽ xuất hiện đoạn dải gió tây trên xích đạo Thái Bình Dương, trung tâm đối lưu sẽ thay đổi vị trí và cường độ gió đông giảm yếu đáng kể
Cấu hình mô hình và số liệu nghiên cứu
Như đã nhận định ở trên, chúng tôi tiến hành chạy mô phỏng cho giai đoạn: từ ngày 01 tháng 01 năm 1981 đến hết ngày 30 tháng 09 năm 1983 tương ứng với 15 tháng trước thời kỳ
El Nino (01/1981 – 03/1982) và 18 tháng thời
kỳ El Nino (từ tháng 04/1982 đến tháng 09/1983) Trong giai đoạn này mô hình CAM được chạy với bước thời gian 1200 giây, miền tính toàn cầu với độ phân giải là 2,81°×2,81° với số điểm lưới 64x128 (64 điểm theo kinh hướng và 128 điểm theo vĩ hướng), chạy với
Trang 3điều kiện ban đầu, điều kiện biên và SST (nhiệt
độ mặt biển) từ nguồn số liệu do NCEP (Trung
Tâm Dự Báo Môi Trường Quốc Gia-Hoa Kỳ)
cung cấp, điều kiện biên bức xạ, các thông số
thiên văn…được lấy vào năm 1981 Các điều
kiện khác như thành phần dioxitcarbon, ozon…
được lấy theo số liệu khí hậu trung bình tháng
Kết quả đầu ra là các trường khí tượng áp suất
mực biển (PSL), bức xạ sóng dài đi ra (OLR),
gió ngang (U,V) trung bình tháng Để so sánh
đánh giá, chúng tôi đưa ra các trường tương tự
như ba trường mô phỏng trên từ số liệu tái phân
tích của NCEP (được coi là trường thực) với độ
phân giải 2,5°×2,5° (73×144 điểm lưới)
3 Khả năng mô phỏng một số trường khí
tượng cho đợt El Nino mạnh năm 1982-1983
Trên cơ sở kết quả đầu ra của mô hình khí
hậu toàn cầu CAM 3.0, bài báo đưa ra đánh giá
về khả năng mô phỏng đối với các trường khí
áp mực biển, bức xạ sóng dài đi ra và trường
gió ngang thời điểm trước El Nino (tương ứng
tháng 9 năm 1981 làm đại diện) và trong El
Nino (tương ứng tháng 1 năm 1983 làm đại
diện) cho đợt El Nino mạnh năm 1982-1983
Khu vực phân tích được giới hạn trong ô chữ
nhật 20ºS – 20ºN và 120ºE – 60ºW
Trường áp suất mực biển
Ia
Ib
IIa
IIb
Hình 1 Bản đồ trường áp suất mực biển (mb) thực
(a), mô phỏng bằng CAM 3.0 (b), tháng 9 năm 1981
(I) và tháng 1 năm 1983 (II)
Tháng 9 năm 1981 là thời điểm không ENSO (Hình 1.I) Trên cả trường thực và mô phỏng, khí áp bờ Tây không chênh lệch nhiều
so với bờ Đông Phân bố giữa trường thực và
mô phỏng tương đối tương đồng Rãnh áp thấp
mở rộng dọc xích đạo Thái Bình Dương Vùng cực tiểu khí áp trên cả hai trường gần như trùng nhau với giá trị khoảng 1006mb Dải áp cao Nam Bán Cầu cùng nằm gần vĩ độ 20ºS với giá trị cực trị khoảng 1024mb
Tháng 1 năm 1983, thời điểm cường độ El Nino mạnh nhất trong đợt El Nino mạnh
1982-1983 với cực đại giá trị SST (Nino3) (Hình 1.II) Nhìn chung có sự tương đồng tương đối tốt phân bố khí áp giữa trường thực và trường
mô phỏng, dải áp thấp xích đạo trải dọc theo vĩ hướng toàn bộ khu vực phân tích với xu hướng
hơi lệch về phía Nam Bán Cầu
Trường bức xạ sóng dài đi ra
Phân bố bức xạ sóng dài giữa trường thực
và trường mô phỏng có sự tương đồng rất tốt vào tháng 9 năm 1981 là thời điểm không ENSO (Hình 2.I) Tuy nhiên về giá trị, trường mô phỏng có nhỉnh hơn so với trường thực Giá trị
Trang 4bức xạ sóng dài cực đại của trường mô phỏng
khoảng 310Wm-2, trong khi đó đối với trường
thực khoảng 300Wm-2 Đối với trường thực, các
tâm với giá trị lớn ở giữa Thái Bình Dương hơi
lệch về phía Nam Bán Cầu và lục địa châu Úc,
các tâm giá trị nhỏ tạo thành dải dọc theo vĩ độ
khoảng 10ºN, đối với trường mô phỏng các tâm
giá trị lớn cũng tập trung ở giữa Thái Bình
Dương trong dải xích đạo và lục địa châu Úc,
các tâm giá trị nhỏ phân bố chính ở hai nơi: bờ
Tây và vùng biển gần bờ Đông Thái Bình
Dương
Vào thời kỳ El Nino phát triển mạnh cực
đại (Hình 2.II), phân bố bức xạ sóng dài đi ra
giữa trường thực và trường mô phỏng cho thấy
sự tương đồng rất tốt, tuy nhiên cũng như đối
với thời điểm mô tả trên có sự khác biệt về giá
trị và chênh lệch giữa cực đại và cực tiểu của
hai trường Giá trị cực đại trên trường mô
phỏng khoảng hơn 310Wm-2
, trong khi trên trường thực bức xạ cực đại chỉ đạt khoảng
280Wm-2 Biên độ bức xạ sóng dài giữa giá trị
cực đại và cực tiểu đối với trường thực khoảng
280-160Wm-2, trong khi đó đối với trường mô
phỏng giá trị biên độ này tương đối lớn, khoảng
310-170Wm-2
Ia
Ib
IIa
IIb Hình 2 Bản đồ trường bức xạ sóng dài đi ra (Wm -2 ) thực (a), mô phỏng bằng CAM 3.0 (b), tháng 9 năm
1981 (I) và tháng 1 năm 1983 (II).
Trường gió ngang
Trên bản đồ cả hai trường thực và mô phỏng gió đông là hướng gió chủ đạo Gần bờ,
về phía đông và tây Thái Bình Dương hướng gió có khác biệt với khu vực trung tâm Thái Bình Dương, lệch về Nam bán cầu gió có hướng đông nam, trong khi đó lệch về phía Bắc bán cầu gió có hướng đông bắc Tháng 9, thời điểm chuyển mùa đối với cả Bắc bán cầu và Nam bán cầu, nhìn chung hướng gió giữa trường mô phỏng và thực tương đồng rất tốt, đặc biệt rõ nét ở trung tâm xích đạo Thái Bình Dương (Hình 3.I)
I)
Trang 5II) Hình 3 Bản đồ trường gió ngang (vectơ) thực (a),
mô phỏng bằng CAM 3.0 (b), tháng 9 năm 1981 (I)
và tháng 1 năm 1983 (II)
Tháng 1 năm 1983, giai đoạn phát triển cực
đại của El Nino (Hình 3.II) Nhìn chung có sự
tương đồng tương đối tốt phân bố vectơ gió
giữa trường thực và mô phỏng Tuy nhiên so
với thời điểm mô tả ở trên, chất lượng mô
phỏng của giai đoạn này chưa hoàn toàn tốt
Trên trường thực dọc vĩ độ 5oS giữa kinh độ
140oE và 160oW gió có hướng tây, trong khi đó
trên trường mô phỏng gió có hướng đông Dọc
vĩ độ 5ºN hướng gió chủ đạo là đông bắc trên
trường thực, trong khi đó trên trường mô phỏng
gió có hướng chính đông Có sự tương đồng tốt
giữa trường thực và mô phỏng khu vực lệch
nam ở đông và trung tâm Thái Bình Dương với
dấu hiệu của hội tụ gió Tháng 1, tháng mùa
đông Bắc Bán cầu, trên trường thực và mô
phỏng đều thể hiện khu vực với vận tốc gió cực
đại lệch về phía Bắc Bán Cầu, tuy nhiên trên
mô phỏng cho thấy giá trị vận tốc gió cao hơn
trên trường thực (cực đại vận tốc gió 12m/s so
với 11m/s)
Chênh lệch áp suất giữa Darwin và Tahiti
Như đã nhận định ở trên, trước giai đoạn El
Nino (không ENSO) khí áp tại Darwin thấp hơn
đáng kể so với khí áp tại Tahiti, thì trong giai
đoạn El Nino khí áp tại Darwin cao hơn đáng
kể so với khí áp tại Tahiti Trong khuôn khổ
nghiên cứu mô phỏng cho một đợt El Nino
1982 và 1983, dưới đây sẽ mô tả biến trình chênh lệch áp suất giữa Darwin và Tahiti
-7 -5 -3 -1 1 3 5 7
Jan-81 Apr-81 Jul-81 Oct-81 Jan-82 Apr-82 Jul-82 Oct-82 Jan-83 Apr-83 Jul-83 Oct-83
tháng
mô hình thực
Hình 4 Chênh lệch áp suất giữa hai trạm Darwin và Tahiti giai đoạn 1981 – 1983
Nhìn chung, toàn bộ giai đoạn trước và trong El Nino biến trình chênh lệch áp suất khí quyển giữa hai trạm Darwin và Tahiti tương đối tương đồng giữa mô phỏng và thực Giai đoạn trước El Nino (Hình 4) chênh lệch khí áp mô phỏng và thực cùng có giá trị âm, hay có thể nói khí áp của trạm Tahiti luôn cao hơn Darwin, với cực đại khoảng - 6,6mb Đối với giai đoạn
El Nino chênh lệch khí áp mô phỏng và thực cùng có giá trị dương Tháng 9 năm 1983, thời điểm kết thúc El Nino chênh lệch áp suất giữa hai trạm đổi dấu và có xu thế như giai đoạn tháng 1, 9 năm 1982
Dị thường áp suất khí quyển trạm Darwin và Tahiti
Hình 5 Dị thường khí áp hai trạm Darwin và Tahiti (1/1981 – 9/1983) thực (a), mô phỏng (b)
Trang 6Trong hai giai đọan trước và trong El Nino
biến trình dị thường áp suất khí quyển của trạm
Darwin và Tahiti giữa giá trị mô phỏng và thực
rất tương đồng (Hình 5a,b) Giai đoạn trước El
Nino (01/1981 – 03/1982) dị thường khí áp hai
trạm mô phỏng và thực đều có giá trị tương đối
nhỏ (cả giá trị âm và giá trị dương) Giai đoạn
El Nino, đối với cả hai giá trị mô phỏng và
thực, dị thường khí áp của hai trạm có biến
động mạnh, tại trạm Tahiti dị thường khí áp
giảm dần về giá trị nhỏ nhất, tháng 4 năm 1983
thời điểm El Nino mạnh nhất, dị thường khí áp
cũng đạt giá trị nhỏ nhất, -3,5mb Trong khi đó,
cũng vào giai đoạn El Nino dị thường khí áp tại
Darwin lại cho bức tranh ngược lại, và vào
tháng 4 năm 1983 giai đoạn El Nino phát triển
cực đại, dị thường áp suất cũng đạt giá trị lớn
nhất, +3,5mb Tháng 9 năm 1983, thời điểm kết
thúc El Nino, dị thường áp suất hai trạm
Darwin và Tahiti cùng dần tiệm cận về giá trị
bằng 0mb
Dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra
Hình 6 Dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra
(Wm-2) vùng 5S – 5N, 175W – 140W thực (a), mô
phỏng (b)
Biến trình dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra khu vực 5S–5N, 175W–140W (Nino 3.4) giữa giá trị thực và mô phỏng rất tương đồng trong toàn bộ giai đoạn từ đầu năm
1980 đến cuối năm 1983 Từ đầu năm 1981 tới tháng 03 năm 1982 dị thường thông lượng bức
xạ sóng dài đi ra đều có giá trị gần bằng 0 và giảm dần vào các tháng tiếp sau từ tháng 4 năm
1982 đến cuối năm 1983 Tháng 4 năm 1983 giai đoạn El Nino phát triển cực đại, dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra cũng đạt giá trị gần nhỏ nhất, khoảng -2,0 Wm-2
điều này cũng hoàn toàn hợp lý do vùng Nino 3.4 nhiệt
độ mặt nước biển tăng mạnh tạo một vùng khí
áp thấp làm khí quyển xung quanh hội tụ, dòng thăng sẽ phát tiển mạnh và tạo nên lượng mây lớn phát triển theo chiều cao là nguyên nhân làm giảm bức xạ sóng dài đi ra Tháng 9 năm
1983, thời điểm kết thúc El Nino dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra khu vực 5S– 5N, 175W–140W dần tiệm cận về giá trị bằng
0
Dị thường trung bình của tốc độ gió vĩ hướng
Hình 7 Dị thường trung bình của tốc độ gió vĩ hướng (m/s) vùng 5S – 5N, 175W – 140W thực (a),
mô phỏng (b)
Trang 7Cũng tương tự như đối với trường khí áp và
thông lượng bức xạ sóng dài đi ra biến trình dị
thường trung bình của tốc độ gió vĩ hướng khu
vực Nino 3.4 giữa giá trị mô phỏng và thực rất
tương đồng (Hình 7) Dị thường trung bình của
tốc độ gió vĩ hướng trên trường thực và mô
phỏng đều gần bằng 0 cho giai đoạn trước khi
xuất hiên El Nino Đối với giai đoạn El Nino từ
tháng 4 năm 1982 đến tháng 8 năm 1983, đối
với cả mô phỏng và thực, dị thường trung bình
của tốc độ gió vĩ hướng có biến động mạnh, với
giá trị giảm tới nhỏ nhất Dị thường trung bình
của tốc độ gió vĩ hướng đạt giá trị gần như nhỏ
nhất, khoảng -2,5 m/s vào thời điểm El Nino
mạnh nhất, có thể thấy rằng khí áp khu vực
Nino 3.4 thay đổi đáng kể là nguyên nhân gây
hoàn lưu tín phong suy yếu và tất yếu sẽ làm
giảm vận tốc gió vĩ hướng
4 Kết luận
Mô phỏng khí hậu bằng mô hình sẽ là bước
đi ban đầu cho nghiên cứu dự báo khí hậu nói
chung và ENSO nói riêng Với mục đích mô
phỏng một đợt El Nino chúng tôi đã chạy mô
hình khí quyển cộng đồng CAM 3.0 cho giai
đoạn từ tháng 1 năm 1981 đến tháng 9 năm
1983 Qua quá trình mô phỏng và đánh giá,
chúng tôi rút ra được một số kết luận sau:
Mô hình mô phỏng khá tốt trường khí áp và
trường bức xạ sóng dài đi ra khu vực xích đạo
Thái Bình Dương thời kỳ trước, trong và sau
đợt El Nino Trường gió ngang mô phỏng chưa
hẳn tương đồng so với trường thực
Ngoài biến trình theo thời gian giai đoạn trước và trong El Nino của đại lượng mô phỏng chênh lệch áp suất giữa hai trạm Darwin và Tahiti tương đối tốt, các đại lượng mô phỏng dị thường khí áp hai trạm Darwin và Tahiti, dị thường thông lượng bức xạ sóng dài đi ra và dị thường trung bình của tốc độ gió vĩ hướng khu vực 5S – 5N, 175W – 140W rất tương đồng với giá trị thực
Tài liệu tham khảo
[1] Trần Quang Đức Xu thế biến động của một số
đặc trưng ENSO, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN,
Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Tập 27, 1S,
2011, tr 29-36,
[2] Trần Quang Đức Mô hình khí hậu khí quyển
CAM 3.0, Tạp chí Khí tượng thủy văn, Tập 555,
2007, tr 33-41
[3] Trần Quang Đức Tham số hóa bức xạ trong mô
hình khí hậu khí quyển CAM3.0, Tạp chí Khí
tượng Thủy văn, Tập 568, 2008, tr 19-24,
[4] James R McCaa, Mathew Rothstein, Brian E Eeton, James M Rosinski, Erich Kluzek, Mariana Vertenstein User’s guide to the NCAR community atmosphere model (CAM 3.0),
Technical Report NCAR, Boulder, 97 pp, 2004,
[5] William D Collins, Philip J Rasch, Bigron A Boville, James J Hack, James R McCaa, David l Williamson, Jaffrey T Kiehl, Bruce Briegleb Description of the NCAR community atmosphere
model (CAM 3.0), Technical Report NCAR,
Boulder, 210 pp., June 2004
[6] Trang web http://bb.cgd.ucar.edu/ và
http://forum.cgd.ucar.edu/archive
[7] Nguyễn Thị Hiền Thuận Ảnh hưởng của ENSO
đến gió mùa mùa hè và mưa ở Nam Bộ, Luận án
tiến sĩ Địa lý, 2007
Trang 8Application of the CAM global climate model to simulate climate fields during the intensive El Nino event of 1982-1983
Tran Quang Duc
Faculty of Hydro-Meteorology & Oceanography, VNU University of Science,
334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam
The NCEP/NCAR reanalysis are used as initial and boundary condition data of the CAM model in order to simulate some climate fields during the intensive El Nino event of 1982-1983 Preliminary results do not show any specific conclusion about the capability of CAM in simulating climate fields during a general ENSO event However, it is shown that general climate fields such as temperature, pressure, wind… during the intensive El Nino event of 1982-1983 are well simulated
Keywords: ENSO, El Nino, CAM, simulate
