Nghiên cứu ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐẾN CHU TRÌNH NGÀY NHIỆT ĐỘ MƠ PHỎNG CỦA MƠ HÌNH WRF Trần Đình Linh; Chu Thị Thu Hường Trường Đại học Tài ngun Mơi trường Hà Nội Tóm tắt Với mục tiêu xem xét ảnh hưởng số liệu bề mặt đến chu trình ngày nhiệt độ mơ phỏng, nghiên cứu thiết lập chạy mơ hình WRF cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh lân cận 09 đợt với lựa chọn tham số vật lý sơ đồ tham số hóa khác số liệu sử dụng đất Kết cho thấy, thay đổi điều kiện bề mặt làm thay đổi kết mơ mơ hình Mức độ khác điều kiện bề mặt phản ánh hai nguồn số liệu đất định mức độ khác kết mô Nghiên cứu cho thấy, độ xác kết mơ phụ thuộc vào mức nhiệt độ thực tế khu vực nghiên cứu thời gian ngày Ngoài ra, biến đổi cán cân xạ thông nhiệt nhiệt từ bề mặt điều kiện sử dụng đất thay đổi nguyên nhân dẫn đến thay đổi kết mơ hình Từ khóa: Ảnh hưởng bề mặt, chu trình ngày nhiệt độ, mơ hình WRF, WRF_USGS, WRF_MODIS Abstract Effect of Land-use Data on Daily Temperature Cycle Simulated from WRF Model To examine effects of land-use data on the daily temperature cycle simulated from numerical model, study has used the WRF model for Ho Chi Minh city and nearby areas Total of 09 simulations with the same physical options and parametric functions using different land-use data have been run The results show that the surface conditions have effects on the simulation results of model Differences of surface conditions reflected on two surface resources data determine the differencesof simulation results The study also shows that the accuracy of simulation results depends on the actual temperature in the study area and the day time In addition, the variation of radiation balance and heat flux from surface is one of the reasons leading to the change of model results Keywords: Effect of land-use, daily temperature cycle, WRF_USGS, WRF_MODIS Mở đầu nhiệt qua lại với khí Bề mặt Trái Đất thành phần tương tác địa hình với hồn lưu khí có vai trị quan trọng hình thành thay đổi tùy thuộc vào loại bề thời tiết khí hậu.Các loại bề mặt khác mặt Sự biến đổi bề mặt đất, đặc biệt có độ phản xạ, độ phát xạ khác nhau, độ ẩm đất độ ghồ ghề bề mặt có từ cán cân xạ cân ảnh hưởng lớn đến điều kiện khí hậu lượng bề mặt khác Hơn khu vực định [6] Đối với mô hay dự báo thời nữa, loại bề mặt có đặc trưng nhiệt, độ ghồ ghề riêng Do đó, trao đổi tiết (khí hậu) mơ hình số trị, việc Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 57 Nghiên cứu lựa chọn nguồn số liệu bề mặt ảnh hưởng lớn đến kết mơ hình Nhiều nghiên cứu kết mơ mơ hình số phụ thuộc nhiều vào nguồn số liệu bề mặt sử dụng Kết mô mưa, kể cường độ phân bố không gian lượng mưa thay đổi đáng kể điều kiện bề mặt thay đổi [8] Các khu vực nhiệt độ cao (hay thấp), lượng mưa lớn (hay nhỏ) theo kết mô hình phụ thuộc vào điều kiện bề mặt nguồn số liệu đất, độ xác kết mô phụ thuộc vào sai lệch nguồn số liệu đất sử dụng so với điều kiện thực tế [5] Sự thay đổi điều kiện bề mặt q trình thị hóa làm thay đổi điều kiện thời tiết khu vực, đặc biệt chế độ nhiệt Các vùng lõi đô thị, tập trung dân cư cao tỉ lệ bề mặt bị bê tơng hóa lớn thường có nhiệt : Đất đô thị xây dựng : Đất nông nghiệp khô cằn : Đất nông nghiệp : Đất nông nghiệp/thực vật tự nhiên độ cao vùng ngoại ơ, hình thành nên hiệu ứng đảo nhiệt đô thị Sự dịch chuyển vùng nhiệt cao (thấp) ngày đêm phụ thuộc vào mức độ tập trung dân cư loại bề mặt, mức độ phủ thực vật khả trao đổi nhiệt bề mặt khí [7] Ở Việt Nam, nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt đến đặc điểm thời tiết, khí hậu nói chung ảnh hưởng đến kết mơ hình số nói riêng chủ yếu xem xét đến khía cạnh phân bố khơng gian kết mơ [1, 2, 3, 4] Chính vậy, nghiên cứu này, tác giả tập trung xem xét thay đổi đặc điểm chu trình ngày nhiệt độ mơ từ mơ hình khu vực có điều kiện bề mặt khác (hoặc giống nhau) từ hai nguồn số liệu đất USGS MODIS : Cây bụi; : Đồng cỏ; : Rừng; : Xa van : Cây xanh : Bề mặt nước Hình 1: Bản đồ điều kiện sử dụng đất MODIS (trái) USGS (phải) Số liệu phương pháp nghiên cứu 2.1 Số liệu Số liệu sử dụng nghiên cứu gồm số liệu quan trắc, số tái phân tích NCEP-FNL số liệu bề mặt đất 58 Số liệu quan trắc ba trạm khu vực nghiên cứu gồm Tân Sơn Nhất, Vũng Tàu Biên Hòa sử dụng để xem xét, lựa chọn đợt mô đánh giá kết mơ mơ hình Số liệu NCEP-FNL dùng làm điều kiện biên điều kiện ban đầu cho Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu việc thiết lập chạy mơ hình Số liệu đất sử dụng số liệu vệ tinh quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ USGS (USGS - U.S Geological Survey) vệ tinh MODIS hải quân Hoa Kỳ (MODIS - Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) Cả hai nguồn số liệu cung cấp cho người dùng kèm mơ hình WRF Hai nguồn số liệu có thể khác điều kiện bề mặt khu vực nghiên cứu, số liệu đất MODIS phản ánh gần với thực tế so với số liệu USGS (hình 1) 2.2 Phương pháp nghiên cứu Mơ hình WRF phiên 3.6.1 sử dụng thiết lập chạy cho khu vực Tp Hồ Chí Minh lân cận Mơ hình thiết lập chạy với 04 miền tính lồng với độ phân giải 27km, 9km, 3km 1km (hình 2) Có tất 09 đợt chạy mơ phỏng, có 03 đợt khu vực có mức nhiệt cao, 03 đợt có mức nhiệt trung bình 03 đợt có mức nhiệt thấp Với đợt, mơ hình chạy với hai tùy chọn số liệu đất khác nêu Ảnh hưởng bề mặt đến kết mơ mơ hình đánh giá cách xem xét chu trình ngày nhiệt độ mơ miền tính sử dụng nguồn số liệu đất khác 04 khu vực, gồm: - Khu vực U-1: Khu vực đất đô thị theo số liệu MODIS; - Khu vực U-2: Khu vực đất đô thị theo số liệu USGS; - Khu vực W: Khu vực diện tích bề mặt nước theo số liệu MODIS; - Khu vực C: Khu vực đất trồng trọt theo hai nguồn số liệu đất Nghiên cứu tiến hành so sánh chu trình ngày nhiệt độ mơ với chu trình ngày 03 trạm khu vực nghiên cứu Cả ba trạm (Tân Sơn Nhất, Vũng Tàu Biên Hòa) nằm khu vực có loại bề mặt khác từ hai nguồn Vùng đất đô thị - xây dựng theo số liệu MODIS vùng đất nông nghiệp theo số liệu USGS Hình 2: Miền tính mơ hình Kết thảo luận vực 03 đợt đại diện gồm đợt có 3.1 Chu trình ngày nhiệt độ mơ trung bình khu vực mức nhiệt thấp (từ 26 đến 28/01/2010), Sự biến đổi theo thời gian nhiệt độ mơ trung bình khu mức nhiệt cao (01 đến 03/4/2010 17 đợt có mức nhiệt trung bình đợt có đến 20/5/2010) thể hình Tạp chí Khoa học Tài ngun Môi trường - Số 16 - năm 2017 59 Nghiên cứu Hình 3: Biến đổi theo thời gian nhiệt độ mơ trung bình khu vực (Urban (Nonurban): Đất đô thị (không đô thị); Cropland: Đất nông nghiệp; Mixedland: Đất hỗn hợp) Kết cho thấy thay đổi đáng kể tương quan nhiệt độ mô mơ hình loại bề mặt thay đổi Ở khu vực mà hai nguồn số liệu sử dụng đất khác kết mơ khác đáng kể, khu vực mà số liệu đất đồng kết tương đồng Cụ thể, khu vực đô thị theo số liệu MODIS (khu vực U-1: hàng trên, bên trái) nhiệt độ mô sản phẩm WRF_MODIS cao so với sản phẩm WRF_USGS Cả ngày có mức nhiệt thấp, ngày có mức nhiệt vừa ngày mức nhiệt cao tất bước đầu mơ hình (01h, 07h, 13h 19h) sản phẩm WRF_ MODIS cho thấy nhiệt độ cao WRF_USGS Chênh lệch hai mô nhỏ vào ban ngày chập tối (13h 19h) lớn vào lúc đêm sáng sớm (01h 07h) Vào lúc 01h 07h chênh lệch hai mơ gần 10C, có thời điểm lên tới đến 60 30C (ngày 27, 28, 29/01/2010) Khu vực U-2 (hàng trên, bên phải) có tương quan ngược lại, nhiệt độ mô WRF_USGS lại cao so với WRF_MODIS.Tuy nhiên chênh lệch hai mô không lớn khu vực U-1 Đến khu vực bề mặt nước theo số liệu MODIS(khu vực W: hàng dưới, bên trái) chênh lệch hai mô lớn Đây khu vực mà hai nguồn số liệu sử dụng đất thể tương phản bề mặt lớn, theo số liệu MODIS khu vực vùng diện tích bề mặt nước cịn theo số liệu USGS khu vực đất trồng trọt Vào ban ngày (lúc 13h), mô WRF_USGS khu vực cao WRF_MODIS từ đến 40C, có ngày đến 50C Ngược lại, vào lúc nửa đêm sáng sớm (01h 07h) mô WRF_MODIS lại cao từ đến 20C Cuối đến khu vực mà hai nguồn số liệu thể gần giống số liệu đất (khu vực Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu C: hàng dưới, bên phải) hai mơ cho thấy kết gần tương đương tất bước thời gian 3.2 So sánh nhiệt độ trạm quan trắc Trong ngày có mức nhiệt thấp (hình 4), trạm Biên Hịa trạm Tân Sơn Nhất, vào lúc 13h hai mơ thường cao thực tế, mô WRF_USGS gần với quan trắc Vào mốc thời gian khác (19h, 01h 07h) mơ lại thấp thực tế quan trắc.Ở mốc thời gian này, mô WRF_MODIS lại phù hợp với thực tế hơn.Tại trạm Vũng Tàu, bốn mốc thời gian, hai mô cho kết thấp quan trắc lớn, mơ WRF_MODIS có sai số nhỏ so với WRF_USGS Hình 4: So sánh nhiệt độ mô quan trắc trạm ngày có mức nhiệt thấp Tương tự, ngày có mức nhiệt vừa phải (hình 5), ba trạm có đặc điểm tương tự ngày có mức nhiệt thấp Trong ngày có nhiệt độ cao (hình 6), trạm Biên Hịa trạm Tân Sơn Nhất, ta thấy hai mô thấp quan trắc bốn obs quan trắc (sự thống thời gian quan sát toàn giới, hay chuyên ngành gọi obs quan trắc), mơ WRF_MODIS gần với quan trắc so với mơ WRF_USGS.Cịn trạm Vũng Tàu có quan hệ tương tự hai trường hợp xét Như vậy, trạm Biên Hịa trạm Tân Sơn Nhất mơ WRF_ MODIS tốt so với WRF_USGS mốc thời gian 19h, 01h 07h ba trường hợp Cịn thời điểm 13h, mơ WRF_USGS gần với quan trắc ngày có nhiệt độ thấp nhiệt độ vừa phải, ngược lại lệch với quan trắc nhiều ngày có nhiệt độ cao Tại trạm Vũng Tàu, hai mô thấp quan trắc, mơ WRF_MODIS tốt Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 61 Nghiên cứu Hình 5: So sánh nhiệt độ mơ quan trắc trạm ngày có mức nhiệt vừa phải Hình 6: So sánh nhiệt độ mơ quan trắc trạm ngày có mức nhiệt cao 62 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu 3.3 Chu trình ngày cán cân xạ dịng thơng lượng nhiệt từ bề mặt Để giải thích khác kết mơ WRF_MODIS WRF_USGS, nghiên cứu xem xét biến đổi cán cân xạ dịng thơng lượng nhiệt từ bề mặt, yếu tố có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ Trên khu vực đô thị U-1 thể hình 7, khu vực mà nhiệt độ mô WRF_MODIS cao WRF_USGS mốc thời gian Kết biến đổi hình 3.19 cho thấy cán cân xạ thông lượng hiển nhiệt (SH) lúc 13h theo mô WRF_MODIS cao so với WRF_USGS Về thông lượng ẩn nhiệt (LH), mô WRF_ USGS cho thấy LH lớn nhiều so với WRF_MODIS Chênh lệch SH LH WRF_MODIS lớn, giá trị mốc thời gian 13h thường từ 300 W/m2 trở lên, có ngày đạt gần 400 W/m2 Cịn mô WRF_ USGS, giá trị chênh lệch khơng đến 100 W/m2, có ngày hai giá trị gần tương đương nhau, chí LH cịn lớn hơn.Ở khu vực thị U-2 (hình 8), mối tương quan ngược lại Hình cho thấy cán cân xạ khu vực bề mặt nước mô WRF_MODIS cao so với WRF_ USGS Với SH mơ WRF_ USGS lại cao hẳn, với LH mơ WRF_MODIS lại cho thấy giá trị cao lại có biến đổi phức tạp Trên khu vực đất trồng trọt (hình 10) cho thấy cán cân xạ, SH LH có giá trị gần tương đương hai mô tất mốc thời gian Chỉ mốc thời gian 13h, với cán cân xạ SH mơ WRF_MODIS có nhỉnh Kết góp phần giải thích nhiệt độ mô hai sản phẩm khu vực xấp xỉ Hình 7: Sự biến đổi theo thời gian cán cân xạ (Net Radiation) thông lượng nhiệt (Heat Flux) từ bề mặt trung bình khu vực thị U-1 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 63 Nghiên cứu Hình 8: Tương tự hình khu vực thị U-2 Hình 9: Tương tự hình khu vực bề mặt nước W 64 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 Nghiên cứu Hình 10: Tương tự hình khu vực đất trồng trọt C Như vậy, biến đổi theo thời gian cán cân xạ dịng thơng lượng nhiệt, đặc biệt cán cân xạ SH có phù hợp với biến đổi nhiệt độ, chênh lệch cán cân xạ SH hai mô khu vực phù hợp với chênh lệch nhiệt độ Từ kết luận thay đổi cán cân xạ SH nguyên nhân dẫn đến thay đổi nhiệt độ mô Cụ thể, khu vực có cán cân xạ SH mơ WRF_MODIS lớn so với WRF_USGS khu vực nhiệt độ mơ WRF_ MODIS lớn Và ngược lại, khu vực có cán cân xạ SH mô WRF_MODIS nhỏ khu vực nhiệt độ mơ WRF_ MODIS nhỏ Còn khu vực mà hai mô cho kết tương đương cán cân xạ SH nhiệt độ mô gần tương đương Nguyên nhân sâu xa khác đặc điểm bề mặt độ ẩm đất, dẫn đến khác độ phản chiếu, độ phát xạ, cán cân xạ, SH LH Kết luận Nghiên cứu thiết lập chạy mơ hình WRF mơ nhiệt độ khu vực thành phố Hồ Chí Minh 09 đợt với điều kiện tùy chọn vật lý sơ đồ tham số hóa khác số liệu sử dụng đất Với trường hợp, mơ hình chạy với hai lựa chọn số liệu đất khác số liệu đất USGS số liệu đất MODIS Kết cho thấy, thay đổi điều kiện bề mặt làm thay đổi kết mơ hình Qua phân tích kết thu được, nghiên cứu đến số kết luận sau: - Kết mơ mơ hình phụ thuộc vào điều kiện bề mặt phản ảnh nguồn số liệu đất sử dụng Mức độ khác điều kiện bề mặt hai nguồn số Tạp chí Khoa học Tài ngun Mơi trường - Số 16 - năm 2017 65 Nghiên cứu liệu định mức độ khác hai mô WRF_USGS WRF_ MODIS - Độ xác kết mô phụ thuộc vào mức nhiệt độ thực tế khu vực nghiên cứu Trong ngày có nhiệt độ cao, mô WRF_MODIS tốt mô WRF_USGS bốn obs quan trắc ngày Trong ngày có mức nhiệt độ vừa phải thấp, mô WRF_USGS cho thấy kết tốt obs 13h - Sự biến đổi cán cân xạ thông lượng nhiệt từ bề mặt nguyên nhân dẫn đến khác hai mô WRF_USGS WRF_MODIS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Tân, Dư Đức Tiến (2005). “Ảnh hưởng tính bất đồng bề mặt đệm đến trường nhiệt độ lượng mưa mô mô hình RegCM khu vực Đơng Dương Việt Nam”, Tạp chí khoa học, Đại học Quốc gia Hà Nội, T.XXI, số 4, tr 57-68 [2] Phan Văn Tân (2005). “Đánh giá vai trị địa hình điều kiện mặt đệm mơ hình số mơ dự báo khí hậu khu vực Việt Nam - Đơng Dương”, Báo cáo tổng kết dề tài NCKH Đặc biệt cấp ĐHQG Hà Nội, mã số QG.04.13 đô thị thành phố Hồ Chí Minh”, Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ, 11 (042008), tr 79-92 [4] Lương Văn Việt (2010) “Mô thay đổi nhiệt độ thành phố Hồ Chí Minh theo qui hoạch thị đến năm 2020”, Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ, 13 (M12010), tr 5-13 [5] Fang-Yi Cheng, Yu-Ching Hsu, and Pay-Liam Lin (2012) “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 [6] Katherine Klink, Cort J Willmott (1994) “Influence of soil moisture and surface roughness heterogeneity on modeled climate”, Climate Research, (1994) Vol 4: 105-118 [7] 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 [8] W Moufouma-Okia, and D P Rowell (2009) “Impact of soil moisture initialisation and lateral boundary conditions on regional climate model simulations of the West African Monsoon”, Climate Dynamic,DOI 10.1007/s00382009-0638-0 [3] Lương Văn Việt (2008) “Một số kết bước đầu ứng dụng mơ hình MM5 nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt BBT nhận bài: Ngày 2/5/2017; Phản biện xong: Ngày 25/5/2017 66 Tạp chí Khoa học Tài nguyên Môi trường - Số 16 - năm 2017 ... từ bề mặt nguyên nhân dẫn đến khác hai mô WRF_ USGS WRF_ MODIS TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Văn Tân, Dư Đức Tiến (2005). ? ?Ảnh hưởng tính bất đồng bề mặt đệm đến trường nhiệt độ lượng mưa mô mơ hình. .. vật khả trao đổi nhiệt bề mặt khí [7] Ở Việt Nam, nghiên cứu ảnh hưởng bề mặt đến đặc điểm thời tiết, khí hậu nói chung ảnh hưởng đến kết mơ hình số nói riêng chủ yếu xem xét đến khía cạnh phân... trái) nhiệt độ mô sản phẩm WRF_ MODIS cao so với sản phẩm WRF_ USGS Cả ngày có mức nhiệt thấp, ngày có mức nhiệt vừa ngày mức nhiệt cao tất bước đầu mơ hình (01h, 07h, 13h 19h) sản phẩm WRF_ MODIS