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

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 đ ồng 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, E p , I và P lần lượt là bốc hơi, bốc hơi khả năng, lượng thẩm thấu và mưa Những nhân tố quan trọng khác góp phần ảnh hưởng của bề mặt tới khí quyển là con người và thế giới sinh vật trên bề mặt Trái đất. Sự phát thải các chất khí độc hại do hoạt động sản xuất của con người sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần của khí quyển (các chất xol khí) và hệ quả là các quá trình truyền và Đất thống trị Đất thống trị Khí quyển thống trị Khí quyển thống trị E<E p E=E p I=P I<P C B D A [...]... trỡnh (1.2) ta ó b qua nng lng dnh cho cỏc phn ng sinh hoỏ Hình 1.4: Sự phân bố lại năng lượng mặt trời tại bề mặt (trái) và các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt truyền vào trong lớp biên khí quyển (phải) Coi cỏc quỏ trỡnh truyn nhit ri ( SH ) , bc thoỏt hi ( E ) v truyn ng lng (ng sut b mt ) l ta khuch tỏn Theo lý thuyt tng t ca MoninObukhov, thụng lng khuch tỏn F ca mt lng t b mt vo khớ quyn cú th tớnh theo... c gn ỳng thu tnh Vic thit lp RUBC trong cỏc mụ hỡnh ph l tng i n gin, nhng phc tp hn i vi nhng mụ hỡnh nỳt li 2.4.3.3 Tham s hoỏ vt lý Cỏc quỏ trỡnh quy mụ di li nh i lu, bc x, khuych tỏn ri ngang v thng ng, cỏc quỏ trỡnh b mt u cú vai trũ rt quan trng i vi ng lc hc khớ quyn Chớnh vỡ vy chỳng cn c tham s hoỏ trong mụ hỡnh d bỏo Cỏc s tham s hoỏ vt lý trong mụ hỡnh MM5 rt phong phỳ, to iu kin thun li... 1993) Trong mt mụ hỡnh khu vc núi chung, vn tham s hoỏ i lu cumulus trong chu k nc cú tm quan trng c bit, bi l c nhng mụ hỡnh khu vc cú phõn gii cao hin nay vn cha th mụ phng c nhng i lu riờng bit v cỏc quỏ trỡnh vn chuyn nhit m Mụ hỡnh MM5 cú cỏc la chn s tham s hoỏ khỏc nhau: Anthes-Kuo, Grell, Arakawa-Schubert, Fritsch-Chappell, KainFritsch, Betts-Miller, Kain-Fritsch 2, Shallow Cumulus 2.4.3.5 Tham. .. bn trc trong cỏc mng: + K thut lng ghộp nhiu mc + ng lc hc bt thu tnh + ng hoỏ s liu 4 chiu + B xung la chn cỏc s tham hoỏ vt lý + K thut tớnh toỏn Mụ hỡnh MM5 s dng h thng li lng (nesting grid) nhm mụ phng tt hn cỏc quỏ trỡnh vt lý cú quy mụ nh hn bc li ca min tớnh ban u V lý thuyt, MM5 cho phộp lng ti a 9 khu vc T l ca phõn gii theo phng ngang ca min tớnh trong vi min tớnh ngoi luụn l 3:1 MM5 l... 3: NG DNG BATS CHO MM5 Nhm tng cng thờm la chn v s t cho mụ hỡnh MM5 trong vic th nghim mụ phng khớ hu Chỳng tụi tin hnh s dng s BATS trong mụ hỡnh MM5 3.1 Mụ t s BATS Chc nng chớnh ca BATS l: 1) Tớnh lng bc x mt tri hp th bi b mt v bc x súng di thun, 2) Tớnh cỏc dũng trao i ng lng, hin nhit v m gia b mt v cỏc lp khớ quyn, 3) Xỏc nh cỏc thnh phn giú, m v nhit trong khớ quyn, trong cỏc tỏn lỏ thc... tớnh chớnh xỏc trong thi gian di cho dũng bc x b mt - RRTM Longwave scheme: L s phi hp vi s bc x súng ngn ca mõy khi chn IFRAD = 4 ú l mụ hỡnh truyn nhanh bc x (rapit radiative transfer model) v dựng h s tng quan biu din nh hng ca ph hp th tớnh lng hi nc, CO2, O3 2.4.3.7 Cỏc s tham s hoỏ lp biờn hnh tinh Trong mụ hỡnh MM5 cú cỏc la chn s tham s hoỏ lp biờn hnh tinh sau: - None: Khụng tham s hoỏ lp... ca MM5 (thc hin bi modul con regridder) 2.2.3 Modul INTERPF Modul INTERPF cú chc nng chớnh l: + Ni suy s liu khớ tng theo chiu thng ng vo li mụ hỡnh + B xung cỏc trng b mt nh khớ ỏp, nhit khụng khớ + X lý mụ hỡnh bt thu tnh nguyờn thu 2.2.4 Modul MM5 Modul MM5 l modul a ra kt qu d bỏo s ca mụ hỡnh, tt c cỏc la chn ca mụ hỡnh c MM5 mụ phng v d bỏo Ph ng dng ca MM5 bao gm nghiờn cu lý thuyt v ng dng MM5. .. phõn tớch trong tng lai, t mụ phng ca li thụ hn trc ú (tng tỏc mt chiu) hoc t cỏc mụ hỡnh d bỏo khỏc (trong d bỏo thi gian thc) i vi d bỏo thi gian thc, giỏ tr biờn tng ng ph thuc vo mụ hỡnh d bỏo ton cu Trong trng hp nghiờn cu cỏc s kin trong quỏ kh, iu kin biờn cú th ly t s liu phõn tớch c tng 28 LUN VN THC S NGUYN BèNH PHONG cng t cỏc thỏm sỏt b mt v cao khụng bng cỏch tng t nh l iu kin ban u Trong. .. ri Phng trỡnh nhp lng nc (budget) ti b mt: w Giáng thuỷ-Bốc thoát hơi Dòng chảy bề mặt Si ,w (1.8) t trong ú w l lng nc ti b mt, tớnh bng m hoc kg tu thuc theo i th nguyờn bờn v phi Si ,w l lng nc sinh ra hoc mt i do tan hoc úng bng Phng trỡnh truyn nc xung sõu do lng ng trng lc: q Sr t z (1.9) trong ú l lng nc trong t ( m3m3 ) , q l thụng lng nc truyn xung v Sr l ngun sinh hoc tiờu hao nc di... to iu kin thun li cho cỏc i tng s dng khỏc nhau Cỏc quỏ trỡnh vt lý c tham s hoỏ trong mụ hỡnh bao gm: i lu, vi vt lý mõy, bc x, lp biờn hnh tinh, cỏc quỏ trỡnh b mt t 2.4.3.4 Tham s hoỏ i lu Quỏ trỡnh vt lý quan trng nht phi c tham s hoỏ l i lu Quỏ trỡnh vn chuyn nhit thng ng bng i lu l quỏ trỡnh ch yu duy trỡ tc gim nhit thng ng trong tng i lu thỏm sỏt v phõn b m mụ phng c hiu ng ny phi thụng qua . 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. 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