Đại học Quốc gia Hà Nội
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên
Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm
trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu
khu vực Việt Nam Đông Dơng
Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân
Hà Nội 2005
Đại học Quốc gia Hà Nội
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên
Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm
trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu
khu vực Việt Nam Đông Dơng
Mã số: QG.04.13
Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân
2. Mã số: QG.04.13
3. Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân
4. Các cán bộ tham gia:
1) TS Trần Quang Đức
2) ThS Vũ Thanh Hằng
3) CN Thái Thị Thanh Minh
4) CN Nguyễn Đăng Quang
5) CN D Đức Tiến
6) NCS Hồ Thị Minh Hà
7) NCS Bùi Hoàng Hải
5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
1) Mục tiêu:
Đánh giá khả năng áp dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM trong mô
phỏng/dự báo một số biến khí hậu bề mặt trên vùng lãnh thổ Việt Nam Đông Dơng
Xác định đợc mức độ ảnh hởng của tính bất đồng nhất địa hình và điều kiện
mặt đệm trong mô hình số mô phỏng/dự báo khí hậu khu vực Việt Nam
Đông Dơng
2) Nội dung:
a) Nghiên cứu sơ đồ tham số hóa các quá trình bề mặt
Nghiên cứu phơng pháp biểu diễn hiệu ứng bất đồng nhất địa hình và lớp phủ
bề mặt trong mô hình khí hậu
Tìm hiểu sơ đồ thuật toán và lập trình tính các hiệu ứng nói trên
Tính toán thử nghiệm và hoàn thiện sơ đồ
b) Nghiên cứu ứng dụng sơ đồ tham số hóa các quá trình bề mặt qui mô dới lới
vào mô hình khí hậu khu vực RegCM
Tìm hiểu, khai thác mô hình mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM
Nghiên cứu phơng pháp lồng ghép sơ đồ tính hiệu ứng bất đồng nhất địa hình
và lớp phủ bề mặt vào mô hình khí hậu khu vực RegCM
Chạy mô hình RegCM để tính toán mô phỏng/dự báo cho các trờng hợp:
+ Cha tính đến bất đồng nhất bề mặt
CRU, mô hình đã mô phỏng khá tốt trờng nhiệt độ, nhng đối với lợng ma thì có sự
biến đổi mạnh giữa các thí nghiệm và tùy thuộc vào sơ đồ đối lu. Hiệu ứng của tính
bất đồng nhất bề mặt là nhỏ đối với trờng nhiệt độ mô phỏng, nhng nó đã làm biến
đổi đáng kể sự phân bố không gian của lợng ma và ít ảnh h
ởng đến tổng lợng ma
toàn miền.
3) Nói chung trên khu vực Việt Nam Đông Dơng, nhiệt độ mô phỏng thấp hơn
so với số liệu CRU khoảng vài độ, nhất là trong những trờng hợp sử dụng các sơ đồ
đối lu AS74 và FC80. Trong các sơ đồ đối lu, sơ đồ Kuo cho lợng ma mô phỏng
vợt quá quan trắc ở các vùng Nêpan, Myama, và thấp hơn quan trắc ở khu vực Việt
Nam và Đông Dơng, trong khi đó các sơ đồ AS74 và FC80 thờng cho lợng ma mô
phỏng vợt quá quan trắc hầu nh trên toàn miền tính.
4) ảnh hởng của tính bất đồng nhất bề mặt không đợc thể hiện rõ trong các
trờng nhiệt độ và lợng ma khi chạy với sơ đồ Kuo, nhng khi chạy với các sơ đồ
AS74 và FC80 nó đã làm thay đổi đáng kể cấu trúc không gian của lợng ma tùy
thuộc vào độ phân giải của mô hình bề mặt. ảnh hởng quan trọng nhất của việc tăng
độ phân giải mô hình bề mặt là mô tả chi tiết hơn cấu trúc qui mô dới lới của lợng
ma trên khu vực Đông Dơng. Trong số các sơ đồ đối lu, sơ đồ AS74 với việc đa
vào tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới dờng nh
cho kết quả mô phỏng lợng
ma phù hợp hơn với quan trắc CRU.
5) Tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới cũng có ảnh hởng tới các đặc
điểm khác của bề mặt, nh hàm lợng nớc trong các lớp đất, dòng chảy mặt, các dòng
ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và hiển nhiệt, mặc dù những ảnh hởng này nói chung là nhỏ.
i
v
7. Tình hình kinh phí của đề tài
Tổng kinh phí đợc cấp: 60.000.000 đồng
prediction of surface climate over Vietnam−Indochina regions.
− To determine the effects of subgrid scale heterogeneity of terrain high and
landuse on the surface climate simulations by the regional climate model.
2) Contents:
a) Study on land surface processes parameterization schemes
− Methods of representation of the land surface heterogeneous effects in the
climate models
− Algorithms and programming for calculating these effects
− Performing the calculations and improving schemes
b) Implementation of the subgrid scale parameterization schemes of the land
surface heterogeneity in the RegCM
− Study on the implementation of RegCM to simulate regional climate
− Application of the subgrid scale parameterization schemes of the land surface
heterogeneity in RegCM
− Run the RegCM to simulate the surface climate conditions:
+ Without subgrid scale heterogeneity of land surface
+ With subgrid scale heterogeneity of terrain high and landuse
+ Test of sensitivities of different convective parameterization schemes
− Comparison of different experiments, including control cases, with observed
data and making comments
vi
6. Results:
1) Based on the terrain high and landuse data sets with 10 minutes resolutions,
the subgrid scale heterogeneity of land surface in the gridboxes of regional climate
model with resolution of 60km are investigated over domain of 2
o
N−35
o
N and
4) Effects of land surface heterogeneity are not evidently represented in both of
simulated temperature and rainfall when running with the convective scheme of Kuo
type, but the spacial distributions of rainfall in July and August are changed
significantly when running with AS74 and FC80 schemes depending on the land
surface model resolutions. The most important effect of the increase of land surface
model resolution is an increased finescale structure of rainfall over Indochina. Among
the convective schemes, the AS74 with including subgrid scale heterogeneity seems
giving the rainfall that better agreement with CRU data.
5) The heterogeneity of the subgrid scale also affects other features of land
surface, such as water content in soil layers, runoff, latent heat (evapotranspiration),
sensitive heat,… although these effects are small, in general.
Mục lục
Mở đầu 2
Chơng 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu 4
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu 4
1.2 ảnh hởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt đối với các dòng
trao đổi đất
khí quyển 7
1.3 Phơng pháp tính đến bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề mặt 9
Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM 11
2.1 Sơ lợc lịch sử phát triển 11
2.2 Hệ thống lới tọa độ ngang và thẳng đứng của RegCM 13
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đồ 13
2.4 Động lực học của mô hình 15
2.5 Tham số hóa vật lý trong mô hình 16
2.5.1 Sơ đồ bức xạ 16
2.5.2 Mô hình bề mặt đất 17
cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với điều kiện khí hậu của mọi khu vực.
Sự biến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của albedo cũng nh khả năng hấp thụ và
phát xạ bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài. Mặt đệm cũng ảnh hởng đến các quá trình
trao đổi năng lợng giữa bề mặt và khí quyển thông qua sự vận chuyển rối, bốc thoát
hơi từ bề mặt, ngng kết hơi nớc 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 hởng lớn đến các quá
trình tơng tác giữa mặt đệm và khí quyển, và chúng đợc tham số hóa thông qua các
mô hình trao đổi bề mặt (Earth Surface Exchange Model
ESEM).
Trong những năm gần đây, ngời ta đã cố gắng đa các quá trình tơng tác giữa
các thành phần của hệ thống khí hậu (khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển,
băng quyển) vào các mô hình dự báo. Tuy nhiên, việc biểu diễn toán học những quá
trình tơng tác này nhằm mô tả định lợng các cơ chế hồi tiếp cũng chỉ mới đợc thực
hiện ở mức độ nhất định. Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển đợc quan
tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lợng, hiển nhiệt và hơi nớc
qua mặt tiếp xúc khí quyển
bề mặt; các nguồn năng lợng và nớc trong lớp đất gần
bề mặt; các nguồn năng lợng và nớc trong các tán cây; và các quá trình hình thành,
tan tuyết. Hiện nay ngời ta đã lồng các mô hình tính các dòng trao đổi này vào trong
các mô hình khí hậu khu vực. Một trong những mô hình phát triển theo hớng này là
mô hình RegCM (Regional Climate Model). RegCM đợc xây dựng trên cơ sở mô
hình MM4 (Mesoscale Model version 4), nhng kế thừa và phát triển sơ đồ mô tả các
quá trình tơng tác đất
khí quyển của CCM (Community Climate Model).
Ngoài việc lồng những quá trình tơng tác đất
khí quyển vào các mô hình khí
hậu, ngời ta còn xây dựng các mô hình tách biệt (chạy tính độc lập) nhằm nghiên cứu
vai trò của mặt đệm đối với quá trình tơng tác đất
khí quyển. Trong những mô hình
này, các tính chất của bề mặt đợc xem nh nhữug tham số biến đổi, còn các dòng bức
này trong các mô hình khí hậu.
Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực
RegCM. Trong chơng này giới thiệu sơ lợc về lịch sử phát triển của mô hình khí hậu
khu vực RegCM phiên bản 3.0, động lực học và vấn đề tham số hóa các quá trình vật lý
của mô hình.
Chơng 3: Kết quả tính toán và nhận xét. Đây là nội dung trọng tâm của báo cáo,
trong đó trình bày việc thiết kế các thí nghiệm theo sự biến đổi độ phân giải của mô
hình bề mặt, thời gian mô phỏng, việc lựa chọn miền tính cũng nh các sơ đồ tham số
hóa vật lý. Việc so sánh, phân tích những kết quả tính toán, mô phỏng với tập số liệu
quan trắc CRU cũng đợc tiến hành và trình bày trong chơng này.
Đề tài này đợc hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ phía Đại học Quốc gia
(ĐHQG) Hà Nội, sự giúp đỡ của Ban Khoa học & Công nghệ, ĐHQG, Phòng Khoa
học Công nghệ, trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, sự ủng hộ nhiệt tình của Hội đồng
Khoa học Trái đất, ĐHQG HN, của Ban chủ nhiệm khoa Khí tợng Thủy văn và Hải
dơng học, cũng nh sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các đồng nghiệp tham
gia đề tài và tập thể cán bộ của Bộ môn Khí t
ợng. Nhân đây chúng tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành.
4
Chơng 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt
trong mô hình khí hậu
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu
Vấn đề cơ bản của tơng tác đấtkhí quyển (landatmosphere interaction) là sự
trao đổi ẩm và năng lợng giữa hai thành phần này. Về mặt lịch sử, nhiều khía cạnh
quan trọng của quá trình tơng tác này đã đợc xem xét đến trong các lĩnh vực liên
quan với vi khí tợng, khí tợng nông nghiệp, khí tợng rừng, lớp biên hành tinh, và
thủy văn. Gần đây hơn, tơng tác đất
khí quyển cũng đã đợc ghi nhận là vấn đề
khí hậu và mô hình qui mô vừa chấp nhận giả thiết đồng nhất của bề mặt đất trên qui
mô diện tích lới mô hình, hoặc với một dạng bề mặt giả thiết cụ thể nào đó, hoặc lấy
5
trung bình trên các dạng bề mặt thực tế. Những sơ đồ tham số hóa gần đây đã đa vào
một vài khía cạnh của tính bất đồng nhất và đi sâu nghiên cứu những nguyên nhân gây
ra sự khác biệt giữa các kết quả thu nhận đợc do tính đến các hiệu ứng bất đồng nhất
khác nhau. Một số tác giả đã đề xuất biểu diễn bề mặt đất bên trong mô hình dới dạng
khảm (mosaic) các bề mặt đồng nhất, mỗi một loại là một phần nào đó của tổng diện
tích ô lới. Các biến dự báo, nh độ ẩm đất và nhiệt độ đất, khi đó đợc tính riêng biệt
cho mỗi miền con này. Một số nghiên cứu khác lại nhấn mạnh tầm quan trọng của sự
biến động không gian của giáng thủy và độ ẩm đất và đã đề xuất các sơ đồ tham số hóa
thống kê.
Hình 1.1 minh hoạ cấu trúc khả dĩ của một mô hình hệ thống khí hậu (đã đơn
giản hoá) và vai trò giao diện của các mô hình trao đổi bề mặt trong đó. Qua đó có thể
thấy, khí quyển tơng tác với bề mặt đất thông qua sự trao đổi động lợng, năng lợng,
nớc và các hợp phần hoá học khác. Bề mặt làm tiêu hao động lợng đối với hoàn lu
khí quyển do sức cản bề mặt cũng nh làm tiêu hao nguồn nớc thông qua bốc hơi trên
đất và đặc biệt là trên biển. Sự trao đổi bức xạ, hiển nhiệt và hơi nớc giữa bề mặt
khí
quyển đóng vai trò cơ bản trong việc hình thành và duy trì hoàn lu khí quyển trên
nhiều qui mô không gian khác nhau, từ qui mô vừa của gió đất
biển (sea-breeze) đến
qui mô toàn cầu của hoàn lu Hadley. Hơn nữa, những tác động của bề mặt làm ảnh
hởng đáng kể đến khí hậu cả trên qui mô lớn, qui mô vùng và địa phơng (Giorgi &
Mearns, 1991 [11]). Tơng tự, ứng suất gió và các dòng năng lợng và nớc bề mặt
trên đại dơng là cơ chế tác động chính tạo ra hoàn lu biển khu vực và toàn cầu
(Niiler 1992, [10]).
Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn một dạng đơn giản có thể của mô hình hệ thống khí hậu (CSM) trong
chảy hữu hiệu và sự trao đổi nớc với đất dới sâu. Các mô hình trao đổi bề mặt có thể
đóng vai trò giao diện giữa các mô hình thuỷ văn và các mô hình hệ thống khí hậu
bằng cách tính nguồn nớc của lớp đất bề mặt, nơi các quá trình sinh lý xảy ra (tức sự
bốc thoát hơi) và cung cấp nguồn này nh là điều kiện biên cho modul thuỷ văn.
Hình 1.2 Vai trò giao diện của mô hình đất trong mô hình hệ thống khí hậu
7
Cuối cùng, các mô hình trao đổi bề mặt còn có vai trò quan trọng trong mô hình
hoá vận chuyển các chất hoá học trong khí quyển (tạm gọi là mô hình truy nguyên
Tracer Model), vì các nguồn vận chuyển thẳng đứng trong lớp khí quyển dới thấp và
các quá trình lắng đọng khô liên quan chặt chẽ với hiệu ứng của sự trao đổi giữa bề mặt
khí quyển và các tính chất của bề mặt.
1.2 ảnh hởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt
đối với các dòng trao đổi đất
khí quyển
Trong mô hình hóa hệ thống khí hậu trái đất, các quá trình bất đồng nhất không
gian xuất hiện trên các qui mô nhỏ hơn những qui mô có thể giải đợc bởi các mô hình
số. Việc biểu diễn đợc các quá trình này trong các mô hình là rất cần thiết. Chẳng
hạn, sự hình thành mây đối lu xảy ra trên các qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô
nắm bắt đợc của các mô hình khí hậu với độ phân giải có thể đạt đợc hiện nay.
Trong hóa học khí quyển, sự phân bố các chất chỉ thị và các cơ chế phản ứng hóa học
có liên quan, có thể có tính bất đồng nhất lớn trong ô lới của mô hình vận chuyển hóa
học toàn cầu hoặc khu vực, nhất là gần các vùng phát sinh và tiêu tán. Thủy văn lục địa
phụ thuộc vào các tính chất địa mạo và đất bề mặt mà nó có thể biến động lớn theo
không gian cho tới những qui mô cực kỳ nhỏ. Các tính chất của bề mặt biển, nh nhiệt
độ, độ muối, và cấu trúc sóng, có thể cho thấy sự biến động không gian rõ rệt, đặc biệt
ở các vùng bờ và gần mặt phân cách đại dơngbăng biển, v.v.
Khó khăn trong vấn đề mô tả ảnh hởng của các quá trình bất đồng nhất qui mô
dới lới thể hiện ở hai tình huống. Tình huống thứ nhất nảy sinh liên quan với tính phi
vài trăm km. Trên thực tế, điều đó đã đợc ghi nhận qua những thông tin từ ảnh mây vệ
tinh, từ số liệu viễn thám và số liệu quan trắc bề mặt. Một ví dụ về tính bất đồng nhất
qui mô nhỏ đợc đa ra bởi Avissar [3], ngời đã đo kháng trở khí khổng của thực vật
(là đại lợng qui định sự bốc thoát hơi) trong một thửa ruộng khoai tây và nhận thấy
rằng nó tuân theo phân bố tựa chuẩn lôga theo sự biến động trong môi trờng vi mô lá
(độ nghiêng, hớng, độ che bóng, mực cao thấp trong tán, gió).
Bề mặt đất đóng vai trò nổi bật trong mô hình hóa hệ thống khí hậu, vì nó biểu
diễn sự giao diện giữa khí quyển và đất, sinh quyển và thủy văn. Bề mặt đất trao đổi
động lợng, năng lợng, nớc và những hợp phần hóa học quan trọng khác với khí
quyển, và bằng cách đó tác động tới các điều kiện thời tiết và khí hậu. Những trao đổi
này cũng quyết định và chịu ảnh hởng bởi sự tiến triển của các hệ sinh thái đất cũng
nh chu trình nớc bề mặt. Hơn nữa, đất và đại dơng kết hợp với nhau cả về mặt vật
lý và sinh học, thông qua dòng chảy sông và gió đất biển phát triển dọc các vùng bờ
biển. Để nắm bắt đợc những tơng tác này giữa các thành phần khác nhau của hệ
thống khí hậu, các mô hình quá trình bề mặt cần phải hợp nhất một loạt rất nhiều quá
trình sinh học và thủy văn phức tạp, mà nhiều quá trình trong đó có bản chất phi tuyến
mạnh. Những mô hình số thực hiện việc mô tả các quá trình tơng tác phức tạp này
đợc gọi là các sơ đồ truyền đất
thực vậtkhí quyển (SVATS).
Các mô hình khí hậu ba chiều hiện nay (GCM) nói chung chạy ở độ phân giải vài
trăm km. Còn các mô hình khí hậu khu vực, bao phủ trên những miền có diện tích hạn
chế, chỉ đạt đợc độ phân giải vài chục km [13]. Tuy nhiên, nh chúng ta đã thấy, tính
bất đồng nhất bề mặt xảy ra ở những qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô có thể giải
đợc bởi các mô hình toàn cầu và mô hình khu vực. Do đó cần phải đa vào những
phơng pháp tham số hóa ảnh hởng của tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới
trong khuôn khổ những sơ đồ SVAT phức tạp sử dụng trong các mô hình hệ thống khí
hậu.
Đã có một vài cách tiếp cận đợc đề xuất trong thập kỷ qua để mô tả những ảnh
hởng kết hợp và ảnh hởng động lực của tính bất đồng nhất trong các mô hình bề mặt
đất. Những mô hình hiệu ứng kết hợp cố gắng tính đến sự đóng góp của biến động
Việc tham số hóa tính bất đồng nhất bề mặt đất ở đây sẽ nói đến cả bất đồng
nhất địa hình và đất sử dụng nói chung có thể đợc chia thành: 1) ph
ơng pháp rời
rạc hóa (hay còn gọi là phơng pháp khảm), và 2) phơng pháp liên tục (còn gọi là
phơng pháp sử dụng hàm mật độ xác suất PDF). Trong phơng pháp khảm, ô lới
mô hình đợc chia thành một số ô lới con hoặc các mảnh ô vuông. Việc tính toán các
quá trình bề mặt đất đợc thực hiện tách biệt cho từng ô con và các dòng trao đổi
đấtkhí quyển sau đó đợc tập hợp lại ở qui mô lới thô ban đầu. Các ô lới con đợc
chia dựa trên cơ sở loại đất sử dụng [2], độ cao địa hình, hoặc địa hình và đất sử dụng
địa phơng [24]. Nói chung, các kỹ thuật phân bố lại và tập hợp lại đơn giản đợc sử
dụng để trao đổi thông tin giữa lới thô và các ô lới con. Tuy nhiên, trong một số
trờng hợp phức tạp hơn, có thể xem xét thêm cơ chế nhiệt động lực học của dòng khí
đi qua địa hình dốc để mô tả hiệu ứng động lực của địa hình.
Trong phơng pháp PDF, các biến bất đồng nhất đợc biểu diễn qua hàm mật độ
xác suất thực nghiệm hoặc lý thuyết, và những quá trình có liên quan đợc kết hợp lại
qua hàm mật độ xác suất thích hợp. Việc tham số hóa các hiệu ứng của hoàn lu qui
mô vừa có tổ chức cũng có thể đợc đa vào thông qua việc biểu diễn tính bất đồng
nhất bề mặt đất [11]. Tuy nhiên, tất cả những phơng pháp này đều có những u điểm
và hạn chế của chúng [11] và việc sử dụng chúng nói chung phụ thuộc vào những vấn
đề cụ thể cần quan tâm.
10
Bất chấp phơng pháp nào đợc sử dụng, các công trình trớc đây đều chỉ ra một
cách rõ ràng rằng, tính bất đồng nhất qui mô dới lới gây nên bởi điều kiện địa hình
và đất sử dụng có thể ảnh hởng một cách sâu sắc đến khí hậu và các nguồn năng
lợng và nớc bề mặt, đặc biệt ở qui mô vùng và địa phơng. Bởi vậy cần thiết phải
đa việc biểu diễn tính bất đồng nhất bề mặt đất vào các mô hình khí hậu. Trong phạm
vi đề tài này, chúng tôi sẽ sử dụng một sơ đồ tham số hóa kiểu khảm dựa trên công
trình của Seth và cộng sự [24] SGD94 áp dụng cho mô hình khí hậu khu vực
(RegCM). Phơng pháp này cũng đã đợc Filippo Giorgi và cộng sự áp dụng để mô
11
Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo
khí hậu khu vực RegCM
2.1 Sơ lợc lịch sử phát triển
ý tởng sử dụng các mô hình khu vực hạn chế (Limited Area Models LAMs)
để nghiên cứu khí hậu các khu vực nhỏ đã đợc Dickinson và Giorgi [17] đề xuất đầu
tiên. ý tởng này dựa trên khái niệm lồng (nest) một chiều, trong đó các trờng khí
tợng qui mô lớn nhận đợc từ mô hình hoàn lu chung khí quyển (GCM) đóng vai trò
cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian (LBC) cho mô
hình mô phỏng khí hậu khu vực (RCM), nhng không có sự tơng tác ngợc từ RCM
đối với các trờng điều khiển GCM.
Mô hình khí hậu khu vực NCAR RegCM (hay gọi tắt là RegCM) đã đợc xây
dựng dựa trên mô hình qui mô vừa MM4 (Mesoscale Model Version 4) của Trung tâm
Quốc gia Nghiên cứu khí quyển và Đại học Tổng hợp bang Pennsylvania
(NCARPSU) vào cuối những năm 1980 [17]. Các thành phần động lực học của mô
hình bắt nguồn từ MM4. MM4 là mô hình sai phân hữu hạn đối với khí quyển nén
đợc, thỏa mãn cân bằng thủy tĩnh và sử dụng tọa độ thẳng đứng . Cốt lõi động lực
học của RegCM tơng tự nh phiên bản MM5 thủy tĩnh.
Để áp dụng MM4 cho nghiên cứu khí hậu, một số sơ đồ tham số hóa vật lý đã
đợc thay thế, chủ yếu là các sơ đồ truyền bức xạ và vật lý bề mặt đất. Và điều đó dẫn
đến sự hình thành RegCM. Phiên bản RegCM đầu tiên đã đa vào sơ đồ trao đổi sinh
khí quyển (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme BATS, [7]) để biểu diễn các quá
trình bề mặt, sơ đồ truyền bức xạ của NCARCCM (Community Climate Model) phiên
bản 1 (CCM1), sơ đồ lớp biên hành tinh địa phơng độ phân giải trung bình, sơ đồ đối
lu cumulus kiểu Kuo của (Anthes, 1977), và sơ đồ ẩm hiện của Hsie và cộng sự [17].
Những cải tiến chính đầu tiên về vật lý và các sơ đồ số hóa của RegCM đã đ
ợc
Giorgi và cộng sự trình bày trong một số bài báo. Kết quả của những cải tiến này đã
hóa của nó. Đó là vì sơ đồ ban đầu đòi hỏi phải tính quá nhiều trong khi chạy mô hình.
Trong sơ đồ đơn giản hóa chỉ đa vào một phơng trình dự báo đối với nớc trong
mây, nó có tính đến sự hình thành nớc mây, sự bình lu và xáo trộn do rối, sự tái bốc
hơi trong các điều kiện gần bão hòa, và sự chuyển thành ma qua thành phần tự động
chuyển đổi. Điểm mới chính của sơ đồ này là không có tiến trình vi vật lý đơn giản,
nhng trong thực tế biến nớc mây đã dự báo sẽ đợc sử dụng trực tiếp trong tính toán
bức xạ mây. Trong các phiên bản trớc của mô hình, các biến nớc mây để tính toán
bức xạ đã đợc chẩn đoán dới dạng độ ẩm tơng đối địa phơng. Đặc điểm mới này
đa vào một yếu tố rất quan trọng và có ảnh hởng sâu rộng là sự tơng tác giữa chu
trình nớc mô phỏng và những tính toán các nguồn năng lợng.
Cuối cùng, một khía cạnh quan trọng của sự phát triển mô hình là mở rộng cấu
hình lới mô hình, bằng cách đó độ phân giải ngang của mô hình là tơng đối thô ở
vùng đệm của biên xung quanh và tăng lên khi đi vào trong miền tính. Những thí
nghiệm ban đầu sử dụng phiên bản đoạn nhiệt của mô hình với kiểu lới giãn đợc
trình bày bởi Qian và cộng sự [17]. Tuy nhiên, trong phiên bản mới RegCM3 lại không
có tùy chọn lới giãn. Những đặc điểm mới khác trong RegCM3 bao gồm những cải
tiến trong việc kết hợp với mô hình hồ và đa vào mô hình xử lý các hợp chất hóa học
với khả năng tơng tác bức xạ [17].
So với các phiên bản trớc, phiên bản gần đây nhất của RegCM (RegCM3) đã có
những cải tiến và bổ sung đáng kể. Đó là những thay đổi trong vật lý mô hình bao gồm
sơ đồ ma và mây qui mô lớn mà nó có tính đến sự thay đổi qui mô dới lới của mây,
các sơ đồ tham số hóa mới đối với các dòng bề mặt biển của Zeng [17], và sơ đồ đối
lu cumulus Betts (1986), tham số hóa kiểu khảm sự bất đồng nhất qui mô dới lới do
địa hình và đất sử dụng [12].
Ngoài ra, RegCM3 có thêm một số đặc điểm mới liên quan đến số liệu đầu vào.
Các tập số liệu về tính chất của lớp phủ bề mặt toàn cầu USGS và độ cao địa hình toàn
cầu độ phân giải 30 giây có thể đợc sử dụng để tạo ra các file địa hình (terrain files).
Hơn nữa, các tập số liệu tái phân tích toàn cầu của NCEP và ECMWF đợc sử dụng
làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Về tổ chức chơng trình, toàn bộ hệ thống mô hình RegCM bao gồm bốn thành
=
(2.1)
Có thể nhận thấy từ phơng trình (2.1) và từ hình 2.1 rằng,
bằng 0 tại đỉnh mô
hình và bằng 1 tại bề mặt, và mỗi mực mô hình đợc xác định bởi giá trị của
. Độ
phân giải thẳng đứng của mô hình đợc xác định bởi dãy các giá trị nằm giữa 0 và 1
mà không nhất thiết cách đều nhau. Nói chung độ phân giải trong lớp biên mịn hơn
nhiều so với lớp trên cao, và số mực có thể thay đổi tùy thuộc yêu cầu ngời dùng.
Lới tọa độ ngang sử dụng trong mô hình là lới xen kẽ kiểu Arakawa
Lamb B,
trong đó bao gồm các điểm nút lới (dot points) và các điểm tâm ô lới (từ đây gọi là
tâm lới
cross points) (hình 2.2). Các biến vô hớng (T, q, p,) đợc xác định tại
các tâm lới, trong khi các thành phần gió hớng đông (u) và hớng nam (v) đợc đặt ở
nút lới. Do đó vận tốc ngang đợc xác định tại các nút lới. Số liệu đầu vào của mô
hình đợc nội suy về các điểm lới (nút lới hoặc tâm lới) một cách nhất quán thông
qua quá trình tiền xử lý. Tất cả các biến ở trên đợc xác định tại giữa các lớp thẳng
đứng của mô hình, gọi là các mực giữa hay các mực phân (half
levels) và đợc biểu
diễn bằng các đờng đứt quãng trên hình 2.1. Thành phần vận tốc thẳng đứng đợc xác
định tại các mực nguyên (full
levels) và đợc biểu diễn bằng các đờng liền nét. Khi
xác định các mực
, những mực nguyên luôn đợc liệt kê ra, kể cả các mực =0 và
=1. Số lớp của mô hình vì vậy luôn luôn nhỏ hơn số mực nguyên .
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đồ
Hệ thống mô hình RegCM có bốn lựa chọn phép chiếu bản đồ, là:
1) Lambert Conformal: thích hợp cho vĩ độ trung bình,
mô tả một cách chi tiết bởi Grell [17]. Sau đây sẽ dẫn ra một số đặc điểm chính.
Các phơng trình động lợng ngang
uFuFvfp
xx
p
pp
RT
mp
up
y
mvup
x
muup
m
t
up
VH
t
v
+++
+
//
&
(2.2)
vFvFufp
yy
p
pp
RT
mp
vp
y
mvvp
x
muvp
m
t
vp
VH
t
v
+++
*
*
***
2
*
)/(
//
&
(2.3)
trong đó u và v là các thành phần hớng về đông và hớng về bắc của vận tốc gió, T
v
là
nhiệt độ ảo,
là độ cao địa thế vị, f là tham số coriolis, R là hằng số khí của không khí
khô, m là nhân tố bản đồ đối với các phép chiếu Polar Stereographic, Lambert
Conformal, hoặc Mercator,
dt
d
=
&
, và F
H
+
=
&
***
2
*
// p
y
mvp
x
mup
m
t
p
(2.4)
Tích phân thẳng đứng phơng trình (2.4) đợc dùng để tính sự biến thiên theo
thời gian của áp suất bề mặt trong mô hình
d
y
mvp
x
mup
m
t
p
*
, vận tốc thẳng đứng trong hệ tọa độ xicma
(
&
) đợc tính tại mỗi mực trong mô hình bằng cách tích phân thẳng đứng phơng trình
(2.4)
16
'
//1
0
**
2
*
*
d
y
mvp
x
mup
m
t
p
p
=0)=0
Phơng trình nhiệt động học và phơng trình Omega (
)
Phơng trình nhiệt động học là
TFTF
c
Qp
pPc
RT
Tp
y
mvTp
x
muTp
m
t
Tp
VH
pmasttpm
v
+++
+
+
=c
p
(1+0.8q
v
), Q là đốt
nóng phi đoạn nhiệt, F
H
T biểu thị hiệu ứng khuếch tán ngang, F
V
T biểu thị ảnh hởng
của xáo trộn thẳng đứng và hiệu chỉnh đối lu khô, và
là
dt
dp
p
*
*
+=
&
(2.8)
trong đó
,
1
*
1
1
)/ln(
+
+
+=
+
v
rc
v
t
q
qq
RT
pp
(2.10)
trong đó Tv = T(1+0:608qv), q
với cột ô lới trải từ mực chân mây tính toán của mô hình đến mực đỉnh mây (đợc
tính khi giả thiết có sự chồng chất ngẫu nhiên) là hàm của khoảng cách ngang của ô
lới. Độ dày của lớp mây đợc giả thiết bằng độ dày của lớp mô hình, và hàm lợng
nớc trong mây đối với mây giữa và mây dới đợc cho là khác nhau.
2.5.2 Mô hình bề mặt đất
Tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đất đợc thực hiện bằng việc sử dụng
BATS1E (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) [6]. BATS là mô hình bề mặt đợc
thiết kế để mô tả vai trò của thực vật và tác động của độ ẩm đất trong việc làm thay đổi
sự trao đổi động lợng, năng lợng và hơi nớc giữa bề mặt và khí quyển. Mô hình có
một lớp thực vật, một lớp tuyết, một lớp đất bề mặt dày 10cm, một lớp rễ dày 1
2m, và
một lớp đất sâu thứ ba dày 3m. Các phơng trình dự báo đợc giải đối với nhiệt độ các
lớp đất khi sử dụng phơng pháp tác động
phục hồi mở rộng của Deardoff, 1978 [4].
Nhiệt độ tán lá và bề mặt tán đợc chẩn đoán qua phơng trình cân bằng năng lợng
khi có sự tham gia của các dòng hiển nhiệt, bức xạ, và ẩn nhiệt.
Việc tính toán thủy văn đất gồm có các phơng trình dự báo hàm lợng nớc
trong các lớp đất. Các phơng trình này tính đến giáng thủy, tuyết tan, nớc rơi xuống
từ tán lá, bốc thoát hơi, dòng chảy mặt, sự thấm phía dới tầng rễ, và sự trao đổi
khuếch tán của nớc giữa các lớp đất. Quá trình di chuyển nớc trong đất đợc mô tả
gần đúng bằng hàm giải tích nhận đợc từ những kết quả của mô hình đất phân giải
cao và cờng độ dòng chảy mặt đợc biểu diễn nh là hàm của cờng độ ma và mức
độ bão hòa của nớc trong đất. Độ dày lớp tuyết đợc dự báo từ lợng tuyết rơi, tuyết
tan và sự thăng hoa. Giáng thủy đợc giả thiết rơi xuống dới dạng tuyết nếu nhiệt độ ở
mực thấp nhất của mô hình đạt dới 271K.
Các dòng hiển nhiệt, hơi nớc và động lợng tại bề mặt đợc tính khi sử dụng hệ
số cản bề mặt tiêu chuẩn (standard) thành lập dựa trên cơ sở lý thuyết tơng tự của lớp
bề mặt. Hệ số cản phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và độ ổn định của khí quyển
trong lớp bề mặt. Cờng độ bốc thoát hơi bề mặt phụ thuộc vào lợng nớc sẵn có
trong đất. BATS có 20 loại thực vật [17]; kết cấu đất phân bố từ thô (cát) đến vừa phải
là hạng vận chuyển gradient ngợc mô tả sự vận chuyển phi địa phơng
do đối lu khô. Độ khuếch tán xoáy đợc cho bởi công thức phi địa phơng
=
h
z
zkwK
tc
2
1
(2.12)
trong đó k là hằng số Karman, w
t
là vận tốc đối lu rối, phụ thuộc vào tốc độ ma sát, độ
cao và độ dài Monin
Obhukov; và h là độ cao lớp biên. Thành phần gradient ngợc đối
với nhiệt độ và hơi nớc đợc cho bởi
hw
C
t
c
c
0
trong đó u(h), v(h) và
v
là các thành phần gió và nhiệt độ thế vị ảo ở độ cao lớp biên, g
là gia tốc trọng trờng, Ri
c
r là số Richardson tới hạn và
s
là nhiệt độ thích hợp của
không khí gần bề mặt. Mô tả chi tiết hơn có thể xem (Holtslag et al. 1990) và (Holtslag
and Boville 1993).
2.5.4 Các sơ đồ giáng thủy đối lu
Có thể sử dụng một trong ba sơ đồ tham số hóa sau đây để tính giáng thuỷ đối
lu: (1) Sơ đồ Grell; (2) Sơ đồ Kuo sửa đổi; và (3) Sơ đồ Betts-Miller. Thêm vào đó, sơ
đồ tham số hóa Grell có thể áp dụng với một trong hai giả thiết khép kín: (1) khép kín
Arakawa và Schubert và (2) khép kín Fritsch và Chappell [17]. Từ đây ta sẽ gọi các giả
thiết khép kín này tơng ứng là AS74 và FC80.
1) Sơ đồ Grell
Tơng tự nh tham số hóa AS74, sơ đồ Grell xét mây nh là hai hoàn lu ổn
định: dòng đi lên và dòng đi xuống. Không xuất hiện xáo trộn trực tiếp giữa không khí
trong mây và không khí môi trờng, ngoại trừ tại đỉnh và đáy của các hoàn lu. Dòng
Copyright: Tài liệu đại học ©