2.4.3.1 Điều kiện biờn xung quanh
Để chạy mụ hỡnh dự bỏo khớ hậu khu vực yờu cầu phải cú điều kiện biờn xung quanh. Trong MM5, ở bốn biờn xung quanh ta phải xỏc định cỏc trường của cỏc biến như giú (U, V), nhiệt độ (T), ỏp suất, độ ẩm và cú thể cả cỏc trường vật lý nhỏ khỏc (như là mõy) nếu cần thiết. Do đú, trước khi mụ phỏng, giỏ trị điều kiện biờn phải được đưa vào để ban đầu húa cho cỏc trường này.
Cỏc giỏ trị biờn cú thể lấy từ phõn tớch trong tương lai, từ mụ phỏng của lưới thụ hơn trước đú (tương tỏc một chiều) hoặc từ cỏc mụ hỡnh dự bỏo khỏc (trong dự bỏo thời gian thực). Đối với dự bỏo thời gian thực, giỏ trị biờn tương ứng phụ thuộc vào mụ hỡnh dự bỏo toàn cầu. Trong trường hợp nghiờn cứu cỏc sự kiện trong quỏ khứ, điều kiện biờn cú thể lấy từ số liệu phõn tớch được tăng
cường từ cỏc thỏm sỏt bề mặt và cao khụng bằng cỏch tương tự như là điều kiện ban đầu. Trong mụ hỡnh MM5, việc sử dụng cỏc dự bỏo của mụ hỡnh toàn cầu làm điều kiện biờn cho lưới thụ nhất cú thể thực hiện theo hai phương phỏp:
a) Phương phỏp Sponge
Theo phương phỏp này thỡ cỏc giỏ trị trờn biờn được tớnh như sau:
LC MC n n t n t t 1 (2.19) trong đú, n= 1, 2, 3, 4 đối với cỏc điểm cú dấu nhõn (x) và n =1, 2, 3, 4, 5 đối với cỏc điểm cú dấu trũn () (dấu nhõn và dấu trũn được quy định ở lưới ngang của mụ hỡnh (hỡnh 2.4), là ký hiệu cỏc biến cần tớnh. MC chỉ xu thế tớnh toỏn của mụ hỡnh, LC là xu thế quy mụ lớn lấy từ mụ hỡnh mụ phỏng quy mụ lớn, n chỉ số nỳt lưới tớnh từ biờn ngoài cựng (n=1), hàm trọng lượng thực nghiệm w(n) ở cỏc điểm nhõn tương ứng là 0.0, 0.4, 0.7, và 0.9, cỏc điểm trũn tương ứng là 0.0, 0.2, 0.55, 0.8 và 0.95. Ở tất cả cỏc nỳt lưới khỏc trong miền tớnh thỡ w(n)=1Phương phỏp Sponge hiện nay khụng được sử dụng cho động lực học bất thủy tĩnh của MM5
b) Phương phỏp Nudging
Theo phương phỏp này thỡ cỏc giỏ trị trờn biờn được tớnh như sau:
LS MC
LS MC
n F n F F n F t 2 2 1 (2.20) Hàm F giảm tuyến tớnh từ biờn xung quanh và cú dạng:)3 3 5 ( ) (n n F , n=2, 3, 4 (2.21)
Trong đú F1 và F2 của phương trỡnh (2.20) được xỏc định như sau: t F 10 1 1 (2.22) t s F 50 2 1
Trong đú:
t
: bước thời gians:độ phõn giải của mụ hỡnh
2.4.3.2 Điều kiện biờn trờn bức xạ
Thụng thường đỉnh của cỏc mụ hỡnh thuỷ tĩnh được coi là một vỏ cứng, nơi cú tốc độ thẳng đứng mụ hỡnh bằng khụng. Trong thực tế những biờn cứng như vậy sẽ phản xạ cơ năng và do đú sinh ra nhiễu khớ tượng. Trong những mụ hỡnh khớ tượng cú độ phõn giải khụng gian thụ thỡ những phản xạ biờn như vậy cú thể chấp nhận. Trong mụ hỡnh thường thừa nhận khụng cú sự trao đổi khối lượng giữa vũ trụ và khớ quyển cũng như khụng cú thụng lượng khớ quyển xuyờn qua mặt đất. Trong mụ hỡnh quy mụ vừa MM5, súng trọng trường nội trở nờn quan trọng hơn. Vỡ vậy ở đõy nếu khụng cú những cơ chế nhõn tạo làm tiờu tan năng lượng của những súng trọng trường nội này thỡ chỳng sẽ được phản xạ lại trờn đỉnh mụ hỡnh và đưa đến phỏt triển những súng đứng cú kớch thước bao trựm cả khớ quyển thẳng đứng. Những súng như vậy sẽ đưa đến tạo ra trường tốc độ thẳng đứng khụng thực. Để khử loại súng này trong MM5 sử dụng điều kiện biờn trờn bức xạ (RUBC), do KLEMP, DURRAN và BOUGEAUL phỏt triển (1983). Điều kiện biờn trờn bức xạ được thiết lập trờn những căn cứ lớ thuyết sau:
a) Áp dụng vào khớ quyển trờn thỡ cỏc quỏ trỡnh khớ quyển cú thể mụ tả bằng cỏc phương trỡnh tuyến tớnh hoỏ,
b) Tớnh ổn định tĩnh và dũng trung bỡnh được coi là hằng số, c) Hiệu ứng Coriolis được bỏ qua,
d) Áp dụng được gần đỳng thuỷ tĩnh. Việc thiết lập RUBC trong cỏc mụ hỡnh phổ là tương đối đơn giản, nhưng phức tạp hơn đối với những mụ hỡnh nỳt lưới.
2.4.3.3 Tham số hoỏ vật lý
Cỏc quỏ trỡnh quy mụ dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuyếch tỏn rối ngang và thẳng đứng, cỏc quỏ trỡnh bề mặt đều cú vai trũ rất quan trọng đối với động lực học khớ quyển. Chớnh vỡ vậy chỳng cần được tham số hoỏ trong mụ hỡnh dự bỏo. Cỏc sơ đồ tham số hoỏ vật lý trong mụ hỡnh MM5 rất phong phỳ, tạo điều kiện thuận lợi cho cỏc đối tượng sử dụng khỏc nhau. Cỏc quỏ trỡnh vật lý được tham số hoỏ trong mụ hỡnh bao gồm: đối lưu, vi vật lý mõy, bức xạ, lớp biờn hành tinh, cỏc quỏ trỡnh bề mặt đất.
2.4.3.4 Tham số hoỏ đối lưu
Quỏ trỡnh vật lý quan trọng nhất phải được tham số hoỏ là đối lưu. Quỏ trỡnh vận chuyển nhiệt thẳng đứng bằng đối lưu là quỏ trỡnh chủ yếu để duy trỡ tốc độ giảm nhiệt thẳng đứng trong tầng đối lưu thỏm sỏt và phõn bố ẩm. Để mụ phỏng được hiệu ứng này phải thụng qua điều chỉnh đối lưu (convective adjustment). Cú nghĩa là độ ẩm tương đối và tốc độ giảm nhiệt độ trong từng cột lưới sẽ được xem xột ở cuối mỗi bước thời gian.
Cú nhiều phương phỏp khỏc nhau đó được sử dụng để liờn kết mõy với cỏc trường giải được của độ ẩm, nhiệt độ và giú. Tuy nhiờn, chưa cú được một phương phỏp nào là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều cú những ưu nhược điểm riờng. Hiện nay cú rất nhiều sơ đồ tham số hoỏ đối lưu như sơ đồ của Betts và Miller, 1986, 1993; Kuo, 1965, 1974; Arakawa và Shubert,1 974; Grell, 1993;
Frank và Cohen, 1987;...(Emanuel, K.A and D.J. Raymond, 1993). Trong một mụ hỡnh khu vực núi chung, vấn đề tham số hoỏ đối lưu cumulus trong chu kỳ nước cú tầm quan trọng đặc biệt, bởi lẽ cả những mụ hỡnh khu vực cú độ phõn giải cao hiện nay vẫn chưa thể mụ phỏng được những ổ đối lưu riờng biệt và cỏc quỏ trỡnh vận chuyển nhiệt ẩm. Mụ hỡnh MM5 cú cỏc lựa chọn sơ đồ tham số hoỏ khỏc nhau: Anthes-Kuo, Grell, Arakawa-Schubert, Fritsch-Chappell, Kain- Fritsch, Betts-Miller, Kain-Fritsch 2, Shallow Cumulus.
2.4.3.5 Tham số hoỏ vi vật lý mõy
- Sơ đồ Kessler (1969): là một sơ đồ mõy ấm đơn giản (warm cloud), và nú bao gồm hơi nước, nước mõy và mưa.
- Sơ đồ Lin: trong sơ đồ này, cú sỏu dạng băng tồn tại trong mõy bao gồm: hơi nước, nước mõy, mưa và băng mõy, tuyết và graupel. Đõy là một sơ đồ vi vật lớ tương đối tinh và nú cú thể thớch hợp hơn cho việc sử dụng trong cỏc đề tài nghiờn cứu.
- Sơ đồ băng đơn giản - NCEP: sơ đồ này cú tớnh đến ảnh hưởng của việc đúng băng. Cú ba dạng nước (hydrometeos) được tớnh đến trong sơ đồ gồm: hơi nước, nước mõy, băng và mưa tuyết. Băng trong mõy và nước mõy được tớnh theo cựng một dạng và chỳng được phõn biệt qua nhiệt độ, mõy dạng băng chỉ cú thể tồn tại khi mà nhiệt độ nhỏ hơn hay bằng nhiệt độ đúng băng, nếu khụng như vậy thỡ chỉ cú tồn tại nước mõy. Cỏc điều kiện trờn cũng giống đối với mưa và tuyết
- Sơ đồ pha xỏo trộn - NCEP: Sơ đồ này cũng tương tự như sơ đồ băng đơn giản trờn. Tuy nhiờn, mưa và tuyết được xem là hai dạng khỏc nhau. Sơ đồ này cho phộp nước chậm đụng (supercooled water) tồn tại và tuyết sẽ tan dần dần khi nú rơi. Trong sơ đồ cú tớnh đến cả sự đúng băng.
Hỡnh 2.5 Cỏc sơ đồ minh họa quỏ trớnh vi vật lý mõy. (a) sơ đồ Kessler; (b) sơ đồ Lin;
(c) sơ đồ NCEP băng đơn giản; (d) sơ đồ NCEP pha xỏo trộn.
- Sơ đồ ETA : Sơ đồ thực chất là dự bỏo tỉ số xỏo trộn của nước/băng mõy. Giỏng thủy lỏng và giỏng thủy đúng băng nhận được theo tỉ số xỏo trộn của mõy và được giả thiết là rơi xuống mặt đất trong một bước thời gian riờng lẻ.
2.4.3.6 Cỏc sơ đồ tham số hoỏ bức xạ
Cỏc lựa chọn sơ đồ tham số hoỏ bức xạ trong mụ hỡnh MM5 bao gồm: - None: Khụng tham số hoỏ bức xạ.
- Simple Cooling: Tốc độ giảm nhiệt của khớ quyển khụng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, khụng cú sự tỏc động của mõy và chu trỡnh ngày đờm.
- Cloud - radiation scheme: Khi khụng đủ cơ sở để tớnh đến sự tỏc động của bức xạ súng dài và súng ngắn với bầu trời quang mõy và cú mõy như xu thế của nhiệt độ khụng khớ, đú là dũng bức xạ bề mặt.
- CCM2 radiation scheme: Phự hợp với bước lưới rộng và cú thể tớnh chớnh xỏc trong thời gian dài cho dũng bức xạ bề mặt.
- RRTM Longwave scheme: Là sự phối hợp với sơ đồ bức xạ súng ngắn của mõy khi chọn IFRAD = 4. Đú là mụ hỡnh truyền nhanh bức xạ (rapit radiative transfer model) và dựng hệ số tương quan để biểu diễn ảnh hưởng của phổ hấp thụ tớnh lượng hơi nước, CO2, O3.
2.4.3.7 Cỏc sơ đồ tham số hoỏ lớp biờn hành tinh
Trong mụ hỡnh MM5 cú cỏc lựa chọn sơ đồ tham số hoỏ lớp biờn hành tinh sau:
- None: Khụng tham số hoỏ lớp biờn.
- Bulk PBL: Thớch hợp với độ phõn giải thụ thẳng đứng trong lớp biờn, chẳng hạn với kớch thước ụ lưới thẳng đứng > 250m. Cú hai kiểu ổn định.
- High-Resolution Blackdar PBL: Thớch hợp với độ phõn giải cao của lớp biờn, vớ như 5 lớp thấp nhất, lớp bề mặt cú độ dày < 100m, bốn chế độ ổn định,
bao gồm lớp xỏo trộn đối lưu tự do được sử dụng phõn tỏch bước thời gian ổn định.
- Bulk-Thompson PBL: Thớch hợp đối với cả độ phõn giải thụ và độ phõn giải cao của lớp biờn. Động năng xoỏy được dựng đối với xỏo trộn thẳng đứng, cơ bản là cụng thức Mellor - Yamada.
- ETA PBL: Đú là sơ đồ của Mellor - Yamada dựng trong mụ hỡnh ETA dự bỏo sự xỏo trộn thẳng đứng địa phương.
- MRF PBL: Thớch hợp đối với lớp biờn hành tinh phõn giải cao (như sơ đồ Blackada). Sơ đồ được Troen - Mahrt biểu diễn bằng cỏc số hạng gradien và profile nhiệt độ (K) trong lớp xỏo trộn.
- Gayno - Seaman PBL: Cơ bản giống sơ đồ Mellor - Yamada. Nhưng khỏc biệt là dựng nhiệt độ thế vị nước lỏng như là biến bảo toàn, được tớnh chớnh xỏc trong điều kiện bóo hoà. Hiệu quả của sơ đồ cú thể so sỏnh được với sơ đồ Blackada vỡ nú cũng phõn tỏch bước thời gian.
2.4.3.8 Cỏc sơ đồ đất
Mụ hỡnh MM5 cú cỏc lựa chọn sơ đồ đất sau: - None: Khụng dự bỏo nhiệt độ lớp đất bề mặt;
- Force - Restone (Blackada) scheme: Dựng cho lớp mỏng đơn thuần ngay trờn bề mặt và nhiệt độ của lớp đú;
- Five - Layer Soil Model: Dự bỏo nhiệt độ của 5 lớp: 1, 2, 4, 8, 16m; - OSU/Eta-Suface Model: Mụ hỡnh lớp đất bề mặt cú thể dự bỏo nhiệt độ và độ ẩm của 4 lớp: 10, 30, 60, 100 cm.
