Ảnh hưởng của bề mặt đệm đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của mô hình WRF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --- Trần Đình Linh ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA CỦA MÔ HÌNH WRF LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Trần Đình Linh

ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA CỦA MÔ HÌNH WRF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

- Trần Đình Linh

ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA CỦA MÔ HÌNH WRF

Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học

Mã số: 60440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

PGS TS Ngô Đức Thành

Hà Nội – Năm 2016

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS TS Ngô Đức Thành, người đã định hướng, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, các cán bộ trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành nghiên cứu tại Khoa

Xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa học của mình

Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy văn - Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều kiện cho tôi trong thời gian qua

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn dõi theo, động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn của mình

Trần Đình Linh

1

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

LH Latent Heat: thông lượng ẩn nhiệt trao đổi giữa bề mặt và khí quyển

MODIS Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer: ảnh quang phổ bức xạ

phân giải vừa

NCEP National Centers for Environmental Prediction: trung tâm quốc gia dự báo

môi trường Hòa Kỳ

NCEP-FNL/FNL

The NCEP GFS Final Analysis data: số liệu GFS (phân tích cuối cùng)

USGS U.S Geological Survey: Cơ quan nghiên cứu địa chất Hoa Kỳ; USGS Land

Use data: Số liệu sử dụng đất do USGS cung cấp

Tp HCM Thành phố Hồ Chí Minh

WPS WRF Preprocessing System: Hệ thống tiền xử lý của mô hình WRF

WRF Weather Research and Forcasting Model: mô hình nghiên cứu và dự báo

thời tiết WSF the WRF Software Framework: Hệ thống phần mềm của mô hình WRF WRF_

MODIS

Mô hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất MODIS

WRF_

USGS

Mô hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất USGS

2

MỞ ĐẦU

Bề mặt trái đất là một thành phần của hệ thống khí hậu, nó có vai trò quan trọng trong quá trình hình thành thời tiết và khí hậu Chúng ta biết rằng, các loại bề mặt khác nhau có độ phản xạ và độ phát xạ khác nhau Từ đó cán cân bức xạ và cân bằng năng lượng tại bề mặt cũng thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm của bề mặt Hơn nữa, mỗi loại bề mặt cũng có đặc trưng nhiệt, độ ghồ ghề riêng Do đó, sự trao đổi nhiệt giữa bề mặt và khí quyển cũng như sự tương tác của nó với chế độ hoàn lưu cũng thay đổi tùy thuộc vào loại bề mặt

Trên thế giới, việc nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu nói chung và ảnh hưởng của bề mặt đến kết quả của mô hình số trị đã được nhiều nhà khoa học thực hiện và đạt được những kết quả quan trọng Ở Việt Nam, vấn đề này cũng rất được quan tâm nghiên cứu Trong thời gian gần đây, một số nhà khoa học đã công bố những kết quả bước đầu có ý nghĩa Tuy nhiên, để trả lời câu hỏi về ảnh hưởng của bề mặt đến kết quả mô phỏng của mô hình số trị như thế nào thì vẫn còn nhiều vấn đề cần được tháo gỡ Do vậy, nhằm góp thêm bằng chứng để trả lời cho câu hỏi trên thì chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận văn “Ảnh hưởng của bề mặt đệm đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của mô hình WRF” Mục đích của luận văn là chỉ ra những thay đổi trong kết quả mô phỏng khi mô hình được thiết lập chạy với các nguồn số liệu đất khác nhau Về nội dung, ngoài phần mở đầu

và kết luận, luận văn được bố cục trong 3 chương

Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu

Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu

Chương 3: Kết quả và thảo luận

3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Vai trò của bề mặt đến các quá trình khí quyển

Bề mặt trái đất có vai trò quan trọng trong sự hình thành khí hậu, đặc điểm của bề mặt quyết định đến kết quả tương tác giữa bề mặt với bức xạ và hoàn lưu khí quyển Cùng một khối không khí nhưng khi tương tác với điều kiện địa hình khác nhau có thể tạo ra hệ quả thời tiết hoàn toàn trái ngược Ví dụ như một dãy núi có thể gây chuyển động đối lưu cưỡng bức hình thành thời tiết xấu bên sườn đón gió, nhưng phía bên sườn khuất gió lại có thời tiết khô nóng hơn do khối không khí di chuyển đoạn nhiệt khô xuống theo sườn núi Hay chúng ta cũng biết đến vai trò điều hòa khí hậu của biển sông, hồ, … Có được tác dụng như vậy là do nước có quán tính nhiệt lớn hơn, do đó mà nhiệt độ nước biến động ít hơn so với nhiệt độ đất Chính vì vậy, chế độ nhiệt ở các khu vực ven biển, vùng lân cận các sông, suối,

ao, hồ điều hòa hơn so với các vùng nằm sâu trong lục địa, nhiệt độ không khí ở những khu vực này có sự biến đổi ngày và năm nhỏ hơn so với các khu vực lân cận

có cùng điều kiện bức xạ và hoàn lưu khí quyển

Bề mặt đất khác nhau có tương tác với bức xạ khác nhau Ngoài ảnh hưởng khác nhau của đặc điểm địa hình mà chúng ta có thể hình dung được thì các loại bề mặt khác nhau có độ phản xạ (albedo), phát xạ bức xạ khác nhau từ đó làm thay đổi cán cân bức xạ và sau đó là cán cân nhiệt theo không gian Bảng 1 cho thấy albedo của các loại bề mặt khác nhau khá lớn, từ vài % đến gần 100 % Với bề mặt đất đơn thuần, albedo cũng có sự thay đổi lớn tuy vào loại đất khác nhau, đất đen và ẩm albedo chỉ khoảng 5%, trong khi đất sáng và khô albedo có thể đến 40%, trong khi albedo của cát biến đổi trong khoảng từ 15 đến 40% Các loại bề mặt khác còn có albedo khác nhau nhiều hơn, albedo của cỏ trong khoảng từ 16-26%, của đất nông nghiệp là 18-25%, rừng từ 5-20%, albedo của băng từ 20-45%, với mây mỏng là 30-50%, mây dày từ 60-90% Đặc biệt, albedo của nước và tuyết có sự thay đổi rất lớn Tùy vào góc thiên đỉnh mặt trời mà độ phản xạ của bề mặt nước khác nhau, từ khoảng 3-10% khi góc thiên đỉnh mặt trời nhỏ đến khoảng 10-100% khi góc thiên

4

đỉnh mặt trời lớn Điều này cho thấy rằng tuy cùng là bề mặt nước nhưng độ phản

xạ có thể khác nhau rất lớn, ở vùng vĩ độ thấp, nơi có góc thiên đỉnh mặt trời nhỏ thì phần lớn bức xạ mặt trời được giữ lại, trong khi ở vùng vĩ độ cao thì phần lớn bức

xạ mặt trời bị phản xạ Albedo của tuyết cũng thay đổi lớn, với tuyết cũ thì albedo chỉ khoảng 40% trong khi tuyết mới hình thành có thể có albedo lên tới 95%

Ngoài ảnh hưởng đến thời tiết, khí hậu thông qua tương tác với hoàn lưu và bức xạ, bề mặt còn là nguồn nhiệt chủ yếu cung cấp cho khí quyển, góp phần hình thành các quá trình thời tiết Bức xạ dư thừa tại bề mặt phần lớn được chuyển hóa thành nhiệt cung cấp ngược lại cho khí quyển bằng dẫn nhiệt phân tử, rối và đối lưu (hiển nhiệt - SH) hoặc thông qua quá trình bốc hơi và ngưng kết (ẩn nhiệt - LH) Tỉ

lệ phân bổ bức xạ dư thừa cho SH và LH phụ thuộc vào đặc điểm của bề mặt Bề mặt ẩm có khả năng bốc hơi lớn thì LH chiếm ưu thế hơn, còn bề mặt khô khi khả năng bốc hơi kém thì SH là cách thức truyền nhiệt chủ yếu

Tỉ số giữa SH và LH được gọi tỉ số Bowen, chỉ số này thường được dùng trong phân tích khí hậu Giá trị của chỉ số Bowen > 1 thì dòng SH chiếm ưu thế, trong khi tỉ số Bowen < 1 thì LH chiếm ưu thế hơn Giá trị của tỉ số Bowen biến đổi phụ thuộc vào loại bề mặt: bề mặt đại dương nhiệt đới 0,1; rừng nhiệt đới ẩm 0,1÷0,3; sa mạc bán khô hạn 2÷6; sa mạc >10 (Gregor, 1998 [8]) Do vậy, tỉ số Bowen cũng có thể được dùng để đánh giá tính chất khô/ẩm của bề mặt

Bảng 1: Giá trị albedo của các loại bề mặt khác nhau

5

Rừng

Rụng lá

Lá kim

15-20 5-15

Bề mặt nước

Góc thiên đỉnh nhỏ Góc thiên đỉnh lớn

3-10 10-100

Tuyết

Cũ Mới

40

95

Băng

Băng biển Sông băng

30-45 20-40

Mây

Mây dày Mây mỏng

60-90 30-50

(Nguồn: Oke, 1992 [14]; Ahrens, 2006 [5])

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu

Nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu nói chung và đến kết quả mô phỏng của mô hình số trị nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới và Việt Nam thực hiện với những kết quả quan trọng Sau đây tác giả xin trích dẫn những nghiên cứu tiêu biểu nhất có liên quan đến vấn đề nghiên cứu của luận văn Các nghiên cứu được tổng quan lần lượt từ các nghiên cứu trên thế giới đến các nghiên cứu ở trong nước

1.2.1 Các nghiên cứu trên thế giới

Từ khoảng những năm 90 của thế kỷ trước, vấn đề nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt đất đến kết quả mô phỏng của mô hình số đã được đề cập và triển khai thực hiện Năm 1994, Klink và Willmott đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đất và

độ ghồ ghề của bề mặt lên mô phỏng khí hậu [13], kết quả cho thấy tầm quan trọng của sự biến đổi bề mặt đất đến khí hậu, đặc biệt là độ ẩm đất và độ ghồ ghề của bề mặt Trong bài báo này, các tác giả sử dụng mô hình bề mặt-khí quyển qui mô vừa

6

TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt:

1 Nguyễn Bình Phong (2009), 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,

LVThS khoa học

2 Trần Thị Vân (2006), “Ứng dụng viễn thám nhiệt khảo sát đặc trưng nhiệt độ

bề mặt đô thị với sự phân bố các kiểu thảm phủ ở thành phố Hồ Chí

Minh”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 9 (2006), tr 70-74

3 Lương Văn Việt (2008), “Một số kết quả bước đầu về ứng dụng mô hình

MM5 trong nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại thành phố Hồ Chí

Minh”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 11 (04-2008), tr

79-92

4 Lương Văn Việt (2010), “Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ thành phố Hồ Chí

Minh theo qui hoạch đô thị đến năm 2020”, Tạp chí Phát triển Khoa học

và Công nghệ, 13 (M1-2010), tr 5-13

Tiếng Anh:

5 Ahrens C D (2006), “Meteorology today: An introduction to weather,

climate, and environment”, Eighth Edition, Thompson, Brooks/Cole USA

6 Fang-Yi Cheng, Yu-Ching Hsu, and Pay-Liam Lin, (2011) “Investigation of

the effects of different land use and land cover patterms on mesoscale

meteorological simulations in the Taiwan area”, Journal of applied Meteorology and Climatology, 52, pp 570-587

7 Glenn R Mc Gregor, and S Nieuwolt (1998), Tropical Climatology

7

8 Hong, S., V Lakshmi, E.E Small, F Chen, M Tewari, and K.W Manning

(2009), “Efffects of vegetation and soil moisture on the simulated land

surface processes from the coupled WRF/Noah Model”, Journal of Geophysical Research-Atmospheric, 114 (D18), 10.1029/2008JD011249

9 Xiaoyan Jiang, Christine Wiedinmyer, Fei Chen, Zong-Liang Yang, and Jeff

Chun-Fung Lo (2008), “Predicted impacts of climate and land use

change on surface ozone in the Houston, Texas area”, Journal of Geophysical Research, VOL 113, D20312, doi:10.1029/2008JD009820,

2008.

10 Steve Kardinal Jusuf, Nyuk Hien Wong, Emlyn Hagen, Roni Anggoro, and

Yan Hong (2007), “The influence of land use on the urban heat island in

Singapore”, Habitat International, 32(2), pp 232-242

11 Xinli Ke, Ejiun Ma, and Yongwei Yuan (2014), “Scenario simulation of the

imfluence of land use change on the regional temperature in a Rapidly

urbanizing region: A case study in southern-Jiangsu, China” Advances

in Meteorology, 2014, Article ID 159724, 12 pages

12 Katherine Klink, Cort J Willmott (1994), “Influence of soil moisture and

surface roughness heterogeneity on modeled climate”, Climate Research,

Vol 4: 105-118, 1994

13 Enjun Ma, Xiangzheng Deng, Qian Zhang, and Anping Liu (2014), “Spatial

variation of surface energy fluxes due to land use change across China”,

Energies, 2014(7), pp 2194-2206

14 Oke T R (1992), “Boundary layer climate”, Second edition, Routledge,

New York

15 W Moufouma-Okia, and D P Rowell (2009), “Impact of soil moisture

initialisation and lateral boundary conditions on regional climate model

8

simulations of the West African Monsoon”, Climate Dynamic, DOI

10.1007/s00382-009-0638-0

16 A J Pitman, N de Noblet-Ducoudre, F B Avila, L V Alexander, J.-P

Boisier, V Brovkin, C Delire, F Cruz, M G Donat, V Gayler, B van den Hurk, C Reick, and A Voldolre (2012), “Effects of land cover change on temperature and rainfall extremes in multi-model ensemble

simulations”, Earth System Dynamics, 3, pp 213-231

17 Z Tao, J A Santanello, M Chin, S Shou, Q Tan, E M Kemp, and C D

Peters-Lidard (2013), “Effect off land cover on atmospheric processes and air quality over the continental United States – a NASA Unified

WRF (NU-WRF) model stady”, Atmospheric Chemistry and Physics, 13,

pp 6207-6226

18 M Trail, A.P Tsimpidi, P Liu, K Tsigaridis, Y Hu, A Nenes, B Stone,

and A.G Russell (2013), “Potential impact of land use change on future regional climate in the Southeastern U.S: Reforestation and cop land conversion”, JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH:

doi:10.1002/2013JD020356, 2013