2.3.1 Giới thiệu về mô hình RegCM
Hiện nay, mô hình khí hậu khu vực RegCM đã được ứng dụng để nghiên cứu khí hậu quá khứ, hiện tại và tương lai tại nhiều nơi khác nhau trên thế giới, từ Châu Mỹ, Châu Âu đến Châu Á, Châu Phi [21] [34] [9] [37]. Phiên bản NCAR RegCM (NCAR Regional Climate Model) đầu tiên được xây dựng dựa trên MM4 (Mesoscale Model Version 4) của Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển (NCAR) và Trường đại học Tổng hợp Pennsylvania (PSU), Hoa Kỳ, vào cuối những năm 1980[18] [16]. Phiên bản RegCM đầu tiên đã đưa vào sơ đồ trao đổi sinh khí quyển (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme BATS) để biểu diễn các quá trình bề mặt và sơ đồ truyền bức xạ của NCARCCM phiên bản 1 (CCM1). Tiếp sau đó, kết quả của những cải tiến quan trọng về vật lý và các sơ đồ số hóa của RegCM đã dẫn đến sự hình thành phiên bản thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2[19] [20]. Một phiên bản cũng đã được sử dụng rộng rãi, khá phổ biến và được sử dụng trong nhiều nghiên cứu khí hậu khu vực là RegCM phiên bản 3 (RegCM3) với những cải tiến và bổ sung đáng kể so với các phiên bản trước[29]. Đó là những thay đổi trong vật lý mô hình bao gồm sơ đồ giáng thủy qui mô lưới, các sơ đồ tham số hóa vật lý như sơ đồ tính các dòng từ bề mặt biển của Zeng, sơ đồ đối lưu mây tích Betts... Phiên bản 4.2 (RegCM4.2) mới được sử dụng từ tháng 5 năm 2011, so với RegCM3, phiên bản 4.2 đã được phát triển để thân thiện hơn với người dùng. Tất cả các tham số cấu hình, tùy chọn được đưa về một file namelist, các dữ liệu đầu vào và đầu ra đều sử dụng định dạng netcdf, cùng với đó là
30
sự hỗ trợ nhiều thư viện giúp người dùng dễ dàng thao tác. Hiện nay RegCM4.2 cũng đang được người dùng sử dụng rộng rãi.
Mô hình RegCM4 sử dụng hệ tọa độ thẳng đứng thủy tĩnh theo địa hình, ký hiệu là , được định nghĩa bởi (p pt) /(ps pt) trong đó p là áp suất, p
t là áp suất tại đỉnh mô hình, và ps là áp suất tại bề mặt. bằng 0 tại đỉnh và bằng 1 tại bề mặt. Thông thường, độ phân giải thẳng đứng trong lớp biên mịn hơn các lớp trên cao và số mực thay đổi tuỳ theo yêu cầu người sử dụng. Lưới ngang có dạng xen kẽ ArakawaB (Hình 2). Các biến vô hướng (T, q, p,…) được xác định tại tâm các ô lưới trong khi các thành phần vận tốc gió hướng đông (u) và hướng bắc (v) được xác định tại các nút lưới. Vị trí tâm ô lưới ký hiệu bằng dấu nhân, còn các nút lưới được ký hiệu bằng dấu chấm tròn. Theo phương thẳng đứng các biến vô hướng và thành phần gió ngang (u, v) được xác định tại mực giữa mỗi lớp, gọi là các mực phân, còn thành phần vận tốc thẳng đứng được xác định trên các mực nguyên (Hình 2).
Hình 2.1 Cấu trúc lưới thẳng đứng (bên trái) và lưới ngang dạng xen kẽ ArakawaB (bên phải) của mô hình
Hệ phương trình cơ bản của RegCM4.2 bao gồm các phương trình động lượng ngang, phương trình liên tục, phương trình nhiệt động học, phương trình thủy tĩnh và phương trình ẩm [29]. Về điều kiện ban đầu và điều kiện biên, mô hình khí hậu khu vực RegCM được xây dựng dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa các quá trình qui mô
31
lớn (thường là các trường khí tượng toàn cầu và được gọi là các trường điều khiển), được cập nhật thường xuyên theo thời gian trên vùng biên, với các quá trình qui mô khu vực (được xác định bởi động lực học và vật lý của chính mô hình khu vực) tại vùng biên xung quanh gọi là vùng đệm. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mô hình được cung cấp bởi trường điều khiển là số liệu tái phân tích hay trường dự báo của GCM tuỳ theo mục đích mô phỏng hay dự báo. Mô hình sẽ cập nhật thông tin từ trường điều khiển sau từng bước thời gian tích phân. Giá trị biên tại mỗi bước thời gian tích phân là giá trị nội suy từ các trường điều khiển được cập nhật từng 3h, 6h hoặc 12h một. Mô hình RegCM cho phép chọn một trong các phương pháp cập nhật biên là: (1) biên cố định, (2) biên biến đổi theo thời gian, (3) biên giả và (4) biên lỏng dần (hay biên giảm dư). Trên các vùng đại dương, nhiệt độ mặt nước biển (SST) được cung cấp như là điều kiện biên dưới. Trên bề mặt đất, sơ đồ BATS khi chạy kết hợp (couple) sẽ cung cấp các dòng trao đổi đất khí quyển. Ngoài ra để chạy RegCM4.2 cần phải có độ cao địa hình, lớp phủ thực vật, đất và các tính chất vật lý của đất,...
Về tham số hóa đối lưu, trong mô hình RegCM4.2 có thể sử dụng một trong bảy tùy chọn sau đây thay vì với chỉ 3 tùy chọn ở phiên bản RegCM3 để tính giáng thuỷ đối lưu: (1) Sơ đồ Kuo sửa đổi; (2) Sơ đồ Grell; Trong đó, sơ đồ Grell có thể áp dụng với một trong hai giả thiết khép kín: (1) khép kín Arakawa và Schubert và (2) khép kín Fritsch và Chappell. (3) Sơ đồ Betts-Miller; (4) Sơ đồ Emanuel (5) Sơ đồ Tiedtke. Ngoài ra phiên 4.2 đã cải tiến so với phiên bản 3 khi đưa thêm 2 lựa chọn kết hợp (6) sử dụng sơ đồ Grell trên đất liền và sơ đồ Emanuel trên biển và (7) Sử dụng sơ đồ Emanuel trên đất liền và sơ đồ Grell trên biển.
Tất cả nguồn số liệu đầu vào cần để cung cấp cho mô hình RegCM4 (bao gồm số liệu về độ cao địa hình, các loại bề mặt, nhiệt độ mặt nước biển và số liệu tái phân tích làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên cập nhật theo thời gian) có thể được tải về từ trang web http://www.ictp.trieste.it/pubregcm/RegCM4.2. Cụ thể:
32
Bộ số liệu lớp phủ (Global Landuse Cover Characteric:GLCC) cung cấp thông tin về thực vật/mặt đệm, nhận được từ số liệu Bức xạ phân giải rất cao tiên tiến (Advanced Very High Resolution Radiation: AVHRR) từ tháng 4/1992 đến tháng 3/1993 và được chia thành 18 loại đất phủ/thực vật được định nghĩa trong sơ đồ tương tác sinh quyển-khí quyển BATS. Mặt đệm của mỗi ô lưới của mô hình được xác định thuộc 1 trong số 18 loại này..
Số liệu độ cao địa hình được lấy từ USGS. Các tập tin số liệu mặt đệm và độ cao địa hình đều có sẵn tại các độ phân giải 30 và 10 phút. Ở đây sử dụng tập số liệu độ phân giải 10 phút.
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm
Với mục đích thử nghiệm ứng dụng mô hình RegCM với số liệu CFS dự báo hạn mùa một số chỉ số khí hậu cực đoan cho Việt Nam, chúng tôi đã thiết lập cấu hình cho mô hình RegCM như sau:
1) Phiên bản sử dụng: RegCM4.2
2) Miền tính: gồm 144x130 điểm lưới, tâm miền đặt tại (20N; 105E), bao phủ toàn bộ Việt Nam và phần lớn lãnh thổ các nước Đông Nam Á
3) Độ phân giải ngang 36 x 36 km với 18 mực theo chiểu thẳng đứng
4) Tham số hóa vật lý: Sơ đồ đất BATS, sơ đồ đối lưu Grell – AS. Ngoài ra, các sơ đồ bức xạ, lớp biên hành tinh, mưa qui mô lưới,… được lấy ngầm định.
5) Điều kiện ban đầu và điều kiện biên: Số liệu CFS cập nhật 6h/lần
6) Hạn dự báo: 6 tháng, không kể tháng đứng làm dự báo (Lead time chạy từ 0 đến 6 tháng)
7) Số lần chạy dự báo trong một tháng: Về nguyên tắc có thể chạy mô hình mỗi ngày một lần. Tuy nhiên do dung lượng số liệu điều kiện biên quá lớn (khoảng 40GB/dự báo), hơn nữa tốc độ đường truyền Internet không đảm
33
bảo nên ở đây chỉ thực hiện chạy mô hình 7 ngày/lần. Như vậy, trung bình mỗi tháng có 4 lần chạy dự báo. Mặc dù vậy, tùy thuộc vào đường truyền số liệu, số lần dự báo có thể ít hơn do không tải được số liệu về hoặc số liệu tải về bị lỗi hoặc không đủ.
Trong luận văn này đã sử dụng tất cả 37 lần chạy dự báo, bắt đầu từ 09/01/2012 đến 29/10/2012.
Một điểm đáng chú ý ở đây là phiên bản RegCM4.2 sử dụng nhiệt độ mực nước biển (SST) trung bình tháng, trong khi đó CFS có cung cấp SST 6 giờ một. Do đó, chúng tôi đã cải tiến và thay đổi RegCM4.2 cập nhập số liệu SST 6 giờ một từ CFS.
Trên hình 3 minh họa qui trình chạy dự báo của mô hình. Trục nằm ngang là các tháng đứng làm dự báo. Có thể thấy số lần dự báo trong từng tháng có thể khác nhau. Mỗi lần dự báo được thể hiện bởi một đường nằm nghiêng, trong đó các L=0, L=1,… biểu thị hạn dự báo. Từ các vạch kẻ trên đường nằm nghiêng nếu chiếu xuống đường nằm ngang ta sẽ nhận được thông tin dự báo cho tháng nào với hạn dự báo bằng bao nhiêu tháng.
34