Các thí nghiệm

Các tùy chọn về cơ chế hóa học và mô đun xon khí chiếm phần lớn trong số các tùy chọn danh sách biến hóa học. Ta có thể lựa chọn cơ chế hóa học để sử dụng kết hợp với quá trình tính toán các biến khí tượng bằng cách thay đổi tham số

chem_opt trong namelist.inp của mô hình. Với một người sử dụng mới, những

người phát triển và xây dựng mô hình khuyến khích nên lựa chọn những tham số đã được thử nghiệm và kiểm tra để có thể cho kết quả khả quan hơn. Các chuyên gia khuyến cáo nên tránh lựa chọn những tham số không được hỗ trợ đầy đủ vì có thể gặp nhiều lỗi mới mà có thể rất khó giải đáp và trong nhiều trường hợp đưa đến cho ta kết quả bất lợi, không như mong muốn. Vì vậy, tác giả đã lựa chọn 4 tùy chọn

chem_opt đơn giản để thử nghiệm chạy mô hình cho khu vực Việt Nam. Đây là

những tùy chọn đã được thử nghiệm và kiểm tra kĩ càng bởi những chuyên gia phát triển mô hình WRF/Chem.

Ngoài ra, cần phải nói thêm rằng với mỗi tùy chọn mà ta sử dụng nghiên cứu đều phải được tiến hành với một vài tùy chọn về vật lý đi kèm, đây được xem là các tùy chọn chức năng bổ sung cho việc mô phỏng các thành phần hóa học trong khí quyển nên chúng có vai trò rất quan trọng. Mà không phải tất cả các tùy chọn đi kèm đó đều đã được kiểm tra trong quá trình phát triển. Do đó, người dùng được khuyến khích tự xác định các tùy chọn cần thiết để có được sự kết hợp tốt nhất và cho kết quả khả quan nhất cho mô phỏng của mình.

Dưới đây là mô tả ngắn gọn về 4 tham số chem_opt tác giả lựa chọn chạy thử nghiệm cho khu vực Việt Nam.

31

Bảng 2.2 Các tùy chọn hóa học được lựa chọn sử dụng

STT chem_opt Mô tả Yêu cầu đặc biệt

1 401 Chỉ mô phỏng nồng độ bụi Mô phỏng 5 kích thước khác nhua

của bụi

2 300

Sơ đồ xon khí đơn giản GOCART (không có Ô zôn

hóa học)

Số lượng biến: 18, không hỗ trợ tính tác động trực tiếp hay gián

tiếp của xon khí.

Các tùy chọn chức năng cần có là:

dmsemis_opt=1, dust_opt=1, seas_opt=1

3 301 GOCART kết hợp với

RACM-KPP

Mô phỏng xon khí một cách đơn giản, không hỗ trợ tính tác động trực tiếp hay gián tiếp của xon khí.

Các tùy chọn chức năng là:

dmsemis_opt=1, dust_opt=1, seas_opt=1.

4 =11

Cơ chế hóa học RADM2 và cơ chế tương tác xon khí

MADE/SORGAM.

Các tùy chọn sử dụng để tính toán tác động trực tiếp và gián tiếp của

xon khí: phot_opt=2; ra_sw_physics=2; progn=1; mp_physics=2; aer_ra_feedback=1; wetscav_onoff=1; cldchem_onoff=1.

Các tùy chọn cho bụi và muối biển: dust_opt=2, seas_opt=2.

32 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Với 4 tham số chem_opt để thử nghiệm cho khu vực Việt Nam, tác giả chia chúng thành 02 thí nghiệm để có thể dễ dàng xem xét và đánh giá:

 Thí nghiệm 01: Chỉ tính đến nồng độ bụi trong khí quyển (chem_opt =401). Mã nguồn của hệ thống mô hình WRF/Chem hiện nay có thể cho phép ta tính toán và dự báo được sự vận chuyển bụi theo các yếu tố khí tượng. Để chạy mô hình chỉ với yếu tố bụi mà không tính đến các yếu tố hóa học khác cần phải có bộ số liệu đầu vào cho hệ thống tiền xử lý WPS. Sau khi tải các bộ số liệu này và đưa vào đúng thư mục WPS, ta cần chuyển bảng mã GEOGRIB đến thư mục GEOGRIB.TBL_ARW_CHEM (bằng lệnh ln). Sau đó ta có thể chạy phần WPS của mô hình, khi đó trường xói mòn bụi đã được đi kèm với số liệu khí tượng trong quá trình chạy. Với thí nghiệm này, ta cần chọn tham số chem_opt = 401 và trong khi tính toán mô hình sẽ lấy số liệu xói mòn bụi trong thư mục số liệu đầu vào. Tuy nhiên, cần lưu ý là phải tắt hết các tùy chọn về hóa học khác trong danh sách biến (như gaschem_onoff, phot_opt, gas_drydep_opt…) và bật tùy chọn dust_opt gán bằng 1 hoặc 3 (Bảng 2.2). Thí nghiệm này được ký hiệu là WRF_DUST

 Thí nghiệm 02: So sánh các tùy chọn khác nhau của WRF/Chem (chem_opt =300,301,11) với WRF khi không có Chem. Trong thí nghiệm này, trước hết ta tiến hành chạy WRF thông thường, không có Chem, ký hiệu là WRF_NOCHEM. Sau đó lần lượt chạy WRF/Chem với các tùy chọn 300, 301, 11 (chi tiết trong Bảng 2.2). Với cùng miền tính, độ phân giải và thời gian mô phỏng, các trường đầu ra của 3 kết quả này sẽ cho ta thấy sự khác biệt khi tích hợp môđun Chem vào WRF. Ngoài ra, với mỗi tùy chọn này, các biến đầu ra về hóa học cũng khác nhau về phân bố và nồng độ, do sự tương tác với các trường khí tượng mô phỏng bởi mô hình. Các kết quả được được ký hiệu là WRF_C300, WRF_C301 và WRF_C011. Những khác biệt chính giữa ba tùy chọn này được liệt kê ra trong bảng 2.3. Các khác biệt đó là bước thời gian của các cơ chế hóa học (chemdt), cập nhật quá trình sinh hóa và quang hợp (bioemdt, photdt), tùy chọn lắng đọng khô các chất khí (gas_drydep_opt), có tính đến quá trình hóa học mây và sự rửa trôi ẩm…

33

Bảng 2.3 Danh sách các thông số khác biệt cơ bản về hóa học trong namelist của thí nghiệm 02 (WRF_DUST)

WRF_C300 WRF_C301 WRF_C011 bioemdt 0 0 30 photdt 0 0 30 chemdt 60 5 10 phot_opt 0 1 2 gas_drydep_opt 1 1 1 bio_emiss_opt 1 0 3 depo_fact 0.25 wetscav_onoff 0 0 1 cldchem_onoff 0 0 1 conv_tr_wetscav 1 conv_tr_aqchem 1 opt_pars_out 0 0 1 2.2.3 Nguồn số liệu

Nguồn số liệu khí tượng cung cấp cho mô hình WRF bao gồm số liệu về độ cao địa hình, các loại bề mặt và số liệu FNL làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên cập nhật theo thời gian. NCEP FNL (Operational Global Analysis Data) là Số liệu Phân tích Hoạt động Toàn cầu Hoàn chỉnh của NCEP với bước lưới 1.0 x 1.0 độ cho từng 6h một, bao gồm 26 mực áp suất từ 1000hPa lên đến 10hPa. Số liệu FNL được lưu trữ dưới dạng fnl_yymmdd_hh_00, với yymmdd_hh là giờ theo hệ giờ quốc tế (UTC, UT, GMT hoặc Z). Kí tự _00 ở đây chỉ ra rằng các tập tin là số liệu phân tích chứ không phải số liệu dự báo. Thông tin chi tiết về số liệu này có thể tìm thấy tại trang web của NCAR (http://dss.ucar.edu/datasets/ds083.2).

Như đã nói ở trên, để chạy với thí nghiệm bụi, ta cần tải xuống các bộ số liệu cho WPS. Các bộ số liệu này được đính kèm trong thư mục WPS GEOG và bảng

34

mã GEOGRIB.TBL_ARW_CHEM. Hoặc ta có thể tải trực tiếp những bộ số liệu này từ trang web (ftp://aftp.fsl.noaa.gov/divisions/taq/dust_emissions_v3.3).

Khi tìm hiểu và ứng dụng WRF/Chem, việc sử dụng bộ số liệu phát thải toàn cầu là một trong những điều được quan tâm nhất. Bộ số liệu phát thải này có thể khai thác từ hai nguồn

 Số liệu tái phân tích cho tầng đối lưu (REanalysis of the

TROpospheric - RETRO): bao gồm các số liệu về thành phần hóa học trong 40 của quá khứ, độ phân giải 0.5 x 0.5 độ

 Số liệu phát thải cho nghiên cứu khí quyển toàn cầu (Emission Database for Global Atmospheric Research - EDGAR), độ phân giải 1 x 1 độ.

Cả RETRO và EDGAR đều cung cấp số liệu phát thải hàng năm cho các loại khí nhà kính (ví dụ như CO2, CH4 và N2O) cũng như một số chất khí khác. Có thể tham khảo chi tiết về 2 bộ số liệu này tại địa chỉ trang mạng:

 http://retro.enes.org/index.shtml

 http://www.mnp.nl/edgar/introduction.

2.3 Tạo bộ số liệu phát thải cho WRF/Chem

Sự khác biệt cơ bản giữa chạy mô hình có hay không tính đến thành phần hóa học trong khí quyển chính là ở bộ số liệu mô phỏng về các chất hóa học và xon khí khí quyển. Cho đến thời điểm này, do sự khác nhau về nguồn số liệu, việc chuẩn bị bộ số liệu hóa học đầu vào cho mô hình vẫn tách biệt với quá trình mô phỏng trong WRF/Chem do vẫn chưa có công cụ nào cho phép người dùng có thể xây dựng bộ số liệu phát thải phù hợp cho bất cứ miền tính hay bất cứ sơ đồ hóa học nào. Có nghĩa là, ta phải chuẩn bị bộ số liệu phát thải phù hợp với miền tính được lựa chọn trước khi đưa số liệu đã xử lý vào chạy mô hình.

Trong khi đó, xây dựng bộ số liệu phát thải phù hợp để đưa vào mô hình là một trong những bước quan trọng và phức tạp nhất trong việc chạy mô hình WRF/Chem. Sau khi cài đặt và biên dịch mô hình, ta có thể sử dụng một chương

35

trình chuyển đổi có tên là Prep_chem_sources đã được tích hợp sẵn để xử lý số liệu

phát thải do đốt sinh khối và phát thải do con người. Prep_chem_sources là một chương trình chuyển đổi được phát triển tại CPTEC, Braxin để người dùng WRF/Chem có thể tự tạo được bộ số liệu phát thải trên miền tính thích hợp. Những số liệu phát thải toàn cầu được tải trực tiếp từ trên mạng xuống được gọi là số liệu “thô”, mô hình WRF lại được cài đặt với mặc định số liệu đầu vào định dạng

netCDF do đó ta phải sử dụng chương trình Prep_chem_sources để chuyển đổi bộ

số liệu đầu vào sang định dạng WRF netCDF. Chương trình này sử dụng các phép chiếu Mercator, phép chiếu cực hoặc Lambert để đưa số liệu phát thải toàn cầu “thô” nói trên về miền tính của mô hình WRF.

Bước cuối cùng trong quá trình tạo ra bộ số liệu phát thải đầu vào netCDF cho WRF/Chem cũng cần phải có đầy đủ các loại số liệu cần thiết cho việc mô phỏng (như miền tính, thời điểm ban đầu…). Thông thường các loại số liệu này sẽ được khởi tạo từ các bước trước (người dùng chỉnh sửa trực tiếp trong danh sách biến) nhưng nếu không được cung cấp bởi người dùng, mô hình sẽ đọc lấy các loại số liệu đó từ số liệu đầu vào của WRF (ví dụ lấy trong wrfinput_d01). Tên cuối cùng của tập tin dữ liệu netcdf (s) có thể là wrfchemi_ <giờ> _D <miền tính_id> hoặc wrfchemi_d <miền tính_id> _ <ngày/giờ> tùy thuộc người sử dụng.

Trước khi chuyển đổi dịnh dạng bộ số liệu phát thải sang dạng netCDF, ta cần phải thay đổi các thông tin cần thiết (ngày, giờ, miền tính…) trong thư mục namelist.input WRFV3/test/em_real để cài đặt bộ số liệu phát thải.

36

Chương 3

KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});

Chương 2 đã trình bày chi tiết về mô hình WRF/Chem cũng như cấu hình các thí nghiệm được tiến hành trong bước đầu thử nghiệm cho khu vực Việt Nam. Trong chương này, kết quả mô phỏng bằng WRF/Chem sẽ được nhận xét cho các trường khí tượng và một số các chất phát thải, tương ứng với 2 thí nghiệm.

3.1 Đánh giá kết quả của thí nghiệm I

3.1.1 Hoàn lưu, nhiệt độ và lượng mưa từ đầu ra của WRF/Chem

Trong thí nghiệm đầu tiên này, WRF/Chem được chạy với tùy chọn đơn giản nhất nhằm mô phỏng sự phân bố của nồng độ bụi trong khí quyển. Do các tùy chọn như quá trình hóa học mây (cldchem_onoff), quá trình rửa trôi ẩm (wetscav_onoff), quá trình quang hợp (phot_opt), hồi tiếp bức xạ của xon khí (aer_ra_feedback)… đều được tắt đi (gán giá trị bằng 0), nên ảnh hưởng của bụi lên các trường khí tượng trong thí nghiệm này là không có. Các hình 3.1 và 3.2 thể hiện cho ta thấy điều này, qua việc so sánh lượng mưa trung bình và trường nhiệt độ mực 2m giữa WRF_DUST và WRF_NOCHEM. So sánh được chỉ ra ở đây là của ngày 02 và 04/01/2006, các ngày còn lại cũng được so sánh (không chỉ ra ở đây) và cho nhận xét tương tự.

37

Hình 3.1 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của các ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới)

Có thể nhận thấy sự tương đồng của cả nhiệt độ và lượng mưa từ mô phỏng của WRF_DUST và WRF_NOCHEM. Mô phỏng cho phân bố giống nhau và giá trị không chênh lệch. Các trường khí tượng khác cũng đã được so sánh và cũng không cho thấy sự khác biệt giữa 2 trường hợp này.

38

Hình 3.2 Trường nhiệt độ không khí trung bình mực 2m từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới)

Tuy có sự tương đồng cao với WRF_NOCHEM nhưng điều đáng quan tâm là xem mô phỏng của WRF_DUST cho chất lượng như thế nào khi so sánh với số liệu quan trắc. Do đó, ta tiến hành đánh giá khả năng mô phỏng của WRF_DUST đối với trường nhiệt độ mực 2m và lượng mưa. Hình 3.3 thể hiện trường nhiệt độ mực 2m trong các ngày từ 01/01/2006 đến 04/01/2006. Kết quả của WRF_DUST (bên trái) được so sánh với số liệu APHRODITE (ở giữa) và hiệu giữa chúng (bên phải) được chỉ ra để làm rõ sự khác biệt. Nhìn chung, WRF_DUST nắm bắt tốt phân bố nhiệt độ mực 2m, đặc biệt là trên khu vực Việt Nam. Qua cả 4 ngày, khu vực có sai số lớn

(khoảng 3oC) chủ yếu nằm ở phía đông Trung Quốc và khu vực Myanmar. Khác biệt

về nhiệt độ so với số liệu quan trắc trên khu vực Việt Nam là khá nhỏ, chỉ dao động trong khoảng ±1oC, tuy nhiên sai số này không mang tính hệ thống.

39

Hình 3.3 Trường nhiệt độ không khí trung bình mực 2m từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải)

40

Với cách biểu diễn tương tự, hình 3.4 cho ta sự so sánh giữa trường lượng mưa trung bình ngày (từ 01 đến 04/01/2006) từ mô phỏng của WRF_DUST với số liệu APHRODITE. Kết quả mô phỏng lượng mưa cho sự khác biệt khá lớn giữa mô hình và số liệu quan trắc, nhìn chung mô hình mô phỏng gần chính xác các tâm mưa dù vẫn có sai số về diện mưa và lượng mưa. Xét trên toàn bộ vực Việt Nam, mô hình mô phỏng thiên dương so với số liệu quan trắc với sai số trong khoảng ±5 mm. Đáng chú ý, ở khu vực Trung Trung Bộ và Tây Nam Bộ trong hai ngày 01 và 02/01/2006, sai số lên đến ±10 mm. Trong hai ngày tiếp theo, sai số thiên dương là khá nhỏ và không có sự khác biệt lớn trên toàn bộ Việt Nam.

41

Hình 3.4 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải)

của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới)

Trong hình 3.5 và hình P.1, P.2 (phần phụ lục), trường vectơ gió và trường độ cao địa thế vị các mực 850, 500, 200mb trung bình ngày từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 từ đầu ra của thí nghiệm (WRF_DUST) được so sánh với số liệu tái phân tích (NNRP). Vectơ gió đơn vị mực 200 mb và 500mb là 50 m/s còn mực 850mb là 20m/s, được thể hiện bằng vectơ màu đen trên nền độ cao địa thế vị thể hiện bằng màu, theo thang bên cạnh. Số liệu tái phân tích đã được nội suy về độ phân giải 30 km tương ứng. So sánh với số liệu tái phân tích, một điều dễ nhận thấy là mô hình WRF tái tạo rất tốt trường gió (cả về tốc độ và hướng gió). Trường độ cao địa thế vị cũng được mô phỏng tốt vị trí các tâm áp nhưng sai số về độ lớn là khá cao (khoảng 10mb ở mực 850 mb và lớn hơn ở 2 mực còn lại).

42 01/01/2006

02/01/2006

43 04/01/2006

Hình 3.5 Trường độ cao địa thế vị và trường gió tại mực 850 mb từ đầu ra của WRF/Chem (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006

3.1.2 Mô phỏng nồng độ bụi từ WRF/Chem

Nồng độ bụi trong WRF_DUST được mô phỏng đồng thời với các trường khí tượng tại từng bước tích phân cho 5 loại bụi khác nhau (bảng 3.1). Các hình 3.6 và hình P.3, P.4, P.5 thể hiện phân bố bụi DUST_01 tại các mực 1000, 850, 500 và 200 mb cho từng bước thời gian 6h/1 lần từ ngày 02 đến 04/01/2006. Thang màu hiển thị nồng độ bụi được giữ cố định ở các mực để tiện so sánh, riêng vectơ gió đơn vị ở mực 200 mb là 50 m/s còn các mực khác là 20 m/s. Nhìn chung, sự vận chuyển của bụi theo trường gió được thể hiện rõ nét. Ở mực 1000 mb và 850 mb, bụi được lan truyền vào từ phía đông miền tính và chỉ sau 3 ngày đã ảnh hưởng hầu hết các vùng trong miền tính. Riêng mực 500 mb và 200 mb, bụi được đẩy ra bên ngoài khu vực áp cao (theo dòng thổi ra) nhưng với tốc độ lớn (đặc biệt là dòng xiết mực 200 mb) đến ngày 04/01/2006 nồng độ bụi cũng đã tăng cao trên toàn bộ miền. Có thể nhận thấy sự chênh lệch về nồng độ bụi, ở các mực trên cao nồng độ bụi là

lớn hơn hẳn (khoảng từ 10 đến 12 x 10e12 μg/kg). Xét cho khu vực Việt Nam, ở

hầu hết các mực các tỉnh từ Nam Trung Bộ trở vào miền Nam là nơi chịu ảnh