Luận văn thạc sĩ " NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF-CHEM VÀO KHU VỰC VIỆT NAM " pot

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Đào Thị Hồng Vân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF-CHEM VÀO KHU VỰC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Phan Văn Tân Hà Nội - 2013 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian qua, việc nghiên cứu các nội dung luận văn luôn được thuận lợi và đúng hướng ngoài sự nỗ lực của cá nhân, học viên còn nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ nhiệt tình và sâu sắc của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Học viên xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn, GS.TS. Phan Văn Tân đã có những chỉ bảo, định hướng quan trọng trong toàn bộ quá trình thực hiện. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy, người đã hết lòng quan tâm cũng như kiên trì giúp đỡ từng bước nghiên cứu của học viên. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trong Bộ môn khí tượng nói riêng và Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học nói chung đã truyền đạt các kiến thức bổ ích cho học viên trong toàn bộ khóa học. Ngoài ra, học viên cũng xin chân thành cảm ơn tập thể Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để học viên hoàn thành luận văn, hơn thế nữa còn mang lại một môi trường làm việc hiếm có cho học viên. Học viên Đào Thị Hồng Vân 3 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH 4 Chương 1 TỔNG QUAN 10 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới 10 1.2 Các nghiên cứu trong nước 21 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 2.1 Sơ lược về mô hình WRF/Chem 24 2.1.1 Mô hình WRF 24 2.1.2 Mô đun CHEM 27 2.2 Thiết kế thí nghiệm 29 2.2.1 Miền tính và thời gian thí nghiệm 29 2.2.2 Các thí nghiệm 30 2.2.3 Nguồn số liệu 33 2.4 Tạo bộ số liệu phát thải cho WRF/Chem 34 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 36 3.1 Đánh giá kết quả của thí nghiệm I 36 3.1.1 Hoàn lưu, nhiệt độ và lượng mưa từ đầu ra của WRF/Chem 36 3.1.2 Mô phỏng nồng độ bụi từ WRF/Chem 43 3.2 Đánh giá kết quả của thí nghiệm II 49 3.2.1 Trường nhiệt độ và lượng mưa với các tùy chọn của WRF/Chem 49 3.2.2 Mô phỏng các chất phát thải từ WRF/Chem 58 KẾT LUẬN 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO 66 PHỤ LỤC 69 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 So sánh sự thay đổi lượng mưa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hưởng của BC và thí nghiệm B (hình dưới) khi không tính đến ảnh hưởng của BC (Menon ccs., 2002) 12 Hình 1.2 Sự thay đổi lượng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) 13 Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF 25 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống mô hình WRF/Chem phiên bản 3.4. 28 Hình 2.3 Miền tính của WRF trong các thí nghiệm. Độ phân giải ngang 30 km 29 Hình 3.1 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của các ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 37 Hình 3.2 Trường nhiệt độ không khí trung bình mực 2m từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 38 Hình 3.3 Trường nhiệt độ không khí trung bình mực 2m từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải) của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 39 Hình 3.4 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải) của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 41 Hình 3.5 Trường độ cao địa thế vị và trường gió tại mực 850 mb từ đầu ra của WRF/Chem (bên trái) so sánh với NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 43 Hình 3.6 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 850 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ 02/01/2006 đến 04/01/2006 mô phỏng bởi WRF/Chem 46 Hình 3.7 Mặt cắt kinh hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với gió kinh hướng (trung bình từ 102 đến 110E) lúc 00, 12h từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 48 Hình 3.8 Trường nhiệt độ mực 2m từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 50 5 Hình 3.9 Trường lượng mưa từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 52 Hình 3.10 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (từ trái qua phải) trừ đi số liệu APHRODITE của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 54 Hình 3.11 Trường nhiệt độ mực 2m từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (từ trái qua phải) trừ đi số liệu APHRODITE của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) 56 Hình 3.12 Profile nhiệt độ từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 57 Hình 3.13 Profile của tỉ số xáo trộn hơi nước từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 58 Hình 3.14 Profile của bụi PM2.5 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 59 Hình 3.15 Profile của bụi PM10 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 60 Hình 3.16 Profile của nồng độ SO 2 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 61 Hình 3.17 Phân bố của nồng độ PM2.5 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000 (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 62 Hình 3.18 Phân bố của nồng độ PM10 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000 (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 63 Hình 3.19 Phân bố của nồng độ SO 2 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 850 (trên) và 500 mb (dưới) ngày 04/01/2006 64 Hình P.1 Trường độ cao địa thế vị và trường gió tại mực 500 mb từ đầu ra của WRF (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 70 6 Hình P.2 Trường độ cao địa thế vị và trường gió tại mực 200 mb từ đầu ra của WRF (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 71 Hình P.3 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 1000 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 74 Hình P.4 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 500 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 75 Hình P.5 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 200 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 77 Hình P.6 Mặt cắt vĩ hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với gió vĩ hướng (trung bình từ 8 đến 24N) lúc 00, 12h từ ngày 01/01/2006 đến ngày 04/01/2006 79 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hai loại mô hình “đồng thời” và “không đồng thời” 15 Bảng 2.1 Cấu hình động lực của mô hình WRF/Chem 29 Bảng 2.2 Các tùy chọn hóa học được lựa chọn sử dụng 31 Bảng 2.3 Danh sách các thông số khác biệt cơ bản về hóa họctrong namelist của thí nghiệm 02 (WRF_DUST) 33 Bảng 3.1 Ký hiệu 5 loại bụi và kích thước bán kính tương ứng trong sản phẩm của WRF_DUST 44 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AOD Độ dày quang học của khí quyển (Aerosol Optical Depth) BC Các bon đen (Black Carbon ) EDGAR Số liệu phát thải cho nghiên cứu khí quyển toàn cầu (Emission Database for Global Atmospheric Research) GOCART Vận chuyển bức xạ xon khí hóa học Ozon toàn cầu (Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation Transport) MADE/SORGAM Mô hình động lực xon khí chuẩn cho khu vực Châu Âu kết hợp với mô hình xon khí hữu cơ thứ cấp (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe with the Secondary Organic Aerosol Model) MAPS Đo đạc ô nhiễm không khí từ vệ tinh RADM Cơ chế mô hình lắng đọng axit khu vực (Regional Acid Deposition Model Mechanism) RETRO Số liệu tái phân tích cho tầng đối lưu (REanalysis of the TROpospheric) WRF/Chem Mô hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết với môđun hóa học (The Weather Research and Forecasting – Chemistry) 9 MỞ ĐẦU Hiện nay, nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới khí hậu nói chung và biến đổi khí hậu nói riêng, đang là một trong những vấn đề quan trọng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong đó, nhiều nghiên cứu đã đề cập đến sự thay đổi của các thành phần hóa học trong khí quyển cùng với mối liên hệ trực tiếp và gián tiếp tới các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu và khu vực. Xon khí là một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi hóa học khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu. Từ đó, chúng gián tiếp ảnh hưởng tới các lĩnh vực khác trong đời sống như kinh tế, xã hội, môi truờng, sức khỏe con người Một trong những hướng nghiên cứu để tìm hiểu và đánh giá rõ ràng hơn các tác động của xon khí là kết hợp mô phỏng các quá trình hóa học vào các mô hình thời tiết, khí hậu. Được phát triển từ năm 2005, mô hình WRF/Chem (The Weather Research and Forecasting - Chemistry) là một trong những mô hình thời tiết có khả năng mô phỏng một cách hiệu quả sự phát thải, vận chuyển, xáo trộn và chuyển hóa các chất khí đồng thời với các quá trình khí tượng. Trong luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF/Chem vào khu vực Việt Nam” để nghiên cứu. Bố cục của luận văn (ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục) gồm 3 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan Trong chương này, tác giả trình bày những nghiên cứu trong nước và ngoài nước về việc ứng dụng mô hình số trong giải quyết bài toán tác động hồi tiếp giữa các chất hóa học khí quyển và các yếu tố khí hậu. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chi tiết về mô hình được chọn để ứng dụng chạy thử nghiệm, thiết kế thi nghiệm và các phương pháp đánh giá. Chương 3: Kết quả và nhận xét Trình bày tóm tắt các kết quả chủ yếu của luận văn, những điểm mới đã đạt được và kiến nghị về hướng nghiên cứu trong tương lai. 10 Chương 1 TỔNG QUAN Chương này sẽ đề cập đến ảnh hưởng của các thành phần hóa học (xon khí) tới hệ thống khí hậu đồng thời chỉ ra những biến đổi của chúng trong thập kỷ gần đây. Bên cạnh đó, những ứng dụng (trên thế giới và trong nước) của mô hình hóa trong bài toán mô phỏng các thành phần hóa học khí quyển cũng được chỉ ra, đặc biệt nhấn mạnh tới các ứng dụng của mô hình WRF/Chem. Bức tranh tổng quan ban đầu đó sẽ cho ta thấy sự cần thiết và ý nghĩa của việc ứng dụng mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam. 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ô nhiễm không khí và sự biến đổi các thành phần hóa học khí quyển có ảnh hưởng lớn đến hệ thống khí hậu và môi trường đang là một trọng tâm mới trong khoa học khí quyển hiện nay. Sự vận chuyển xuyên lục địa của các chất ô nhiễm không khí đang gây nguy hiểm cho hệ sinh thái trên toàn thế giới và có tác động mạnh đến toàn bộ hệ thống khí hậu [8]. Xon khí trong khí quyển là các hạt rắn hoặc lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có nguồn gốc tự nhiên bao gồm: các hạt muối (từ đại dương), các bụi khoáng do gió đưa lên, từ núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi,…), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí. Xon khí có ảnh hưởng lớn tới môi trường nói chung, chất lượng không khí nói riêng và cả sức khỏe con người [4],[11]. Xon khí đã và đang lan ra trên quy mô toàn cầu nhưng sự bất đồng nhất về mức độ tập trung giữa các khu vực là khá lớn, nó góp phần gây biến đổi khí hậu toàn cầu qua các tác động lên bức xạ một cách trực tiếp, bán trực tiếp và cả gián tiếp [13]. Theo Lau K.M, [13] các phần tử xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi (ảnh hưởng trực tiếp). Khi bề mặt trái đất lạnh hơn khí quyển phía trên, khí quyển trở nên ổn định (ảnh hưởng bán trực tiếp). Các phần tử xon khí làm tăng số hạt nhân ngưng kết nên hình thành nhiều hạt nước hơn nhưng lại có [...]... hướng nghiên cứu này Đồng thời, cũng dễ dàng nhận thấy xu thế của việc ứng dụng các mô hình số trị vào việc mô hình hóa các quá trình hóa học kết hợp với mô phỏng các trường khí tượng Trong đó nổi bật lên là ứng dụng của mô hình WRF/Chem, một công cụ hiệu quả cho việc mô phỏng và dự báo các thành phần hóa học khí quyển Đặc biệt hơn là việc ứng dụng thử nghiệm mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam còn... PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 1 đã trình bày các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về bài toán mô hình hóa các thành phần hóa học kết hợp với mô hình dự báo các trường khí tượng Trong đó đặc biệt nhấn mạnh đến mô hình WRF/Chem, một mô hình có khả năng dự báo và tính toán các biến khí tượng quy mô địa phương hay khu vực, đồng thời kết hợp với các mô hình khu ch tán để tính toán sự phát thải và vận chuyển... sử dụng các trường khí tượng được lấy từ quan trắc hoặc mô hình để làm đầu vào cho mô hình hóa học Các mô hình “không đồng thời” thường tích hợp gió vào vận chuyển, đôi khi các mô hình này cũng đưa các trường như độ cao lớp biên và năng lượng rối động lực vào tính toán để mô phỏng các quá trình qui mô vừa và nhỏ [19][20] Các trường khí tượng được nội suy sao cho phù hợp với đầu vào của thành phần mô. .. từ thực tế đó, luận văn sẽ tiến hành thử nghiệm ứng dụng mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam với những thí nghiệm ban đầu Chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết về mô hình WRF/Chem cũng như việc cấu hình các thí nghiệm ban đầu Lưu ý là những điểm mới và đáng quan tâm khi khai thác và làm quen với WRF/Chem cũng được chỉ ra cụ thể trong chương này 23 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 1 đã... hợp của các mô un tham số hóa động lực và vật lý giống như trong mô hình WRF Hiện nay, WRF/Chem đã và đang được phát triển, ứng dụng trong cả nghiệp vụ dự báo và nghiên cứu [7] Với nhiều ưu điểm, WRF/Chem đã được các tác giả ứng dụng trong những nghiên cứu đa dạng trên thế giới 14 Bảng 1.1 So sánh hai loại mô hình “đồng thời” và “không đồng thời” [7],[12],[29] Mô hình “không đồng thời” Mô hình “đồng... về mô hình WRF/Chem với những chú ý khi thử nghiệm sẽ được đề cập đến Thiết kế của 2 thí nghiệm sẽ được trình bày chi tiết 2.1 Sơ lược về mô hình WRF/Chem 2.1.1 Mô hình WRF Mô hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecast) là mô hình được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mô hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới như Phòng nghiên cứu. .. Các chỉ số thống kê đánh giá kết quả mô hình như MNBE, NGE và UPA nằm trong giới hạn cho phép theo hướng dẫn của USEPA và phù hợp với các nghiên cứu khác cho các khu vực khác nhau trên thế giới Năm 2009, Hồ Thị Minh Hà ccs., [2] đã sử dụng mô hình RegCM3 để mô phỏng ảnh hưởng của carbon đen (BC) lên khí hậu khu vực Ðông Nam Á và Việt Nam Các tác giả đã thực hiện mô phỏng cho một năm (từ ngày 01/01/2000... những ứng dụng ở quy mô từ mét đến hàng nghìn km Hình 2.1 Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF Các thành phần chính của mô hình WRF gồm có:  Hệ thống tiền xử lý của mô hình WRF (The WRF Pre-processing System, WPS): là chương trình được sử dụng chủ yếu để mô phỏng các dữ liệu thực, bao gồm: xác định miền mô phỏng, nội suy các dữ liệu địa hình, loại đất sử dụng, đọc và nội suy các trường khí tượng từ các mô. .. sẽ trình bày rõ hơn về mô un CHEM 2.1.2 Mô đun CHEM Nghiên cứu này sử dụng mô hình WRF/Chem phiên bản 3.4, với sự kết hợp đầy đủ các mô un hóa học bên trong mô hình khí tượng WRF [7] Hình 2.2 cho ta cái nhìn tổng quát về cấu trúc của mô hình WRF/Chem Mô un Chem cung cấp nhiều tùy chọn về cơ chế hóa học như RADM (Cơ chế mô hình lắng đọng axit khu vực – Regional Acid Deposition Model Mechanism), CBMZ... Transport), tùy chọn này sử dụng sơ đồ xon khí đơn giản nhất để tập trung vào việc mô phỏng bụi Có thể thấy qua hình 2.2, hệ thống mô hình WRF/Chem có cấu trúc gần giống với cấu trúc mô hình WRF (Hình 2.1), sự khác biệt giữa mô hình WRF/Chem với mô hình WRF thông thường là phần hóa học của mô hình cần được cung cấp số liệu dưới dạng ô lưới giống với số liệu khí tượng Số liệu đầu vào này có thể được cung . Trong luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF/Chem vào khu vực Việt Nam để nghiên cứu. Bố cục của luận văn. NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF-CHEM VÀO KHU VỰC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ