sol khí Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa

Sol khí là một trong tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi tron

1

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, Tiến sĩ Nguyễn Văn Thắng, đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới phó giáo sư, Tiến sĩ Phan Văn Tân Trong suốt quá trình nghiên cứu, thầy đã kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp và động viên tôi rất nhiều Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu Tôi xin cảm ơn Tiến sĩ Hồ Minh Hà, Tiến

sĩ Bùi Hoàng Hải và người bạn Lương Mạnh Thắng đã quan tâm, giúp đỡ, thảo luận và đưa ra những chỉ dẫn, đề nghị cho luận văn của tôi

Xin cám ơn Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng sau đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trên khoa để tiến hành tốt luận văn

Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn!

2

MỤC LỤC

MỤC LỤC 2

MỤC LỤC BẢNG 4

MỤC LỤC HÌNH 5

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM 9

1.1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ 9

1.1.1 Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất 11

1.1.1.1 Sol khí núi lửa 11

1.1.1.2 Bụi sa mạc 12

1.1.1.3 Sol khí tạo bởi con người 13

1.1.2 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất 13

1.1.2.1 Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt 15

1.1.2.2 Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy 16

1.1.2.3 Tác động của sol khí lên Albedo bề mặt và năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất 23

1.1.2.4 Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển 25

1.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH RegCM3 26

1.2.1 Giới thiệu về mô hình RegCM3 26

1.2.2 Lịch sử của RegCM 28

1.2.3 Động lực học 32

1.2.3.1 Phương trình động lượng phương ngang 32

1.2.3.2 Phương trình liên tục và phương trình .  33

1.2.3.3 Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega() 33

1.2.3.4 Phương trình thủy tĩnh 34

1.2.4 Các sơ đồ vật lí 34

1.2.4.1 Sơ đồ bức xạ 34

1.2.4.2 Mô hình bề mặt đất 35

1.2.4.3 Lớp biên hành tinh 36

1.2.4.4 Sơ đồ giáng thủy đối lưu 37

1.2.4.5 Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn 37

1.2.4.6 Tham số hóa thông lượng đại dương 38

1.2.4.7 Sơ đồ Gradient khí áp 38

1.2.4.8 Mô hình hồ 38

3

1.2.4.9 Sinh quyển 39

1.2.4.10 Thể nước 40

1.2.4.11 Sol khí và hóa học khí quyển 40

1.2.4.12 Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 41

1.3 MỤC TIÊU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 41

CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 42

2.1 SOL KHÍ SULFAT VÀ CACBON TRONG MÔ HÌNH RegCM3 42

2.1.1 Phương trình tỉ lệ xáo trộn 42

2.1.2 Sol khí Sulfat 42

2.1.3 Sol khí Cacbon 47

2.1.4 Các điều kiện biên cho SOx và sol khí Cacbon 48

2.1.5 Tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí 49

2.1.5.1 Hấp thụ và Tác động bán trực tiếp của Cacbon đen 50

2.1.5.2 Tác động gián tiếp loại 1 51

2.1.5.3 Tác động gián tiếp loại 2 52

2.2 THU THẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH RegCM 56

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH 58

3.1 THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 58

3.2 LỰA CHỌN MIỀN TÍNH 58

3.3 KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 60

3.3.1 Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình dự báo khí hậu khu vực RegCM3 60 3.3.2 Tác động của sol khí khí quyển của khu vực 61

3.3.2.1 Cán cân thuần bức xạ (Radiation Forcing) 61

3.3.2.2 Nhiệt độ và lượng mưa 68

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

4

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 1.a Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển 19 Bảng 1.1.b Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức

xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7) 19

Bảng 2.1 Bốn trường hợp thử nghiệm trong mô hình dự báo khí hậu RegCM Error! Bookmark not defined

Bảng 3.1 Trung bình toàn miền cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển, bề mặt và khí quyển trong 4 tháng đặc trưng cho bốn mùa (Đơn vị: W/m2) 65 Bảng 3.2 Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb (Đơn vị: phần trăm) 66

5

MỤC LỤC HÌNH

Hình 1.1 Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) 1

Hình 1.2 Sol khí núi lửa 1

Hình 1.3 Bụi sa mạc 1

Hình 1.4 Sol khí tạo bởi con người 1

Hình 1.5 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí 15

Hình 1.6 Tác động của mật độ hạt mây đến độ phản xạ của mây (albedo) 1

Hình 1.7 Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1 21

Hình 1.8 Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM 30

Hình 1.9 Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình 32

Hình 2.1 Sự biến đổi của Pautocv, tốc độ tự động chuyển đổi 56

Hình 3.1 Miền tính khu vực Đông Nam Á 59

Hình 3.2 Mô hình mô mô phỏng nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa 60

trung bình toàn miền so với quan trắc 60

Hình 3.3 Mô hình mô phỏng lượng mưa trung bình toàn miền 61

so với quan trắc 61

Hình 3.4 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 62

Trong trường hợp sol khí SOx 62

Hình 3.5 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 62

Trong trường hợp sol khí SOx 62

Hình 3.6 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 62

Trong trường hợp sol khí SOx 62

Hình 3.7 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 63

Trong trường hợp sol khí BC 63

Hình 3.8 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 63

6

Trong trường hợp sol khí BC 63

Hình 3.9 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 63

Trong trường hợp sol khí BC 63

Hình 3.10 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 64

Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64

Hình 3.11 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 64

Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64

Hình 3.12 Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 64

Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64

Hình 3.13 Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb 67

Hình 3.14 Chênh lệch nhiệt độ và lượng mưa trung bình toàn miền của 3 trường hợp có tính đến tác động của sol khí so với trường hợp chuẩn, không tính đến sol khí a) nhiệt độ trung bình toàn miền (0C), b) lượng mưa trung bình toàn miền (mm/tháng) 68

Hình 3.15a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lai Châu năm 2000 69

Hình 3.15b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Điện Biên năm 2000 70

Hình 3.15c Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sơn La năm 2000 70

Hình 3.16a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Quang năm 2000 71

Hình 3.16b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sa Pa năm 2000 71

Hình 3.16c Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Cao Bằng năm 2000 72

Hình 3.16d Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Cạn năm 2000 72

Hình 3.16e Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lạng Sơn năm 2000 72

Hình 3.16g Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Móng Cái năm 2000 73

Hình 3.17a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Hà Nội năm 2000 74

Hình 3.17b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Nam Định năm 2000 74

Hình 3.17c Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Thanh Hóa năm 2000 74

Hình 3.18a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Vinh năm 2000 75

7

Hình 3.18b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Đồng Hới năm 2000 75

Hình 3.18c Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Huế năm 2000 76

Hình 3.19a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Nẵng năm 2000 76

Hình 3.19b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Quy Nhơn năm 2000 77

Hình 3.20a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa PlayCu năm 2000 77

Hình 3.20b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Buôn Mê Thuột năm 2000 78

Hình 3.20c Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Lạt năm 2000 78

Hình 3.21a Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Cần Thơ năm 2000 79

Hình 3.21b Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Ca Mau năm 2000 79

8

MỞ ĐẦU

Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học

đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu, khu vực

Sol khí là một trong tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi 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 những tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường Vì những lý do nêu trên, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) đã chọn chủ đề cho

ngày khí tượng thế giới năm 2009 là “Thời tiết, khí hậu và không khí chúng ta

đang thở”

Để đánh giá tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu – thời tiết cho khu vực Đông Nam Á, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các sol khí Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực

9

Hình 1.1 Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn

sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) (theo thống kê của Mỹ 1995)

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM

1.1 TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ

Sol khí là các phần tử nhỏ lơ lửng trong khí quyển Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và lặn Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen,

Sol khí tác động trực tiếp

và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ

của Trái Đất và khí hậu Tác động

trực tiếp là các sol khí trực tiếp

phân tán và hấp thụ các tia xạ bức

xạ mặt trời trong không gian Tác

động gián tiếp là khi sol khí ở tầng

thấp của khí quyển có thể làm thay

đổi kích cỡ của các phần tử mây,

làm thay đổi phản xạ và hấp thụ

bức xạ mặt trời của mây, và như

vậy tác động lên trữ lượng năng

lượng của Trái Đất

Sol khí cũng có thể gây ra

các phản ứng hóa học Đáng kể

nhất là phản ứng có tác động phá

hoại ozon ở tầng bình lưu Trong

suốt mùa đông ở các khu vực cực,

10

sol khí phát triển hình thành các đám mây bụi ở tầng bình lưu cực Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu Chứng

cớ cho sự phá hủy tầng ozon này là hiện tại đang tồn tại các thay đổi tập trung của ozon trong tầng bình lưu tương tự như đã xảy ra khi có sự phun trào núi lửa lớn, giống như năm 1991, núi Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (Hình 1.1) Một lượng lớn SO2, HCl và tro bụi được đưa vào tầng bình lưu của khí quyển Trái đất khi núi lửa phun trào Trong hầu hết các trường hợp HCl ngưng tụ với hơi nước và theo mưa rơi khỏi đám mây hình thành bởi phun trào núi lửa, còn SO2 từ đám mây được chuyển đổi thành H2SO4 Axit H2SO4 nhanh chóng ngưng tụ lại và các phần tử sol khí này sẽ tồn tại trong khí quyển trong một khoảng thời gian Tương tác hóa học lên bề mặt của sol khí có xu hướng tăng mức độ Clo, Clo tương tác với Nito ở tầng bình lưu, đây chính là nguyên nhân chủ yếu trong phá hủy lớp ozon ở tầng bình lưu

Đường kính sol khí trải từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm) Kích cỡ của sol khí được chia ra làm 3 cấp Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là các phần

tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đổi các phần tử khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại Cấp

có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thô (xấp xỉ 1µm) được tạo ra rất cơ học, gió thổi trên khu vực bụi hoặc bốc hơi từ bụi nước biển,… Giữa các phần tử cực nhỏ và phần tử thô là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến 1µm Dạng này được quy cho là dạng tích tụ vì các sol khí ở kích thước này tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng tồn tại lâu dài trong khí quyển (vài ngày) bởi lắng động chậm và tốc độ tích tụ Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng Trái Đất và biến đổi khí hậu bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời, (hầu hết năng lượng bức xạ ở trong khoảng phổ cỡ 0,5 µm), và các phần tử này cũng có kích cỡ tương tự như sóng dài phân tán ánh sáng, nhân ngưng kết mây CCN và nhân ngưng kết băng (IN) Dạng sol khí này thông thường tồn tại trong khí quyển vài ngày có khi vài tuần Các phần

tử sol khí khí quyển có thể bắt nguồn từ các phần tử cơ bản hoặc được hình thành từ

11

Hình 1.2 Sol khí núi lửa (Tham khảo trên báo Science Daily)

tiền chất khí (nguồn thứ hai), đó là các phần tử khí chuyển đổi đã nói ở trên (SO2,

NOx, và VOC,…) Một vài nguồn từ tự nhiên đưa vào khí quyển như từ núi lửa, bụi

từ sóng biển, đại dương; Mặt khác, các phát thải công nghiệp, cháy sinh khối và phát thải đất bụi từ các hoạt động nông nghiệp do con người gây nên Trên toàn cầu, thông lượng sol khí khí quyển được ước chừng khoảng 3440 Tg/năm, trong đó 10%

từ các hoạt động của con người Tuy nhiên, các sol khí do con người gây ra chủ yếu

là sol khí sulfat và cacbon (cacbon đen và cacbon hữu cơ), về thực chất nó đã tăng

kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (IPCC, 1995), và thậm chí còn vượt các nguồn tự nhiên trên toàn cầu, và có trội hơn hẳn ở vùng đô thị và công nghiệp Sự phát thải sol khí là vấn đề lớn trên toàn cầu, sol khí khu vực từ các nguồn ảnh hưởng hoạt động của con người ảnh hưởng lớn đến khí hậu và môi trường

1.1.1 Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất

1.1.1.1 Sol khí núi lửa

của núi lửa giống

như núi Pinatubo

12

Hình 1.3 Bụi sa mạc

toàn cầu Sau mỗi lần hình thành, các sol khí này tồn tại trong tầng đối lưu khoảng hai năm Chúng phản xạ bức xạ mặt trời, giảm lượng năng lượng tới tầng thấp hơn của khí quyển và bề mặt Trái Đất, làm lạnh chúng Đợt lạnh năm 1993 được cho rằng liên quan tới lớp sol khí ở tầng bình lưu được tạo ra bởi sự phun trào núi lửa Pinatubo Năm 1995, mặc dù sự phun trào núi lửa Pinatubo đã qua được vài năm nhưng lớp này vẫn còn tàn dấu vết trong khí quyển Số liệu từ các vệ tinh NASA cho các nhà nghiên cứu hiểu rõ hơn về tác động của sol khí núi lửa lên khí quyển của chúng ta

1.1.1.2 Bụi sa mạc

Loại thứ hai của sol khí có tác động đáng kể lên khí hậu là bụi sa mạc Các bức tranh từ các vệ tinh khí tượng thường cho thấy màn bụi trên Đại Tây Dương từ các sa mạc ở Bắc Phi Theo như quan trắc bụi rơi

khỏi các lớp này tới các vùng khác nhau trên lục địa

Châu Mỹ Tương tự như màn bụi của sa mạc trên

lục địa Châu Á Vào tháng 9 năm 1994 Lidar,

STS-64, đã đo được lượng lớn bụi sa mạc trong tầng thấp

của khí quyển trên lục địa Châu Phi Các phần tử

bụi nhẹ được thổi từ bề mặt sa mạc có liên quan lớn

tới sol khí khí quyển, thông thường chúng rơi khỏi

khí quyển sau khi bay thời đoạn ngắn nhưng chúng có thể được thổi lên độ cao khoảng 15.000 ft (khoảng 4.500 m) hoặc cao hơn bởi sự cuốn hút mạnh mẽ của các cơn bão cát

Bụi là vô cơ, do vậy bụi hấp thụ cũng như phân tán tia bức xạ mặt trời Thông qua hấp thụ tia bức xạ mặt trời, các phần tử bụi làm ấm lớp khí quyển nơi chúng cư trú Không khí ấm được cho rằng là nguyên nhân ngăn chặn sự hình thành của mây Thông qua sự ngăn chặn hình mây, mưa, màn bụi được cho là nguyên nhân mở rộng sa mạc trong tương lai

13

Hình 1.4 Sol khí tạo bởi con người

1.1.1.3 Sol khí tạo bởi con người

Loại sol khí thứ ba là do các hoạt động của con người Phần lớn sol khí tạo bởi con người là do khói bụi

từ cháy các khu rừng nhiệt đới, đốt than và dầu Sol khí sulfat tạo bởi con người trong khí quyển đang tăng lên nhanh chóng kể từ cuộc cách mạng công nghiệp Với mức độ sản xuất hiện tại, sol khí sulfat phát thải bởi con người được cho rằng quá nhiều so với lượng sol khí sulfat tự nhiên Sol khí tập trung nhiều nhất ở Bắc Bán Cầu nơi trung tâm hoạt động công nghiệp Sol khí sulfat không hấp thụ bức xạ mặt trời nhưng phản xạ chúng, bởi vậy làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt Trái Đất Sol khí sulfat tồn tại trong khí quyển khoảng 3 – 5 ngày

Sol khí sulfat vào trong mây làm tăng số lượng hạt trong mây, làm giảm kích thước của hạt Tác động mạng lưới là làm tăng phản xạ bức xạ hơn khi không có sol khí sulfat Sự ô nhiễm từ các tàu biển làm thay đổi mây thấp ở trên chúng Trong các bức ảnh chụp từ vệ tinh khí tượng ta có thể thấy sự thay đổi trong các giọt mây, bởi sol khí sulfat từ các tàu, như các vết của lớp mây Thêm vào nữa nó làm mây tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời Sol khí là nguyên nhân làm ô nhiễm mây, nó làm tăng thời gian tồn tại của mây và phản xạ nhiều hơn bức xạ mặt trời hơn là mây không bị ô nhiễm

1.1.2 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất

Nhìn chung, sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực tiếp bởi phân tán và hấp thụ các tia bức xạ đi vào, và ảnh hưởng gián tiếp như nhân ngưng kết của mây (CCN) và/hoặc nhân băng (IN), làm thay đổi vi vật lý mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây Tác động trực tiếp phân tán như các phần

cỡ hạt mây có xu hướng làm giảm giáng thủy, tăng nước lỏng, bởi vậy tăng thời gian tồn tại của mây, (hiệu ứng tồn tại mây) và độ dày của mây

Cả hai hiệu ứng trực tiếp và gián tiếp đều làm giảm lượng bức xạ mặt trời tới

bề mặt Trái đất, trong khi đó trường hợp hiệu ứng “semi-direct” làm tăng nhiệt của cột khí quyển Tuy nhiên, hiệu ứng gián tiếp không chắc chắn như hiệu ứng trực tiếp Các tác động trực tiếp và gián tiếp đều ảnh hưởng tới giáng thủy Điều này thể hiện rõ thông qua hiệu ứng “semi-direct” làm biến đổi đặc tính của mây

Giảm bức xạ bề mặt bởi tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí cũng giống như là hiệu chỉnh lại chu trình nước thông qua thay thế tích trữ năng lượng bề mặt, làm giảm lượng bốc hơi và như vậy sẽ làm chậm lại chu trình nước Hơn nữa, sol khí còn tác động đến môi trường theo nhiều cách khác nữa

Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi

sự phân tán và hấp thụ bức xạ Sol khí cũng ảnh hưởng tới sự quang hợp và tỉ lệ hấp thụ cacbon của hệ sinh thái Thêm vào nữa sulfat và nitrat là nguyên nhân cơ bản gây nên mưa axit, ảnh hưởng lớn bởi các khu công nghiệp lớn trên toàn thế giới

15

Hình 1.5 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí

(Đánh giá lần thứ tư của IPCC)

Những điểm nhỏ màu đen tượng trưng cho các phần tử sol khí, các vòng tròn kích thước lớn hơn là các hạt mây Những đường thẳng được cho là thành phần bức xạ tới và thành phần phản xạ lại bức xạ mặt trời, những đường sóng là bức xạ tới mặt đất Những vòng tròn màu trắng cho biết số hạt mây (CDNC) Những đám mây không có xáo trộn bao gồm những hạt mây lớn trong đó chỉ có các phần tử sol khí tự nhiên xuất hiện và trở thành nhân ngưng kết, còn những đám mây có sự xáo trộn lớn thường chứa đựng một lượng lớn hơn số hạt mây nhỏ, trong đó bao gồm cả các sol khí có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc từ con người đóng vai trò là các nhân ngưng kết Những đường nét đứt màu xám biểu thị cho mưa

1.1.2.1 Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt

Như đã nói ở trên, đã có nhiều nỗ lực trong định lượng tác động gián tiếp và trực tiếp sol khí gây ra bởi con người tới RF (Radiative forcing) (Năng lượng bức

xạ tới – Năng lượng bức xạ phát xạ hồng ngoại của Trái Đất)

Một chủ đề liên quan nữa là liệu chứng cứ kinh nghiệm cho thấy hệ thống khí hậu phản ứng thế nào với RF và liệu dấu vết của xon khí có được ghi lại trong quan trắc Khí hậu phản ứng với biểu hiện khí tượng là thay đổi nhiệt độ, gió, giáng

1.1.2.2 Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy

Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt, pha mây có tác động lớn tới khí hậu Trong khi trên thực tế nhiều nghiên cứu cho thấy sol khí tác động không nhỏ đến việc làm thay đổi các quá trình vi vật lý mây Quan hệ giữa các phần tử sol khí

và mây khá phức tạp và là một mối quan hệ phi tuyến Kích thước và thành phần hoá học của sol khí (sulphát, nitơrat, bụi, cacbon hữu cơ và cacbon vô cơ) đóng vai trò rất quan trọng trong việc kích hoạt và lớn lên của các hạt mây

a Quan hệ giữa số lượng sol khí với số hạt mây và kích thước hạt mây

Trên một quy mô vùng, các nghiên cứu thực tế đã chỉ ra rằng các đám cháy rừng ở vịnh Amazon đưa vào khí quyển một lượng sol khí rất lớn, hệ quả là làm tăng số lượng hạt mây và làm giảm kích thước của các hạt mây này Công thức

tương quan giữa số lượng sol khí và số lượng hạt mây như sau: Nd ≈ (Na) b Trong

đó Nd là mật độ hạt mây, còn Na là số sol khí, b là tham số thay đổi từ 0.06 -0.48 phụ thuộc vào tính chất của sol khí

b Các cơ chế tác động của sol khí tới mây và giáng thủy

Sol khí có thể tương tác với mây và giáng thủy bằng nhiều cách, như là trở thành nhân ngưng kết hoặc nhân băng hay đóng vai trò là những phần tử hấp thụ

* Sol khí tác động tới độ phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây thông qua quá trình phân bổ của thành phần nước lỏng trong mây (có thể là mây lỏng, mây băng hay là mây có sự hoà trộn giữa pha lỏng và pha băng)

- Số sol khí càng nhiều  số hạt mây tăng  sẽcó nhiều hơn các hạt mây để phản xạ lại bức xạ mặt trời  độ phản xạ của mây tăng

- Số sol khí càng nhiều  số hạt mây tăng  kích thước hạt mây nhỏ đi  làm giảm sự hình thành giáng thủy  dẫn đến kéo dài thời gian tồn tại của mây

* Tác động bán trực cho thấy sự hấp thụ bức xạ mặt trời và phản xạ lại bức

gián tiếp: Trong các đám mây

có lẫn cả pha băng và pha

lỏng, khi có sự gia tăng của sol khí sẽ làm gia tăng số lượng những hạt tinh thể băng quá bão hòa, từ đó nhanh chóng làm tăng kích thước giáng thủy, và nhiều khả năng

mây không giáng thủy được chuyển thành mây giáng thủy

* Tác động nhiệt động lực gây ra sự trì hoãn đóng băng của các hạt nhỏ  tạo thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt độ rất thấp Thêm vào đó, sol khí làm

18 thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển và làm thay đổi năng lượng tới bề mặt

thông qua các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy

sự bay hơi của các phần tử mây

Dương

Rất thấp

T/động gián

tiếp gây

đóng băng

Mây hỗn hợp (lỏng

và băng)

Số lượng các nhân băng tăng lên làm gia tăng hiệu suất giáng thuỷ Dương

Trung bình

Rất thấp

T/động

nhiệt động

lực

Mây hỗn hợp (lỏng

và băng)

Các phần tử mây nhỏ đi làm trì hoãn quá trình đóng băng tạo thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt

độ rất thấp

Dương hoặc âm

Trung bình

Rất thấp

Bảng 1.1.b Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7)

Tác động

Thông lượng b/xạ tới bề

Cường độ

Mức độ nghiên cứu

Hiệu ứng giáng

Cường

độ

Mức

độ nghiên

tại của mây

thấp

T/động bán

Rất thấp T/động gián

Trung bình

Rất thấp

21

Hình 1.7 Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1.1

(Đánh giá lần thứ tư của IPCC)

22

c Tác động của sol khí tới mây nước Các hạt nhân ngưng kết kích thước lớn

Từ trạng thái hơi nước, nhân ngưng kết đồng nhất sẽ giúp tạo thành những hạt nước lỏng, tuy nhiên trong điều kiện của khí quyển có nhiều các sol khí thì điều này khó có thể xảy ra Thay vào đó là quá trình hơi nước đọng lại trên các phần tử sol khí – các nhân ngưng kết bất đồng nhất

Việc con người làm gia tăng số lượng sol khí sẽ làm thay đổi tính chất bức

xạ của mây và do đó làm thay đổi khí hậu Nhiều nhân ngưng kết hơn sẽ gia tăng số hạt mây có kích thước nhỏ hơn, từ đó làm tăng độ phản xạ của mây Điều này đã được đề cập đến đầu tiên bởi Twomey vào năm 1974 Sau đó, vào năm 1989 Albrecht đã chứng minh rằng sự hình thành giáng thuỷ bị giảm đi, sẽ dẫn tới thời gian tồn tại của mây được kéo dài Cả hai tác động này đều dẫn tới sự lạnh đi của bề mặt trái đất

Các phần tử sol khí thô hay là nhân ngưng kết lớn như muối biển, bụi có tác dụng làm tăng sự hình thành giáng thủy đặc biệt là trong các đám mây bị ô nhiễm bởi các chất thải mà con người gây ra Năm 2002, Rosenfeld đã chứng minh là các nhân ngưng kết lớn trong các đám mây là các phần tử đi thu thập hơi nước, tạo ra những hạt nước lớn và hình thành giáng thuỷ

d Tác động tới mây có sự trộn lẫn giữa các pha (mixed-phase)

Mây nhiều pha thường xuất hiện ở vùng vĩ độ trung bình và vùng cực Ở nhiệt độ dưới 0°C, các hạt nước không tự đóng băng, nhưng có thể tồn tại khá lâu dưới dạng chất lỏng siêu lạnh cho tới nhiệt độ xấp xỉ -38°C Trong khoảng nhiệt độ này, quá trình đóng băng của các hạt diễn ra nhờ những nhân nhưng kết không đồng nhất còn gọi là nhân băng Nhân băng phần lớn là những phần tử không hoà tan như là bụi vô

cơ hoặc phấn hoa Với những nhân băng do con người tạo ra sẽ gây ra tác động gián tiếp tới quá trình đóng băng “glaciation indirect effect” (Lohmann, 2002), trong đó,

sự gia tăng của các nhân băng này sẽ dẫn đến hình thành những đám mây băng, làm tăng độ phản xạ của mây và làm gia tăng giáng thuỷ dạng băng

23

Mây băng thường là những đám mây tầng cao (mây Ci) có chứa các phần tử băng nguyên chất, nó đem lại hiệu ứng bức xạ dương toàn cầu Tuy nhiên rất khó định lượng được hiệu ứng này vì cho đến nay những hiểu biết về vòng đời của mây

Ci cũng như vùng hình thành của nó, vùng quá bão hoà băng vẫn còn hạn chế Nhìn chung có hai cơ chế khác nhau để hình thành mây băng:

- Thứ nhất, trong các đám mây đối lưu sâu, những hạt nước lớn thăng lên

mạnh mẽ trong hệ thống đối lưu sẽ đóng băng và hình thành các tinh thể băng

- Thứ hai, chuyển động thăng tốc độ trung bình sẽ gây ra quá trình lạnh đi

đoạn nhiệt, các tinh thể băng sẽ được hình thành từ hạt hòa tan siêu lạnh (các nhân ngưng kết đồng nhất) hoặc từ các phần tử sol khí (những nhân ngưng kết không đồng nhất)

Như vậy tìm hiểu vai trò của sol khí đối với sự hình thành các đám mây băng, góp phần giúp ta hiểu rõ hơn tác động bức xạ của mây Ci và vai trò của nó

trong biến đổi khí hậu

1.1.2.3 Tác động của sol khí lên Albedo bề mặt và năng lượng bức xạ mặt trời

xạ mặt trời trực xạ/tán xạ

24

Ở vùng nhiệt đới Ấn Độ Dương, Sol khí gián tiếp làm năng lượng bức xạ mặt trời tới đỉnh khí quyển thay đổi -5W/m2 còn tại bề mặt là -6W/m2 Mô hình khí hậu toàn cầu tính toán rằng: trung bình, bức xạ sóng ngắn trên bề mặt suy giảm khoảng từ -1.3 đến -3.3W/m2 Sự thay đổi dòng bức xạ ở đỉnh khí quyển lớn hơn do

có một vài sol khí đóng vai trò giống như carbon đen hấp thụ bức xạ mặt trời trong khí quyển Phần lớn các mô hình đều dự báo sự suy giảm xảy ra trên đất liền nhiều hơn trên biển

Thêm vào đó sol khí còn góp phần tạo ra khí nhà kính Ở Nam Á, các sol khí

có thể đã đóng góp 50% sự đốt nóng bề mặt do sự gia tăng khí nhà kính toàn cầu Quá trình này còn làm thay đổi trên một quy mô rộng lớn những thuộc tính của lớp thực vật phủ bao phủ trên bề mặt, từ đó làm thay đổi các thuộc tính vật lý của bề mặt trong đó có albedo bề mặt Ngoài ra thay đổi albedo bề mặt còn có thể gây ra bởi sự lắng đọng của các phần tử sol khí trên mặt đất Thay đổi albedo bề mặt sẽ tác động đến năng lượng bức xạ tới từ đó làm thay đổi khí hậu

Lớp phủ bề mặt thay đổi có thể tác động đến các thuộc tính vật lý khác như

độ phát xạ của mặt đất, thông lượng ẩm thông qua sự bốc hơi và thoát hơi, tỉ lệ giữa thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt và sự xáo trộn rối – vốn là quá trình đưa ma sát vào khí quyển và vận chuyển nhiệt - ẩm vào khí quyển Tất cả các quá trình này có thể tác động đến nhiệt độ không khí gần bề mặt, làm thay đổi độ ẩm, giáng thuỷ và tốc độ gió

Một số mô phỏng cho thấy trong số những tác động trực tiếp và gián tiếp mà sol khí gây ra, thì hiệu ứng làm tăng độ dày quang học gây ra suy giảm bức xạ mặt trời ở bề mặt đất lớn hơn so với hiệu ứng khí nhà kính dẫn tới làm tăng nhiệt độ bề mặt Ngoài ra, cũng có sự tăng nhẹ bức xạ sóng dài do sol khí nhưng trong điều kiện trung bình của toàn cầu thì nó ít được so sánh với sự suy giảm bức xạ sóng ngắn ở

bề mặt Một số các thành phần khác của năng lượng bề mặt như bức xạ nhiệt, nhiệt

và ẩn nhiệt cũng giảm khi bức xạ đầu vào giảm Trong điều kiện trung bình của toàn cầu thì bốc hơi phải cân bằng với mưa và khi tiềm nhiệt mô hình giảm cũng

25

dẫn tới suy giảm mưa Điều này trái ngược với những quan trắc mưa trong thế kỷ qua và dẫn tới việc đánh giá quá cao ảnh hưởng của sol khí đến mưa Những tính toán về sự suy giảm mưa trong điều kiện trung bình toàn cầu từ giai đoạn tiền công nghiệp cho tới hiện tại ít nhiều cho ta phán đoán giai đoạn từ 2031 đến 2050 mưa sẽ tăng 1% so với giai đoạn từ 1981 đến 2000, bởi vì sự ấm lên do nguyên nhân từ cacbon đen và khí nhà kính vượt trội hơn so với sự lạnh đi sulfat

1.1.2.4 Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển

a Tác động đến độ ổn định

Mức độ giảm nhiệt độ trong khí quyển làm giảm phát xạ sóng dài và vì thế gây ảnh hưởng đến độ phản hồi hơi nước và thông tin về mây Các quan trắc và nghiên cứu mô hình cho thấy sự gia tăng mức độ giảm nhiệt độ làm khuếch đại độ phản hồi hơi nước Do sol khí làm mát bề mặt Trái Đất và làm ấm lớp sol khí nên mức độ giảm nhiệt độ sẽ giảm trên toàn cầu và gây nhiễu tín hiệu phản hồi hơi nước Độ ổn định của khí quyển tại một khu vực nào đó phụ thuộc mạnh mẽ vào vĩ

độ có sự đốt nóng của cacbon đen

Sự hấp thụ bức xạ mặt trời gây bởi các sol khí làm thay đổi lượng mây Tác động bán trực tiếp (semi-direct) đã được mô phỏng bởi mô hình phân giải mây có

độ phân giải cao và mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCMs) Sự đốt nóng sol khí xảy ra bên trong lớp mây làm giảm các kết cấu mây riêng lẻ, trong khi đó nếu sự đốt nóng này xảy ra bên trên lớp mây sẽ làm tăng các phần tử mây Với GCMs, tác động bán trực tiếp có thể cũng kết luận sự thay đổi của mây là do ảnh hưởng của hoàn lưu và/hoặc do hiệu ứng Albedo bề mặt Feigold (2005) đã chứng minh chỉ có một giải thích đơn giản nhất cho sự suy giảm lượng bức xạ, nhiệt và tiềm nhiệt bề mặt là sự giảm mây do các sol khí hấp thụ bức xạ

b Tác động lên hoàn lưu quy mô lớn

Nhiều nghiên cứu với GCMs cho thấy lớp xáo trộn đại dương cũng chịu tác động gián tiếp của sol khí, hoặc có sự kết hợp giữa tác động gián tiếp và trực tiếp của sol khí Tất cả những điều trên kết hợp với những mô phỏng thời gian gần đây

Sự thay đổi hoàn lưu ở phía đông nam Trung Quốc có thể gây ra bởi các sol khí Ở Ấn Độ và Trung Quốc, nơi mà sự hấp thụ sol khí tăng lên thì có sự gia tăng của chuyển động thăng cũng như chuyển động giáng ở phía Nam và phía Bắc Tuy nhiên, sự nóng lên mà cacbon đen gây ra, làm tăng độ ổn định khí quyển nên đối lưu giảm Mưa giảm và sự đốt cháy lớp thảm thực vật làm gia tăng lượng khói bụi

và do đó ảnh hưởng lên chu trình nước của khu vực và toàn cầu Nhiệt từ lớp bụi có thể làm tăng đối lưu sâu Điều này có thể gây kéo dài hoàn lưu gió mùa mùa hè và mưa cục bộ bất chấp sự suy giảm hơi nước toàn cầu do đốt nóng bởi bức xạ sol khí

ở bề mặt Tương phản nhiệt do bụi giữa lục địa Âu - Á và các đại dương xung quanh làm hoàn lưu gió mùa mùa đông châu Á trở nên không ổn định và biến đổi nhanh, nhưng ngược lại gió mùa cũng làm giảm bụi từ các nguồn

Tóm lại, sự gia tăng và vận chuyển sol khí trong khí quyển làm giảm chất lượng không khí và lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt đất Người ta đang xem xét xem hiệu ứng bức xạ âm tính này hay sự ấm lên do khí nhà kính cái nào là nguyên nhân chính của sự thay đổi bốc hơi và mưa Hiện tại không có một mô phỏng khí hậu nào tính toán được tương tác giữa các sol khí và mây, vì thế ảnh hưởng của sol khí lên mây được suy diễn từ các mô hình vẫn chưa được chứng minh

1.2 TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH RegCM3

1.2.1 Giới thiệu về mô hình RegCM3

Mô hình khí hậu khu vực thể hiện các quá trình vật lí và động lực qui định các điều kiện khí hậu ở qui mô khu vực Do mô hình khí hậu khu vực được dựa trên các định luật cơ bản của vật lí nên có thể áp dụng cho mọi nơi trên thế giới Tuy nhiên, các tham số được sử dụng để thể hiện các quá trình vật lí thì có thể khác nhau

27

đối với từng khu vực Ví dụ như đối với vùng nhiệt đới thì sẽ không yêu cầu chi tiết

về các quá trình vật lí trong đất đóng băng, ngược lại ở miền khí hậu Bắc Cực thì có thể không phụ thuộc vào nhiều loại thực vật hay các điều kiện đất Do đó hiểu biết

về khí hậu của từng khu vực để rồi đi đến cải tiến chính xác các tham số vật lí cho khu vực đó là một nhiệm vụ cực kì khó khăn và quan trọng trong nghiên cứu khí hậu khu vực

Mô hình khí hậu khu vực là công cụ nghiên cứu khí hậu rất quan trọng đối với các nhà khoa học Nhóm vật lí hệ trái đất (ESP) thuộc Trung tâm Vật lí Lý thuyết quốc tế Adus Salam (ICTP) đã và đang phát triển mô hình khí hậu gọi là RegCM3 Mô hình hiện nay đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nghiên cứu liên quan đến khí hậu Mô hình RegCM3 sẽ là một công cụ hữu ích cho nghiên cứu khí hậu ở vùng nhiệt đới

Cuộc sống của chúng ta phụ thuộc rất lớn vào khí hậu (như nông nghiệp, tài nguyên nước, năng lượng, công nghiệp) Việc thay đổi bề mặt đất và tăng lượng phát thải khí nhà kính trong khí quyển có thể thay đổi nhiều đến khí hậu khu vực (lượng mưa) (IPCC, 2001), ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực

và cuộc sống của người dân Do đó dự báo chính xác khí hậu từ qui mô mùa đến qui

mô nhiều thập kỷ là có lợi ích rất lớn cho khu vực

Các mô hình khí hậu, cả các mô hình toàn cầu và khu vực là những công cụ chính có thể hỗ trợ chúng ta hiểu biết về nhiều quá trình chi phối hệ thống Trái đất

Do bản chất phức tạp của hệ thống Trái đất, các mô hình nói chung đòi hỏi khả năng tính toán lớn về cả việc xử lý và lưu trữ Như vậy sẽ khó khăn đối với các nước có nền kinh tế đang phát triển Tuy nhiên trong những năm gần đây với sự phát triển của công nghệ máy tính, nên việc chạy mô hình khí hậu đã được thực hiện dễ dàng

Ngày nay các nhà khoa học khí hậu đang có nhiều chiều hướng về việc ứng dụng các mô hình khí hậu khu vực (RCM)s hơn là các mô hình hoàn lưu chung (GCM)s Phiên bản mới nhất của mô hình khí hậu khu vực thế hệ thứ 3 có tên là

28

RegCM3 và đưa ra các kết quả ban đầu ứng dụng mô hình này trong nghiên cứu khí hậu ở khu vực Việt Nam Mô hình khí hậu khu vực ban đầu được phát triển bởi Dickinson (1989); Giorgi và Bates (1989) với phiên bản (RegCM1) và sau đó được phát triển theo mong muốn của Giorgi (1993b,c) với phiên bản là (RegCM3) và phiên bản RegCM3.5 bởi Giorgi và Mearn năm (1999) Trong phiên bản mới nhất này RegCM3, thì nhiều các sơ đồ vật lí đã được cải tiến Hơn nữa mô hình đã được thay đổi để thỏa mãn nhu cầu của nhiều lĩnh vực nghiên cứu

Việc phát triển RegCM3 là sự hợp tác của nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới Dưới đây là tóm tắt lịch sử của mô hình khí hậu khu vực (RegCM) và trình bày chi tiết về mô hình RegCM3

1.2.2 Lịch sử của RegCM

Ý tưởng về các mô hình hạn chế có thể được sử dụng cho nghiên cứu khu vực ban đầu được đề xuất bởi Dickinson (1989) và Giorgi (1990b) Ý tưởng này là dựa vào khái niệm nồng một chiều, ở đó các trường khí tượng qui mô lớn từ việc chạy mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian (LCB) cho các mô phỏng của mô hình khí hậu khu vực phân giải cao (RCM)

Phiên bản đầu tiên của RegCM được hoàn thành bởi Dickinson (1989); Giorgi và Bates (1989); Giorgi (1990) tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển (NCAR) Phiên bản này được xây dựng là dựa trên mô hình qui mô vừa (MM4) với khí quyển nén được, sai phân hữu hạn với cân bằng thủy tĩnh và tọa độ xích ma  thẳng đứng Sau đó sử dụng sơ đồ tích phân thời gian nửa hiện Tuy nhiên để sử dụng cho mô phỏng khí hậu hạn dài, một số các sơ đồ tham số hóa vật lí

đã được thay thế chủ yếu là về vật lí của vận chuyển bức xạ và đất bề mặt đã được đưa vào: Kiehl (1987) và sơ đồ vận chuyển sinh quyển-khí quyển (BATS) phiên bản của (Dickinson 1986) Ngoài ra các sơ đồ giáng thủy đối lưu (Anthes, 1987) và lớp biên hành tinh (PBL)(Deardorff, 1972) cũng đã được sửa đổi

29

Phiên bản thứ hai của RegCM là được phát triển bởi Giorgi (1993b,c) Trong

đó động lực học đã được thay đổi theo mô hình quy mô vừa phiên bản 5 (MM5) Sơ

đồ vận chuyển bức xạ cũng được thay đổi theo mô hình khí hậu cộng đồng phiên bản 2 (CCM2) Briegleb (1992) Sơ đồ giáng thủy đối lưu Grell (1993) được đưa vào

và sơ đồ mây và giáng thủy của Hsie (1984) cũng được sử dụng BATS được nâng cấp từ phiên bản 1a sang 1e (Dickinson 1993) và sơ đồ giáng thủy PBL phi địa phương của Holtslag (1990) đã được đưa vào

Trong vài năm qua, một vài sơ đồ vật lí mới sử dụng trong RegCM chủ yếu dựa vào các sơ đồ vật lí của phiên bản mới nhất CCM, CCM3 Đầu tiên là sơ đồ vận chuyển bức xạ CCM2 đã được thay bởi CCM3 Trong CCM2 thì các ảnh hưởng của H2O, O3, O2, CO2 và mây được tính toán Vận chuyển bức xạ mặt trời được tính theo phương pháp của Eddingson- và bức xạ của mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ che phủ, hàm lượng nước trong mây, bán kính hạt nước của mây Sơ

đồ CCM3 giữ lại cấu trúc như của CCM2 nhưng cũng có đưa vào một số đặc điểm mới như ảnh hưởng của khí nhà kính (NO2, CH4, CFCs), các sol khí khí quyển và băng trong mây

Thay đổi chủ yếu về các quá trình mây và giáng thủy, định dạng lưới, kết hợp với mô hình hồ

Một phiên bản trung gian, RegCM3.5 đã được phát triển bởi Giorgi và Mearn năm (1999) Nó đưa vào các sơ đồ đối lưu Zhang và McFarlane (1995), sơ

đồ vận chuyển bức xạ Kiehl (1996) từ mô hình CCM3, một phiên bản đơn giản của

sơ đồ mây và giáng thủy (SIMEX) Hsie (1984) (Giorgi và Shields, 1999), và một

mô hình sol khí tương tác đơn giản (Qian và Giorgi, 1999)

RegCM3 là một sự tổng hợp của những cải tiến chính mà đã được làm trong RegCM3.5 do Giorgi và Mearn năm (1999) phát triển Những cải tiến này chủ yếu

về vật lí giáng thủy, vật lí bề mặt như một sơ đồ mây và giáng thủy qui mô lớn mới trong đó có tính đến sự biến đổi của mây ở qui mô dưới lưới (Pal 2000), sơ đồ tham

số hóa mới cho thông lượng bề mặt đại dương (Zeng 1998) và một sơ đồ đối lưu

30

cumulus (Betts 1986), hóa học khí quyển và aerosols, số liệu đầu vào của mô hình

và tương tác với người sử dụng Ngoài ra lõi động lực cũng đã được thay đổi cho tính toán song song

Một khía cạnh quan trọng trong RegCM3 là có thể chạy trên nhiều nền máy tính Ngoài ra, RegCM3 có thể chạy với nhiều dạng số liệu phân tích lại và các điều kiện biên GCM

Toàn bộ hệ thống mô hình RegCM được bao gồm bốn thành phần: Terrain, ICBC, RegCM và PostProc Terrain và ICBC là hai thành phần của tiền xử lý Các biến địa hình như độ cao, sử dụng đất và nhiệt độ bề mặt biển và số liệu khí tượng đẳng áp ba chiều được nội suy theo phương ngang từ một lưới kinh - vĩ sang một khu vực phân giải cao trên các phép chiếu Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất sang hệ tọa độ  của RegCM cũng được thực hiện Mực  gần mặt đất là gần với địa hình và mặt  ở mực cao hơn có xu hướng gần với bề mực đẳng áp

Hình 1.8 Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM (Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1)

31

Thật là hữu ích nếu như đầu tiên chúng ta biết định dạng lưới của mô hình

Hệ thống mô hình thường nhận và phân tích số liệu trên các mực áp suất, nhưng các

số liệu này phải được nội suy sang tọa độ thẳng đứng của mô hình trước khi làm số liệu đầu vào của mô hình Tọa độ thẳng đứng là theo địa hình có nghĩa là các mực lưới thấp hơn thì theo địa hình còn các mực càng trên cao hơn thì càng bằng phẳng hơn Hệ tọa độ  (sigma) chiều A được sử dụng để xác định các mực của mô hình:

t s

t p p

p p

Độ phân giải thẳng đứng của mô hình được xác định bởi các giá trị giữa 0 và

1 Nói chung là độ phân giải trong lớp biên là tinh hơn ở lớp bên trên và số mực thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng Hình 1.9 có thể nhìn thấy là các biến vô hướng (T, q, p, vv…) được xác định tại trung tâm của ô lưới Trong khi đó các thành phần tốc độ gió hướng đông (u) và hướng tây (v) được đặt theo thứ tự tại các góc Sai phân hữu hạn phụ thuộc chủ yếu vào lưới xen kẽ

Các phép chiếu bản đồ

Hệ thống mô hình có một lựa chọn trong bốn phép chiếu bản đồ Lambert Conformal là phép chiếu phù hợp cho vùng vĩ độ trung bình, Polar Stereographic cho vĩ độ cao, Normal Mercator cho vĩ độ thấp và Rotated Mercator cho các lựa chọn khác Số nhân bản đồ m được xác định bởi:

m = (khoảng cách trên lưới) / (khoảng cách thực trên trái đất) và giái trị này thường thay đổi theo vĩ độ Nhân tố m cần thiết được tính toán trong các phương trình của mô hình bất kì ở đâu mà gradien theo phương ngang được sử dụng

32

Hình 1.2.9 Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình

(Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1)

x x

p p p

RT mp

u p y

m vu p x

m uu p m

t

u

p

v H t v

y y

p p p

RT mp

v p y

m vv p x

m uv p m

t

v

p

v H t

trong đó: u, v là các thành phần hướng đông và bắc của vận tốc tương ứng

Tv là nhiệt độ ảo,  là độ cao địa thế vị, f là tham số Coriolis, R là hằng số khí vạn năng cho không khí khô, m là nhân tố quy mô bản đồ phụ thuộc từng phép chiếu (RegCM cho phép dùng các phép chiếu như: phép chiếu Cực, phép chiếu Lambert

Conformal hoặc phép chiếu Mercator) t



.

, FH và FV là các thành phần đặc

m u p m t

m v p x

m u p m t

 được tính tại từng mực trong mô hình từ tích phân phương trình (1.4)

' 0

*

* 2

m v p x

m u p m t

trong đó ' là biến giả của phép tích phân và . ( = 0) = 0

1.2.3.3 Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega()

Phương trình nhiệt động lực:

Q p p p c

RT T

p y

m vT p x

uT p m

t

T

p

V H pm t

ở đây: cpm là nhiệt dung đẳng áp cho không khí ẩm, Q là phi đoạn nhiệt, FHT

là đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của khuyếch tán ngang, FVT là đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của xáo trộn thẳng đứng và điều chỉnh đối lưu khô và  là:

p u m t

p dt

q q RT

p p

35

chuyển sóng dài được thể hiện theo công thức của Ramanathan và Downey (1986) Tham số hóa sự hấp thụ và tán xạ của mây là theo Slingo (1989) nhờ đó mà các đặc điểm quang học của các hạt mây (độ dài quang học, albedo tán xạ và tham số phi đối xứng trên bốn khoảng phổ) được biểu diễn trong số hạng về hàm lượng nước trong mây và một bán kính của hạt nước Độ dầy của tầng mây được giả thiết là bằng với độ dầy của tầng mô hình và lượng nước trong mây khác nhau là được xác định cho mây tầng trung và mây tầng thấp

1.2.4.2 Mô hình bề mặt đất

Các quá trình vật lí bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng BATS1E (sơ

đồ vận chuyển sinh-khí quyển) được miêu tả chi tiết theo (Dickinson 1993) BATS được xây dựng để mô tả vai trò của thực vật và độ ẩm đất trong việc thay đổi các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển về thông lượng, năng lượng và hơi nước Mô hình này có một lớp thực vật, một lớp tuyết, một lớp đất bề mặt dày 10

cm và một lớp đất sâu thứ ba dày 3 m Các phương trình cảnh báo được giải đối với các lớp nhiệt độ đất dùng phương pháp của Deardoff (1978) Nhiệt độ của cannopy được tính toán thông qua công thức cân bằng năng lượng bao gồm các thông lượng hiển nhiệt, bức xạ và ẩn nhiệt

Các tính toán thủy văn trong đất bao gồm các phương trình dự báo về hàm lượng nước của các lớp đất Các phương trình này giải thích nguyên nhân gây ra giáng thủy, tan tuyết, sự bốc thoát hơi nước, dòng chảy bề mặt, trao đổi khuếch tán nước giữa các lớp đất Sự hình thành việc chuyển động nước trong đất là nhận được

từ một mô hình đất phân giải cao (Climate Processes and Clmate Sensitivity 1984)

và tốc độ dòng chảy mặt được biểu diễn như là hàm của tốc độ giáng thủy và độ bão hòa nước trong đất Độ sâu của tuyết là được tính toán cảnh báo từ lượng tuyết rơi, tuyết tan, và sự thăng hoa Giáng thủy được giả định là rơi xuống để tạo thành tuyết nếu như nhiệt độ của mực mô hình thấp nhất là nhỏ hơn 271 K

Hiển nhiệt, hơi nước, các thông lượng động lượng tại bề mặt được tính toán bằng sử dụng một công thức hệ số nhớt bề mặt chuẩn dựa vào lí thuyết tương tự lớp

36

bề mặt Các hệ số nhớt phụ thuộc vào chiều dài độ nhám bề mặt và vào sự ổn định của khí quyển trong lớp bề mặt Tốc độ bốc thoát hơi bề mặt phụ thuộc vào nước trong đất BATS có 20 dạng thực vật Điều này được mô tả trong (Dickinson 1996)

1.2.4.3 Lớp biên hành tinh

Sơ đồ lớp biên hành tinh được phát triển bởi Holtslag (1990) là dựa trên khái niệm khuếch tán phi địa phương để tính toán các thông lượng gradien ngược, các thông lượng này nhận được từ các xoáy qui mô lớn trong khí quyển bất ổn định xáo trộn Thông lượng xoáy thẳng đứng trong lớp biên (PBL) được tính theo công thức sau:

)

c c

z

C K

h

z z k

Trong đó k là hằng số von Karman; t là vận tốc đối lưu rối nó phụ thuộc vào vận tốc ma sát, độ cao và độ dài Monin-Obhukov; h là độ cao PBL Gradient ngược đối với nhiệt độ và hơi nước được cho theo công thức:

h

C t

c c

0

h v h u r Ri h

)()

(1.15)

Trong đó u(h), v(h) và v là các thành phần tốc độ gió và nhiệt độ địa thế vị

ảo tại độ cao PBL, g là gia tốc trọng trường, Ricr là số Richardson tới hạn v là nhiệt độ gần bề mặt chi tiết được mô tả bởi Holtslag (1990), Holtslag và Boville (1993)

1.2.4.4 Sơ đồ giáng thủy đối lưu

Giáng thủy đối lưu được tính toán bằng cách sử dụng một trong các sơ đồ sau: (1) Grell; (2) Anthes-Kuo; (3) Betts-Miller; (4) Emanuel Ngoài ra trong sơ đồ Grell có hai sơ đồ khép kín rối: Arakawa&Schubert, Frisch&Chappell Các sơ đồ đối lưu vẫn là một trong số các lỗi quan trọng nhất trong các mô hình khí hậu

Sơ đồ Anthes-Kuo thừa nhận một sự gần đúng hội tụ ẩm, được sử dụng chính trong RegCM1 Sơ đồ này đã cho thấy kết quả tốt hơn so với sơ đồ Grell trong các mô phỏng lượng mưa gió mùa trên khu vực Đông Á (Giorgi 1999; Lee and Suh 2000)

Trong RegCM3, thì sơ đồ Grell đã trở thành sự lựa chọn chủ yếu cho việc

mô tả đối lưu Đây là một sơ đồ thông lượng khối lượng dựa trên việc tham số hóa Arakawa và Schubert (1974)

1.2.4.5 Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn

Trong RegCM3 giáng thủy qui mô lớn được thể hiện bằng sử dụng sơ đồ ẩm hiện dưới lưới (SUBEX) (Pal 2000) được sử dụng để nghiên cứu mây không đối lưu

và giáng thủy được phân tích bởi mô hình Đây là một trong những thành phần mới của mô hình SUBEX giải thích về khả năng biến đổi dưới lưới trong mây và bao gồm cả công thức chuyển đổi tự động của nước mây sang nước mưa và sự bốc hơi

38

của hạt mưa khi rơi xuống Độ che phủ của mây được tính toán từ độ ẩm tương đối

và mây hình thành khi độ ẩm tương đối lớn hơn một ngưỡng nào đấy nhỏ hơn bão hòa ô lưới Sơ đồ này đã mô phỏng rất tốt giáng thủy trên lục địa nước Mỹ (Pal 2000)

1.2.4.6 Tham số hóa thông lượng đại dương

Sơ đồ Zeng: các thông lượng hiển nhiệt (SH), ẩn nhiệt (LH) và động lượng () giữa bề mặt biển và tầng khí quyển mực thấp được tính theo thuật toán sau:

u u

-SH   C pa u

*

*q u L

LH a e

(1.17) (1.18) Trong đó ux và uy là các thành phần gió trung bình, u* là tốc độ gió ma sát,

* là tham số qui mô nhiệt độ, q* là tham số qui mô độ ẩm riêng, a là mật độ không khí, Cpa là nhiệt riêng của không khí và Le là ẩn nhiệt

Trong mô hình hồ thì phương trình cảnh báo đối với nhiệt độ là:

2

2)(

z

T k k t

T

m e

39

trong đó T là nhiệt độ của lớp hồ, và ke và km là khuyếch tán rối và khuyếch tán phân tử tương ứng Tham số hóa của Henderson-Sellers 1986 được sử dụng để tính toán ke và km là cho bằng một hằng số không đổi bằng 39x10-7 m2 s-1 ngoại trừ bên dưới băng và các điểm sâu nhất trong hồ

Các thông lượng hiển nhiệt và ẩn nhiệt từ hồ là được tính toán bằng việc sử dụng tham số hóa BATS Các công thức cho thông lượng ẩn nhiệt (Fq) và hiển nhiệt (Fs):

Fq=aCDVa(qs-qa)

Fs=aCpCDVa(Ts-Ta)

(1.20) (1.21) Trong đó các chỉ số s và a liên quan đến bề mặt và không khí tương ứng; a

là mật độ không khí, Va là tốc độ gió, Cp, q là độ ẩm riêng và T là nhiệt độ Hệ số nhớt động lượng CD phụ thuộc vào chiều dài độ nhám và số Richardson bề mặt Bức xạ sóng dài phát xạ từ hồ được tính toán theo định luật Stefan-Boltzmann

1.2.4.9 Sinh quyển

Kể từ phiên bản RegCM3, các tính toán vật lí bề mặt đã được thực hiện bằng việc sử dụng BATS 1e BATS miêu tả vận chuyển năng lượng, khối lượng, động lượng giữa khí quyển và sinh quyển Nó gồm ba lớp đất: 10cm, 1-2m, 3m, một lớp thực vật và một lớp tuyết

Trong RegCM3 thì đã có một vài thay đổi đối với BATS để giải thích cho khả năng biến đổi dưới lưới của địa hình và sử dụng đất

Hiện nay RegCM3 đang được phát triển để kết hợp với mô hình đất cộng đồng phiên bản 3 (CLM3) CLM3 là một mô hình 10 lớp đất chi tiết, một sự phát triển chủ yếu đối với phiên bản này là CLM3 có công thức của dòng chảy mặt mới, thực vật động lực

40

1.2.4.10 Thể nước

Trong RegCM3 thể nước có thể phân loại thành đại dương và hồ Các thông lượng năng lượng từ đại dương được tính toán từ nhiệt độ bề mặt biển theo qui định với đại dương ảnh hưởng đến khí quyển nhưng khí quyển không ảnh hưởng tới đại dương

Trong RegCM có hai lựa chọn cho tham số hóa đối với tính toán thông lượng

từ đại dương: theo công thức BATS và sơ đồ mới Zng (Zeng 1998) Các thử nghiệm của francisco (2005) cho thấy RegCM3 kết hợp với sơ đồ Zeng cho kết quả tốt trong việc tính thông lượng bốc hơi trên Nam Thái Bình Dương

RegCM3 cũng bao gồm cả mô hình hồ một chiều để mô phỏng thay đổi mùa của nhiệt độ hồ, bốc hơi, và độ che phủ băng Trong tương lai thì RegCM3 sẽ có kề hoạch kết hợp với một mô hình đại dương khu vực

1.2.4.11 Sol khí và hóa học khí quyển

Nét riêng biệt chủ yếu của mô hình RegCM là đưa hai module tác động sol khí: mô đun sol khí bao gồm oxit sulfua, sulfat, cacbon đen thấm và không thấm nước, cacbon hữu cơ Mô đun bụi bao gồm các hạt bụi

Mô đun sol khí tính các tác động sol khí – bức xạ, sol khí – mây tới khí hậu Trong mô hình cài đặt ba mô phỏng, một là không có tác động của sol khí, hai trường hợp còn lại là sol khí tác động dạng kết hợp và không kết hợp

Sol khí trong khí quyển có tác động quan trọng lên hệ thống khí hậu, đặc biệt

là qui mô khu vực RegCM3 và sulfat, cacbon hữu cơ và sol khí cacbon đen được nghiên cứu chi tiết bởi Quian (2001); Solmon (2005)

Sơ đồ này giải thích cho việc gây ra bình lưu khí quyển, khuếch tán do rối, vận chuyển thẳng đứng bởi đối lưu sâu Cả ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của sol khí đều được đưa vào trong RegCM3 Các nghiên cứu về sol khí và hóa học cho khu vực Đông Á bởi Giorgi (1993a) cho khu vực Châu Âu-Châu Phi bởi Solmon (2005)