Ý tưởng về các mô hình hạn chế có thể được sử dụng cho nghiên cứu khu vực ban đầu được đề xuất bởi Dickinson (1989) và Giorgi (1990b). Ý tưởng này là dựa vào khái niệm nồng một chiều, ở đó các trường khí tượng qui mô lớn từ việc chạy mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian (LCB) cho các mô phỏng của mô hình khí hậu khu vực phân giải cao (RCM).
Phiên bản đầu tiên của RegCM được hoàn thành bởi Dickinson (1989); Giorgi và Bates (1989); Giorgi (1990) tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển (NCAR). Phiên bản này được xây dựng là dựa trên mô hình qui mô vừa (MM4) với khí quyển nén được, sai phân hữu hạn với cân bằng thủy tĩnh và tọa độ xích ma thẳng đứng. Sau đó sử dụng sơ đồ tích phân thời gian nửa hiện . Tuy nhiên để sử dụng cho mô phỏng khí hậu hạn dài, một số các sơ đồ tham số hóa vật lí đã được thay thế chủ yếu là về vật lí của vận chuyển bức xạ và đất bề mặt đã được đưa vào: Kiehl (1987) và sơ đồ vận chuyển sinh quyển-khí quyển (BATS) phiên bản của (Dickinson 1986). Ngoài ra các sơ đồ giáng thủy đối lưu (Anthes, 1987) và lớp biên hành tinh (PBL)(Deardorff, 1972) cũng đã được sửa đổi.
29
Phiên bản thứ hai của RegCM là được phát triển bởi Giorgi (1993b,c). Trong đó động lực học đã được thay đổi theo mô hình quy mô vừa phiên bản 5 (MM5). Sơ đồ vận chuyển bức xạ cũng được thay đổi theo mô hình khí hậu cộng đồng phiên bản 2 (CCM2) Briegleb (1992). Sơ đồ giáng thủy đối lưu Grell (1993) được đưa vào và sơ đồ mây và giáng thủy của Hsie (1984) cũng được sử dụng. BATS được nâng cấp từ phiên bản 1a sang 1e (Dickinson 1993) và sơ đồ giáng thủy PBL phi địa phương của Holtslag (1990) đã được đưa vào.
Trong vài năm qua, một vài sơ đồ vật lí mới sử dụng trong RegCM chủ yếu dựa vào các sơ đồ vật lí của phiên bản mới nhất CCM, CCM3. Đầu tiên là sơ đồ vận chuyển bức xạ CCM2 đã được thay bởi CCM3. Trong CCM2 thì các ảnh hưởng của H2O, O3, O2, CO2 và mây được tính toán. Vận chuyển bức xạ mặt trời được tính theo phương pháp của Eddingson- và bức xạ của mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ che phủ, hàm lượng nước trong mây, bán kính hạt nước của mây. Sơ đồ CCM3 giữ lại cấu trúc như của CCM2 nhưng cũng có đưa vào một số đặc điểm mới như ảnh hưởng của khí nhà kính (NO2, CH4, CFCs), các sol khí khí quyển và băng trong mây.
Thay đổi chủ yếu về các quá trình mây và giáng thủy, định dạng lưới, kết hợp với mô hình hồ.
Một phiên bản trung gian, RegCM3.5 đã được phát triển bởi Giorgi và Mearn năm (1999). Nó đưa vào các sơ đồ đối lưu Zhang và McFarlane (1995), sơ đồ vận chuyển bức xạ Kiehl (1996) từ mô hình CCM3, một phiên bản đơn giản của sơ đồ mây và giáng thủy (SIMEX) Hsie (1984) (Giorgi và Shields, 1999), và một mô hình sol khí tương tác đơn giản (Qian và Giorgi, 1999).
RegCM3 là một sự tổng hợp của những cải tiến chính mà đã được làm trong RegCM3.5 do Giorgi và Mearn năm (1999) phát triển. Những cải tiến này chủ yếu về vật lí giáng thủy, vật lí bề mặt như một sơ đồ mây và giáng thủy qui mô lớn mới trong đó có tính đến sự biến đổi của mây ở qui mô dưới lưới (Pal 2000), sơ đồ tham số hóa mới cho thông lượng bề mặt đại dương (Zeng 1998) và một sơ đồ đối lưu
30
cumulus (Betts 1986), hóa học khí quyển và aerosols, số liệu đầu vào của mô hình và tương tác với người sử dụng. Ngoài ra lõi động lực cũng đã được thay đổi cho tính toán song song.
Một khía cạnh quan trọng trong RegCM3 là có thể chạy trên nhiều nền máy tính. Ngoài ra, RegCM3 có thể chạy với nhiều dạng số liệu phân tích lại và các điều kiện biên GCM.
Toàn bộ hệ thống mô hình RegCM được bao gồm bốn thành phần: Terrain, ICBC, RegCM và PostProc. Terrain và ICBC là hai thành phần của tiền xử lý. Các biến địa hình như độ cao, sử dụng đất và nhiệt độ bề mặt biển và số liệu khí tượng đẳng áp ba chiều được nội suy theo phương ngang từ một lưới kinh - vĩ sang một khu vực phân giải cao trên các phép chiếu. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất sang hệ tọa độ của RegCM cũng được thực hiện. Mực gần mặt đất là gần với địa hình và mặt ở mực cao hơn có xu hướng gần với bề mực đẳng áp.
Hình 1.8. Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM (Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1)
31
Thật là hữu ích nếu như đầu tiên chúng ta biết định dạng lưới của mô hình. Hệ thống mô hình thường nhận và phân tích số liệu trên các mực áp suất, nhưng các số liệu này phải được nội suy sang tọa độ thẳng đứng của mô hình trước khi làm số liệu đầu vào của mô hình. Tọa độ thẳng đứng là theo địa hình có nghĩa là các mực lưới thấp hơn thì theo địa hình còn các mực càng trên cao hơn thì càng bằng phẳng hơn. Hệ tọa độ (sigma) chiều A được sử dụng để xác định các mực của mô hình:
t s t p p p p (1.1)
trong đó p là áp không khí, ps là khí áp mặt đất, pt là khí áp tại đỉnh khí quyển.
Như vậy = 0 tại đỉnh và = 1 tại bề mặt và mỗi mực của mô hình được xác định bởi một giá trị của .
Độ phân giải thẳng đứng của mô hình được xác định bởi các giá trị giữa 0 và 1. Nói chung là độ phân giải trong lớp biên là tinh hơn ở lớp bên trên và số mực thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Hình 1.9. có thể nhìn thấy là các biến vô hướng (T, q, p, vv…) được xác định tại trung tâm của ô lưới. Trong khi đó các thành phần tốc độ gió hướng đông (u) và hướng tây (v) được đặt theo thứ tự tại các góc. Sai phân hữu hạn phụ thuộc chủ yếu vào lưới xen kẽ.
Các phép chiếu bản đồ
Hệ thống mô hình có một lựa chọn trong bốn phép chiếu bản đồ. Lambert Conformal là phép chiếu phù hợp cho vùng vĩ độ trung bình, Polar Stereographic cho vĩ độ cao, Normal Mercator cho vĩ độ thấp và Rotated Mercator cho các lựa chọn khác. Số nhân bản đồ m được xác định bởi:
m = (khoảng cách trên lưới) / (khoảng cách thực trên trái đất) và giái trị này thường thay đổi theo vĩ độ. Nhân tố m cần thiết được tính toán trong các phương trình của mô hình bất kì ở đâu mà gradien theo phương ngang được sử dụng.
32
Hình 1.2.9. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình (Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1)