Sơ đồ BATS và ứng dụng trong việc tính các dòng trao đổi năng lượng và nuwocs giữa bề mặt đất khí quyển

TAP CHỈ KHOA HOC DHQGHN, KHTN & CN, T.xx, s ố 1, 2004 S Đ BATS VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC TÍNH CÁC DỊNG TRAO Đ Ổ I N Ả N G L Ư Ợ N G V À N Ư Ớ C G IỬ A B Ể m ặt DAT - KHÍ QUYEN P h a n V ă n T â n , N g u y ễ n H n g Đ iề n , D Đ ứ c T iế n Khoa K h í tượng - Thuỳ văn & H ải dương học Trường Đại học Khoa học Tự N hiên, Đại học Quốc gia Hà N ội Mở đ ầu Trên qu an điểm vật lý, hệ thông khí h ậu bao gồm t h n h p h ầ n b ản (5 hệ con) Khí quyển, T hủy quyển, Băng quyển, Sinh T hạc h [1] Trong hệ thông khí hậu, bể m ặ t trái đ ấ t đóng vai trị p h â n bơ' lại n ă n g lượng xạ m ặt trời mà hấp t h ụ Bề m ặt hấp th ụ năn g lượng xạ m ặ t trời t r ả lại cho hệ thống khí h ậu dịng p h t xạ sóng dài dòng phi xạ Các dòng lượng phi xạ bao gồm ẩn nhiệt, hiển nhiệt, dòng n h iệt tr u y ề n xuồng lớp đấ t sâu, lượng nhi ệt d n h cho trìn h chuyển pha nước nhữn g p h ả n ứng sinh hoá xảy bể m ặ t [1, 2] Khả năn g p h â n bô lại n ă n g lượng bề m ặt p h ụ thuộc vào loại bề m ật đệm (land use) t r n g th th uỷ văn Đối với vùng đ ấ t khơ trống (khơng có thực vật), lượng m ặ t trời chủ yếu d ùng để đốt nóng bề mặt Khi dịng nhiệt rối (hiển nhiệt) dịng nhiệt t ru yền xuống đ ấ t lớn h ầ u không xảy bốc bê mặt Ngược lại, bê m ặt ướt (sau mưa, đất nông nghiệp sau tưới), lượng h ầu sử d ụng cho t r ì n h bốc th o át bê mặt Trong trường hợp dòng hiển nhiệt dòng n h iệt t ruy ền xuống đất sâu thường nhỏ nhiều so với dòng ẩn nhiệt Đơi vối bề m ặ t có thực v ậ t bao phủ dày, nước lớp đ ấ t rễ h ú t rễ tr ìn h t h o t thực vật Vì vậy, điều kiện m ặ t đ ấ t cung cấp nước k n ă n g bốíc bê m ặt lốn đ ấ t có đủ lượng nước điều kiện thời tiết thích hợp cho việq thực vật Với loại bề m ặt t h n h phô, loại bề m ặt gần không thấm, sê h n c h ế việc bốíc nước đất Khi bị đốt nóng mạn h, vùng nội t h n h có điều k iện gần giông với vùng đ ấ t khô trông [2, 3] Sự tương tác bề m ặ t t r i đ ấ t khí diễn quy mô không gian thời gian Bề m ặ t t r i đ ấ t bao gồm hai t h n h p h ầ n ch ín h lốp phủ thực vật lớp p h ủ thổ nhưỡng (đất) Bề m ặt chịu điều khiển (driving forces) khí thông q ua tươrg- tác với lớp phủ thực vật Lớp đất phía đóng vai trị tích trữ vật chất Xét độ lỏn dòng n h iệt phi xạ, thông lượng nhi ệt truyền xuống lốp đ ấ t sâu chiến; kho ảng 10% lượng gi àn h cho phả n ứng sinh hoá chiếm 1% lượng lượng bề m ặ t hấp thụ N h vậy, bề m ặt đóng vai trị trực tiếp cung cấp n ă n g lượng cho khí thơng q u a dịng ẩm 40 ' Sơ đổ B a ts ứng d ụ n g viẻc tín h dịn g trao đơi 41 n h i ệ t rối Các dòng năn g lượng ẩn nhiệt, hiển n hiệt t ru y ền từ bề m ặ t liên quan trực tiếp đến trạng th i nh iệt ẩm phâ n tần g khí Bể m ặ t cung cấp nhiệt, ẩ m cho khí góp p hần vào q tr ìn h hì nh t h n h , p h t triển mây giáng thuỷ Sự p h t triể n mây giáng thuỷ lại q u a n hệ c h ặt chẽ với khả t ruy ền xạ m ặt tròi khí gián tiếp liên quan tới chê động lực khác đôi vối chuyển động khí từ quy mơ vi mơ, quy mơ vừa quy mơ lớn Trong mơ hình mơ khí hệ thơng khí h ậ u (gọi tắ t mơ h ình khí hậu), bê m ặt đóng vai trị cung cấp điểu kiện biên cho mơ hình khí quyển, bao gồm thông lượng ẩn nhiệt, hiển nhiệt động lượng Sơ đồ mơ tả q tr ìn h tương tác bề m ặ t khí gọi so’ đồ trao đổi n ăn g ỉượng đất, thực vật khí quyển, viết t ắ t SVAT (Soil-Vegetation- Atmosphere Transfers) Các sơ đồ SVAT p h t triển r ấ t sớm, từ sơ đồ đ ấ t - t h u ỷ văn đơn giản b a n đầu Budyko (1963), Manabe (1969) đến sơ đồ t n lớn (big leaf) phức tạ p Deardroff (1978) [2, 3, 4, 5], chúng liên tục nghiên cứu cải tiến G án người t a thương sử d ụng hai sơ đồ BATS (Biosphere Atmosphere T ransfer Scheme) Dickinson (1984) SiB (Simple Biosphere) Sellers (1986) Hai sơ dồ mơ hì nh đưa vào h ầ u hết tr ìn h xảy bê m ặ t áp dụng cho mơ hình khí hậu Trong này, để khảo sá t vai trò bê m ặ t đơi vói q tr ìn h tương tác đ ấ t - khí quyển, ch úng sử dụng so’ đồ BATS Sơ lược vê BATS trình bày mục Mục dẫn số’ kết nghiên cứu ả nh hưởng bê m ặ t đến dịng nh iệt ẩm vào khí Các loại bê m ặ t khảo sát nhữn g loại x u ấ t k h phổ biến Việt Nam Một sô" kế t lu ận trình bày mục Sơ dồ tư n g tác đ â t - k h í q u y ế n BATS Chức BATS 1) Tính lượng xạ m ặ t trời hấp t h ụ bề m ặt xạ sóng dài t h u ầ n , 2) Tính dịng trao đổi động lượng, hiển nhiệt ẩm bể m ặ t lớp khí quyển, 3) Xác định t h n h p h ầ n gió, độ ẩm n hiệt độ khí quyển, t n thực vật mực q u a n trắc bê mặt, 4) Tính giá trị n hiệt độ lượng ẩm bề mặt Mơ tả chi tiết BATS có th ể tìm thấy, ch ẳn g hạn, [6] Cấu trúc bề m ặt BATS gồm lớp p h ủ thực vạt ba lớp đất Bề m ặ t chia làm 18 loại với đặc tính vật lý tương ứng khác nhau, n h màu đ ấ t (được chia t h n h lốp màu, từ đậm đến nhạt), kết cấu đ ấ t (được chia t h n h 12 cấp, từ r ấ t thô (cát) đến r ấ t mịn (sét)) Ngoài ra, h m lượng ẩm đất, lượng nước mưa biến t h n h dòng chảy t r n g thái bề m ặ t (có nùỏc hay tut phủ khơng) tín h đến [6 J 2.1 A lbedo be m a t Albedo đặc tr n g chp k h ả năn g phản xạ bê m ặ t đơi vói xạ sóng ngắn p h t xạ sóng dài Albedo bổ m ặ t phụ thuộc vào bưóc sóng, góc thiên đỉnh m ặt tròi t r n g thải bề m ặ t n hư loại bề mặt Đơì vối bề m ặt khơng có ết phủ, BATS t ín h albedo cho ba trường hợp albedo thực v ậ t đôi vối xạ m ặt tròi P h a n V ă n T ả n , N g u y ễ n H n g Đ iê n , D Đ ứ c T iế n 42 nhìn th (^0.7|im), albedo đất Mặc dù albedo thực vậ t p h ụ thuộc vào nh iều n h â n tô' c, n h m àu chẳng hạn, song sô liệu h n chế, BATS xem thực vậ t có m u x a n h Giá trị albedo loại lớp p h ủ thực vật khác n h a u cho trước Albedo đ ấ t trông ph ụ thuộc vào m u đ ấ t độ ẩm đất Nó t ă n g d ầ n theo độ kh ô bề m ặ t đ ấ t tính Albg = ALBGO+Aocg(Ssw), ALBG0 albedo đ ấ t bão hòa nước; Ssw h m lượng nưốc đ ấ t bề mặt; Aag(Ssw) = 0.01(1 l - S sw/Zu) > 0, với Zu độ dày lớp đ ấ t t r ê n Trong trường hợp bề m ặ t có t u y ế t phủ, albedo xem p h ụ thuộc vào phổ bước sóng xạ, góc th iê n đỉnh m ặ t trời, độ dày tuyết, kích thưốc h t tuyết, mức độ bụi b ẩ n tuổi tuyết 2.2 N h iệ t đ ộ đ ấ t N hiệt độ đ ấ t tr on g n h ữ n g t h a m sô' q u a n t r ọ n g t r o n g sơ đồ SVAT Trong BATS n h iệ t độ lớp đ ấ t t ín h theo phươ n g p h p tác động phục hồi (force-restore) N h iệt độ lớp đ ấ t bề m ặ t Tgl tính từ p hư ng t r ì n h vi p h â n sau: ể ỔTI CAt — iL + 2A T = B di (1 ) A=0.5vdAt; B = BC0EFh s + v dAt.Tg2; c =(1+FCT1), với vd=27ĩ/86400 t ầ n số dao động ngày, h s tác động n h iệt t h u ầ n bề m ặ t đất, At bước thòi gian (s), Tg2 n h iệt độ lớp đất bề mặt, B C0 EF= fsNowBcoEFS ■*“ (1 d iện tích bị tu y ế t p h ủ , B s= , b C0EFB = Fsnow)Bcoefb> fsNow phân v M «> -* »2 • li • V* ^ o I Ầ ' jilt ' , ° t-v •*IC; / s ».* -17* * ,• ị Ị II * I ; ♦ N ị* • Ị >: “i *ts ‘i * 1|'ì * * ** *1.11 I I i ỉ ị 1ẳ* ỉI ► ị •h í li li Vị * r ỉ ỉ 1 * ỉ; * I f J ã ị/ y L t ặ ầ -*$"• iiỉ- ẳẶ a) Dịng hiển nhiệt ,4 y ll ỉ b) Dòng ẩn nhiệt - c) Dòng chảy m ặt H ình Diễn biến dịng bể mặt ngày tích phân đầu tiên, TH2 n i *2 ô *3 il ;ã* «t I f i A • V * * 11^'/ •* I í /• .- / ^ I I ■J » / -d ; ^ J t ự vt ị » - ẳ ĩ ị 1 ẳ ft V / s4 • * » ề• l '| n t ì a) Dòng hiển nhiệt M ụ ỵ o *? * ằJ ã ô4 t :n t 11, 11 i I ì Ị Ị :M ti ! ' í ■ -U ;W Ị X-pvV _ A o b) Dịng ân nhiệt c) Dịng chảy mặt H ình Diễn biên dòng bề mặt ngày tích phân đầu tiên, TH3a Ị 55 Sơ đồ B a ts ứ n g d u n g việc tín h dịng trao đơi I * : M Ỉ M ì ‘í I ililM I a) Dòng hiển nh iệt b) Dòng ẩn nhiệt I c) Dòng chảy mặt H ỉnh Diễn biến dịng bê mặt ngày tích phân đầu tiên, TH3b &l • s? *3 • i4 ề •• ■ a) Dịng hiển nhiệt b) Dịng ẩn nhiệt ♦ í4 \ c) Dịng chảy mặt H ình Trung bình ngày dịng bê mặt, TH4 T i l iệ u t h a m k h ả o Giogri F., Modeling Land Surface Processes in Climayte Models, I, II, III, Workshop on Land-A tm osphere Interactions in Clim ate Models, The abdus salam international centre for theoretical physics, ICTP, Italy, 2001 Avissar R., A conceptual aspects of a statistical dynamical approcah to represetation of landscape subgrid scale heteorogeneitu in atmosphereic model, Journal o f Geophgysical Research, V97, No D3, February 1992, pp.2729-2742 t Avissar R and Piekle R., A parameterization of heterogeneous surface land surface for atmospheric numerical model and its impact on regional meteorology, M onth Weather Review, V117, 1989, pp 2113-2136 Piekle R et al., Interations between the atmosphere and terrestial ecosystem: influence on we ather and climate, Global Change Biology, 1998,4, pp.461-475 Viterbo p., A reviews of parameterization of land surface, M eteorological tra in in g course lecture series o f ECMWF, 2003, 49p Dickinson R et al., Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS) version le as coupled to the NCAR Community Climate Model, N C A R /T N -387+ ST R , N C AR Tech Note, 1993 72p Pitm an A J., Assessing the Sensitivity of a Land Surface Scheme to the Param eter Values Using a Single Column Model, Journal o f Climate, Vol 7, 1994, pp 1856-1869 56 P h a n Văn T ả n , N guyền H ướng Đ iê n , Dư Đức Tiến Wilson M F et al., Sensitiveity of the Biosphere-Atmospheree Transfer Scheme (BATS) to the Inclusion of Variable Soil Characteristics, Journal o f C lim ate and Applied Meteorology, Vol 26, 1987, pp.341-362 Milhailovic D T et al., A study of the sensitivity of land surface parameterizations to the inclusion of different fractional covers and soil textures, Journal o f Applied Meteorology, Vol 31, pp 1477-1487 VNU JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xx, N01 2004 BATS S C H E M E AND ITS APPLICATION FO R CALCULATING T H E ENERGY AND WATER EXCHANGED FLUXES BETWEEN LAND SURFACE ATMOSPHERE P h a n V a n T an, N g u y e n H u o n g D ien, Du D ue T ie n D epa rtm ent o f Hydro Meteorology a n d Oceanography College of Science - VNU In this study we use BATS scheme to investigate the energy a n d w a te r fluxes between land surfaces a nd atm o sph ere with five different scenarios, denoted by T H I, TH2, TH3a, TH3b and TH4 Four types of vegetation/land - cover are chosen, which consist of crop (Si), evergreen needle leaf tree (S2), evergreen broad leaf tree (S4), and tall gras s (S4) For each scenario, set of p a r a m e t e r s rep resen tin g ch aracters of vegetation/land-cover types, atmospheric forces, such as th e fractional vegetation cover, the initial values of soil moisture in soil layers, th e precipitation rate and frequency, are given The re sults showed that, l a t e n t heat, sensitive heat fluxes and run - off are r a t h e r sensitive with land surface types In the same driving forces of atm osphere, fluxes from/to the land surface with larger of fractional vegetation cover are stronger The increase of precipitation te (TH2) lead to much more increasing run - off from surface type of S3 th an other In the case of long time w ithout precipitation, sensitive h e a t fluxes from land surface types to a tm o sp he re are strongly increased i ... biên cho mơ hình khí quyển, bao gồm thông lượng ẩn nhiệt, hiển nhiệt động lượng Sơ đồ mơ tả q tr ìn h tương tác bề m ặ t khí gọi so’ đồ trao đổi n ăn g ỉượng đất, thực vật khí quyển, viết t ắ... [7] Mặc dù vậy, ph m vi này, chún g sử dụng sơ đồ BATS ỏ chê độ chạy tính độc lập Các th a m số đầu vào cho BATS sử dụng dẫn b ản g 2, ứng với bốn loại bề mặt chọn t r ê n đây, tiến hành n ă m... đổi Tình hng xảy ngược lại đơì với dòng ẩn nhiệt Kết l u ậ n Bằng việc sử dụng sơ đồ BATS đê khảo sá t vai trị bê m ặt đ ấ t đơi với dịng trao đơi lượng nước đấ t - khí chúng tơi tiến h n h tính