Đánh giá khả năng mô phỏng lượng mưa và nhiệt độ của các mô hình NHM và RegCM trên khu vực việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Mạnh Linh ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG LƢỢNG MƢA VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA CÁC MƠ HÌNH NHM VÀ REGCM TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội - 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - Nguyễn Mạnh Linh ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG MÔ PHỎNG LƢỢNG MƢA VÀ NHIỆT ĐỘ CỦA CÁC MƠ HÌNH NHM VÀ REGCM TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng Khí hậu học Mã số: 60 44 0222 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TSKH KIỀU THỊ XIN Hà Nội - 2014 Lời cảm ơn Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến PGS TSKH Kiều Thị Xin, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người hướng dẫn khoa học, GS TS Nguyễn Hữu Dư chủ nhiệm đề tài khoa học “Nghiên cứu xây dựng kịch tượng thời tiết cực đoan trung hạn (2015-2030) cho khu vực Việt Nam – Biển Đơng sử dụng kịch biến đổi khí hậu chương trình Kakushin”, TS Lê Đức giúp đỡ nhiều mặt khoa học hợp tác quốc tế thời gian tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn sâu sắc tới Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương, phòng Nghiên cứu & Ứng dụng tạo điều kiện thời gian giúp tơi hồn thành luận văn Tơi xin bày tỏ lịng cảm ơn tới thầy giáo, giáo, Khoa Khí tượng Thủy văn & Hải dương học, Khoa sau đại học Trường Đại học Khoa học Tự Nhiên giảng dạy, giúp đỡ cách tận tình chu đáo Trong suốt thời gian thực luận văn, nhận quan tâm giúp đỡ bạn bè, đồng nghiệp, ghi nhớ biết ơn giúp đỡ quý báu Cuối cùng, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới người thân yêu gia đình tơi, ln nguồn động viên tinh thần q giá giúp tơi hồn thành luận văn Mục lục Mở Đầu _ CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MƠ PHỎNG KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MƠ HÌNH SỐ _ 1.1.Trên giới 1.2 Tại Việt Nam _ CHƯƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ _ 10 2.1 Số liệu 10 2.2 Mơ hình _ 15 2.2.1 Mơ hình NHRCM 15 2.2.2 Mơ hình RegCM _ 15 2.3 Thiết kế thí nghiệm _ 16 2.4 Phƣơng pháp đánh giá 17 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ _ 20 3.1 Đánh giá kết mô nhiệt độ _ 20 3.2 Đánh giá kết mô mƣa 29 KẾT LUẬN _ 40 Phụ lục _ 45 Danh sách chữ viết tắt AGCM AMeDAS AMV Aphrodite ATOVS CAM CCLM CCSM3 CLM ClWRF CMM5 COSMO COBE-SST CRCM CRIEPI DWD ECMWF ERA GCMs HE-VI ICTP JMA JRA25 MRI NCAR NCDC NCEP NHM NHRCM NICAM NorESM NPD OISST PRECIS TOVS RCMs RegCM REMO SST Atmospheric Global Circulation Model Automated Meteorological Data Acquisition System Atmospheric Motion Vector Asia Precipitation – Highly resolved Observational Data Intergration Towards Evaluations of the Waters Resources Advanced TIROS Operational Vertical Sounder Community Atmospheric Model Cosmo Climate Limited-area Model The Third - Community Climate System Model Community Climate Model Climate Weather Research Forecast Climate Mesoscale Model Consortium for small scale modeling Characteristics of Global Sea Surface Temperature Analysis Data The Third - Generation Canadian Regional Climate Model Central Research Institute of Electric Power Industry Deutscher Wetterdienst European Centre for Medium Range Weather Forecasts European Reanalysis Global Climate Models Horizontally Explicit – Vertically Implicit International Centre for Theoretical Physics Japan Meteorological Agency Japanese 25-year Reanalysis Meteorological Research Institute National Center for Atmospheric Research National Climatic Data Center National Center for Environmental Prediction Nonhydrostatic Regional Model Nonhydrostatic Regional Climate Model Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model Norwegian Earth System Model Numerical Prediction Division Optimum Interpolation Sea Surface Temperature Providing Regional Climate for Impacts Studies TIROS Operational Vertical Sounder Regional Climate Models Regional Climate Model Regional Climate Modeling Sea Surface Temperature Danh sách bảng STT Bảng Bảng 2.1 Bảng 2.2 Bảng 2.3 Danh sách hình vẽ biểu đồ STT hình Hình 2.1 Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 3.1 Hình 3.2 Hình 3.3 Hình 3.4 Hình 3.5 Hình 3.6 Hình 3.7 Hình 3.8 Hình 3.9 Hình 3.10 Hình 3.11 Hình 3.12 Hình 3.13 Hình 3.14 Hình 4.1 Mở Đầu Các mơ hình khí hậu tồn cầu mơ tốt q trình quy mơ lớn việc xem xét q trình quy mô địa phương lại cần thiết Đáp ứng yêu cầu nhiều tổ chức giới phát triển ứng dụng mơ hình khí hậu khu vực với độ phân giải cao, chí vượt qua giới hạn thủy tĩnh (dưới 10km) - phi thủy tĩnh Nhưng để chạy mơ hình khí hậu phân giải cao địi hỏi nhiều chi phí tính tốn, thực tế nước có tài ngun máy tính lớn thực việc Tại Cộng Hòa Liên Bang Đức, CCLM (Cosmo Climate Limited-area Model) phiên dự báo khí hậu mơ hình thời tiết độ phân giải cao phi thủy tĩnh Cosmo, phát triển quan khí tượng quốc gia kết hợp với cộng đồng sử dụng mơ hình quy mơ nhỏ COSMO (Consortium for small scale modeling) sử dụng nghiên cứu khí hậu Bên cạnh đó, ICTP (International Centre for Theoretical Physics) phát triển mơ hình khí hậu khu vực RegCM, ứng dụng nhiều nơi giới Ở Nhật Bản, chạy thử nghiệm mơ hình NICAM (Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model) độ phân giải 4km, hay mô hình NHRCM (Nonhydrostatic Regional Climate model) phiên khí hậu mơ hình dự báo thời tiết NHM (Nonhydrostatic Regional Model) đánh giá mô sát nhiệt độ lượng mưa giai đoạn năm từ 2001 đến 2006 (Hidetaka Sasaki nnk, 2011) với độ phân giải ngang km [17] Theo đó, xu hướng phát triển giới tiến tới chạy mơ hình khí hậu khu vực cao mơ hình phi thủy tĩnh Ở nước ta có nhiều mơ hình khí hậu khu vực sử dụng nghiên cứu ClWRF (phiên khí hậu mơ hình WRF), CMM5 (phiên khí hậu mơ hình MM5), REMO, … đặc biệt mơ hình RegCM sử dụng nhiều để mô yếu tố tượng khí hậu cực đoan (Phan Văn Tân nnk, 2008) [3, 4, 26] Bổ sung vào cơng trình nghiên cứu nước, chúng tơi đề xuất sử dụng phiên khí hậu mơ hình NHM (NHRCM - thuật ngữ sử dụng thay cho NHM phạm vi luận văn) để nghiên cứu khí hậu dựa kết đánh giá khả quan chuyên gia Nhật Bản [17] Nhưng trước đưa vào sử dụng cần phải kiểm chứng khả mô khí hậu mơ hình NHRCM với mơ hình RegCM, mơ hình dùng nhiều Việt Nam, chuỗi số liệu đủ dài Bởi luận văn tiến hành “Đánh giá khả mô lượng mưa nhiệt độ mơ hình NHRCM RegCM khu vực Việt Nam” thực chuỗi số liệu 22 năm từ 1986 đến 2007 độ phân giải 20km chạy với điều kiện biên điều kiên ban đầu số liệu tái phân tích JRA25 (Japanese 25-year Reanalysis), số liệu tái phân tích nhiệt độ bề mặt nước biển SST Nhật Bản Số liệu lượng mưa nhiệt độ dùng để so sánh lấy từ phân tích Aphrodite(Asia Precipitation – Highly resolved Observational Data Intergration Towards Evaluations of the Waters Resources) độ phân giải 0.25 độ chuỗi quan trắc 58 trạm synop khu vực Việt Nam thời kỳ Luận văn bố cục gồm phần sau: Mở đầu Chƣơng 1: Tổng quan nghiên cứu mơ khí hậu khu vực mơ hình số Chƣơng 2: Số liệu phương pháp đánh giá Chƣơng 3: Kết đánh giá Kết luận Tài liệu tham khảo xung quanh áp dụng sơ đồ điều chỉnh thông lượng qua biên xung quanh Lấy tích 56 phân khối phương trình liên tục (29) thu quan hệ sau xu thời gian tổng khối lượng tồn miền mơ hình thong lượng khối qua biên xung quanh: ρG1/ ∂ ∫∫∫ ∂t − m ( ∫∫ Vdxdz ) * Số hạng cuối phương trình hiệu số tốc độ mưa trung bình khu vực tổng thông lượng bề mặt nước (tổng bốc bề mặt) Vì số hạng thường bù trừ (offset) cho nên giá tri hiệu chỉnh thông lượng khối biên xung quanh giảm nhờ bổ sung số hạng khuếch tán ẩm vào phương trình liên tục 2.2.1.2 Các trình vật lý a Vật lý mây Ikawa Saito (1911) áp dụng sơ đồ vi vật lý mây ba pha cho NHM dựa so đồ Lin cộng (1983) Thành phần nhiễu động khí áp tuyến tính hóa để tính nhiễu động nhiệt độ vị MRI/NPD-NHM, gần bị loại bỏ phiên NHM Mặc dù vi vật lý mây đầy đủ dự báo nồng độ ngưng kết mây, tuyết mưa đá, có tỷ số xáo trộn dự báo thức phiên nghiệp vụ Ngoài ra, phiên tiết kiệm phương pháp bulk Yamada (2003a) phát triển, số số hạng không quan trọng (chủ yếu cho tạo thành mưa đá) bị loại bỏ Một điều chỉnh bổ sung nghiệp vụ cho phép tốc độ bốc mưa, tuyết, mưa đá thay đổi tới 50% so với tốc độ ban đầu để giảm bốc nhiều tầng thấp khí chạy mơ hình với độ phân giải 10km Bên cạnh giá trị ngưỡng chuyển đổi tự động Kessler từ nước mây sang mưa thay đổi từ đến 0.1g/Kg để tránh xác định thiên thấp lượng mưa nhỏ Sơ đồ hộp Lagarangian (Kaito 1995) không áp dụng tính đến hạt rơi khỏi (fallout of rain) mà mưa đá để đảm báo tính ổn định tính tốn nghiệp vụ với = 40s 57 Để chuẩn bị điều kiện ban đầu cho sơ đồ vi vật lý mây sử dụng hệ thống dự báo chu kỳ 6h, biến vi vật lý mây lấy từ dự báo h NHM, nút lưới có độ ẩm tương đối nhỏ 90% giá trị biến gán (Ishida Saito 2005) b Tham số hóa đối lưu Tham số hóa mây tích vấn đề quan trọng để xác định hiệu mơ hình mơ hình hoanf lưu chung khí (GCM) mơ hình dự báo số trị (NWP) Mặc dù MRI/NPD-NHM có sơ đồ tham số hóa đối lưu (sơ đồ Arakawa – Schubert sơ đồ đối lưu ẩm có hiệu chỉnh) cách thiết lập sơ đồ khơng thích hợp chạy mơ hình với độ phân giải ngang cao (10km), sơ đồ ban đầu phát triển cho GCM với giả thiết bước lưới ngang lớn nhiều so với quy mơ mây Trong mơ hình NHM, sơ đồ tham số hóa đối lưu Kain-Fritsch (K-F) (Kain and Fritsch 1993) Yamada áp dụng (2003b) Ngoài thay đổi bổ sung gần mô tả Kain (2004), số sửa đổi Ohmori Yamada (2004) để cải thiện hiệu dự báo mưa lớn với độ phân giải 10km Nhật, nơi mà ẩm khối khí biển khơng ổn định chiếm ưu Trong hàm “khởi động” (“trigger function”) sơ đồ K-F, đưa vào ý tưởng gia tăng nhiệt độ để mô nhiễu động cưỡng địa phương hàm dòng thăng quy mô lưới Dù sơ đồ gốc gia tăng nhiệt độ coi hàm độ phân giải ngang sơ đồ cho lượng mưa địa hình cao Như vậy, yếu tố gia tăng nhiệt độ khối khí mực ngưng kết (LCL) giảm đi, từ giá trị ban đầu 1K xuống 0.2K.Để giảm bớt xác định thiên cao chuyển động quy mơ lưới, dịng thăng điểm nút mơ hình tính giá trị trung bình điểm xung quanh Vì sơ đồ xác định mưa gốc mà Ogura Cho (1973) sử dụng để tính “đặc điểm dịng thăng”, giáng thủy tạo sinh khu vực có dịng thăng mà khơng tính đến lượng ngưng tụ Với sơ đồ này, kiểu mưa không thật 58 nhạy nhận giống vùng mưa kéo dài có hướng vng góc với đới mưa chính.Các kiểu mưa tương tự mô đới mưa với áp dụng sơ đồ K-F mô tả công trình Knievel (2002) H Kusaka (2004).Để cải thiện dạng mưa vậy, áp dụng sơ đồ dựa ý tưởng Kessler-type chuyển đổi tự động, chất ngưng kết dòng thăng chuyển đổi thành mưa giá trị chúng vượt ngưỡng cho trươc(1.0 g/Kg) Liên quan đến “giả thiết khép kín”, sơ đồ K-F mặc định rằng, đối lưu dùng gần hết lượng CAPE (90%) có trước sơ đồ K-F Tuy nhiên, thử nghiệm dự báo mặc định làm khí ổn định lượng mưa lớn giảm theo thời gian đến hạn dự báo 18h Để ngăn ngừa bất ổn định khơng muốn khí mơ hình người ta thu nhỏ tốc độ giảm CAPE cột khí đơi giảm cách giảm giá trị mặc định sơ đồ K-F từ 90% xuống 85% c Khuếch tán ẩm Với thay đổi sơ đồ K-F trình bày trên, việc mơ mưa lớn cải thiện.Tuy nhiên, cường độ dòng thăng khối khí quy mơ lưới mơ hình thường phát triển với tốc độ tăng phần dư CAPE.Sư thay đổi gây nhiều bất ổn định đối lưu khí mơ hình Để kiểm tra được xoáy nút lưới mưa quy mô lưới lớn kèm theo, biện pháp gọi khuyếch tán ẩm kết cục (Targered moisture diffusion) TMD áp dụng NHM (Saito Ishida 2005) Ý tưởng TMD phát triển T.Davies (Met Office) cho mơ hình UM (Davies et al 2005), đó, khuếch tán ngang bậc áp dụng cho nước tồn dòng thăng mạnh để kìm hãm chọn lọc xốy nút lưới sinh hiệu ứng dương ngược giải phóng ẩn nhiệt ngưng kết gia tốc thăng Trong mơ hình UM quy mơ vừa, 38 mực độ phân giải ngang 0.11 (12-km), TMD áp dụng cho tất điểm lưới cột, nơi có chuyển động dịng thăng vượt q 59 m/s Trong trường hợp mơ hình NHM, khuếch tán ngang hàm e mũ 300s áp dụng cho bốc điểm lưới, nơi có dịng thăng vượt m/s d Các trình bề mặt Mơ hình MRI/NPD-NHM có số vấn đề thuộc tính bề mặt: điều kiện khơng ổn định tồn độ lệch hệ thống (bias) lạnh ẩm Xác định cao dòng ẩn nhiệt bề mặt nguyên nhân gây hai độ lệch Dưới thay đổi thực Kumagai (2004a): Giá trị thông số nhám (hệ số nhám) vô hướng nhiệt ẩm ( z oh ) z giảm khoảng 1/7.4 so với hệ số nhám động lượng ( om ) theo Garatt Francey (1978) Sự thay đổi làm giảm dòng ẩn nhiệt bề mặt Tính tốn hệ số khối (bulk coefficients) cho thông lượng bề mặt đất liền thay đổi từ Sommeria (1976) sang Louis cộng (1982) MSM Sự thay đổi làm giảm xác định cao thông lượng bề mặt trường hợp ổn định mạnh Các hệ số khối bề mặt (bulk coe lượng ( ) nhiệt () tính  a a  m h  + 3bRiB (61) + dRi C dh 3bRiB + 3ba a c m h 60 (62) số Richardson xác định bởi: RiB = am = Ở b = c = d = κ (=0.4) số Kármán, số bên a s biểu giá trị mực thấp mơ hình ( ) bề mặt Theo MSM, biến kháng trở khí khổng (stomatal resistance) đưa vào để biểu diễn biến thiên ngày biến thiên mùa bốc bề mặt Thông lượng nước bề mặt tham số hóa dịng giáng thơng lượng xạ sóng ngắn xuống S ↓ : (30s/m vào tháng đến tháng 10 60s/m vào tháng lại) Vào buổi tối bắt đầu ẩn nhiệt làm hạn chế trình ẩm mực thấp e Các trình lớp biên Độ lệch ẩm bề mặt trình bày gây khuếch tán yếu lớp biên hành tinh (PBL) NHM Để xem xét hiệu ứng phi địa phương, số thay đổi thực Kumagai(2004b) Độ dài xáo trộn phiên gốc NHM xác định bước lưới điển hình độ ổn định khí địa phương cơng thức Deardorff‟s (1980) thay công thức gần mặt Blackadar (1962) cho độ dài xáo trộn gần tích số Kármán độ cao mặt đáy Tuy 61 nhiên, thay đổi dẫn đến đánh giá thiên thấp độ dài xáo trộngần bề mặt ngăn cản sử phát triển lớp biên đối lưu Trong mơ hình NHM theo Sun Chang (1986), độ dài xáo trộn thẳng đứng công thức đây, có sử dụng đỉnh PBL ( max  l SC (hPBL ) l z  max  l SC (hPBL ) Ở đây, E động rối (TKE), N tần số Brunt-Vaisala  l SC (z ) = 0.25 (68)   Đỉnh PBL xác định mực mà nhiệt độ vị ảo vượt giá trị mực thấp Tính vơ hướng rối xem xét, độ dài xáo trộn thẳng đứng xác định riêng theo chiều thẳng đứng chiều ngang với sử dụng bước lưới thẳng đứng ngangtương ứng Số rối Prandtl hệ số rối khuếch tán tính riêng biệt theo hướng thẳng đứng ngang với sử dụng độ dài xáo trộn đứng ngang tương ứng f Cảnh báo lượng rối Mơ hình rối khép kín bậc 1.5 đưa vào mơ hình NHM để xác định hệ sốkhuếch tán Sơ đồ xem TKE biến dự báo tích phân phương trìnhTKE Trong sơ đồ dự báo TKE, điều kiện ban đầu biên xung quanh TKE đòi hỏi trì cấu trúc lớp biên Tuy nhiên, điều kiện không 4DVAR Meso RSM cung cấp.Ngoải ra, thời gian tích phân TKE tốn sử dụng sơ đồ bậc cao sơ đồ bình lưu sửa đổi Trong mơ hình NHM, gió bề mặt mạnh (mode) lỗi tính tốn đơi xuất trường hợp chạy 62 với độ phân giải ngang 10km At=40s nếy TKE tính với sử dụng sơ đồ sai phân trung tâm bậc đới giản khơng dung sơ đồ hiệu chỉnh bình lưu Để khắc phục yếu điểm nêu trên, lựa chọn thực Kumagai Saito (2004), TKE không dự báo mà cảnh báo Giả sử có cân địa phương công thức TKE ta nhận tương quan lực nổi, số hạng tích độ đứt số hạng tiêu hao ma sát nhớt: ∂θ gK hz − θ ∂z Ở đây, , hệ số khuếch tán thẳng đứng cho moment động lượng nhiệt tương ứng, sử dụng độ dài xáo trộn thẳng đứng số nghịch đảo rối K K thu công thức (69) (71): K mz2 = C lượng rối cảnh báo công thức (70) g Xử lý ẩn khuếch tán thẳng đứng Trong mơ hình MRI/NPD-NHM, khuyếch tán thẳng đứng xử lý hiển, giới hạn hệ số khuếch tán công thức sau: K