TAP CHỈ KHOA HOC DHQGHN, KHTN & CN,

T.xx,

s ố 1, 2004

S ơ Đ ồ BATS VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC TÍNH CÁC DÒNG TRAO
Đ Ổ I N Ả N G L Ư Ợ N G V À N Ư Ớ C G IỬ A B Ể

m ặt

DAT - KHÍ QUYEN

P h a n V ă n T â n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iề n , D ư Đ ứ c T iế n
Khoa K h í tượng - Thuỳ văn & H ải dương học
Trường Đại học Khoa học Tự N hiên, Đại học Quốc gia Hà N ội

1. Mở đ ầu
Trên qu an điểm vật lý, hệ thông khí h ậu bao gồm 5 t h à n h p h ầ n cơ b ản (5 hệ
con) là Khí quyển, T hủy quyển, Băng quyển, Sinh quyển và T hạc h quyển [1]. Trong
hệ thông khí hậu, bể m ặ t trái đ ấ t đóng vai trò p h â n bô' lại n ă n g lượng bức xạ m ặt
trời mà nó hấp t h ụ được. Bề m ặt hấp th ụ năn g lượng bức xạ m ặ t trời và t r ả lại cho
hệ thống khí h ậu các dòng p h á t xạ sóng dài và các dòng phi bức xạ. Các dòng năng
lượng phi bức xạ bao gồm ẩn nhiệt, hiển nhiệt, dòng n h iệt tr u y ề n xuồng lớp đấ t sâu,
năng lượng nhi ệt d à n h cho quá trìn h chuyển pha của nước và nhữn g p h ả n ứng sinh
hoá xảy ra tại bể m ặ t [1, 2].
Khả năn g p h â n bô lại n ă n g lượng của bề m ặt p h ụ thuộc vào loại bề m ật đệm
(land use) và t r ạ n g th ái th uỷ văn của nó. Đối với vùng đ ấ t khô và trống (không có
thực vật), năng lượng m ặ t trời chủ yếu d ùng để đốt nóng bề mặt. Khi đó các dòng
nhiệt rối (hiển nhiệt) và dòng nhiệt t ru yền xuống đ ấ t là lớn và h ầ u như không xảy
ra bốc hơi tại bê mặt. Ngược lại, đối với bê m ặt ướt (sau khi mưa, hoặc đất nông

t ruy ền bức xạ m ặt tròi trong khí quyển và gián tiếp liên quan tới các cơ chê động lực
khác đôi vối những chuyển động trong khí quyển từ quy mô vi mô, quy mô vừa cho
đến quy mô lớn.
Trong các mô hình mô phỏng khí quyển và hệ thông khí h ậ u hiện nay (gọi tắ t
là mô h ình khí hậu), bê m ặt đóng vai trò cung cấp điểu kiện biên dưới cho mô hình
khí quyển, bao gồm thông lượng ẩn nhiệt, hiển nhiệt và động lượng. Sơ đồ mô tả quá
tr ìn h tương tác giữa bề m ặ t và khí quyển được gọi là so’ đồ trao đổi n ăn g ỉượng giữa
đất, thực vật và khí quyển, viết t ắ t là SVAT (Soil-Vegetation- Atmosphere
Transfers). Các sơ đồ SVAT đã được p h á t triển r ấ t sớm, từ sơ đồ đ ấ t - t h u ỷ văn đơn
giản b a n đầu của Budyko (1963), Manabe (1969) đến các sơ đồ t á n lá lớn (big leaf)
phức tạ p hơn của Deardroff (1978) [2, 3, 4, 5], và chúng liên tục được nghiên cứu cải
tiến. G án đây hơn người t a thương sử d ụng hai sơ đồ là BATS (Biosphere
Atmosphere T ransfer Scheme) của Dickinson (1984) và SiB (Simple Biosphere) của
Sellers (1986). Hai sơ dồ này là những mô hì nh đầu tiên đưa vào h ầ u hết các quá
tr ìn h xảy ra tại bê m ặ t áp dụng cho mô hình khí hậu. Trong bài này, để khảo sá t vai
trò của bê m ặ t đôi vói các quá tr ìn h tương tác đ ấ t - khí quyển, ch úng tôi sẽ sử dụng
so’ đồ BATS. Sơ lược vê BATS sẽ được trình bày trong mục 2. Mục 3 tiếp theo sẽ dẫn
ra một số’ kết quả nghiên cứu ả nh hưởng của bê m ặ t đến các dòng nh iệt ẩm đi vào
khí quyển. Các loại bê m ặ t được khảo sát là nhữn g loại x u ấ t hiện k h á phổ biến ở
Việt Nam. Một sô" kế t lu ận sẽ được trình bày trong mục 4.
2. Sơ dồ tư ơ n g tác đ â t - k h í q u y ế n BATS
Chức năng chính của BATS là 1) Tính lượng bức xạ m ặ t trời hấp t h ụ bởi bề
m ặt và bức xạ sóng dài t h u ầ n , 2) Tính các dòng trao đổi động lượng, hiển nhiệt và
ẩm giữa bể m ặ t và các lớp khí quyển, 3) Xác định các t h à n h p h ầ n gió, độ ẩm và
n hiệt độ trong khí quyển, trong các t á n lá thực vật và tại mực q u a n trắc bê mặt, và
4) Tính giá trị n hiệt độ và lượng ẩm tại bề mặt. Mô tả chi tiết về BATS có th ể tìm
thấy, ch ẳn g hạn, trong [6]. Cấu trúc bề m ặt trong BATS gồm một lớp p h ủ thực vạt
và ba lớp đất. Bề m ặ t được chia làm 18 loại với các đặc tính vật lý tương ứng khác
nhau, n h ư màu đ ấ t (được chia t h à n h 8 lốp màu, từ đậm đến nhạt), kết cấu đ ấ t (được
chia t h à n h 12 cấp, từ r ấ t thô (cát) đến r ấ t mịn (sét)). Ngoài ra, h à m lượng ẩm của

ỔTI

CAt — iL + 2A T . = B
di
8

(1 )

trong đó A=0.5vdAt; B = BC0EFh s + v dAt.Tg2; c =(1+FCT1), với vd=27ĩ/86400 là t ầ n số dao
động ngày, h s là tác động n h iệt t h u ầ n bề m ặ t đất, At là bước thòi gian (s), Tg2 là
n h iệt độ lớp đất dưới bề mặt, B C0 EF= fsNowBcoEFS ■*“ (1
d iện tích bị tu y ế t p h ủ , B

s=

,

b C0EFB =

Fsnow)Bcoefb> fsNow là phân

v
khác n h a u là khác n h a u . T r o n g điều kiện không có lớp p h ủ thực vật, phương trìn h
bảo toàn đối với các t h à n h p h ầ n này có dạng:
ỔS' " ' = G - R s+ y wl

(4)

at

ỠSnv = r
ổt

R +v

+ Yw2

(5)


44

P h a n V ă n T â n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iền , D ư Đ ứ c T iế n

^

=G -R s-R g

(6)

trong đó G = P r + Sm - Fq = lượng nước t h u ầ n áp d ụ n g cho bề mặt; R s = dòng chảy
mặt; Rg = nước t h ấ m xuống các lóp đ ấ t phía dưới và bể nưốc ngầm; P r = mưa; Sm =

(16)

)

trong đó Wdew là tổng lượng nưốc bị c h ặn giữ bởi t á n cây và W DMAX là lượng nước cực
đại mà t á n cây có t h ể c h ặ n giữ. Biểu thức tương tự cũng được sử d ụ n g cho t h â n cây.
Khi đó p h ầ n bề m ặ t lá t h o á t hơi tự do được xác đị nh bởi:
Ld = ( l . 0 - L w ) i^ L
L SA1

(17)


Sơ đồ B a ts và ứ n g d ụ n g tro n g việc tín h các d ò n g trao đôi..

47

Tốc độ gió bên tr on g lớp lá được tính theo công thức:
(18)
b)

S ự tích lũ y g iá n g th ủ y và sương bị chặn g iữ của thực vật

Khi có m ư a bề m ặ t thực v ậ t bị p h ủ một lớp nước mỏng trước khi nhỏ giọt và
chảy theo t h â n cây xuống đất. Lượng nước này sau đó có th ể tái bốc hơi vào không
khí đồng thời t r ê n các bề m ặ t lá ướt quá t r ì n h t h o á t hơi bị ngừng lại. Tương tự, sự
hình t h à n h sương vào b a n đêm có thể giữ m á t cho lá cây vào buổi sán g và th o át hơi
từ lá ngừn g lại. Nói chu n g sự tái bốíc hơi của nước m ưa bị chặn giữ bởi thực vật
chiếm k h o ả n g 10-50% lượng nước mưa, ph ụ .thuộc chủ yếu vào cường độ mưa. Sự
ngừng t h o á t hơi do các lá bị ướt hãy còn ít được nghiên cứu, n h ư n g có t h ể đóng vai

Tương tự, dòng n h i ệ t từ t á n lá H f được tín h bởi:
H f - ơ fLSAỊrỊa paCp(Tf

Taf)

(2 1 )

Dòng ẩm t ừ bê m ặ t p h ầ n t á n cây bị ướt Ef được xác đ ịn h bởi:
Ef = r NE ^ ET

(22)


P h a n V ă n T ả n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iên, D ư Đ ứ c T iế n

48

tro n g đó

N = 1- ô(e Wf E T

(23)

.0 - L.„ - L
v r ia + r s y

với r s là k h á n g trở khí khổng; L và L d xác đ ịn h từ (16) và (17); ỗ là h à m bậc thang,
n h ậ n giá trị b ằ n g 1 khi đối sô" dương và b ằ n g 0 khi đối sô" âm.
Sự t h o á t hơi chỉ xảy ra t rê n n h ữ n g bề m ặ t lá khô và được xác đị nh bởi:
E fWET


Trong tr ườ n g hợp có thực vật, các phương t r ì n h xác đ ị n h n guồn ẩm đ ấ t và ỉớp
t u y ế t p h ủ (4)-(6) và (9) trở th à n h :
^ 2 L = PrỢ - ơ f ) - R , -Yw, -[3 E tr - F q + s m + D W

Ỡt

(37)


50

P h a n V ă n T â n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iên, D ư Đ ứ c T iế n
ỡs

^

ơt

ÔS

^

= Pr( l - ơ f ) - R s - y w2- E t r + Sm + Dw

(38)

= Pr( l - a f ) - R w - E l r- F q + S m + D w

(39)

vật (ơf)

q
urw
0.3Zr

St.
0.3Z,

ơ f.iunx

5 X 10"3 ms"1

Q■SW
0.3Z„
0.3Z„

0.3Zr

0.3Zt

ơ r.ma«

5h

10”3 ms”1

0.3Z„

0.3Zr

6.40

THI
Hiển nhiệt (W/m2)

-7.6

-30.6

-88.0

-8.8

Ân nhiệt (W/m2)

131.3

150.1

223.9

131.3

4.5
3.2

5.2
2.5

7.7


4.6
34.1

5.3
33.2

7.8
36.1

4.6
31.6

TH3
Hiển nhiệt (W/rrr)
Ân nhiệt (W/m2)
Bốc hơi (mm/ngày)
Dòng chảy mặt (mm/ngày)
Hiển nhiệt (W/m2)
An nhiệt (W/m2)
Bốc hơi (mm/ngày)
Dòng chảy mặt (mm/ngày)

a

b

a

b

-0.7
125.3

4.4
3.2

4.2
3.4

7.0
1.7

6.2
2.2

4.4
2.9

4.3
3.0

4.8
4.6
2.6
3.0
TH4

76.1
25.7


Nếu tốc độ giáng thủy lớn, lượng nước dư thừa sau khi tái bốc hơi và bị chặn giữ bởi
t á n thực vật không kịp th â m xuông các lớp đ ấ t sâu sẽ biến t h à n h dòng chảy mặt.
Nếu tần s u ấ t giáng th ủ y lớn, bê m ặt có thể luôn ở t r ạ n g thái bão hòa do liên tiêp
được cung cấp nước, và lượng nước dư thừ a cũng sê biến t h à n h dòng chảy mặt.
Ngược lại, nếu tần s u ấ t và tốc độ giáng thủy,nhỏ, nước cung cấp cho bề m ặt bị thiêu
h ụ t và dòng chảy m ặ t có thể bị triệt tiêu. Giáng thủy còn tạo cho bể m ặt lạnh hơn,
dòng hiển nhiệt khi đó sẽ có hướng từ k+ií quyển đến bê mặt.
So sá n h T H I và TH2 ta thấy, khi tăng tốc độ giáng th ủ y lên 5 lần các dòng ẩn
nh iệt và bôc hơi từ t ấ t cả các loại bê m ặ t đều tăng và có hướng từ bê m ặt vào khí
quyển, dòng hiển nhiệt cũng tản g nhưn g có hướng ngược lại. Tác động đ áng kể của
sự tăng tốíc độ giáng th ủ y trong trường hợp này là làm t ă n g nhiều lẩn dòng chảy
mặt, đặc biệt đôi với loại bê m ặ t S3.
TH4 là một kịch bản thường được dưa ra trong việc mô phỏng k h ả năng chặn
giừ giáng thủy của thực vật [1, 4]. Trong trường hợp này giáng th ủ y dược giả thiết
chỉ xảy ra một lần vào ngày th ứ ba trong suốt thời gian tích phân, và độ ẩm đất ban
dầu cũng nhỏ hòn so với các trường hợp khác. Từ hình 5 ta thây, trước khi có giáng
thủy, bốc hời bê mặt, và CỈO đó cả lượng ẩn nhiệt, giảm n h a n h do bề m ặt không được
cung cấp nước, còn dòng hiển nhiệt cũng tăng theo thời gian và có hướng lên trên vê
phía khí quyển. Ngay sau khi xảy ra giáng thủy, dòng ẩn nhiệt tăn g lên, dòng hiển
nhiệt giảm xuống, còn dòng chảy m ặt tăng đột ngột rồi giảm n h a n h sau đó. Khoảng
từ ngày-thứ năm trỏ đi kể từ thời điểm ban đầu, dòng hiển n h iệt tăn g n h a n h đến giá
trị nào đó và gữ gần như không đổi. Tình huông xảy ra ngược lại đôì với dòng ẩn
nhiệt.
4. Kết l u ậ n
Bằng việc sử dụng sơ đồ BATS đê khảo sá t vai trò của bê m ặt đ ấ t đôi với các
dòng trao đôi năng lượng và nước giữa đấ t - khí quyển chúng tôi đã tiến h à n h tính
toán thử nghiệm cho 4 loại bể m ặt khác nhau và vối 5 nhóm t h a m số’ đầu vào khác
n h a u đặc trưng cho mức độ che phủ của thực vật cũng như tác động của điều kiện
khí quyển. Những kết quả n h ậ n được cho thấy rằng:
1)

«

o

♦

• it

14

« __ íỉ\*• fIL*.
•'>

»} v-v n V v
i 4

ị

ĩ

• '4

.

W

', " » * ■

v*



t
V*

*hf

-

I
’ í *'1
‘f
i
ỉ’ i I í i í
í h
flit .
ỉ* * \. 11 Ị. ‘I ị

a) Dòng hiển n hiệt

ị j |

Ị

ií

J li li Li ] * 0 / R
ĩ S s B 1 '1 1
"
n i 11 ÍL.I
MMBAỈ'MàAMầÊ/t^t !

M

.

«> -* »2 • li • V*

^

o I Ầ

' jilt . 4 ' , °
t-v •*IC;. / s ».*

-17* * ,•

ị
Ị II * I 1 4 ;
. ♦ N

ị*

•

Ị >: “i *ts ‘i
*
1|'ì * 1 *
** *1.11 I I

i ỉ ị 1ẳ*


I
I

■J

» / -d

;

^

J

t

ự

vt

ị
»

-

ẳ ĩ ị 1 1 ẳ

ft
V / s4

•

t

:n t ỉ 11, 11 i I

ì

Ị Ị

.

:M

ti

!

'

í

■

-U ;W

Ị X-pvV _ A
o
b) Dòng ân nhiệt

c) Dòng chảy mặt



• s?

à

*3

•

3

i4

.ề ••

■

a) Dòng hiển nhiệt

b) Dòng ẩn nhiệt

♦

í4

\

c) Dòng chảy mặt

H ình 5. Trung bình ngày của các dòng bê mặt, TH4



56

P h a n Văn T ả n , N guyền H ướng Đ iê n , Dư Đức Tiến

8. Wilson M. F. et al., Sensitiveity of the Biosphere-Atmospheree Transfer Scheme
(BATS) to the Inclusion of Variable Soil Characteristics, Journal o f C lim ate and
Applied Meteorology, Vol 26, 1987, pp.341-362.
9.

Milhailovic D. T. et al., A study of the sensitivity of land surface parameterizations
to the inclusion of different fractional covers and soil textures, Journal o f Applied
Meteorology, Vol 31, pp. 1477-1487.
VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xx, N01. 2004

BATS S C H E M E AND ITS APPLICATION FO R CALCULATING T H E ENERGY
AND WATER EXCHANGED FLUXES BETWEEN LAND SURFACE ATMOSPHERE

P h a n V a n T an, N g u y e n H u o n g D ien, Du D ue T ie n
D epa rtm ent o f Hydro Meteorology a n d Oceanography

College of Science - VNU

In this study we use BATS scheme to investigate the energy a n d w a te r fluxes
between land surfaces a nd atm o sph ere with five different scenarios, denoted by
T H I, TH2, TH3a, TH3b and TH4. Four types of vegetation/land - cover are chosen,
which consist of crop (Si), evergreen needle leaf tree (S2), evergreen broad leaf tree
(S4), and tall gras s (S4). For each scenario, set of p a r a m e t e r s rep resen tin g
ch aracters of vegetation/land-cover types, atmospheric forces, such as th e fractional