Nghiên cứu ảnh huởng của quá trình tương tác đất – khí quyển đến điều kiện khí hậu khu vực miền Trung Việt Nam

Đại học Quốc gia Hà Nội Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên Nghiên cứu ảnh hởng trình tơng tác đất khí đến điều kiện khí hậu khu vực miền Trung Việt Nam Chủ trì đề tài: PGS TS Phan Văn Tân Hà Nội 2003 Đại học Quốc gia Hà Nội Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên Nghiên cứu ảnh hởng trình tơng tác đất khí đến điều kiện khí hËu khu vùc miỊn Trung ViƯt Nam M· sè: QG.02.16 Chủ trì đề tài: PGS TS Phan Văn Tân Các thành viên tham gia: PGS TS Nguyễn Hớng Điền ThS Ngun Minh Tr−êng ThS Vị Thanh H»ng ThS TrÇn Ngäc Anh CN Nguyễn Đăng Quang CN D Đức Tiến CN Hoàng Thanh Vân NCS Bùi Hoàng Hải Hà Nội 2003 Báo cáo tóm tắt đề tài Tên đề tài: Nghiên cứu ảnh hởng trình tơng tác ®Êt – khÝ qun ®Õn ®iỊu kiƯn khÝ hËu khu vùc miỊn Trung ViƯt Nam M· sè: QG.02.16 Chủ trì đề tài: PGS TS Phan Văn Tân C¸c c¸n bé tham gia: 1) PGS TS Ngun H−íng §iỊn 2) ThS Ngun Minh Tr−êng 3) ThS Vị Thanh Hằng 4) ThS Trần Ngọc Anh 5) CN Nguyễn Đăng Quang 6) CN D Đức Tiến 7) CN Hoàng Thanh Vân 8) NCS Bùi Hoàng Hải Mục tiêu nội dung nghiên cứu: 1) Mục tiêu: - Đánh giá đợc vai trò lớp phủ thực vật, dạng mặt đệm khác đến dòng nhiệt, ẩm bề mặt khu vực miền Trung Việt Nam - Xác định đợc mức độ ảnh hởng biến đổi tính chất mặt đệm đến điều kiện khí hậu khu vực nghiên cứu 2) Nội dung: a) Nghiên cứu xây dựng/ứng dụng phát triển mô hình mô trình tơng tác đất khí Nghiên cứu lý thuyết mô hình hoá/mô trình trao đổi nhiệt, ẩm lớp thổ nhỡng lớp phủ thực vật khí Tìm hiểu, xây dựng thuật toán tính dòng nhiệt, ẩm lớp đất khí bề mặt Xây dựng/ứng dụng phát triển chơng trình tính toán dòng nhiệt, ẩm lớp thổ nhỡng lớp phủ thực vật khí b) Nghiên cứu ảnh hởng trình trao đổi nhiệt, ẩm nguồn ẩm đến điều kiện khí hậu khu vực Xác định loại lớp thổ nhỡng tính chất líp phđ thùc vËt trªn vïng nghiªn cøu ii − Tính dòng trao đổi nhiệt, ẩm cho tổ hợp đất lớp phủ thực vật; xác định biến đổi theo không gian thời gian chúng Xác định mức độ ảnh hởng trình trao đổi nhiệt, ẩm lớp thổ nhỡng líp phđ thùc vËt − khÝ qun ®Õn khÝ hËu khu vực nghiên cứu Các kết đạt đợc: 1) Trên sở tập số liệu đất sử dụng với độ phân giải ngang 30 phút 10 phút, đà khảo sát tính bất đồng bề mặt ô lới mô hình khí hậu khu vực độ phân giải ngang 54 km khu vực từ 103oE110oE từ 12oN20oN Mức độ bất đồng bề mặt đợc đánh giá vào số loại bề mặt xuất ô lới Hai phơng án đợc tiến hành khảo sát (1) Xác định số loại bề mặt thực có ô lới mô hình dựa tỷ lệ phần trăm diện tích phủ loại (PA1), (2) Chia ô lới mô hình thành 32=9 ô lới con, ô lới xác định loại bề mặt thống trị, sau xác định số ô lới ô lới mô hình có loại bề mặt thống trị khác (PA2) Kết tính toán cho thấy, ngoại trừ bề mặt biển, hầu nh ô lới nằm đất liền xảy bất đồng Số loại bề mặt xuất ô lới mô hình thờng loại PA1 có số ô lới xuất bất đồng nhiều PA2 Các loại bề mặt S2 (đất nông nghiệp đất trồng hỗn hợp) S12 (rừng nhiệt đới cận nhiệt đới thờng xanh) có diện tích tăng lên, loại S7 (bề mặt nớc) S13 (cây bụi, cỏ cao savan) bị giảm diện tích 2) Nghiên cứu ứng dụng sơ đồ trao đổi bề mặt BATS để khảo sát ảnh hởng bề mặt đệm đến dòng lợng, nhiệt, ẩm từ bề mặt đà thực trờng hợp thử nghiệm cho loại bề mặt chủ yếu vùng nghiên cứu S2, S5, S12 S13 với BATS chạy tính chế độ độc lập Các tham số đầu vào liên quan đến đặc tính bề mặt tác động từ khí đợc lấy giả định nhằm khảo sát độ nhạy Kết tính toán rằng, điều kiện tác động từ khí quyển, bề mặt có độ che phủ thực vật lớn trao đổi dòng hiển nhiệt ẩn nhiệt bề mặt khí xảy mạnh mẽ Sù biÕn ®ỉi cđa ®é che phđ thùc vËt cã tác động đáng kể đến dòng lợng từ loại bề mặt khác Việc giảm độ che phủ thực vật làm tăng dòng hiển nhiệt, làm giảm tốc độ bốc thoát bề mặt, làm tăng lợng dòng chảy mặt Tốc độ tần suất giáng thủy có tác động quan trọng tới dòng chảy mặt Sự suy kiệt dòng chảy mặt, giảm dòng ẩn nhiệt, tăng mạnh đổi hớng dòng hiển nhiệt từ bề mặt vào khí giáng thủy đặc điểm đáng ý xem xét vai trò bề mặt mô hình khí hậu 3) Nghiên cứu tác động bất đồng bề mặt tới dòng trao đổi nhiệt, ẩm lợng ma mô hình dự báo khí hậu Trên sở BATS chạy kết hợp với mô hình khí hậu khu vực RegCM, đà tính toán dòng nhiệt, ẩm từ bề mặt mô trờng lợng ma cho tháng 610/1996 khu vực miền Trung Việt Nam vùng phụ cận với ba phơng án thử nghiệm: PA0 (cha tính đến bất đồng bề mặt), PA1 PA2 Kết nhận đợc cho thấy, việc đa vào tính bất đồng bề mặt đà làm thay đổi rõ rệt phân bố dòng nhiệt, ẩm từ bề mặt nh lợng ma dự báo theo mô hình Trên phần lớn diện tích vùng nghiên cứu, giá trị dòng ẩn nhiệt hiển tính theo PA1 lớn PA2, với độ chênh lệch biến thiên khoảng từ 010%, đặc biệt số nơi, nh khu vực Biển Hồ vùng đảo Hải Nam (Trung iii Quốc), đạt tới khoảng 40% tùy thuộc vào thời gian năm Khi đa vào tính bất đồng bề mặt, lợng ma dự báo theo mô hình dải miền Trung Việt Nam tháng 6, 7, tăng lên cách đáng kể so với trờng hợp cha tính đến bất đồng Mức độ khác biệt lên tới 200250 mm Tuy nhiên, tháng 9, 10 lợng ma dự báo theo PA1 PA2 khu vực có xu hớng giảm so với PA0 Tình hình kinh phí đề tài Tổng kinh phí đợc cấp: 60.000.000 đồng Đà nhận: 60.000.000 đồng Đà toán: 60.000.000 đồng Xác nhận Ban Chủ nhiệm khoa Chủ trì đề tài PGS TS Phạm Văn Huấn PGS TS Phan Văn Tân Xác nhận cña Tr−êng iv Abstract Project title: Study on effects of land-atmosphere interactions on climatological conditions in the middle of Vietnam Code number: QG.02.16 Project Leader: Assoc Prof Dr Phan Van Tan Members: 1) Assoc Prof Dr Nguyen Huong Dien 2) M.Sc Nguyen Minh Truong 3) M.Sc Vu Thanh Hang 4) M.Sc Tran Ngoc Anh 5) B.Sc Nguyen Dang Quang 6) B.Sc Du Duc Tien 7) B.Sc Hoang Thanh Van 8) PhD Student Bui Hoang Hai Aims and contents of project: 1) Aims: − Assessing the roles of vegetation/land covered types on the surface heat and moisture fluxes over middle of Vietnam and adjacent regions − Stusying the effects of heterogeneities of land surfaces to the climatological conditions over interested regions 2) Contents: a) Applying and developing Earth Surface Exchange Models (ESEMs) − Studying on theories of ESEMs − Studying on algorithm and develop programs to calculate the surface fluxes b) Studying the effects of the vegetation/land covered heterogeneities on the heat and moisture exchange processes between land surface and atmosphere, and on climatological regional conditions − Determine the types of the vegetation/land covers and their properties over interested region − Calculate the head and moisture fluxes with respect to each vagetation/land cover type, determine their spatial and temporal distributions − Determine the effects of the vegetation/land cover heterogeneities on the heat and moisture fluxes from surface, and on the rainfall simulation v Results: 1) Based on the land−use data sets of 30 minute and 10 minute resolutions, the heterogeneities of vegetation/land covered types are investigated in corresponding to the model mesh size of 54 km over domain of 103oE−110oE and 12oN−20oN The heterogeneities are defined by the number of vegetation/land cover types that are available in each grid box Two cases of heterogeneities are investigated: (1) The heterogeneity is defined base on the area fractions of vegetation/land types in the model grid box (PA−1), and (2) the model grid box is divided into regularly spaced sub−grid of 32=9 elements; each element of the sub-grid is assigned an individual surface type; The heterogeneity is defined by the number of sub−grid elements having different surface types (PA−2) The results showed that, except the ocean areas, most of the model grid box that located over continent is heterogeneous The number of surface types in the model gird box is usually or In the case of PA−1, the number of the model grid box that occur heterogeneity is more than in the case of PA−2 The areas of surface types of S2 (crop/mixed farming) and S12 (evergreen broadleaf tree) are increased, while for the S7 (water/ocean) and S13 (savannah/tall grass) are decreased 2) Studying and applying BATS to investigate the effects of land surfaces on the surface heat and moisture fluxes Here we use BATS with stand−alone mode to run with the dominated surface types of S2, S5, S12 and S13 The input parameters of the surface type properties and atmospheric forcing are chosen as assumptions The results showed that, in the same atmospheric forcing, the heat and moisture exchange fluxes are stronger from surface types that have larger fractional vegetation cover Changes in fractional vegetation covers significantly affect the energy fluxes from surface types Decrease of fractional vegetation covers lead to increase of sensitive heat fluxes, decrease of evapotranspiration rate and increase of surface runoff The rate and frequency of precipitation strongly affects surface runoff The decline of the runoff, reduction of latent heat fluxes, and enhancement and change of direction of the surface sensitive heat fluxes to the atmosphere caused by absence of precipitation is one of important features of the land surface processes 3) Study on effects of land surface heterogeneities on the heat, moisture and simulated rainfall within regional climate model Using Regional Climate Model (RegCM) coupled with BATS, we have calculated the surface sensitive heat and latent heat fluxes, and simulated rainfall in the period of June−October 1996 over middle of Vietnam and adjacent regions Three experiments are carried out: PA−0 (heterogeneity of the land surface is not treated), PA−1 vµ PA−2 The results showed that, the distribution of the surface sensitive heat, latent heat fluxes as well as simulated rainfall are changed strongly when the heterogeneity of surface are treated Over the most of interested regions, the sensitive heat and latent heat fluxes obtained in the PA−1 experiment are larger than in the PA−2 experiment with differences range from 0−10% These differences can reach to 40% in the Bien Ho and Hai Nam areas depend on the time in the year When the surface heterogeneity is included, the simulated rainfall over the middle of Vietnam is increased significantly in comparison with the case that the land surface heterogeneity is not treated during the period of June−August These vi differences can reach to 200−250 mm The simulated rainfall of September and October in the PA−1 and PA−2 experiments tend to decrease in comparison with PA−0, however, over these areas Funding: Total support: 60.000.000 VND Received: 60.000.000 VND Spent: 60.000.000 VND vii Mục lục Mở đầu Chơng Mô hình hoá trình bề mặt mô hình khí hậu 1.1 Vai trò trình bề mặt đất mô hình hoá hệ thống khí hậu 1.1.1 Vài nét mô hình trao đổi bỊ mỈt 1.1.2 Mô hình trao đổi bề mặt mô hình hệ thống khí hậu 1.1.3 Quan hệ trình khác hÖ thèng khÝ hËu 1.1.4 Cấu trúc mô hình trao ®ỉi bỊ mỈt 18 1.2 Sơ lợc cách tiếp cận mô hình ho¸ 18 1.2.1 Những mô hình đơn giản 18 1.2.2 Hiện trạng mô hình trao đổi bề mặt 20 1.3 ảnh hởng tính bất đồng bề mặt 30 1.3.1 Vấn đề biểu diễn tính bất đồng bề mặt 31 1.3.2 ¶nh h−ëng trùc tiÕp cđa tÝnh bÊt ®ång nhÊt bỊ mặt 32 1.3.3 ảnh hởng gián tiếp tính bất đồng bề mặt 34 Chơng Mô tả mô hình tính dòng trao đổi bề mặt khí 37 2.1 Mở đầu 37 2.2 Phân loại bề mỈt 38 2.3 TÝnh albedo bÒ mỈt .41 2.4 TÝnh nhiƯt ®é ®Êt 43 2.5 Tính độ ẩm đất lớp phủ tuyết điều kiện lớp phủ thực vật 43 2.5.1 Giáng thủy (ma tuyÕt r¬i) 44 2.5.2 Ngn Èm cđa ®Êt 44 2.5.3 Nớc rò rỉ thấm xuống bể n−íc ngÇm 44 2.5.4 Sù bèc h¬i .45 2.5.5 Dòng chảy mặt 45 2.5.6 Líp phđ tuyÕt 45 2.6 Hệ số cản dòng đất trống 46 2.7 Các trình dòng lợng thực vật 47 2.7.1 Tham sè hãa biến 47 2.7.2 Sù tÝch lịy gi¸ng thủy sơng bị chặn giữ thực vật 47 2.7.3 Các dòng từ tán l¸ 48 2.7.4 Kh¸ng trë khÝ khỉng 48 2.7.5 Kh¸ng trë rƠ 49 2.7.6 Cân lợng tán thực vật đất 49 2.7.7 Nhiệt độ 49 2.7.8 Các dòng lợng từ đất lớp phñ thùc vËt 50 2.7.9 Độ ẩm đất có lớp phủ thực vật 50 Chơng Kết tính toán nhận xét .51 3.1 Sè liÖu 51 3.2 Kh¶o sát mức độ bất đồng bề mặt khu vùc nghiªn cøu 52 3.3 Vai trò loại bề mặt khác dòng lợng nhiệt ẩm 53 3.3.1 ảnh hởng loại bề mặt đến dòng trao ®ỉi nhiƯt Èm 55 3.3.2 Vai trò tác động từ khí đến dòng trao đổi nhiệt ẩm từ bề mặt 55 3.4 Tác động tính bất đồng bề mặt đến phân bố dòng trao đổi lợng đấtkhí qun khu vùc miỊn Trung ViƯt Nam vµ vïng phơ cận 58 Kết luận kiến nghị 62 Tài liệu tham khảo 64 Phô lôc 66 Mở đầu Trên quan điểm vật lý, hệ thống khí hậu bao gồm thành phần (5 hệ con) khí quyển, thủy quyển, băng quyển, sinh thạch [5] Sự tơng tác thành phần hệ thống khí hậu đà đợc nghiên cứu nhiều năm qua Tuy nhiên, năm gần mô hình toán học đợc nghiên cứu xây dựng để mô tả hệ thống khí hậu (từ gọi mô hình hệ thống khí hậu (Climate System Models – CSMs)) nh− mét tỉng thĨ cho chế hồi tiếp (feedback) đợc nhận biết định lợng hoá Trọng tâm việc mô hình hoá hệ thống khí hậu trình trao đổi xuất bề mặt trái đất Những trình trao đổi đóng vai trò tơng tác khí quyển, sinh thuỷ quyển, định nguồn (budget) lợng nh phân bố hợp phần hoá häc quan träng Trong hƯ thèng khÝ hËu, bỊ mỈt trái đất đóng vai trò phân bố lại lợng xạ mặt trời mà hấp thụ đợc Bề mặt hấp thụ lợng xạ mặt trời trả lại cho hệ thống khí hậu dòng phát xạ sóng dài dòng phi xạ Các dòng lợng phi xạ bao gồm ẩn nhiệt, hiển nhiệt, dòng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu, lợng nhiệt dành cho trình chuyển pha nớc phản ứng sinh hoá xảy bề mặt [4, 10, 15] Sự tơng tác bề mặt trái đất khí diễn quy mô không gian thời gian Bề mặt trái đất bao gồm hai thành phần lớp phủ thực vật lớp phủ thổ nhỡng (đất) Bề mặt chịu tác động khí thông qua tơng tác víi líp phđ thùc vËt Líp ®Êt phÝa d−íi ®ãng vai trò tích trữ vật chất Xét độ lớn dòng nhiệt phi xạ, thông lợng nhiệt truyền xuống lớp đất sâu chiếm khoảng 10% lợng giành cho phản ứng sinh hoá chiếm dới 1% lợng lợng bề mặt hấp thụ Nh vậy, bề mặt đóng vai trò trực tiếp cung cấp lợng cho khí thông qua dòng ẩm nhiệt rối Các dòng lợng ẩn nhiệt, hiển nhiệt truyền từ bề mặt liên quan trực tiếp đến trạng thái nhiệt, ẩm phân tầng khÝ qun BỊ mỈt cung cÊp nhiƯt, Èm cho khÝ góp phần vào trình hình thành, phát triển mây giáng thuỷ Sự phát triển mây giáng thuỷ lại quan hệ chặt chẽ với khả truyền xạ mặt trời khí gián tiếp liên quan tới chế động lực khác chuyển động khí từ quy mô vi mô, quy mô vừa quy mô lớn Khả phân bố lại lợng bề mặt phụ thuộc vào loại bề mặt đệm (land use) trạng thái thuỷ văn Đối với vùng đất khô trống (không có thực vật), lợng mặt trời chủ yếu dùng để đốt nóng bề mặt Khi dòng nhiệt rối (hiển nhiệt) dòng nhiệt truyền xuống lớp đất phía dới lớn hầu nh không xảy bốc bề mặt Ngợc lại, bề mặt ớt (sau ma, đất nông nghiệp sau tới), lợng hầu nh đợc sử dụng cho trình bốc thoát bề mặt Trong trờng hợp dòng hiển nhiệt dòng nhiệt truyền xuống đất sâu thờng nhỏ nhiều so với dòng ẩn nhiệt Đối với bề mặt có thực vật bao phủ dày, nớc lớp đất rễ đợc hút rễ trình thoát thực vật Vì vậy, điều ... chất mặt đệm đến điều kiện khí hậu khu vực nghiên cứu 2) Nội dung: a) Nghiên cứu xây dựng/ứng dụng phát triển mô hình mô trình tơng tác đất khí Nghiên cứu lý thuyết mô hình hoá/mô trình trao... học Quốc gia Hà Nội Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên Nghiên cứu ảnh hởng trình tơng tác đất khí đến điều kiện khí hËu khu vùc miỊn Trung ViƯt Nam M· sè: QG.02.16 Chủ trì đề tài: PGS TS Phan Văn... thiên điều kiện ẩm nhiệt độ bề mặt đất lớn, từ vùng đất khô cằn đến vùng khí hậu ẩm ớt, từ khí hậu nhiệt đới đến khí hậu cực Trên bề mặt đất, nhiệt dung nhỏ, khả tích lũy nớc hạn chế, dẫn đến biến