ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
ĐẢNH GIÁ VAI TRÒ CỦA ĐỊA HÌNH VÀ ĐIÊU KIỆN MẶT ĐỆM
TRONG MÔ HỈNH s ố MÔ PHỎNG VÀ D ự BÁO KHÍ HẬU
KHU VỤC VIỆT NAM - ĐÔNG DƯƠNG
Mõ sô': ỌG .04.13
Chủ trì đ ề tòi: PGS. TS Phan Văn Tán
Cóc thành viên tham gia: TS Trần Quang Đức
ThS Vũ Thanh Hằng
CN Thái Thị Thanh M inh
CN Nguyễn Đăng Quang
CN Dư Đức Tiến
NCS Hồ Thị M inh Hà
NCS Bùi Hoàng Hải
_ OA;h; c CJỐC ~ |A
JVUNG ?Á"/THÒIVg Tr j 'Hư \Vệ(,
D T / 3 Ỹ 4
HÀ NỘI - 2005
BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỂ TÀI
1. Tên đề tài: Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mật đệm trong mô hình
sô' mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực Việt Nam - Đông Dương
2. M ã số: QG.04.13
3. C hủ 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 Dư Đức Tiến
6) NCS Hồ Thị Minh Hà
7) NCS Bùi Hoàng Hải
ra sự bất đồng nhất. Khi tăng độ phân giải mô hình bề mặt, độ cao địa hình được mô tả
chi tiết hơn, số loại bổ mặt xuất hiộn trong các ô lưới mô hình phổ biến từ 2-3 loại khi
độ phản giải mô hình bề mặt là 30x30 km, và tăng lên có thể tới 5 -6 loại khi đô phân
giải tăng lên đến 20x20 km.
2) Đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 để mô phỏng khí hậu bề mặt
cho khu vực Đông Dương và Việt Nam trong thời kỳ 6-8/1997. Đồng thời đã khảo sát
hiệu ứng của tính bất đồng nhất qui mô dưới lưới của độ cao địa hình và loại bề mặt khi
chạy mô hình RegCM3 với các sơ đồ tham số hóa đối lưu theo 9 trường hợp thí
nghiêm. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ 2m trung binh và tổng lượng mưa từng
tháng được so sánh với số liệu phân tích của CRU. Từ đó nhận thấy rằng, so với số liệu
CRU, mô hình đã mô phỏng khá tốt trường nhiệt độ, nhưng đối với lượng mưa thì có sự
biến dổi mạnh giữa các thí nghiệm và tùy thuộc vào sơ đồ đối lưu. Hiệu ứng của tính
bất đổng nhất bồ mặt là nhỏ đối với trường nhiệt độ mô phỏng, nhưng nó dã làm biến
đổi đáng kể sự phân bố không gian của lượng mưa và ít ảnh hưởng đến tổng lượng mưa
toàn miền.
3) Nói chung trên khu vực Việt Nam - Đông Dương, nhiệt độ mô phỏng thấp hơn
so với số liệu CRU khoảng vài độ, nhất là trong những trường hợp sử dụng các sơ dồ
đối lưu AS74 và FC80. Trong các sơ đồ đối lưu, sơ đồ Kuo cho lượng mưa mô phỏng
vượt quá quan trắc ở các vùng Nêpan, Myama, và thấp hơn quan trắc ở khu vực Việt
Nam và Đông Dương, trong khi đó các sơ đồ AS74 và FC80 thường cho lượng mưa mô
phỏng vượt quá quan trắc hầu như trên toàn miền tính.
4) Ảnh hưởng của tính bất đồng nhất bề mặt không được thể hiện rõ trong các
trường nhiệt độ và lượng mưa khi chạy với sơ đồ Kuo, nhưng khi chạy với các sơ đổ
AS74 và FC80 nó đã làm thay dổi đáng kể cấu trúc không gian của lượng mưa tùy
thuộc vào độ phân giải của mô hình bề mật. Ảnh hường quan trọng nhất của việc tăng
độ phân giải mô hình bề mặt là mô tả chi tiết hơn cấu trúc qui mô dưới lưới của lượng
mưa trên khu vực Đông Dương. Trong số các sơ đồ đối lưu, sơ đồ AS74 với việc đưa
vào tính bất đồng nhất bể mật qui mô dưới lưới dường như cho kết quả mô phỏng lượng
mưa phù hợp hơn với quan trắc CRU.
5) Tính bất đổng nhất bề mặt qui mô dưới lưới cũng có ảnh hường tới các dặc
1) Aims:
- To evaluate the possibility of an implementation of RegCM for simulation and
prediction of surface climate over V ietnam -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:
+ W ithout 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
V
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"N-35"N and
85°E-125°E. Heterogeneity of subgrid scale of terrain high and landuse are determined
with two resolutions of the land surface model: 30x30 km and 20x20 km. The results
show that, land surface heterogeneities occur in the most of model gridboxes locating
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.
7. Funding:
Total support: 60.000.000 VND
Received: 60.000.000 VND
Spent: 60.000.000 VND
vi
MỤC LỤC
Mở đ ầ u 2
Chương 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí h ậ u 4
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí h ậ u 4
1.2 Ảnh hưởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt đối với các dòng
trao đổi đất - khí quyển 7
1.3 Phương pháp tính đến bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề m ật
9
Chương 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM 11
2.1 Sơ lược lịch sử phát triển 11
2.2 Hệ thống lưới tọa độ ngang và thẳng đứng của RegC M 13
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đ ồ 13
2.4 Động lực học của mô h ìn h 15
2.5 Tham số hóa vật lý trong mô h ìn h 16
2.5.1 Sơ đồ bức x ạ 16
2.5.2 Mô hình bề mặt đất 17
2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tin h
17
2.5.4 Các sơ đồ giáng thủy đối lư u 18
2.5.5 Sơ đồ giáng thủy qui mô lưới 23
kiện hiện nay, khi mà độ phân giải của các mô hình khí hậu khu vực chỉ mới đạt được
cỡ hàng chục đến hàng trăm km, sự làm trơn địa hình chắc chắn sẽ dẫn đến sự bất đồng
nhất lớn về độ cao địa hình ngay trong từng ô lưới. Bên cạnh độ cao địa hình, mật đệm
cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với điếu kiện khí hậu của mọi khu vực.
Sự biến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của albedo cũng như khả nãng 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 hơi nước 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 các quá
trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển, và chúng được tham số hóa thông qua các
mô hình trao đổi bề mặt (Earth Surface Exchange Model - ESEM).
Trong những năm gần đây, người ta đã cố gắng đưa các quá trình tương 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 tương tác này nhằm mô tả định lượng các cơ chế hồi tiếp cũng chỉ mới được thực
hiện ở mức độ nhất định. Các quá trinh trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan
tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, hiển nhiệt và hơi nước
qua mặt tiếp xúc khí quyển - bề mặt; các nguồn năng lượng và nước trong lớp đất gần
bề mặt; các nguồn năng lượng và nước trong các tán cây; và các quá trình hình thành,
tan tuyết. Hiện nay người 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 hướng này là
mô hình RegCM (Regional Climate Model). RegCM được xây dựng trên cơ sở mô
hình MM4 (Mesoscale Model version 4), nhưng kế thừa và phát triển sơ đồ mô tả các
quá trình tương tác đất - khí quyển của CCM (Community Climate Model).
Ngoài việc lồng những quá trình tương tác đất - khí quyển vào các mô hình khí
hậu, người 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 tương tác đất - khí quyển. Trong những mô hình
này, các tính chất của bề mặt được xem như nhữug tham số biến đổi, còn các dòng bức
xạ, hiển nhiệt, ẩn nhiệt, nước, sẽ là những biến cần khảo sát. Điều kiện khí hậu được
phản ánh thông qua sự biến thiên của các biến này.
Chương 3: Kết quả tính toán và nhận xét. Đây là nội dung trong 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 như các sơ đồ tham số
hóa vật lý. Việc so sánh, phàn tích những kết quả tính toán, mô phỏng với tập số liệu
quan trắc CRU cũng được tiến hành và trình bày trong chương này.
Đề tài này được 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, trường 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 tượng Thủv vãn và Hải
dương học, cũng như sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các đồng nghiêp tham
gia đề tài và tập thể cán bộ của Bộ môn Khí tượng. Nhân đây chúng tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành.
3
CHƯƠNG 1. THAM s ố HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đ ổ i BỂ MẶT
TRONG MÔ HÌNH KHÍ HẬU
1.1 VỊ TRÍ CỦA MÔ HÌNH TRAO Đ ổi BÊ MẶT TRONG MÔ HÌNH KHÍ HẬU
Vấn đề cơ bản của tương tác đất-khí quyển (land-atmosphere interaction) là sự
trao đổi ẩm và năng lượng giữa hai thành phần này. v ề mặt lịch sử, nhiều khía cạnh
quan trọng của quá trình tương tác này đã được xem xét đến trong các lĩnh vực liên
quan với vi khí tượng, khí tượng nông nghiệp, khí tượng rừng, lớp biên hành tinh, và
thủy văn. Gẩn đây hơn, tương tác đất - khí quyển cũng đã được ghi nhận là vấn đề
quan trọng trong việc nghiên cứu chu trình sinh địa hóa, khí hậu, khí tượng qui mô vừa,
và dự báo thời tiết bằng phương pháp số trị. Trên thực tế, bề mặt đất được xem là thành
phần cơ bản của hệ thống khí hậu từ khi bắt đầu Chương trình Nghiên cứu Khí hậu
Toàn cầu (World Climate Research Programme - WCRP), và nó đã được đưa vào mô
hình hoàn lưu chung (General Circulation Model - GCM) dưới dạng khá đơn giản.
Các dòng ẩm và nhiệt từ bề mặt đất đóng vai trò quyết định sự phân bô' của nhiệt
độ, hơi nước, giáng thủy, các tính chất của mây, và do đó cả dòng bức xạ từ khí quyển
phía trên đi xuống tại bề mặt. Việc kết hợp giữa các thành phần đất và khí quyển trong
các mô hình nói chung phụ thuộc vào sự thiết lập các biểu thức biểu diễn các quá trình
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 tương tác với bể mặt đất thông qua sự trao đổi động lượng, nãng lượng,
nước và các hợp phần hoá học khác. Bề mặt làm tiêu hao động lượng đối với hoàn lưu
khí quyển do sức cản bé mặt cũng như làm tiêu hao nguồn nước thông qua bốc hơi trên
đất và đặc biệt là trên biển. Sự trao đổi bức xạ, hiển nhiệt và hơi nước giữa bề mặt - khí
quyển đóng vai trò cơ bản trong việc hình thành và duy trì hoàn lun 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 lưu Hadley. Hơn nữa, những tác động của bề mặt làm ảnh
hưởng đáng kể đến khí hậu cả trên qui mô lớn, qui mô vùng và địa phương (Giorgi &
Mearns, 1991 [11]). Tương tự, ứng suất gió và các dòng năng lượng và nước bề mặt
trên đại dương là cơ chế tác động chính tạo ra hoàn lưu biển khu vực và toàn cầu
(Niiler 1992, [10]).
Hình 1.1 Sơ đố biểu diễn một dạng đơn giản có thê’ của mõ hình hệ thống khí hậu (CSM) trong
đó ESEMs đóng vai trò giao diện giữa các thành phẩn
5
Theo truyền thống, trên đất liền, các mô hình trao đổi bề mặt được xem như là
công cụ để tính các dòng động lượng, năng lượng và nước bề mặt cho các mô hình khí
quyển (AM) khi cho trước tập các tham số biểu thị tính chất bề mặt đất. Tuy nhiên,
trong các mô hình hộ thống khí hậu hiện nay, mô hình trao đổi bế mặt đóng vai trò
giao diện, kết nối những tác động qua lại giữa các mô hình khí quyển, sinh quyển và
thủy văn bề mặt. Để tính được các dòng bề mặt, mô hình trao đổi bề mặt đòi hỏi phải
được cung cấp một số biến bé mặt, như lớp phủ thực vật và các tính chất của nó. Trong
một số mô hình hiện nay, các biến này được cho dưới dạng tập các số liệu đầu vào. Tuy
nhiên, trong những mô hình kết hợp như trên hình 1.1 giá trị các biến này được tạo
thành trong sự tương tác lẫn nhau giữa các mô hình hệ sinh thái, mà đến lượt mình các
mô hình này sử dụng các biến khí hậu và nguồn nước bể mặt tạo nên bởi mô hình trao
đổi bể mặt để mô phỏng động lực học hệ sinh thái.
Hình 1.2 là một ininh họa cho vai trò giao diện của mô hình trao đổi bề mặt trong
, ỵ Oiling tliuỳ
Hình 1.2 Vai trò giao diện của mò hình đất trong mõ hinh hệ thòng khí hậu
6
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 dưới 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 bê mặt.
1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA BÂT ĐỔNG NHẤT DO ĐỊA HÌNH VÀ LỚP PHỦ BỂ MẶT
ĐỐI VỚI CÁC DÒNG TRAO Đ ổi ĐẤT - KHÍ QUYEN
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 dược bởi các mô hình
số. Viộc biểu diễn được các quá trình này trong các mô hình là rất cần thiết. Chẳng
hạn, sự hình thành mây đối lưu xảy ra trên các qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô
nãm bắt được của các mô hình khí hậu với độ phân giải có thể đạt được 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 lưới 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, như 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 dương-băng biển, v.v.
Khó khăn trong vấn đề mô tả ảnh hưởng của các quá trình bất đồng nhất qui mô
dưới lưới thể hiện ở hai tình huống. Tình huống thứ nhất nảy sinh liên quan với tính phi
tuyến mạnh của các quá trình. Nếu F(x) và G(y) là các hàm phi tuyến của các biến bất
đồng nhất X và y v à nếu k ý hiệu dấu gạch ngang trên chỉ v iệc lấy trung bình ô lưới của
mô hình số, khi đó sẽ xảy ra các hệ thức sau:
ĨÕ Õ * F (~ X ), G (7)* G (~ y) (
1
.
động lượng, năng lượng, nước 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 hưởng bởi sự tiến triển của các hệ sinh thái đất cũng
như chu trình nước bề mặt. Hơn nữa, đất và đại dương kết hợp với nhau cả về mặt vật
lý và sinh học, thông qua dòng chảy sông và gió đất - biển phát triển d ọc các vùng bờ
biển. Để nắm bắt được những tương 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 tương tác phức tạp này
được gọi là các sơ đồ truyền đất-thực vật-khí 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 được độ phân giải vài chục km [13], Tuy nhiên, như 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
được bởi các mô hình toàn cầu và mô hình khu vực. Do đó cần phải đưa vào những
phương pháp tham số hóa ảnh hưởng của tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dưới lưới
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 được đề xuất trong thập kỷ qua để mỏ tả những ảnh
hưởng kết hợp và ảnh hưởng 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
qui mô dưới lưới của các tính chất bề mặt đất đối với các nguồn năng lượng và nước
trung bình ô lưới và sự trao đổi động lượng, năng lượng và nước giữa đất và khí quyển.
Còn những mô hình mô tả các quá trình bất đồng nhất do “hiệu ứng động lực” cố gắng
mô tả ảnh hưởng của các hoàn lưu khí quyển gây ra bởi tính bất đồng nhất bề mặt. Các
hoàn lưu này có qui mô nhỏ như rối lớp biên hành tinh đến qui mô vừa cùa gió đất -
biển, gió sườn dốc.
1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐẾN BẤT ĐỔNG NHẤT ĐỊA HÌNH VÀ LỚP PHỦ
BỀ MẬT
Địa hình có vai trò thúc đẩy mạnh các quá trình động lực đến hoàn lưu khí quyển,
đi qua địa hình dốc để mô tả hiệu ứng động lực của địa hình.
Trong phương pháp PDF, các biến bất đồng nhất được biểu diễn qua hàm mật độ
xác suất thực nghiệm hoặc lý thuyết, và những quá trình có liên quan được kết hợp lại
qua hàm mật độ xác suất thích hợp. Việc tham sổ hóa các hiệu ứng của hoàn lưu qui
mô vừa có tổ chức cũng có thể được đưa vào thông qua việc biểu diễn tính bất đồng
nhất bề mặt đất [11]. Tuy nhiên, tất cả những phương pháp này đều có những ưu 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.
9
Bất chấp phương pháp nào được sử dụng, các công trình trước đây đểu chỉ ra một
cách rõ ràng rằng, tính bất đồng nhất qui mô dưới lưới gây nên bởi điều kiện địa hình
và đất sử dụng có thể ảnh hưởng một cách sâu sắc đến khí hậu và các nguồn nãng
lượng và nước bề mặt, đặc biệt ở qui mô vùng và địa phương. Bởi vậy cần thiết phải
đưa 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). Phương pháp này cũng đã được Filippo Giorgi và cộng sự áp dụng để mô
phỏng khí hậu khu vực châu Âu [12]. Chi tiết hơn về mô hình RegCM sẽ được trình
bày trong chương sau. Các sơ đồ dựa trên phương pháp khảm đòi hỏi tính toán nhiều
hơn so với các sơ đồ dựa trên phương pháp PDF, nhưng chúng có ưu điểm quan trọng
là không đòi hỏi những giả thiết đặc biệt về PDF của các biến có liên quan.
Sơ đồ SGD94 giả thiết rằng mỗi ô lưới thô của mô hình được chia thành N ô lưới
con (vuông) đều nhau, với mỗi ô lưới con đó, việc tính toán bề mặt được thực hiện một
cách độc lập. Đặc biệt sơ đồ cho phép lựa chọn một cách mềm dẻo các ô lưới con dựa
trên thông tin về địa hình và đất sử dụng địa phương. Hahmann và Dickinson [12] đã
đưa phiên bản của sơ đồ này vào mô hình khí hậu toàn cầu và đã nhận thấy rằng khí
hâu mô phỏng trên vùng châu Phi nhiệt đới trong những tháng mùa hè đã có những
biến đổi đáng kể so với khi không sử dụng nó. Tuy nhiên, họ đã không tính đến sự biến
động địa hình qui mô dưới lưới và không thực hiện sự phân bố lại các biến khí hậu từ
lưới thô cho các ô lưới con. Đó là những đặc điểm quan trọng khi áp dụng sơ đồ
(NCAR-PSU) 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
được, thỏa mãn cân bằng thủy tĩnh và sử dụng tọa độ thẳng đứng ơ. Cốt lõi động lực
học của RegCM tương tự như phiên bản MM5 thủy tĩnh.
Để áp dụng MM4 cho nghiên cứu khí hậu, một số sơ đồ tham số hóa vật lý đã
được 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 đưa 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 N CAR-CCM (Community Climate Model) phiên
bản 1 (CCM1), sơ đồ lớp biên hành tinh địa phương độ phân giải trung binh, sơ đồ đối
lun 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 đổ số hóa của RegCM đã được
Giorgi và cộng sự trình bày trong một số bài báo. Kết quả của những cải tiến này đã
dẫn đến sự hình thành phiên bản thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2. Vật lý của
RegCM2 dựa trên cơ sở NCAR-CCM 2, và mô hình qui mô vừa MM5 [17]. Cụ thể,
toàn bộ sơ đồ truyền bức xạ, sơ đồ lớp biên phi địa phương của Holtslag và cộng sự đã
thay thế sơ đồ lớp biên địa phương cũ, sơ đồ mây đối lưu dòng khối của Grell được đưa
vào như một tùy chọn, và phiên bản BATS1E [6] cũng đã được đưa vào mô hình.
Trong vài năm gần đày, một số sơ đồ vật lý mới đã được phát triển và chúng đã
được sử dụng để cải tiến RegCM, chẳng hạn các sơ đồ vật lý của phiên bản CCM3.
Trước hết, sơ đồ truyền bức xạ CCM2 đã được thay thế bởi sơ đồ của CCM3. Trong sơ
đổ truyền bức xạ CCM2 đã tính đến các hiệu ứng của H20 , 0 3, 0 2, C 0 2 và mây. Sự
truyền bức xạ mặt trời đã được xử lý theo cách tiếp cận cùa Ô-Edđington và bức xạ
11
mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ phủ mây, hàm lượng nước lỏng trong
mây, và bán kính giọt nước hữu hiệu của mây. Sơ đồ truyền bức xạ CCM3 giữ nguyên
cấu trúc như trong CCM2, nhưng nó đưa vào một số đạc điểm mới như ảnh hưởng của
việc gia tăng các khí nhà kính (N 02, CH4, CFC), aerosol khí quyển, và băng trong mây.
Những thay đổi cơ bản khác thuộc về các lĩnh vực xử lý các quá trình mây và
mưa. Sơ đồ ẩm hiện ban đầu của Hsie và cộng sự đã được thay thế bằng sơ đồ đơn giản
phần: Terrain, ICBC, RegCM và Postprocessor. Terrain và ICBC là hai thành phần tiền
xử lý của RegCM . Các biến bề mặt đất (bao gồm độ cao địa hình, đất sử dụng và nhiêt
độ bề mặt biển) và số liệu các trường khí tượng ba chiều trên các mặt đảng áp đã được
nội suy theo phương ngang từ lưới kinh vĩ về độ phân giải cao của mô hình và có thể sử
dụng các phép chiếu bản đồ khác nhau: Mercator (Rotated và Normal), Lambert
12
Conformal, hoặc Polar Stereographic. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất về hệ tọa
độ ơ của RegCM cũng được thực hiện. Các mặt ơ gần bề mặt bám sát địa hình, và các
mặt ơ ở những mực cao hơn có xu hướng gần với các mặt đẳng áp.
2.2 HỆ THỐNG LƯỚI TỌA ĐỘ NGANG VÀ THANG đ ú n g c ủ a REGCM
Mô hình RegCM nhận và phân tích số liệu trên các mặt áp suất, nhưng các sổ liệu
này sẽ được nội suy về hệ tọa độ thẳng đứng trước khi đưa vào mô hình. Hệ tọa độ
thẳng đứng trong RegCM tuân theo địa hình (hình 2.1), tức là các mực lưới phía dưới
lượn theo địa hình trong khi các mặt trên cao thì phẳng hơn. Các mực giữa dãn phảng
dần khi áp suất giảin đến đỉnh của mô hình. Tọa độ thẳng đứng vô thứ nguyên ơ được
sử dụng để xác định các mực mô hình, trong đó p là áp suất, p, là hằng số chỉ áp suất
tại đỉnh mô hình, ps là áp suất bề mặt
ơ = ■ < £ -& ! (2.1)
(P s - P ',)
CÓ thể nhận thấy từ phương trình (2.1) và từ hình 2.1 rằng, ơ bằng 0 tại đỉnh mô
hình và bằng 1 tại bề mặt, và mỗi mực mô hình được xác định bởi giá trị của ơ. Độ
phân giải thẳng đứng của mô hình được 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 người dùng.
Lưới tọa độ ngang sử dụng trong mô hình là lưới xen kẽ kiểu Arakavva-Lamb B,
trong đó bao gồm các điểm nút lưới (dot points) và các điểm tâm ô lưới (từ dây gọi là
tâm lưới - cross points) (hình 2.2). Các biến vô hướng (T, q, p , ) được xác định tại
các tâm lưới, trong khi các thành phần gió hướng đông (u) và hướng nam (v) được đặt ở
nút lưới. Do đó vận tốc ngang được xác định tại các nút lưới. Số liệu đầu vào của mô
hình được nội suy về các điểm lưới (nút lưới hoặc tâm lưới) một cách nhất quán thông
X X X X X X
X X X X
X
X
(1 .1 ) J - > (1.JX)
Hình 2.2 Sơ đổ biểu diễn cấu trúc lưới ngang kiểu Arakawa-B trong RegCM
Các hướng X và y trong mô hình không tương ứng với các hướng tây-đông và
nam -bắc, ngoại trừ đối với phép chiếu Normal Mercator, do đó gió quan trắc nói
chung sẽ được quay theo lưới mô hình, và các thành phần gió u và V của mô hình cần
phải được quay trước khi so sánh với gió quan trắc. Những phép biến đổi này dược thực
hiện trong quá trình tiền xử lý mô hình để cung cấp số liệu trên lưới mô hình, và trong
quá trình xử lý sau khi IT1Ô hình tính toán. Nhân tố bản đồ m được định nghĩa bời
m = (khoảng cách trên lưới) / (khoảng cách thực trên trái đất)
14
Giá trị của m thường gần bằng 1 và biến đổi theo vĩ độ. Các phép chiếu trong mô
hình bảo toàn hình dạng của các miển nhỏ, sao cho d x-d y ở mọi nơi, nhưng độ dài lưới
biến đổi trong miền để cho phép biểu diễn mặt cầu trên mặt phẳng. Nhân tố bản đổ cẩn
phải được tính đến trong các phương trình mô hình ở những nơi gradient ngang được sử
dụng.
2.4 ĐỘNG L ự c HỌC CỦA MÔ HÌNH
Các phương trình động lực học của mô hình, và việc rời rạc và hóa sô' chúng được
mô tả một cách chi tiết bởi Grell [17]. Sau đây sẽ dẫn ra một số đặc điểm chính.
Các phương trình động lượng ngang
dp’ll
õ T
2(õp’mt/m dp'vulnt\ õp’liớ
dx
õy
dpv
dí
Tích phân thẳng đứng phương trình (2.4) được dùng để tính sự biến thiên theo
thời gian của áp suất bề mặt trong mô hình
dp
õt
õp II / m õp V / m
õx õy
d ơ
dp
(2.5)
Sau khi tính xu thế áp suất bề mặt — , vận tốc thảng đứng trong hệ tọa độ xicma
dt "
( ớ ) được tính tại mỗi mực trong mô hình bằng cách tích phân thảng đứng phương trình
(2.4)
15
= * J
p 0
dp’
dt
+ m
dp'u/m dp'v/m
ÔX dy
dơ '
(2.6)
trong dó ơ ’ là biến giả của tích phân và ờ ( ơ=0)~0
Phương trình nhiệt động học và phương trình Omega ( Cữ)
Phương trình nhiệt động học là
ôp'T 2(õ p 'u T lm d p 'v T lm \ dp T ờ
_
L
__
dp _ dp
+ m
dp dp
u - ỉ— + v-ỉ—
ôx ôy
(2.8)
(2.9)
dt õt
cp là nhiệt dung riêng đẳng áp đối với không khí khô và qv là tỷ số xáo trộn hơi nước.
Phương trình thủy tĩnh
Phương trình thủy tĩnh được sử dụng để tính độ cao dịa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv,
õệ
ỡln(cr + p, / p )
= -RT„ 1 +
<ỉc+qr
1 +9v
-I
(2. 10)
trong đó Tv = T(l+0:608qv), qv, qn và qr là tỷ số xáo trộn của hơi nước, nước hoặc
băng trong mây, và nước mưa hoặc tuyết.
2.5 THAM SỐ HÓA VẬT LÝ TRONG MÔ HÌNH
Trong mục này sẽ trình bày những đặc điểm quan trọng nhất về các sơ đồ tham số
hóa vật lý hiện đang sử dụng trong RegCM3.
2.5.1 Sơ đồ bức xạ
RegCM3 sử dụng sơ đồ bức xạ của NCAR CCM3, được mô tả trong (Kiehl et al.
1996). Một cách tóm tắt, các thành phần bức xạ mặt trời dùng để tính ảnh hưởng của
O}, H 20 , C 0 2, và 0 2, theo gần đúng Ô-Eddington của (Kiehl et al. 1996). Nó bao gồm
16
18 khoảng phổ từ 0.2 đến 0.5 um. Tham số hóa tán xạ và hấp thụ của mây dựa theo
(Slingo 1989), nhờ đó các thuộc tính quang học của các giọt mây như sự suy giảm độ
trong đất. BATS có 20 loại thực vật [17]; kết cấu đất phân bố từ thô (cát) đến vừa phải
(mùn) và mịn (sét); và các màu đất khác nhau (sáng đến tối) để tính albedo của đất.
Những điểu này đã được mô tả trong [7].
2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tinh
Sơ đồ lớp biên hành tinh, được phát triển bởi Holtslag và cộng sự [17], dựa trên
khái niệm khuếch tán phi địa phương trong đó có tính đến các dòng “gradient ngược”
17
(countergradient) gây nên do các xoáy quy mô lớn trong khí quyển bất ổn định, xáo
trộn mạnh. Thông lượng xoáy thẳng đứng trong lớp biên được cho bởi
/ > - * , ( f - r . ) ^ (2.1.)
trong đó Yc là hạng vận chuyển “gradient ngược” mô tả sự vận chuyển phi địa phương
do đối lưu khô. Độ khuếch tán xoáy được cho bởi công thức phi địa phương
K c = kw,z
' U '
A /
(2.12)
trong đó k là hằng số Karman, W, là vận tốc đối lưu rối, phụ thuộc vào tốc dộ ma sát, độ
cao và độ dài M onin-Obhukov; và h là độ cao lớp biên. Thành phán gradient ngược đổi
với nhiệt độ và hơi nước được cho bởi
Yc - c ~ r (2-13)
W'h
trong đó c là hằng số, bằng 8.5 và ậ° là thông lượng nhiệt độ hoặc hơi nước bề mặt.
Phương trình (2.13) được áp dụng cho lớp nằm giữa đỉnh của lớp biên và đỉnh của lớp
bề mặt; lớp này được giả thiết bằng o.lh. Ngoài lớp này và đối với động lượng, Yc được
giả thiết bằng 0.
Để tính độ khuếch tán xoáy và các thành phần gradient ngược, độ cao lớp biên
được chẩn đoán từ
h = Ricr[u(h)2 +v(h)2]
( g ỉ 0 , M W - 0 , ì
trong đó u(h), v(h) và 9V là các thành phần gió và nhiệt độ thế vị ảo ở độ cao lớp biên, g
Do tính đơn giản của sơ đồ Grell, một vài giả thiết khép kín có thể được áp dụng.
Phiên bản ngầm định của RegCM3 sử dụng trực tiếp giả thiết tựa cân bằng của AS74.
Đó là, may đối lưu làm ổn định môi trường nhanh như các quá trình không đối lưu làm
mất ổn định môi trường như sau:
ABE" - ABE
m» =
ATA 2 (2-17)
NA At
trong đó ABE là năng lượng nổi sẵn có cho đối lưu, A B E ” là lượng năng lượng nổi sẵn
có cho đối lưu thêm vào nãng lượng nổi được tạo thành bởi một vài quá trình không dối
lưu trong khoảng thời gian At và NA là cường độ biến đổi của ABE trên một đơn vị mh.
Hiệu A B E ”-ABE có thể được xem như là cường độ bất ổn định trên khoảng thời gian
At. A B E ” được tính từ trường hiện tại cộng với xu thế tương lai gây nên từ bình lưu
nhiệt và ẩm và hiệu chỉnh đoạn nhiệt khô.
Một điều kiện ổn định khác dựa vào giả thiết khép kín được áp dụng chung trong
các mô hình GCM và RCM là giả thiết khép kín kiểu FC80. Khép kín này giả thiết
rằng đối lưu lấy đi (remove) năng lượng nổi ABE trên qui mô thời gian cho trước như
sau:
ABE
'”b = T r r (2.18)
NA T
trong đó rlà qui mô thời gian ADE bị lấy đi.
Sự khác nhau cơ bản giữa hai giả thiết này là ở chỗ, giả thiết khép kín AS74 liên
kết các thông lượng đối lưu và mưa với xu thế của trạng thái của khí quyển, trong khi
giả thiết khép kín FC80 liên kết các thông lượng đối lưu với mức độ bất ổn định của
khí quyển, c ả hai sơ đồ đều đạt được sự cân bằng thống kê giữa đối lưu và các quá
19
Copyright: Tài liệu đại học ©