Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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
Hà Nội – 2009
i
Nghiên cứu phát triển sơ đồ phân tích và ban đầu hóa xoáy thuận nhiệt đới 3 chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão ở Việt
Nam.
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
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
Hà Nội – 2009
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
3
Lời cảm ơn
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS.
Phan Văn Tân đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải
dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, những lời
khuyên hữu ích và hơn hết là niềm say mê nghiên cứu khoa học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học,
Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên vì đã tạo điều kiện giúp đỡ và tổ
chức những hoạt động học tập và nghiên cứu một cách tận tình.
Cuối cùng, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và
động viên vô cùng to lớn từ gia đình, bạn bè và các bạn đồng nghiệp, 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 TỔNG QUAN 5
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.2 Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình
khí hậu 5
1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển
9
1.4 Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển
11
Ch¬ng 2 MÔ HÌNH MM5 VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ MẶT ĐẤT
16
2.1 Giới thiệu về mô hình MM5 16 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 4.2 Phạm vi nghiên cứu 51 4.3 Kết quả nghiên cứu 52
Kết luận và kiến nghị 65 Phụ lục 66 Tài liệu tham khảo 70
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
5
LỜI NÓI ĐẦU
Trong các mô hình khí hậu, việc đưa vào điều kiện biên dưới trong đó có
tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đóng vai trò rất quan trọng. Sự bến đổi
của mặt đệm gây nên sự biến đổi của Albedo cũng như khả năng 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 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
quá trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển. Các quá trình này được tham số
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.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
7
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu về tham số hoá các quá trình bề
mặt trong mô hình khí hậu. Điển hình là Avissar & Pielke và Koster & Suarez đã
đưa ra phương pháp khảm để biểu diễn ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt,
Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Colorado đã nghiên cứu về sự trao đổi bức
xạ và lớp biên trong phát triển RegCM2, Dyi-Huey Chang, Le Jiang và Shafiqul
Islam đã nghiên cứu lồng độ ẩm đất vào mô hình MM5. Robert E.Dickinson và
Muhammad Shaikh trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra sự bốc thoát hơi nước từ
lá của thực vật có tác động lớn đến mô hình khí hậu và đã đưa ra sơ đồ trao đổi
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
mechanims) đối với các quá trình vật lý trong khí quyển: mây mực thấp ảnh
hưởng đến cân bằng bức xạ tại bề mặt, các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển
nhiệt tác động đến sự trao đổi lớp biên và các quá trình đối lưu ẩm.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
9
Hình 1.1 Tương tác giữa các quá trình trong khí quyển và bề mặt
Ngoài ra, do lượng nước có thể được giữ lại trong lớp đất bề mặt nên độ
ẩm đất còn được xem là một trong những nhân tố có tính ỳ giống như loại bề mặt
nước, bề mặt tuyết hoặc băng, có quy mô tương tác với khí quyển từ vài ngày
đến mùa. Ví dụ như bề mặt nước tích trữ nhiệt vào mùa hè vào giải phóng nhiệt
vào mùa đông. Để rõ hơn, ta xét một thời kỳ có hai giai đoạn khô và ướt. Giai
đoạn khô xảy ra sau thời kỳ có mưa và giai đoạn ướt xảy ra lúc bắt đầu thời kỳ
mưa. Sau thời kỳ mưa, với chế độ ẩm dư thừa trong đất, khả năng bốc hơi từ bề
mặt quy định bởi chế độ khí tượng lớp sát bề mặt - giai đoạn khí quyển thống trị
trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung AB và CD). Trong thời kỳ này
bốc hơi từ bề mặt đạt giá trị cực đại và còn gọi là bốc hơi khả năng. Sau khi bốc
hơi diễn ra nhiều, độ ẩm đất giảm và khả năng cung cấp ẩm do bốc hơi từ bề mặt
đất không còn rõ. Bốc hơi bề mặt lúc này phụ thuộc vào lượng thoát hơi do thực
vật gây ra. Khả năng hút nước của thực vật chịu sự chi phối bởi độ ẩm thích hợp
trong đất và lúc này khả năng cung cấp ẩm cho khí quyển từ bề mặt phụ thuộc
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
10
vào khả năng giữ ẩm trong lớp đất bề mặt (không bị ngấm xuống sâu) và độ ẩm
thích hợp trong lớp đất rễ cho sự hút nước của rễ cây, giai đoạn này được gọi là
giai đoạn độ ẩm đất thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung
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, Ep, 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<Ep E=Ep
I=P I<P
C
B
D
A
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
11
hấp thụ bức xạ bị thay đổi, các quá trình hình thành và tạo mưa thay đổi. Tuy
rằng năng lượng giành cho các phản ứng sinh hoá trong lớp sát bề mặt là rất nhỏ
nhưng về lâu dài hay trong việc mô phỏng khí hậu hoặc mô phỏng khí quyển với
quy mô không gian lớn (toàn cầu) thì không thể không xét tới các quá trình này.
Sự trao đổi năng lượng của lớp sinh vật sát bề mặt được coi là đóng vai trò quan
trọng trong các chu kỳ tuần hoàn hoá-địa-sinh trên trái đất [1]. Ví dụ, lượng
carbon mà toàn bộ thực vật trên Trái đất trao đổi với khí quyển trong một ngày
gấp khoảng 6 lần tổng lượng carbon sinh ra do khí thải công nghiệp của con
người [5]. Nhấn mạnh thêm rằng quá trình trao đổi giữa thế giới sinh vật với môi
trường là liên tục, trong khi sự phát thải của con người gần như là một chiều. Hệ
quả của chúng vẫn liên quan tới sự thay đổi thành phần của khí quyển và tất
nhiên sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trong hệ thống khí hậu.
Tóm lại ta thấy rằng để tính toán được chính xác các thông lượng trao đổi
giữa bề mặt và khí quyển phải miêu tả được các quá trình trao đổi năng lượng
xảy ra tại bề mặt Trái đất và biến trình của độ ẩm đất theo thời gian.
1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển
Trong một mô hình khí hậu bao gồm mô hình khí quyển, mô hình đại
dương, mô hình thuỷ văn, mô hình bề mặt [2], bộ phận bề mặt sẽ đóng vai trò
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 Quan hệ gắn kết giữa bề mặt và khí quyển trong mô hình hệ thống khí hậu. P là giáng thuỷ, R là bức xạ, T, q, u là nhiệt độ, độ ẩm không khí và vận tốc gió; SH, LE, là dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt và ứng suất bề mặt
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
13
toán các phương trình trao đổi nhiệt, ẩm cho một vài tầng đất sâu và một vài tầng
thực vật (loại thực vật cao và thấp).
Trong sơ đồ đất-thuỷ văn, lớp đất bề mặt được xem xét như một "chiếc
thùng" có thể được lấp đầy bởi giáng thuỷ nếu có và sẽ bị khô đi do bốc hơi và
dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt xảy ra khi chiếc thùng hết khả năng chứa nước,
còn tốc độ bốc hơi được xem như là hàm tuyến tính của lượng nước trong thùng
(độ ẩm đất).
Trong các sơ đồ SVAT gần đây về cơ bản gồm ba bộ phận chính là bộ
phận đất, bộ phận tuyết và bộ phận thực vật. Bộ phận đất có vai trò cung cấp các
profin nhiệt và ẩm của cột đất tính từ bề mặt trở xuống (bộ phận đất là sơ đồ tối
thiểu nhất cho một sơ đồ SVAT), bộ phận thực vật cung cấp tốc độ bốc thoát hơi
của lá cây và bộ phận tuyết miêu tả quá trình thành tạo và tan đi của tuyết trên bề
mặt. Một số sơ đồ SVAT đã đưa vào quá trình cân bằng carbon trong lớp thực
vật với các quá trình trao đổi 2CO 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 nR hấp thụ tại bề mặt tính bởi:
4(1 ) n w gR S L T (1.1)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
14
trong đó S là độ chiếu nắng hay năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt,
là albedo bề mặt, wL là thông lượng sóng dài tới bề mặt (của khí quyển, mây),
là hằng số Stefan-Boltzmann và gT là nhiệt độ bề mặt.
Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt:
nR G SH LE (1.2)
trong đó G là thông lượng nhiệt truyền xuống lớp đất dưới bề mặt, SH là
thông lượng hiển nhiệt, E là tốc độ bốc thoát hơi nước và L là ẩn nhiệt hoá hơi.
Trong phương trình (1.2) ta đã bỏ qua năng lượng dành cho các phản ứng sinh
hoá.
Coi các quá trình truyền nhiệt rối ( )SH , bốc thoát hơi ( )E và truyền động
lượng (ứng suất bề mặt ) là tựa khuếch tán. Theo lý thuyết tương tự của Monin-
Obukhov, thông lượng khuếch tán F của một lượng từ bề mặt vào khí quyển
có thể tính theo công thức xấp xỉ:
( ) D s aF C u (1.3)
H×nh 1.4: Sù ph©n bè l¹i n¨ng lîng mÆt trêi t¹i bÒ mÆt (tr¸i) vµ c¸c dßng Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt truyÒn vµo trong líp biªn khÝ
quyÓn (ph¶i)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
15
trong đó là mật độ không khí, u là độ lớn của vận tốc gió, s và a tương
ứng là tại bề mặt và trong không khí, và DC là hệ số trao đổi không thứ
nguyên. Nếu ta ký hiệu kháng trở khí động học (độ chống chịu) bề mặt:
1a
D
rC u
(1.4)
thì thông lượng F được viết lại dưới dạng:
( ) s a
a
Fr
(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 ra.
Áp dụng cách tính các thông lượng như trên, xét sự chênh lêch giữa nhiệt
độ không khí tại bề mặt đang xét cT và nhiệt độ không khí của khí quyển aT ,
chênh lệch giữa độ ẩm riêng c aq q , vận tốc ru tại độ cao r ta có thể viết lại công
thức cho thông lượng hiển nhiệt (SH), tốc độ bốc hơi (E) và ứng suất bề mặt ():
m
a c a c rp
a a a
T T q q uSH c E
r r r (1.6)
ở đây mar là kháng trở khí động học đối với trao đổi mômen động lượng, vận tốc
tại độ cao 0z (hệ số gồ ghề) là bằng không và xem hai quá trình truyền nhiệt và
khuếch tán ẩm có sự tương tự hoàn toàn.
Phương trình truyền nhiệt xuống các lớp đất sâu:
( ) [ ]
ss s s s s
Tc T k S
t z z (1.7)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
16
trong đó sT là nhiệt độ của lớp đất, sk là hệ số khuếch tán nhiệt của đất, s sc
tương ứng là mật độ, nhiệt dung riêng của đất, sS là nguồn nhiệt phát sinh hoặc
tiêu hao do chuyển pha của nước hoặc do trao đổi rối.
Phương trình nhập lượng nước (budget) tại bề mặt:
,Gi¸ng thuû-Bèc tho¸t h¬i Dßng ch¶y bÒ mÆt i w
wS
t (1.8)
trong đó w là lượng nước tại bề mặt, tính bằng m hoặc kg tuỳ thuộc theo đổi
thứ nguyên bên vế phải. ,i wS là lượng nước sinh ra hoặc mất đi do tan hoặc đóng
băng.
Phương trình truyền nước xuống sâu do lắng đọng trọng lực:
r
qS
t z
(1.9)
trong đó là lượng nước trong đất 3 3( )m m , q là thông lượng nước truyền
xuống và rS là nguồn sinh hoặc tiêu hao nước dưới đất do rễ thực vật. Thông
lượng nước có thể tính theo công thức của Darcy:
( )( )
h zq K h
z (1.10)
trong đó ( )K h h tương ứng là hệ số dẫn thuỷ lực và độ cao cột nước trong đất.
Đối với các vùng đất trống, các kháng trở hay nghịch đảo của hệ số trao
đổi rối có thể được tính theo lý thuyết rối tại lớp biên hành tinh khí quyển [5].
Khi bề mặt là thực vật, do lá cây thoát hơi nước thông qua các lỗ khí khổng nên
vấn đề quan trọng cho việc tham số hoá quá trình bốc thoát hơi chính là tham số
hoá kháng trở khí khổng sr của lá cây. Kháng trở khí khổng đặc trưng cho khả
năng thích hợp trao đổi giữa thực vật và môi trường bên ngoài, khi sr đạt giá trị
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
17
nhỏ nhất nghĩa là khả năng bốc thoát hơi là tốt nhất. Một công thức tính sr hay
được sử dụng là của Jarvis (1976) [6], trong đó sr có thể được phân tách thành
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 2CO
trong không khí 2COC , 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 COr T e PAR C r T r e r PAR r C (1.11)
Độ chống chịu của tán lá lớn cr được tính bởi:
sc
rr
LAI (1.12)
trong đó LAI là chỉ số diện tích lá cây tương đối so với diện tích bề mặt. Khi đó
lượng bốc hơi sẽ tính theo công thức:
a c
a c
q qE
r r (1.13)
Trong các sơ đồ SVAT phức tạp hơn sẽ thêm hai phương trình nhập lượng
nước và nhiệt trong vòm phủ thực vật với giả thiết rằng không khí trong tán lá
thực vật không có khả năng tích trữ nhiệt và ẩm. Ngoài ra phải tính đến sự ngăn
chặn giáng thủy, sự suy yếu bức xạ và suy yếu động lượng (gió) do tán lá của
thực vật mà sẽ liên hệ trực tiếp tới các tham số albedo và độ gồ ghề của bề mặt và
quá trình bốc thoát hơi của thực vật.
Hiện nay, với những hiểu biết về các cơ chế sinh lý của thực vật và đặc
tính vật lý của đất cho phép chúng ta nghiên cứu và mô phỏng các quá trình trao
đổi nhiệt, ẩm tại bề mặt một cách khá chính xác và đã được kiểm chứng bởi một
số quan trắc riêng biệt [10].
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
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
19
theo phần mềm mô hình còn có các phần mềm hỗ trợ khác như phần mềm biên
dịch Porland Group Fortran (PGI) hay phần mềm đồ hoạ của NCAR (NCAR
Graphics).
2.2 Cấu trúc mô hình MM5
Sơ đồ trong hình 2.1 biểu diễn hệ thống các modul chính của mô hình
MM5. Có thể chia mô hình thành hai bộ phận chính:
+ Bộ phận xử lý và bộ phận mô phỏng
Đầu tiên, số liệu địa hình, các thông số của miền tính và số liệu khí tượng
được nội suy theo phương ngang, phương thẳng đứng thông qua các modul thuộc
bộ phận xử lý TERRAIN, REGRID và INTERPF. Bộ phận mô phỏng MM5 nhập
dữ liệu đã được xử lý từ các modul trên, mô phỏng các quá trình vật lý và đưa ra
dự báo số của mô hình. Sản phẩm dự báo của MM5 được chuyển đến bộ phận
xử lý cuối cùng là modul đồ hoạ (GRAPH/RIP, GRADS) và phân tích dữ liệu
(Output Analyis).
TERAIN
REGRID
INTERPF
MM5
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)
Hình 2.2: Sơ đố cấu trúc đầy đủ các modul của mô hình MM5.
Sau đây, chúng tôi trình bày một cách sơ lược một số vấn đề liên quan đến
các modul chính của mô hình MM5
2.2.1 Modul TERRAIN
NESTDOWN
TERAIN
REGRID
INTERPF
MM5
RAWINS/Little_R
GRAPH/RIP
Output Analysis
INTERPB
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
21
Là modul đầu tiên của hệ thống mô hình dự báo MM5, dùng để nội suy
theo phương ngang các dữ liệu về độ cao địa hình và thảm thực vật, loại hình bề
mặt, ranh giới đất-nước,…cho các miền tính. Trường số liệu đưa vào ở đây bao
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.
+ Bổ xung các trường bề mặt như khí áp, nhiệt độ không khí.
+ Xử lý mô hình bất thuỷ tĩnh nguyên thuỷ.
2.2.4 Modul MM5
Modul MM5 là modul đưa ra kết quả dự báo số của mô hình, tất cả các lựa
chọn của mô hình được MM5 mô phỏng và dự báo
Phổ ứng dụng của MM5 bao gồm nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng. MM5
cho phép mô phỏng và dự báo thới tiết nói chung, các quá trình quy mô từ lớn
đến vừa như gió mùa, bão, áp thấp,…Ngoài ra, MM5 cũng cho phép mô phỏng
và dự báo các quá trình quy mô nhỏ hơn (từ 2km đến 200km).
2.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5
Từ những năm 1990 đến 1993, theo các chương trình của
GEWEX/GCIP/GAPP, GEWEX/GAPP, NOAA/OGP, Trung tâm môi trường
EMC của Trung tâm dự báo Môi trường quốc tế hợp tác với Phòng thuỷ văn
NWS và Trung tâm nghiên cứu ứng dụng NESDIS đã nghiên cứu và cải tiến mô
hình đất mới để sử dụng trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu của NCEP.
Trong thời gian đầu, NCEP xây dựng bốn mô hình đất bao gồm:
1) Mô hình thùng chứa (bucket) đơn giản
2) OSU LSM: Có sự lồng ghép giữa lớp biên khí quyển, thực vật và đất
gọi tắt là CAPS (Coupled Atmospheric boundary layer - Plant – Soil)
3) Mô hình SSiB
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
23
4) Mô hình cân bằng nước đơn giản gọi tắt là SWB (the Simple Water
Balance model)
Kết quả so sánh của bốn mô hình trên đã được Chen đưa ra năm 1996 và
chỉ ra mô hình đất của trường Đại học bang Oregon (OSU LSM) cho kết quả tốt
nhất trong bốn mô hình trên. OSU LSM đã được NCEP sử dụng trong các mô
hình dự báo thời tiết, khí hậu khu vực và toàn cầu.
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 p
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
24
Trong đó, p là khí áp, ps là khí áp mặt đất và pt là khí áp tại đỉnh khí quyển.
Hình 2.4 Hệ toạ độ của mô hình MM5
Các mực theo phương đứng trong hệ toạ độ có đặc điểm uốn sát địa hình
ở lớp dưới và gần sát với các mực khí áp ở lớp trên. Theo hệ toạ độ này ta thấy
biến đổi từ 1 (mặt đất) tới 0 (đỉnh khí quyển) và các mực khí quyển được xác
định bởi tập giá trị trong khoảng [0,1]. Các biến , được xác định trên các
mực nguyên (K=1, 2,...), các biến còn lại được xác định trên các mực phân
(K=11/2, 21/2,...). 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* * * * ** *
/ /uf
p u p uu m p vu m p u pm mp p v D
t x y x x
(2.2)
2* * * * ** *
/ /v
vfu
p p uv m p vv m p v pm mp p D
t x y y y
(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; Du và Dv - biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng; p*=ps - pt.
Phương trình nhiệt động lực học:
2* * * ** *
/ /T
p p
up T p T m p vT m p T Qm p p D
t x y c c
(2.4)
trong đó, cp = cpd(1+0.8qv) là nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định,
cpd là nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, qv là tỷ số xáo trộn hơi nước, Q
là năng lượng đoạn nhiệt, DT biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng,
dt
dp được tính bằng:
**
dpp
dt (2.5)
với:
* * * *p p p pm u v
t t x y
(2.6)
Khí áp bề mặt có thể được tính từ:
2* * * */ /p p u m p v m pm
t x y
(2.7)
cùng với sử dụng tích phân theo phương đứng:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
26
12
0
* * */ /p p u m p v mm d
t x y
(2.8)
Sau khi xác định xu thế khí áp bề mặt t
p
*, vận tốc thẳng đứng trong hệ
toạ độ sigma ( ) được tính cho mỗi mực từ tích phân theo phương đứng trong
phương trình:
2
0
* * *
*
1 / /'
p p u m p v mm d
p t x y
(2.9)
trong đó, là biến hình thức của tích phân và ( =0)=0.
Phương trình thuỷ tĩnh xác định độ cao địa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv:
1
*1
ln( / ) 1c r
v
t c
q qRT
p p q
(2.10)
trong đó, R - hằng số khí khô; Tv=T(1+0.608qv); qc và qr là tỷ số xáo trộn
nước mây hoặc băng và nước mưa hoặc tuyết.
Đối với động lực học bất thuỷ tĩnh, các biến được phân tích thành tổng của
trạng thái nền và nhiễu động như sau:
tzyxpzptzyxp ,,,,,, '0
tzyxTzTtzyxT ,,,,,, '0
tzyxztzyx ,,,,,, '0
trong đó, đặc trưng profile trạng thái nền của nhiệt độ có thể là hàm phân
tích được hiệu chỉnh từ profile nhiệt độ trung bình của tầng đối lưu.
Trong động lực bất thủy tĩnh, hệ tọa độ thẳng đứng được tính theo áp suất
của trạng thái nền:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
27
ts
t
pp
pp
0
trong đó, ps và pt là khí áp trạng thái nền tại bề mặt và tại đỉnh khí quyển
mô hình. Áp suất tổng cộng tại mỗi nút lưới được tính như sau:
'* pppp t (2.11)
trong đó, p’ là nhiễu động rối; p*(x,y) = ps(x,y) - pt.
Khi đó, hệ phương trình của mô hình MM5 trong hệ toạ độ chuyển
thành:
Các phương trình chuyển động ngang và thẳng đứng:
uDvpp
x
p
px
pmp
uDIVup
y
mvup
x
muupm
t
up
f
**
*
*
****
''
//2
(2.12)
vDpp
y
p
py
pmp
vDIVvp
y
mvvp
x
muvpm
t
vp
fu
**
*
*
****
''
//2
(2.13)
DqqgpTp
pT
T
Tp
pgp
DIVp
y
mvp
x
mupm
t
p
rcv
)(*'''
*
1*
//
0
00
2 ****
(2.14)
Phương trình xu thế khí áp:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
28
gppg
v
y
p
mpx
muu
x
p
mpx
muppm
DIVpp
y
mvpp
x
muppm
t
p pp
00
2
2
*
//*
'/'/'
*
*
*
*
'***'*
(2.15)
Phương trình xu thế nhiệt độ:
T
p
p
p
Dc
QpDgp
Dt
Dpp
c
TDIVTp
y
mvTp
x
mTpm
t
Tp u
*
****
'0
2
*'
*1
//
(2.16)
trong đó
*** //2 p
y
mvp
x
mupmDIV (2.17)
và vy
p
p
mu
x
p
p
m
p
g
*
***
*0
(2.18)
2.4.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu
2.4.3.1 Điều kiện biên xung quanh
Để chạy mô hình dự báo khí hậu khu vực yêu cầu phải có điều kiện biên
xung quanh. Trong MM5, ở bốn biên xung quanh ta phải xác định các trường của
các biến như gió (U, V), nhiệt độ (T), áp suất, độ ẩm và có thể cả các trường vật
lý nhỏ khác (như là mây) nếu cần thiết. Do đó, trước khi mô phỏng, giá trị điều
kiện biên phải được đưa vào để ban đầu hóa cho các trường này.
Các giá trị biên có thể lấy từ phân tích trong tương lai, từ mô phỏng của
lưới thô hơn trước đó (tương tác một chiều) hoặc từ các mô hình dự báo khác
(trong dự báo thời gian thực). Đối với dự báo thời gian thực, giá trị biên tương
ứng phụ thuộc vào mô hình dự báo toàn cầu. Trong trường hợp nghiên cứu các
sự kiện trong quá khứ, điều kiện biên có thể lấy từ số liệu phân tích được tăng
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
29
cường từ các thám sát bề mặt và cao không bằng cách tương tự như là điều kiện
ban đầu. Trong mô hình MM5, việc sử dụng các dự báo của mô hình toàn cầu
làm điều kiện biên cho lưới thô nhất có thể thực hiện theo hai phương pháp:
a) Phương pháp Sponge
Theo phương pháp này thì các giá trị trên biên được tính như sau:
LCMCn t
nt
nt
1
(2.19)
trong đó, n= 1, 2, 3, 4 đối với các điểm có dấu nhân (x) và n =1, 2, 3, 4, 5
đối với các điểm có dấu tròn ( ) (dấu nhân và dấu tròn được quy định ở lưới
ngang của mô hình (hình 2.4), là ký hiệu các biến cần tính. MC chỉ xu thế tính
toán của mô hình, LC là xu thế quy mô lớn lấy từ mô hình mô phỏng quy mô lớn,
n chỉ số nút lưới tính từ biên ngoài cùng (n=1), hàm trọng lượng thực nghiệm
w(n) ở các điểm nhân tương ứng là 0.0, 0.4, 0.7, và 0.9, các điểm tròn tương ứng
là 0.0, 0.2, 0.55, 0.8 và 0.95. Ở tất cả các nút lưới khác trong miền tính thì
w(n)=1
Phương pháp Sponge hiện nay không được sử dụng cho động lực học bất
thủy tĩnh của MM5
b) Phương pháp Nudging
Theo phương pháp này thì các giá trị trên biên được tính như sau:
MCLSMCLS
n
FnFFnFt
221
(2.20)
Hàm F giảm tuyến tính từ biên xung quanh và có dạng:
)3
5()(
nnF
, n=2, 3, 4 (2.21)
0)( nF , n>4
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
30
Trong đó F1 và F2 của phương trình (2.20) được xác định như sau:
tF
10
11
(2.22)
t
sF
50
2
1
Trong đó: t : bước thời gian
:s độ phân giải của mô hình
2.4.3.2 Điều kiện biên trên bức xạ
Thông thường đỉnh của các mô hình thuỷ tĩnh được coi là một vỏ cứng, nơi
có tốc độ thẳng đứng mô hình bằng không. Trong thực tế những biên cứng như
vậy sẽ phản xạ cơ năng và do đó sinh ra nhiễu khí tượng. Trong những mô hình
khí tượng có độ phân giải không gian thô thì những phản xạ biên như vậy có thể
chấp nhận. Trong mô hình thường thừa nhận không có sự trao đổi khối lượng
giữa vũ trụ và khí quyển cũng như không có thông lượng khí quyển xuyên qua
mặt đất. Trong mô hình quy mô vừa MM5, sóng trọng trường nội trở nên quan
trọng hơn. Vì vậy ở đây nếu không có những cơ chế nhân tạo làm tiêu tan năng
lượng của những sóng trọng trường nội này thì chúng sẽ được phản xạ lại trên
đỉnh mô hình và đưa đến phát triển những sóng đứng có kích thước bao trùm cả
khí quyển thẳng đứng. Những sóng như vậy sẽ đưa đến tạo ra trường tốc độ
thẳng đứng không thực. Để khử loại sóng này trong MM5 sử dụng điều kiện biên
trên bức xạ (RUBC), do KLEMP, DURRAN và BOUGEAUL phát triển (1983).
Điều kiện biên trên bức xạ được thiết lập trên những căn cứ lí thuyết sau:
a) Áp dụng vào khí quyển trên thì các quá trình khí quyển có thể mô
tả bằng các phương trình tuyến tính hoá,
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
31
b) Tính ổn định tĩnh và dòng trung bình được coi là hằng số,
c) Hiệu ứng Coriolis được bỏ qua,
d) Áp dụng được gần đúng thuỷ tĩnh. Việc thiết lập RUBC trong các
mô hình phổ là tương đối đơn giản, nhưng phức tạp hơn đối với những mô hình
nút lưới.
2.4.3.3 Tham số hoá vật lý
Các quá trình quy mô dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuyếch tán rối ngang
và thẳng đứng, các quá trình bề mặt đều có vai trò rất quan trọng đối với động
lực học khí quyển. Chính vì vậy chúng cần được tham số hoá trong mô hình dự
báo. Các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình MM5 rất phong phú, tạo điều
kiện thuận lợi cho các đối tượng sử dụng khác nhau. Các quá trình vật lý được
tham số hoá trong mô hình bao gồm: đối lưu, vi vật lý mây, bức xạ, lớp biên
hành tinh, các quá trình bề mặt đất.
2.4.3.4 Tham số hoá đối lưu
Quá trình vật lý quan trọng nhất phải được tham số hoá là đối lưu. Quá
trình vận chuyển nhiệt thẳng đứng bằng đối lưu là quá trình chủ yếu để duy trì
tốc độ giảm nhiệt thẳng đứng trong tầng đối lưu thám sát và phân bố ẩm. Để mô
phỏng được hiệu ứng này phải thông qua điều chỉnh đối lưu (convective
adjustment). Có nghĩa là độ ẩm tương đối và tốc độ giảm nhiệt độ trong từng cột
lưới sẽ được xem xét ở cuối mỗi bước thời gian.
Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để liên kết mây với các
trường giải được của độ ẩm, nhiệt độ và gió. Tuy nhiên, chưa có được một
phương pháp nào là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều có những ưu nhược
điểm riêng. Hiện nay có rất nhiều sơ đồ tham số hoá đối lưu như sơ đồ của Betts
và Miller, 1986, 1993; Kuo, 1965, 1974; Arakawa và Shubert,1 974; Grell, 1993;
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
32
Frank và Cohen, 1987;...(Emanuel, K.A and D.J. Raymond, 1993). Trong một
mô hình khu vực nói chung, vấn đề tham số hoá đối lưu cumulus trong chu kỳ
nước có tầm quan trọng đặc biệt, bởi lẽ cả những mô hình khu vực có độ phân
giải cao hiện nay vẫn chưa thể mô phỏng được những ổ đối lưu riêng biệt và các
quá trình vận chuyển nhiệt ẩm. Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá
khác nhau: Anthes-Kuo, Grell, Arakawa-Schubert, Fritsch-Chappell, Kain-
Fritsch, Betts-Miller, Kain-Fritsch 2, Shallow Cumulus.
2.4.3.5 Tham số hoá vi vật lý mây
- Sơ đồ Kessler (1969): là một sơ đồ mây ấm đơn giản (warm cloud), và
nó bao gồm hơi nước, nước mây và mưa.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
33
- Sơ đồ Lin: trong sơ đồ này, có sáu dạng băng tồn tại trong mây bao gồm:
hơi nước, nước mây, mưa và băng mây, tuyết và graupel. Đây là một sơ đồ vi vật
lí tương đối tinh và nó có thể thích hợp hơn cho việc sử dụng trong các đề tài
nghiên cứu.
- Sơ đồ băng đơn giản - NCEP: sơ đồ này có tính đến ảnh hưởng của việc
đóng băng. Có ba dạng nước (hydrometeos) được tính đến trong sơ đồ gồm: hơi
nước, nước mây, băng và mưa tuyết. Băng trong mây và nước mây được tính
theo cùng một dạng và chúng được phân biệt qua nhiệt độ, mây dạng băng chỉ có
thể tồn tại khi mà nhiệt độ nhỏ hơn hay bằng nhiệt độ đóng băng, nếu không như
vậy thì chỉ có tồn tại nước mây. Các điều kiện trên cũng giống đối với mưa và
tuyết
- Sơ đồ pha xáo trộn - NCEP: Sơ đồ này cũng tương tự như sơ đồ băng
đơn giản trên. Tuy nhiên, mưa và tuyết được xem là hai dạng khác nhau. Sơ đồ
này cho phép nước chậm đông (supercooled water) tồn tại và tuyết sẽ tan dần dần
khi nó rơi. Trong sơ đồ có tính đến cả sự đóng băng.
Hình 2.5 Các sơ đồ minh họa quá trính vi vật lý mây. (a) sơ đồ Kessler; (b) sơ đồ Lin;
(c) sơ đồ NCEP băng đơn giản; (d) sơ đồ NCEP pha xáo trộn.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
34
- Sơ đồ ETA : Sơ đồ thực chất là dự báo tỉ số xáo trộn của nước/băng
mây. Giáng thủy lỏng và giáng thủy đóng băng nhận được theo tỉ số xáo trộn của
mây và được giả thiết là rơi xuống mặt đất trong một bước thời gian riêng lẻ.
2.4.3.6 Các sơ đồ tham số hoá bức xạ
Các lựa chọn sơ đồ tham số hoá bức xạ trong mô hình MM5 bao gồm:
- None: Không tham số hoá bức xạ.
- Simple Cooling: Tốc độ giảm nhiệt của khí quyển không chỉ phụ thuộc
vào nhiệt độ, không có sự tác động của mây và chu trình ngày đêm.
- Cloud - radiation scheme: Khi không đủ cơ sở để tính đến sự tác động
của bức xạ sóng dài và sóng ngắn với bầu trời quang mây và có mây như xu thế
của nhiệt độ không khí, đó là dòng bức xạ bề mặt.
- CCM2 radiation scheme: Phù hợp với bước lưới rộng và có thể tính
chính xác trong thời gian dài cho dòng bức xạ bề mặt.
- RRTM Longwave scheme: Là sự phối hợp với sơ đồ bức xạ sóng ngắn
của mây khi chọn IFRAD = 4. Đó là mô hình truyền nhanh bức xạ (rapit
radiative transfer model) và dùng hệ số tương quan để biểu diễn ảnh hưởng của
phổ hấp thụ tính lượng hơi nước, CO2, O3.
2.4.3.7 Các sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh
Trong mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh
sau:
- None: Không tham số hoá lớp biên.
- Bulk PBL: Thích hợp với độ phân giải thô thẳng đứng trong lớp biên,
chẳng hạn với kích thước ô lưới thẳng đứng > 250m. Có hai kiểu ổn định.
- High-Resolution Blackdar PBL: Thích hợp với độ phân giải cao của lớp
biên, ví như 5 lớp thấp nhất, lớp bề mặt có độ dày < 100m, bốn chế độ ổn định,
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
35
bao gồm lớp xáo trộn đối lưu tự do được sử dụng phân tách bước thời gian ổn
định.
- Bulk-Thompson PBL: Thích hợp đối với cả độ phân giải thô và độ phân
giải cao của lớp biên. Động năng xoáy được dùng đối với xáo trộn thẳng đứng,
cơ bản là công thức Mellor - Yamada.
- ETA PBL: Đó là sơ đồ của Mellor - Yamada dùng trong mô hình ETA
dự báo sự xáo trộn thẳng đứng địa phương.
- MRF PBL: Thích hợp đối với lớp biên hành tinh phân giải cao (như sơ
đồ Blackada). Sơ đồ được Troen - Mahrt biểu diễn bằng các số hạng gradien và
profile nhiệt độ (K) trong lớp xáo trộn.
- Gayno - Seaman PBL: Cơ bản giống sơ đồ Mellor - Yamada. Nhưng
khác biệt là dùng nhiệt độ thế vị nước lỏng như là biến bảo toàn, được tính chính
xác trong điều kiện bão hoà. Hiệu quả của sơ đồ có thể so sánh được với sơ đồ
Blackada vì nó cũng phân tách bước thời gian.
2.4.3.8 Các sơ đồ đất
Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ đất sau:
- None: Không dự báo nhiệt độ lớp đất bề mặt;
- Force - Restone (Blackada) scheme: Dùng cho lớp mỏng đơn thuần
ngay trên bề mặt và nhiệt độ của lớp đó;
- Five - Layer Soil Model: Dự báo nhiệt độ của 5 lớp: 1, 2, 4, 8, 16m;
- OSU/Eta-Suface Model: Mô hình lớp đất bề mặt có thể dự báo nhiệt độ
và độ ẩm của 4 lớp: 10, 30, 60, 100 cm.
- NoahLSM: Mô hình đất dùng tính nhiệt độ và độ ẩm các lớp đất sâu
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
36
CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BATS CHO MM5
Nhằm tăng cường thêm lựa chọn về sơ đồ đất cho mô hình MM5 trong
việc thử nghiệm mô phỏng khí hậu. Chúng tôi tiến hành sử dụng sơ đồ BATS
trong mô hình MM5
3.1 Mô tả sơ đồ BATS
Chức năng chính của BATS là:
1) Tính lượng bức xạ mặt trời hấp thụ bởi bề mặt và bức xạ sóng dài thuần,
2) Tính các dòng trao đổi động lượng, hiển nhiệt và ẩm giữa bề mặt và các
lớp khí quyển,
3) Xác định các thành phần gió, độ ẩm và nhiệt độ trong khí quyển, trong
các tán lá thực vật và tại mực quan trắc bề mặt,
4) Tính giá trị nhiệt độ và lượng ẩm tại bề mặt.
Cấu trúc bề mặt trong BATS gồm một lớp phủ thực vật và ba lớp đất. Bề
mặt được chia làm 18 loại với các đặc tính vật lý tương ứng khác nhau, như màu
đất (được chia thành 8 lớp màu, từ đậm đến nhạt), kết cấu đất (được chia thành
12 cấp, từ rất thô (cát) đến rất mịn (sét)). Ngoài ra, hàm lượng ẩm của đất, lượng
nước mưa biến thành dòng chảy và trạng thái bề mặt (có nước hay tuyết phủ
không) cũng sẽ được tính đến. [6].
3.1.1 Albedo bề mặt
Albedo đặc trưng cho khả năng phản xạ của bề mặt đối với bức xạ sóng
ngắn và phát xạ sóng dài. Albedo bề mặt phụ thuộc vào bước sóng, góc thiên
đỉnh mặt trời và trạng thái bề mặt cũng như loại bề mặt. Đối với bề mặt không
có tuyết phủ, BATS tính albedo cho ba trường hợp là albedo của thực vật đối với
bức xạ mặt trời nhìn thấy ( <0.7m), và bức xạ gần hồng ngoại (
>0.7m), và albedo của đất. Mặc dù albedo của thực vật còn phụ thuộc vào
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
37
nhiều nhân tố khác, như màu lá chẳng hạn, song do số liệu hạn chế, BATS xem
thực vật chỉ có màu xanh. Giá trị albedo đối với các loại lớp phủ thực vật khác
nhau được cho trước. Albedo của đất trống phụ thuộc vào màu đất và độ ẩm đất.
Nó tăng dần theo độ khô của bề mặt đất và được tính bởi ALBG =
ALBGO+∆ g(Ssw), trong đó ALBGO là albedo đối với đất bão hòa nước; Ssw là hàm
lượng nước đất bề mặt; ∆ g(Ssw) = 0.01(11 - 40Ssw/Zu) > 0, với Zu là độ dày lớp
đất trên cùng.
Trong trường hợp bề mặt có tuyết phủ, albedo được xem là phụ thuộc vào
phổ bước sóng bức xạ, góc thiên đỉnh mặt trời, độ dày tuyết, kích thước hạt tuyết,
mức độ bụi bẩn và tuổi của tuyết.
3.1.2 Nhiệt độ đất
Nhiệt độ đất là một trong những tham số quan trọng trong các sơ đồ
SVAT. Trong BATS nhiệt độ của các lớp đất được tính theo phương pháp tác
động phục hồi (force-restore). Nhiệt độ lớp đất bề mặt Tg1 được tính từ phương
trình vi phân sau:
g1
g1
TC t 2AT B
t
(3.1)
trong đó A = 0.5vd∆t; B = BCOEF hS + vd ∆t.Tg2; C =1+FCT1, với vd=2 /86400 là
tần số dao động ngày, hS là tác động nhiệt thuần bề mặt đất, ∆t là bước thời gian
(s), Tg2 là nhiệt độ lớp đất dưới bề mặt, BCOEF = fSNOWBCOEFS + (1 - FSNOW)BCOEFB,
fSNOW là phần diện tích bị tuyết phủ,
d ds d dbCOEFS COEFB
s s sn s s sbs b
v tD v tDB ,B
c k c k
(chỉ số “s” và “b” cạnh dấu ngoặc đơn ở mẫu số của hai biểu thức tương ứng chỉ
tuyết và đất), Dds và Ddb tương ứng là độ sâu thâm nhập ngày đối với tuyết và
đất, s và cs tương ứng là mật độ và nhiệt dung riêng của tầng đất dưới, ksn, ksb là
hệ số khuếch tán nhiệt của tuyết và đất đối với dao động ngày của nhiệt độ.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
38
Khi trên mặt đất có tuyết, nếu tuyết tan sẽ làm giảm nhiệt độ tầng đất mặt
và làm tăng một phần dòng chảy mặt. Tốc độ tuyết tan được tính bởi:
g1
m
f COEF
B C A B T (C A B ).273,16S
L B
(3.2)
ở đây, Lf là ẩn nhiệt nóng chảy; B’ là đạo hàm của B theo nhiệt độ.
Nhiệt độ lớp đất dưới bề mặt Tg2 được xác định theo sóng nhiệt độ trong
năm tính bằng phương pháp tác động phục hồi tương ứng với nhiệt độ ở độ sâu
khoảng 1m từ phương trình:
g2 a
CT 2 2 g2 4 a 3 a
d
T D1 F t 2A T c v tT v t
t D
với va=vd/365 là tần số dao động năm, c4 là hệ số kết nối đối với đất chưa tính
đến sóng năm của nhiệt độ (hiện tại c4=0, ngoại trừ những vùng đóng băng vĩnh
cửu thì c4=1), T3=271, a
2 4 a
d
DA c 0.5v t
D
, Da và Dd tương ứng là độ sâu
thâm nhập năm và ngày. Nếu không có tuyết thì
1/ 2
da d
a
vD D
v
, trong trường
hợp bề mặt bị tuyết phủ thì cả Da và Dd đều được lấy trung bình trọng số theo độ
dày tuyết.
3.1.3 Độ ẩm đất và lớp phủ tuyết trong điều kiện không có lớp phủ thực
vật
Để định rõ độ ẩm đất, lớp phủ tuyết, bề mặt trái đất được chia thành:
1) Những vùng đại dương (có và không có băng biển bao phủ)
2) Những vùng lục địa (có và không có tuyết phủ). Đối với những vùng
đại dương không có băng biển bao phủ, nhiệt độ bề mặt Tg1 được quy định bởi số
liệu quan trắc từ một mô hình chuẩn. Đối với những vùng khác việc tính Tg1 phụ
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
39
thuộc vào điều kiện hiện tại của lớp phủ tuyết, độ ẩm đất, dạng bề mặt và nhiệt
độ lớp khí quyển đầu tiên.
a) Giáng thủy (mưa và tuyết rơi)
Mưa và sự giải phóng ẩn nhiệt (Qc) trong mỗi lớp khí quyển phụ thuộc hết
sức phức tạp vào độ ẩm của lớp và giáng thủy từ các lớp bên trên. Tốc độ giáng
thủy tại mặt đất (P) nhận được như là tổng giáng thủy thuần từ mỗi lớp. Giáng
thủy được giả thiết là tuyết rơi Ps nếu nhiệt độ lớp khí quyển thấp nhất T1 ≤ Tc,
hoặc mưa rơi Pr nếu T1 > Tc, trong đó Tc=Tm+2.2, Tm=273.16, tức là:
Ps = P, Pr = 0 nếu T1 ≤ Tc
Ps = 0, Pr = P nếu T1 > Tc
b) Nguồn ẩm của đất
Nguồn ẩm tới bề mặt hoặc sẽ thấm vào đất hoặc sẽ chuyển thành dòng
chảy mặt. Đối với nước, đất được chia làm 3 lớp, lớp trên cùng chính là mặt phân
cách đất - khí quyển, các lớp dưới thấp hơn tăng dần theo độ sâu. Các đại lượng
biểu diễn nguồn ẩm trong đất được xét ở đây gồm: Ssw là nước trong lớp đất bề
mặt (lớp đất trên cùng) có độ dày Zu (0.1m) (giá trị cực đại là Sswmax); Srw là
nước trong tầng rễ có độ sâu Zr (giá trị cực đại là Srwmax); Stw là tổng lượng nước
trong đất cho đến độ sâu Zt (cực đại bằng Stwmax). Cả Ssw, Srw và Stw đều nhận
được từ cùng một nguồn nước mưa Pr và đều bị mất đi do bốc hơi Fq và dòng
chảy mặt Rs vì tất cả các quá trình này đều xảy ra tại lớp đất bề mặt. Dòng giữa
các lớp đất tác động đến các nguồn ẩm khác nhau là khác nhau. Trong điều kiện
không có lớp phủ thực vật, phương trình bảo toàn đối với các thành phần này có
dạng:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
40
sw
s w1
rws w 2
tw
s g
SG R
t
SG R
t
SG R R
t
(3.3)
trong đó G = Pr + Sm - Fq = lượng nước thuần áp dụng cho bề mặt; Rs = dòng
chảy mặt; Rg = nước thấm xuống các lớp đất phía dưới và bể nước ngầm; Pr =
mưa; Sm = tuyết tan; w1 = nước trao đổi do khuếch tán từ tầng rễ vào tầng mặt;
w2 = nước trao đổi do khuếch tán từ toàn bộ cột đất vào tầng rễ; và Fq = bốc
hơi. Nếu Fq âm có nghĩa là sương hình thành.
c) Nước rò rỉ và thấm xuống bể nước ngầm
Mỗi một loại đất đều có những tính chất nhất định và chủ yếu phụ thuộc
vào cấu trúc của đất. Trong các sơ đồ tham số hóa đất hiện nay người ta thường
giả thiết rằng các tính chất này không đổi theo độ sâu và được đặc trưng bởi các
tham số sau:
- Độ rỗng PORSL, là đại lượng mà khi đất bão hòa nước thì 1m3 đất chứa
PORSL m3 nước
- Độ hút nước của đất
- Độ dẫn nước của đất Kw
d) Sự bốc hơi nước
Số hạng bốc hơi Fq và sự trao đổi nước giữa các lớp đất trên và dưới khó
có thể tham số hóa một cách đầy đủ. Hiện nay người ta biểu diễn chúng dựa trên
sức chứa khả năng và sự làm khô do biến động ngày đêm của bốc hơi tiềm năng
tại bề mặt:
q qp qmF Min F ,F
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
41
trong đó Fqp là bốc hơi tiềm năng và Fqm là thông lượng ẩm cực đại đi qua bề mặt
ướt mà đất có thể duy trì được.
e) Dòng chảy mặt
Trong thời kỳ mưa nhiều hoặc tuyết tan và độ ẩm đất cao, hầu hết nước rơi
đến bề mặt không xuyên xuống được bể nước ngầm mà lập tức biến thành dòng
chảy mặt đổ về sông, suối. Dòng chảy mặt phụ thuộc vào thông lượng nước
thuần (giáng thuỷ trừ bốc hơi) tại bề mặt, độ ẩm đất và nhiệt độ bề mặt đất. Tốc
độ dòng chảy mặt được biểu diễn như là hàm của tốc độ giáng thuỷ và mức độ
bão hoà của đất. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ bề mặt đất Tg1 ta có:
4
0w
g1
wsat
s
0w
g1
wsat
G T 0 C
R
G T 0 C
(3.4)
trong đó: wsat là mật độ đất bão hòa; w = wsat(s1+s2)/2; s1 = Srw/Srwmax; s2 =
Ssw/Sswmax
Khi G < 0 thì Rs = 0. Nếu nhiệt độ lớp gần bề mặt thấp hơn điểm băng thì
dòng chảy mặt tăng lên
f) Lớp phủ tuyết
Mô hình chi tiết nhất về cân bằng năng lượng tuyết và các quá trình tan
băng tuyết đã được Anderson đề xuất [6]. Ông đã mô hình hóa một cách tỉ mỉ sự
truyền nước và năng lượng và sự biến đổi mật độ trong toàn cột tuyết. Ngược lại,
ở đây chỉ mô hình hóa các quá trình tuyết bề mặt, không phân biệt một cách rõ
ràng giữa tuyết trong lớp đất dưới bề mặt và nhiệt độ đất, tức là về nguyên tắc
xem Tg2 như nhiệt độ tuyết trong lớp đất dưới bề mặt sau khi đã tích lũy được vài
cm nước lỏng tương đương tuyết. Nước trên bề mặt tuyết được đưa trực tiếp
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
42
xuống đất, trong khi nước mưa hoặc nước do tuyết tan thì xem là ngấm qua tuyết
hoặc đóng băng trở lại. Sự tan tuyết ở đáy của lớp tuyết được bỏ qua.
Nếu đang có mưa tuyết hoặc có lớp phủ tuyết, trước hết phải kiểm tra xem
nhiệt độ Tg có bằng 0 hay không, nếu Tg = 0 thì tính tốc độ tuyết tan trước khi
tính nhiệt độ bề mặt. Lớp phủ tuyết được cập nhật từ phương trình:
cv
s q m
SP F S
t
(3.5)
trong đó Scv là lượng tuyết phủ được đo bằng lượng nước lỏng; Ps là tốc độ mưa
tuyết; Fq bằng tốc độ thăng hoa.
3.1.4 Hệ số cản và các dòng trên đất trống
Hệ số cản trên đất là đại lượng rất biến đổi. Do đó trong BATS hệ số cản
CD được tính như là hàm của CDN, là hệ số cản trong điều kiện phiếm định, và số
Richardson tổ hợp cho bề mặt RiB:
D DN iB
1 g1 a
iB 2
a
C f C ,R
gz 1 T / TR
V
(3.6)
Trong đó 2 2 2 2
a 1 1 cV u v U , Tg1 là nhiệt độ bề mặt đất hoặc tuyết, băng.
Ta, u1, v1 lần lượt là nhiệt độ không khí nhân với (ps/p1)k và các thành phần gió tại
mực thấp nhất của mô hình khí quyển z1; g là gia tốc trọng trường; ps và p1 tương
ứng là áp suất không khí tại bề mặt và tại mực thấp nhất của mô hình; k là hằng
số Karman; và:
g1 a
c
g1 a
0.1m /s T / T 1U
1.0m /s T / T 1
(3.7)
Khi đó hệ thức để tính hệ số cản sẽ là:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
43
DN DN iB
DDN
iB
C 1 24.5 C R
C C
1 11.5R
(3.8)
Hệ số cản phiếm định CDN nhận được từ lý thuyết lớp biên xáo trộn và
được xác định bởi:
2
DN
1 0
kC
ln z / z
(3.9)
ở đây k = 0.4 và z0 là độ gồ ghề.
Các dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt trên các bề mặt nước, băng, tuyết hoặc đất
trống nhận được khi sử dụng hệ số cản động lượng đã định nghĩa ở trên qua hệ
thức sau:
S a p D a g1 aF C C V T T (3.10)
trong đó a là mật độ không khí bề mặt, CD là hệ số cản khí động học đối với
nhiệt, Cp là nhiệt dung riêng của không khí và Va là tốc độ gió. Tương tự, dòng
ẩm từ bề mặt vào khí quyển được cho bởi:
q a D a g g aF C V f q q (3.11)
trong đó qg là độ ẩm riêng bão hoà tại nhiệt độ bề mặt (mặt đất, tuyết, băng hoặc
nước); qa là độ ẩm riêng tại mực thấp nhất của mô hình; fg là đại lượng đặc trưng
cho trạng thái ẩm, nhận giá trị bằng 1, trừ trường hợp đối với quá trình khuếch
tán (các bề mặt bị hạn chế) khi đó fg được xác định bằng tỷ số giữa bốc hơi thực
tế và bốc hơi khả năng của đất: fg = Fg/Fqp.
3.1.5 Các dòng năng lượng trong trường hợp bề mặt có lớp phủ thực vật
Khi có lớp phủ thực vật, BATS xem xét tách biệt các phương trình năng
lượng đối với đất và các kháng trở truyền năng lượng từ phía trên tán cây đến
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
44
không khí trong tán cây và từ không khí trong tán cây đến các bề mặt lá và có
chú ý đến từng bộ phận ướt của tán cây.
a) Tham số hóa các biến của lá cây
Hai đặc trưng quan trọng của thực vật là chỉ số diện tích lá (LAI) và chỉ số
diện tích thân (SAI). LAI liên quan đến quá trình thoát hơi nước từ thực vật. SAI là
không đổi đối với mỗi loại đất, trong khi LAI lại biến động theo mùa. Tổng của
chúng được ký hiệu bởi LSAI: LSAI = LAI + SAI. Để tính đến sự bốc hơi từ các cành
cây và lá bị ướt người ta đưa vào định nghĩa tỷ lệ diện tích của lá bị ướt (bị phủ
nước) như sau:
1/3
dewW
DMAX
WL
W
(3.12)
trong đó Wdew là tổng lượng nước bị chặn giữ bởi tán cây và WDMAX là lượng
nước cực đại mà tán cây có thể chặn giữ. Biểu thức tương tự cũng được sử dụng
cho thân cây. Khi đó phần bề mặt lá thoát hơi tự do được xác định bởi:
AIWd
SAI
LL 1.0 L
L (3.13)
Tốc độ gió bên trong lớp lá được tính theo công thức:
1/ 2
af a DU V C (3.14)
b) Sự tích lũy giáng thủy và sương bị chặn giữ của thực vật
Khi có mưa bề mặt thực vật bị phủ một lớp nước mỏng trước khi nhỏ giọt
và chảy theo thân cây xuống đất. Lượng nước này sau đó có thể tái bốc hơi vào
không khí đồng thời trên các bề mặt lá ướt quá trình thoát hơi bị ngừng lại.
Tương tự, sự hình thành sương vào ban đêm có thể giữ mát cho lá cây vào buổi
sáng và thoát hơi từ lá ngừng lại. Nói chung sự tái bốc hơi của nước mưa bị chặn
giữ bởi thực vật chiếm khoảng 10-50% lượng nước mưa, phụ thuộc chủ yếu vào
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
45
cường độ mưa. Sự ngừng thoát hơi do các lá bị ướt hãy còn ít được nghiên cứu,
nhưng có thể đóng vai trò đáng kể. Giáng thủy tuyết cũng bị lá cây chặn giữ và
sự hình thành sương giá trên lá cây nói chung thường xảy ra. Nhưng ở mức độ
nào đó chúng kém quan trọng hơn vì sự bốc thoát hơi nhỏ hơn ở nhiệt độ thấp
hơn. Vì thế, sẽ có lý khi giả thiết rằng thực vật tích lũy nước thể rắn giống như
thể lỏng. Giả thiết rằng lượng nước tích lũy cực đại bằng 0.0001mxLSAI. Lượng
nước được tích lũy trên một đơn vị diện tích bề mặt đất được tính từ lượng giáng
thủy đến và hiệu giữa thoát hơi và thông lượng nước đến bề mặt thực vật:
dew
f f tr
WP E E
t
(3.15)
trong đó Wdew là lượng nước tổng cộng được lưu giữ bởi tán cây trên một đơn vị
diện tích đất; P là giáng thủy; f là độ phủ của lá cây; Ef là thông lượng nước đến
tán lá cây trên một đơn vị diện tích đất; Etr là lượng thoát hơi.
Nếu Wdew > WDMAX = 0.0001m x fLSAI thì Wdew được đặt bằng WDMAX
và lượng ẩm dư thừa trên lá cây được cộng vào lượng giáng thủy (nước hoặc
tuyết) rơi đến đất.
c) Các dòng từ tán lá
Trước hết xét sự bốc hơi từ lá ướt, còn dòng nước từ tán lá khô (không bị
phủ nước) được xét tương tự nhưng cần xét thêm kháng trở khí khổng. Lượng
bốc hơi trên một đơn vị diện tích tán lá ướt (cả lá và cành cây) được xác định bởi:
WET 1 SAT
f a la f afE r q q (3.16)
trong đó qfSAT là độ ẩm riêng bão hòa ở nhiệt độ của tán lá Tf ; qaf là độ ẩm riêng
của không khí bên trong tán cây; rla là kháng trở khí động học đối với dòng nhiệt
và ẩm của các phân tử lá lớp biên trên một đơn vị hình chiếu diện tích lá.
Tương tự, dòng nhiệt từ tán lá Hf được tính bởi:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
46
1
f f SAI la a p f afH L r C T T (3.17)
Dòng ẩm từ bề mặt phần tán cây bị ướt Ef được xác định bởi:
WET
f N fE r E (3.18)
Trong đó:
WET laWN f d
la s
rr 1 E 1.0 L L
r r
(3.19)
với rs là kháng trở khí khổng; là hàm bậc thang, nhận giá trị bằng 1 khi đối số
dương và bằng 0 khi đối số âm.
Sự thoát hơi chỉ xảy ra trên những bề mặt lá khô và được xác định bởi:
WET WETla
tr f d f
la s
rE E L E
r r
(3.20)
ở đây ta đã bỏ qua sự khác biệt nhỏ giữa nhiệt độ lá khô và lá ướt cũng như một
số yếu tố bất đồng nhất khác.
d) Kháng trở khí khổng
Kháng trở khí khổng ở đây được hiểu là sức chống chịu cơ học tổng cộng
chống lại sự khuếch tán từ trong ra ngoài của lá. Thành phần này đôi khi còn
được xem là kháng trở lá để phân biệt với kháng trở chỉ do khí khổng của lá. Hơi
nước bên trong lá được duy trì ở giá trị bão hòa hoặc gần bão hòa. Kháng trở
thuần rs đối với nước thoát từ trong ra ngoài lá phụ thuộc mạnh vào kích thước,
sự phân bố và mức độ mở của khí khổng. Tuy nhiên, sự khuếch tán nước cũng có
thể xảy ra qua biểu bì lá, đó là đường thoát hơi nước chủ yếu khi khí khổng bị
đóng lại. Kháng trở khí khổng được xác định bởi:
s s min f f f fr r R S M V (3.21)
trong đó rsmin là giá trị cực tiểu của kháng trở khí khổng; Mf, Rf, Sf và Vf tương
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
47
ứng là các nhân tố đặc trưng cho sự phụ thuộc của kháng trở khí khổng vào độ
ẩm đất, bức xạ mặt trời, nhiệt độ và độ hụt bão hòa hơi nước.
e) Kháng trở rễ
Tốc độ thoát hơi Etr tính theo phương trình trên cần phải phù hợp với tốc
độ thoát hơi cực đại mà thực vật có thể duy trì được. Nếu Etr tính được vượt quá
tốc độ thoát hơi cực đại Etrmx thì rs được xác định lại sao cho Etr=Etrmx. Sự hút
nước của thực vật trong mỗi lớp đất bị hạn chế bởi hiệu giữa thế năng của đất và
lá chia cho kháng trở hữu hiệu, hay còn gọi là kháng trở rễ. Kháng trở hữu hiệu
này phụ thuộc vào tổng độ dài của rễ trên một đơn vị diện tích và kháng trở nội
của cây trên một đơn vị độ dài rễ.
f) Cân bằng năng lượng của tán thực vật và đất
Không khí bên trong tán cây có nhiệt dung không đáng kể và do đó dòng
nhiệt từ tán lá Hf và từ đất Hg cần phải được cân bằng bởi dòng nhiệt đi vào khí
quyển Ha:
a f g
H H H
ở đây, dòng nhiệt đi vào khí quyển được tính bởi:
a a f p D a af aH C C V T T
Dòng nhiệt từ đất dưới tán cây được giả thiết bằng:
g a p SOILC f af g1 afH C C U T T
a là mật độ không khí bề mặt; CSOILC là hệ số truyền giữa không khí trong tán
cây và đất phía dưới, được giả thiết bằng 0.004; Taf là nhiệt độ bên trong tán lá.
Từ các phương trình trên có thể tính được nhiệt độ Taf:
A a F f G g1
af
A F G
c T c T c TT
c c c
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
48
trong đó cA= fCDVa; cF = fLSAI rla-1; cG = CSOILC fUaf. Tương tự, không khí
trong tán cây được giả thiết là không có khả năng tích lũy hơi nước sao cho dòng
nước từ không khí trong tán cây Ea cân bằng với dòng từ tán lá Ef và từ đất Eg:
a f g
a a A af a
g a G g g,s af
E E E
E c q q
E c f q q
trong đó qg,s là nồng độ hơi nước trong đất bão hòa; fg là nhân tố xác định trạng
thái ẩm, được định nghĩa bằng tỷ số giữa bốc hơi thực tế và bốc hơi tiềm năng
của đất; qaf là độ ẩm riêng của không khí bên trong tán lá. Giải các phương trình
trên ta nhận được qaf.
g) Nhiệt độ lá
Phương trình cân bằng cuối cùng để nhận được sự thoát hơi từ thực vật là
phương trình bảo toàn năng lượng của tán lá:
n f f f f fR T LE T H T
trong đó Rn là bức xạ thuần mà tán lá hấp thụ được. Giải phương trình này ta
nhận được nhiệt độ tán lá Tf.
h) Các dòng năng lượng từ đất không có lớp phủ thực vật
Các dòng hiển nhiệt FBARE và ẩn nhiệt QBARE từ đất không bị thực vật bao
phủ được cho bởi:
BARE G g1 s
BARE G g s
G D f f a f B af B a
B OUGH
F W T T
Q W q q
W C 1 1 V X U 1 X V
X Min 1,R
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
49
3.1.6 Độ ẩm đất khi có lớp phủ thực vật
Trong trường hợp có thực vật, các phương trình xác định nguồn ẩm đất và
lớp tuyết phủ trở thành:
swr f s w1 tr q m w
rw
r f s w 2 tr m w
twr f w tr q m w
cv
r f q m s
SP 1 R E F S D
t
SP 1 R E S D
t
SP 1 R E F S D
t
SP 1 F S D
t
trong đó là phần thoát hơi từ lớp đất trên cùng; Dw là tốc độ rơi từ lá của lượng
nước vượt quá khả năng lưu giữ (của lá) trên một đơn vị diện tích đất; Ds tương
tự như Dw nhưng đối với tuyết; và Rw = Rs + Rg là dòng chảy mặt tổng cộng.
3.2 Áp dụng BATS cho MM5
Như đã trình bày ở phần trước, sơ đồ BATS có rất nhiều ưu điểm trong
việc đưa vào cũng như tính toán các tác động bề mặt và đã được nhiều tác giả
ứng dụng trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu. Chính vì vậy, chúng tôi
tiến hành nghiên cứu thử nghiệm lồng BATS vào MM5 nhằm thử nghiệm mô
phỏng khí hậu cho khu vực Việt Nam.
Để cài BATS vào MM5, trước hết ta phải tìm hiểu cấu trúc hệ thống của
MM5, cách thức tổ chức các chương trình con trong các sơ đồ đất. Sơ đồ cấu trúc
của BATS và NOAH LSM được tạo thành bởi nhiều chương trình con khác
nhau, cụ thể như sau:
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
50
Bdcon Initb Satur Bmarch Solbdc Outb Albedo
Zenith Bndry Drag Dragdn Depth Bufout Satur Vcover Drip Leftem Stomat CO2 Frawat Tseice Root Tgrund Satur Snow Lfdrag Water Condch Condcq Deriv
Hình 3.1 Cây chương trình của BATS
Hình 3.2 Cây chương trình của NOAH LSM
Redprm Tmpavg Csnow Snksrc Snow_new Rosr12 Snfrac Evapo Alcalc Smflx Tdfcnd Evapo Snowz0 Shflx Sfcdif_off Hrtice Penman Hstep Canres Hrt Nopac Srt Snopac Sstep Devap Frh2o Transp Wdfcnd Tbnd
Surfce Sflx
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
51
Để biên dịch được chương trình, do số liệu cũng như các biến đầu vào của
BATS và NOAH LSM là khác nhau nên chúng tôi đã thay đổi bằng cách:
Hình 3.3 Sơ đồ thay thế NOAH LSM bởi BATS
- Sửa đổi các tệp khai báo biến dùng chung trong thư mục
MM5/Common và MM5/include
- Sửa số liệu đầu vào về loại đất, lớp phủ thực vật bằng cách thay thế các
tệp Landuse.TBL thành Landusebats.TBL, Soilparm.TBL thành
Soilparmbats.TBL, Vegparm.TBL thành Vegparmbats.TBL
- Thành lập các file đọc số liệu đầu vào init.f và param.f
- Thêm file bats.cb, bats.cb2 để khai báo các biến dùng trong BATS
Trong quá trình cài đặt sơ đồ BATS vào mô hình MM5, chúng tôi còn phải
sửa đổi và viết thêm khá nhiều biến và chương trình mà không thể liệt kê hết ở
đây. Trên đây là những nội dung cốt yếu cần thay thế và chỉnh sửa.
MM5
NOAH LSM
BATS
Input Output
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
52
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
4.1 Cơ sở số liệu
Nguồn số liệu sử dụng bao gồm:
- Số liệu bề mặt được sử dụng trong MM5 được lấy từ USGS là tập số liệu
về độ cao địa hình, lớp phủ bề mặt toàn cầu, thảm thực vật, độ nhám bề mặt đất,
nhiệt độ các lớp sát mặt và loại đất sử dụng. Số liệu này được chia thành 6 bộ, độ
phân giải từ 10, 30’, 10’, 5’, 2’, và 30’’.
- Số liệu nhiệt độ bề mặt biển và số liệu các trường yếu tố khí quyển toàn
cầu được nội suy về lưới mô hình làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên
- Đối với dữ liệu phân loại bề mặt, trong một ô lưới có thể có tối đa là 13
loại bề mặt (bảng 3.1). Diện tích các loại bề mặt được cho dưới dạng phần tỷ lệ
phần trăm diện tích chiếm trên toàn ô lưới. Loại thống trị được xem là loại có
diện tích lớn nhất. Trong mô hình, bản đồ phân loại bề mặt đệm (landuse) được
phân chia theo dạng các đới thực vật. Đối với mỗi loại bề mặt sẽ có các đặc tính
khác nhau (bảng 3.2). Trong mô hình, loại đất được phân loại theo dạng của loại
bề mặt, có 12 kiểu đất, sắp xếp theo thứ tự tăng dần, từ loại 1 là cát cho đến loại
12 là sét. Mỗi loại đất lại có các đặc tính như khả năng giữ nước của đất, độ rỗng
(thể tích đất trống trên một đơn vị thể tích đất), albedo của đất tuỳ thuộc vào màu
của đất và trạng thái ẩm của đất. Màu của đất được phân cấp từ sáng nhất đến tối
nhất [6].
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
53
Bảng 3.1: Ký hiệu phân loại bề mặt
1 Đất đô thị 2 Đất nông nghiệp 3 Đồng cỏ 4 Rừng cây rụng theo mùa
(deciduous) 5 Rừng cây lâu năm (coniferous) 6 Rừng hỗn hợp và đất ướt 7 Nước 8 Vùng đầm lầy, ẩm ướt 9 Sa mạc 10 Tundra (đồng rêu vùng cực) 11 Băng vĩnh cửu 12 Rừng nhiệt đới, cận nhiệt đới 13 Đới savan (ở nhiệt đới, nơi mưa
nhỏ)
Bảng 3.2: Một số đặc tính của các loại bề mặt
Đặc tính Bề mặt nông
nghiệp
Rừng cây lâu năm
Rừng nhiệt đới
Đới Savan
Độ cao dịch chuyển (m)
0 9 18 0
LAI (max/ min) 6/0,5 6/5 6/5 6/0,5
rs,min (s m-1) 120 200 150 200
z0 (m) 0,06 1,0 2,0 0,1
Kiểu đất 6 6 8 6
Màu đất 4 4 4 1
Độ sâu lớp đất trên (m)
0,1 1,0 0,1 0,1
4.2 Phạm vi nghiên cứu
Để thử nghiệm, chúng tôi tiến hành chạy mô hình MM5 gốc ( Mô hình
lồng NOAH LSM) tạm gọi là MM5NOAH và MM5 có cài sơ đồ BATS gọi là
MM5BATS trong khoảng thời gian 2 tháng từ 01/05/1996 đến 30/6/1996
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
54
- Độ phân giải của mô hình là 54x54 km
- Việc lựa chọn miền tính thích hợp là một vấn đề không đơn giản, nhất là
đối với vùng Đông Nam Á và Việt Nam Đông Dương, vì đây là nơi “giao
tranh” của nhiều hệ thống gió mùa khác nhau. Do đó, ở đây chúng tôi cố gắng
chọn miền tính sao cho khu vực Việt Nam Đông Dương nằm ở trung tâm và
vùng đệm không quá nhỏ. Vùng được chọn tính có vĩ độ từ 70N đến 250N, kinh
độ từ 970E đến 1150E
4.3 Kết quả nghiên cứu
Sau khi cài sơ đồ BATS vào MM5, chúng tôi tiến hành chạy thử nghiệm
và thu được một số kết quả như sau:
4.3.1 Trường độ ẩm đất
Hình 4.1 biểu diễn trường độ ẩm các lớp đất sâu, với thời gian chạy 10
ngày, ta có thể thấy độ ẩm tại từng lớp đất khá đồng nhất. Tuy nhiên, tuỳ thuộc
vào cấu tạo địa chất, lớp phủ thực vật mà giá trị độ ẩm có khác nhau đôi chút ở
từng khu vực, vùng ven biển có giá trị lớn hơn trong đất liền. Điều này là hoàn
toàn đúng so với lý thuyết đã đưa ra ở các phần trên. Độ ẩm đất tại Trung Bộ và
Nam Trung Bộ có giá trị lớn nhất (hình 4.1), nguyên nhân là do từ cuối tháng 5
đầu tháng 6 năm 1996 tại các khu vực này xảy ra lũ tiểu mãn với lượng mưa lớn
hơn 30% đến 50% so với trung bình nhiều năm, do đó các lớp đất được cung cấp
ẩm thường xuyên.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
55
Hình 4.1 Độ ẩm đất tại các độ sâu 10, 30, 60 và 100cm
với thời gian chạy 10 ngày của MM5BATS
Với thời gian chạy là 30 ngày (hình 4.2), độ ẩm trong các lớp đất đã có sự
thay đổi khá rõ, giá trị vẫn tương đối đồng nhất ở từng lớp đất nhưng đã không
có sự khác nhau rõ rệt giữa vùng ven biển và đất liền. Nguyên nhân do lượng
nước từ bề mặt có đủ thời gian thấm xuống các lớp đất sâu. Các lớp đất phía trên
có độ ẩm nhỏ hơn so với các lớp dưới sâu do bức xạ mặt trời đốt nóng lớp bề mặt
và nước trong các lớp này bốc hơi vào trong khí quyển
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
56
Hình 4.2 Độ ẩm đất tại các độ sâu 10, 30, 60 và 100cm
với thời gian chạy 30 ngày của MM5BATS
Dựa vào hình 4.3 ta thấy, độ ẩm các lớp đất của hai mô hình MM5BATS
và MM5NOAH có sự khác nhau không đáng kể, lớn nhất là 0.16 m3/m3 ở phía
Bắc Việt Nam, còn lại toàn bộ lãnh thổ Việt Nam sự khác nhau là không nhiều.
Chênh lệch phần lớn có giá trị âm biến đổi từ -0.01 đến -0.06 m3/m3, giá trị
dương nhỏ cũng xuất hiện ở một số ít vùng, chứng tỏ độ ẩm đất của MM5BATS
nhỏ hơn MM5NOAH
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
57
Hình 4.3: Chênh lệch độ ẩm các lớp đất 10, 30, 60 và 100cm giữa MM5BATS và
MM5NOAH với thời gian chạy 10 ngày
Với thời gian chạy là 30 ngày (hình 4.4), sự chênh lệch về độ ẩm giữa
MM5BATS và MM5NOAH nhỏ hơn rất nhiều so với thời gian là 10 ngày. Chỉ
còn một ít vùng chênh lệch không đáng kể
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
58
Hình 4.4: Chênh lệch độ ẩm các lớp đất 10, 30, 60 và 100cm giữa MM5BATS và
MM5NOAH với thời gian chạy 30 ngày
Từ những kết quả trên ta thấy, mô hình MM5BATS đã mô phỏng được
quá trình thâm nhập ẩm vào các lớp đất sâu. Tuy nhiên, do hệ thống các thông số
mô tả bề mặt giữa MM5BATS và MM5NOAH khác nhau nên kết quả mô phỏng
có khác nhau.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
59
4.3.2 Trường nhiệt độ đất
Hình 4.5: Sự khác nhau về nhiệt độ các lớp đất 10, 30, 60 và 100cm giữa MM5BATS
và MM5NOAH với thời gian chạy 10 ngày
Giống như độ ẩm, nhiệt độ các lớp đất với thời gian chạy 10 ngày (hình
4.5) giữa hai mô hình cũng có sự chênh lệch nhau, ở lớp đất 10cm giá trị chênh
phổ biến trong khoảng 0,9 đến 1,2 độ. Giá trị này nhỏ hơn đối với các lớp đất sâu
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
60
Hình 4.6: Sự khác nhau về nhiệt độ các lớp đất 10, 30, 60 và 100cm giữa MM5BATS
và MM5NOAH với thời gian chạy 30 ngày
Với thời gian chạy là 30 ngày, giá trị chênh lệch nhiệt độ các lớp đất giữa
hai mô hình đã nhỏ hơn đáng kể. Giá trị chênh lệch trung bình khoảng 0,20.
Chênh lệch dương xuất hiện ở trên biển và âm trên đất liền. Nguyên nhân có thể
là do sự phân loại các lớp đất và lớp phủ bề mặt của hai mô hình là khác nhau.
Hơn nữa, phương pháp tính nhiệt truyền trong các lớp đất của hai mô hình cũng
không giống nhau.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
61
4.3.3 Trường nhiệt, áp và mưa bề mặt
Hình 4.7: Trường nhiệt và áp bề mặt trung bình tháng 5 của MM5BATS (a) và
MM5NOAH(b)
Hình 4.8: Trường nhiệt và áp bề mặt trung bình tháng 6 của MM5BATS (a) và
MM5NOAH(b)
Hình 4.7 và 4.8 biểu diễn trường nhiệt và áp trung bình tháng 5,6. Ta thấy
sự phân bố các trung tâm khí áp và nhiệt độ của hai mô hình là tương đối giống
nhau. Tuy nhiên, giữa hai mô hình vẫn có sự chênh lệch ở một số vùng với giá trị
không lớn (h ình 4.9). Chênh lệch về khí áp lớn nhất là 1 mb ở vùng gần đảo Hải
Nam của Trung Quốc. Chênh lệch về nhiệt khoảng 1 đến 2 độ xuất hiện nhiều ở
một số vùng lục địa thuộc Campuchia và Thái Lan. Giá trị chênh lệch âm gần
a) b)
a) b)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
62
như không có, điều đó chứng tỏ trường nhiệt và áp bề mặt trong MM5BATS lớn
hơn trong MM5NOAH. Theo chúng tôi, sự khác nhau đó có lẽ do trường nhiệt và
áp bề mặt chịu ảnh hưởng lớn bởi các điều kiện mặt đệm.
Hình 4.9: Chênh lệch của trường khí áp (a) và nhiệt (b) bề mặt giữa MM5BATS và
MM5NOAH
Hình 4.10: Tổng lượng mưa (cm) tháng 5 của MM5BATS và MM5NOAH
Để đánh giá trường mưa và nhiệt của MM5BATS so với quan trắc, chúng
tôi lấy chuỗi số liệu mưa và nhiệt trung bình 30 năm từ 1978 đến 2008 của gần
100 trạm khí tượng trên lãnh thổ Việt Nam. Kết quả so sánh giữa MM5BATS và
giá trị trung bình nhiều năm được biểu diễn trên hình 4.11 và 4.12
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
63
Hình 4.11 Chênh lệch về lượng mưa tháng 5 năm 1996 của MM5BATS với trung bình nhiều năm
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
64
Hình 4.12 Chênh lệch về nhiệt độ tháng 5 năm 1996 của MM5BATS
với trung bình nhiều năm
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
63
B¶ng 4.1 Lîng ma trung b×nh th¸ng cña mét sè tr¹m khÝ tîng
Tr¹m I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tæng
B¸i Thîng 28.7 27.4 48.6 90.2 251.4 260.2 243.1 334.6 327.4 227.2 87.5 25.1 1965.1
Håi Xu©n 14.2 16.6 37.2 89.0 216.3 263.0 336.5 334.9 266.6 153.9 45.3 15.5 1797.1
Nh Xu©n 24.5 24.4 40.6 57.6 156.0 171.1 205.8 276.9 392.0 256.8 96.1 31.2 1714.7
SÇm S¬n 16.4 20.6 40.8 48.4 112.2 148.4 172.5 274.3 382.3 245.9 69.3 29.5 1525.7
Thanh Ho¸ 23.4 28.7 42.1 61.1 161.6 175.8 201.3 271.7 382.6 259.0 76.8 28.8 1704.8
TÜnh Gia 36.9 37.0 49.8 54.9 128.8 141.2 167.9 262.9 455.4 352.9 96.7 35.0 1840.2
Yªn §Þnh 15.2 18.0 31.1 60.6 150.8 187.7 183.3 260.8 321.0 196.3 74.1 18.6 1379.6
CÈm Thuû 16.5 17.6 57.0 67.6 217.1 236.2 262.0 301.0 229.1 161.3 45.9 16.5 1627.7
Giµng 11.4 16.8 33.7 59.6 156.1 192.3 192.6 267.8 361.9 270.6 65.1 12.9 1640.8
Mêng L¸t 10.0 10.7 34.7 80.4 131.6 188.7 233.7 219.3 146.8 81.8 19.7 8.6 1166.2
Ngäc Tr¹c 32.2 31.0 44.4 63.7 150.2 144.1 155.0 238.7 399.0 339.6 80.9 24.6 1703.4
Th¹ch Qu¶ng 17.2 15.9 45.8 63.5 185.3 234.8 273.5 288.3 222.0 127.5 54.4 12.1 1540.2
Mai Ch©u 15.6 13.6 29.5 98.0 239.6 321.2 377.8 441.4 438.8 169.9 48.8 13.9 2207.1
Méc Ch©u 18.4 21.8 42.3 103.0 180.8 238.9 269.1 322.4 264.7 128.0 38.7 16.0 1643.2
Ninh B×nh 23.2 32.3 48.4 77.7 170.4 219 229 316 365 231 67.4 31 1820
Quú Ch©u 15.9 13.9 26.7 86.3 213.4 212 197 276 318 232 56 17 1661
Quúnh Lu 17.4 23.2 32 55.3 102.2 135 121 232 410 345 86.1 31 1595
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
64
B¶ng 4.2 NhiÖt ®é trung b×nh th¸ng cña mét sè tr¹m khÝ tîng
Tr¹m I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Tæng
B¸i Thîng 17.0 17.7 20.3 23.9 27.0 28.4 28.6 27.8 26.7 24.5 21.4 18.2 23.5
Håi Xu©n 17.1 18.3 21.1 24.6 26.9 27.7 27.6 27.1 26.1 23.8 20.7 17.8 23.2
Nh Xu©n 17.1 17.6 20.0 23.7 27.2 28.8 29.0 28.0 26.6 24.3 21.1 18.1 23.5
SÇm S¬n 17.1 17.4 19.5 23.7 27.2 29.0 29.2 28.6 27.1 25.2 22.4 18.7 23.8
Thanh Ho¸ 17.2 17.6 19.9 23.7 27.3 29.0 29.1 28.3 27.0 24.6 21.8 18.7 23.7
TÜnh Gia 17.2 17.4 19.7 23.4 27.2 29.1 29.5 28.5 27.0 24.6 21.4 18.4 23.6
Yªn §Þnh 17.1 17.8 20.2 23.8 27.1 28.7 28.9 28.0 26.8 24.5 21.3 18.2 23.5
Mai Ch©u 16.9 18.2 21.3 24.8 27 27.7 27.7 27.1 25.8 23.5 20.4 17.6 23.2
Méc Ch©u 12.3 13.5 17 20.4 22.5 23.1 23.1 22.6 21.3 19 15.9 13.1 18.7
Ninh B×nh 16.6 17.2 19.8 23.5 27.2 28.8 29.2 28.5 27.3 24.8 21.6 18.3 23.6
Quú Ch©u 17.2 18.3 21 24.7 27 27.9 28.1 27.3 26.1 23.9 20.8 17.9 23.4
Quúnh Lu 17.5 17.9 20.2 23.8 27.3 29 29.3 28.3 26.8 24.5 21.5 18.6 23.7
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
65
Kết luận và kiến nghị
Qua việc nghiên cứu tác động của tham số hoá các quá trình bề mặt trong
mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình MM5, chúng tôi rút ra một số kết luận
sau:
- Luận văn đã tiến hành cài đặt thêm một lựa chọn đó là đưa sơ đồ BATS vào mô
hình MM5 để thử nghiệm mô phỏng khí hậu
- Các sơ đồ đất có tác động khác nhau đến trường nhiệt và độ ẩm đất các lớp đất
sâu, do đó sẽ ảnh hưởng đến việc mô phỏng khí hậu
- Trường độ ẩm tại các lớp đất của MM5BATS và MM5NOAH có sự khác nhau
nhưng không rõ nét, thời gian chạy càng dài thì sự sai khác càng ít. Trường nhiệt
độ các lớp đất của MM5BATS và MM5NOAH khác nhau đáng kể, lớn nhất lên
đến hơn 20C. Tuy nhiên khi thời gian chạy dài thì sự sai khác này cũng giảm đi
- Cần phải tiến hành thử nghiệm chạy MM5BATS trong khoảng thời gian dài
hơn để có được đánh giá chính xác về khả năng mô phỏng khí hậu của
MM5BATS
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
66
PHỤ LỤC
Phụ lục 1: Sơ đồ chi tiết các modul của mô hình MM5
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
67
Phụ lục 2: Các chương trình tính trong mô hình MM5
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
68
Phụ lục 3: Chức năng của các chương trình trong BATS
Bdcon: Khai báo các hằng số
Initb: Tạo trường ban đầu
Bmarch: Chương trình con chính
Outb: Chiết xuất số liệu đầu ra
Satur: Tính áp suất hơi nước bão hoà
Solbdc: Xác định các hằng số của đất như lượng nước cực đại trong đất, bốc hơi cực
đại
Albedo: Tính albedo ứng với các bước sóng khác nhau
Zenith: Tính góc thiên đỉnh của mặt trời
Bndry: Chương trình con chính
Bufout: Trường đầu ra của mô hình
Drag: Tính các hệ số trao đổi bề mặt tại mực đo gió từ mực thấp nhất của mô hình
Dragdn: Đưa các hệ số drag về lưới vuông
Depth: Các thông số về độ dày của tuyết
Vcover: Thông số về diện tích lá và thân cây
Drip: Lượng nước hoặc tuyết chảy từ lá
Leftem: Tính nhiệt, thông lượng và sự thoát hơi từ lá
CO2: Tính sự hấp thụ và phân huỷ cacbon của thực vật
Tseice: Đưa ra thông lượng ẩn nhiệt, hiển nhiệt và tuyết tan trên băng
Tgrund: Tính nhiệt độ đất
Snow: Cập nhật độ che phủ và tuổi của tuyết
Water: Cập nhật độ ẩm đất và dòng chảy mặt
Frawat: Xác định phần tán lá bị phủ bởi nước, tán lá khô và bốc thoát hơi
Root: Tính thoát hơi cực đại từ rễ cây
Lfdrag: Tính lại hệ số drag
Condch: Tính độ dẫn nhiệt (hiển nhiệt) để tính thông lượng nhiệt của đất và tán lá
Condcq: Tính độ dẫn nhiệt (ẩn nhiệt) để tính thông lượng nhiệt của đất và tán lá
Deriv: Tính đạo hàm dòng năng lượng của lá theo Newton-Raphson
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
69
Phụ lục 4: Chức năng của các chương trình trong NOAH LSM
Redprm: Khai báo các tham số bề mặt
Csnow: Hàm tính điều kiện xuất hiện tuyết
Snow_new: Cập nhật tuyết dựa vào lượng tuyết rơi
Snfrac: Xác định lớp tuyết phủ
Alcalc: Tính sự thay đổi albedo bề mặt do tuyết phủ
Tdfcnd: Tính khuếch tán nhiệt của đất
Snowz0: Xác định độ nhám của bề mặt
Penman: Tính nhiệt độ ảo và nhiệt độ thế vị ảo
Canres: Tính kháng trở khí khổng
Devap: Tính bốc hơi trực tiếp từ đất
Transp: Tính thoát hơi từ vòm thực vật
Tbnd: Tính nhiệt độ bề mặt đất
Tmpavg: Tính nhiệt độ trung bình
Snksrc: Tính nhiệt thu được do sự đổi pha băng
Rosr12: Tính và cập nhật nhiệt độ đất
Evapo: Tính bốc hơi tổng cộng
Smflx: Tính thông lượng ẩm của đất
Evapo: Tính bốc hơi tổng cộng
Shflx: Tính thông lượng nhiệt của đất và cập nhật độ ẩm đất
Hrtice: Tính tốc độ biến đổi nhiệt của băng
Hstep: Tích phân theo thời gian gradien nhiệt của đất
Hrt: Tính gradien nhiệt của đất
Srt : Tính tốc độ biến đổi ẩm của đất
Frh2o: Tính nước đóng băng ở dưới 00
Wdfcnd: Tính nước thẩm thấu và dòng chảy
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
70
Tµi liÖu tham kh¶o
TiÕng ViÖt
[1]. Lu §øc H¶i, C¬ së khoa häc m«i trêng, 2001, NXB§HQG
[2]. Phan V¨n T©n, Gi¸o tr×nh KhÝ hËu häc, 2002
[3]. §Æng ThÞ Thu Thuû, Gi¸o tr×nh KhÝ tîng N«ng NghiÖp, 1998
[4]. TrÇn C«ng Minh, Gi¸o tr×nh Vi khÝ hËu, 2002
[5]. Ph¹m Ngäc Hå, Hoµng Xu©n C¬, C¬ së khÝ tîng häc, tËp 3, 1991,
NXBKHKT
TiÕng Anh
[6]. R.E. Dickinson, Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS) version 1e
for NCAR Community Climate Model, 1993 Tech. Note NCAR/TN-387+STR. Natl.
Cent. for Atmos. Res., P.O. Box 3000, Boulder, CO-80307
[7]. R. Avissar, A conceptual aspects of a statistical dynamical approcah to
represetat landscape subgrid scale heteorogeneitu in atmosphereic model, Jou. Geo.
Res, V97, 1992
[8]. R. Avissar, R. Piekle, A parameterization of heterogeneous surface land
surface for atmospheric numerical model and its impact on regional meteorology. Mon.
Wea. Rev. V117, 1989
[9]. R. Piekle et al, Interations between the atmosphere and terrestial
ecosystem: influence on weather and climate, Global Change Biology, 1998
[10]. N. Molder, On the influence of surface heterogeneity on the bowen ration:
a theoretical case study, Theoretical and applied climatology, 2000
[11]. F. Giogri et al Representation of heterogeneity effects in earth sustem
modeling: Experience from land surface modeling, Rev. Geophys., 1997
[12]. J. W. Shuttleworth, Influence of Sub-grid Scale Heterogeneity Within
Meteorological Models, Department of Hydrology and Water Resources, University of
Arizona.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG
71
[13]. D. Gustafsson, Modelling Soil-Snow-Vegetation-Atmosphere behaviour,
PHD thesis, 2002
[14]. P. Viterbo, A reviews of parameterization of land surface, Meteorological
training course lecture series, ECMWF, 2003
[15]. F. Giogri et al The second generation of Regional Climate Model, Journal
of Climate, 1994