Nh107
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

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

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


, 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. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

4

MôC LôC

Trang
Lêi nãi ®Çu
3
Ch¬ng 1


2.2

Cấu trúc mô hình MM5 17
2.3

Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5 20
2.4

Động lực học của mô hình 21 Ch¬ng 3

ỨNG DỤNG BATS CHO MM5
34
3.1

Mô tả sơ đồ BATS 34
3.2

Áp dụng BATS cho MM5 47 Ch¬ng 4

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
50
4.1

Cơ sở số liệu 50

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
của bề mặt đất đến hệ thống khí hậu bằng việc áp dụng sơ đồ BATS (Biosphere
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

6

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.
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.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

8

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

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<E
p
E=E
p
I=P

I<P


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
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

12

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

2
CO
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
n
R
hấp thụ tại bề mặt tính bởi:

4
(1 )   

n w g
R S L T
 
(1.1)
LUN VN THC S NGUYN BèNH PHONG

14

trong ú

S
l chiu nng hay nng lng bc x mt tri ti b mt,

SH
, bc thoỏt hi
( )
E
v truyn ng
lng (ng sut b mt

) l ta khuch tỏn. Theo lý thuyt tng t ca Monin-
Obukhov, thụng lng khuch tỏn
F

ca mt lng

t b mt vo khớ quyn
cú th tớnh theo cụng thc xp x:
( )

D s a
F C u


(1.3)
Hình 1.4: Sự phân bố lại năng lợng mặt trời tại bề mặt (trái) và
các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt truyền vào trong lớp biên khí
quyển (phải)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

15

trong đó


s a
a
F
r

 

(1.5)
Theo công thức (1.5) ta thấy thông lượng

truyền từ bề mặt vào trong khí
quyển do sự chênh lệch lượng

giữa bề mặt và khí quyển, và quá trình truyền
này chịu một độ cản r
a
.
Áp dụng cách tính các thông lượng như trên, xét sự chênh lêch giữa nhiệt
độ không khí tại bề mặt đang xét
c
T
và nhiệt độ không khí của khí quyển
a
T
,
chênh lệch giữa độ ẩm riêng

c a
q q

Phương trình truyền nhiệt xuống các lớp đất sâu:
( ) [ ]
  
 
  
s
s s s s s
T
c T k S
t z z

(1.7)
LUN VN THC S NGUYN BèNH PHONG

16

trong ú
s
T
l nhit ca lp t,
s
k
l h s khuch tỏn nhit ca t,

s s
c


tng ng l mt , nhit dung riờng ca t,
s


r
q
S
t z

(1.9)
trong ú

l lng nc trong t
3 3
( )

m m
,
q
l thụng lng nc truyn
xung v
r
S
l ngun sinh hoc tiờu hao nc di t do r thc vt. Thụng
lng nc cú th tớnh theo cụng thc ca Darcy:
( )
( )
h z
q K h
z

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
2
CO

trong không khí
2
CO
C
, chênh lệch thế năng nước trong đất và rễ cây cùng một số
yếu tố khác (thuộc về thực vật học).
2 2
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
     
s CO s s s s CO
r T e PAR C r T r e r PAR r C
 
(1.11)
Độ chống chịu của tán lá lớn
c
r
được tính bởi:


18

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
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG


Output Analysis
GRAPH/RIP

Bộ phận tiền xử lý
Bộ phận mô phỏng
Bộ phận hậu xử lý
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

20

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)
gồm:
+ Độ cao địa hình
+ Thảm thực vật hay loại hình sử dụng
+ Nhiệt độ các lớp sát mặt
+ Độ nhám bề mặt đất
Tất cả các số liệu ở đây được chia thành 6 bộ với các bậc và độ phân giải
tương ứng là: 1º, 30’, 10’, 5’, 2’ và 30”.
Quá trình tính toán trong chương trình của modul TERRAIN được thực
hiện theo hai bước sau:
+ Thiết lập trường địa hình khu vực cho miền dự báo ở dạng lưới thô và
lưới dự báo.
+ Truy xuất sản phẩm là file số liệu địa hình cho khu vực lựa chọn
2.2.2 Modul REGRID
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)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

22

+ 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.

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
A: Air Force
H: Hydrologic Research Lab - NWS
2.4 Động lực học của mô hình
2.4.1 Hệ toạ độ
Theo phương thẳng đứng, mô hình MM5 sử dụng hệ toạ độ sigma (): (2.1)
t

s

t

p

p
p


1/2
, 2
1/2
, ). 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

25

 Các phương trình chuyển động ngang:
2
* * * * *
* *
/ /
u
f
p u p uu m p vu m p u p
m mp p v D
t x y x x
  
 
 

(2.3)
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;




t


;

- mật độ không khí; f - tham số
Coriolis; D
u
và D
v
- biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng; p*=p
s
- p
t
.
 Phương trình nhiệt động lực học:
2
* * * *
* *
/ /
T

T
biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng,
dt
dp


được tính bằng:
*
*
dp
p
dt
  
 


(2.5)
với:
* * * *
p p p p
m u v
t t x y
 
   
  
 
   
 

(2.6)