Các thành phần chính của mô hình WRF gồm có:
Hệ thống tiền xử lý của mô hình WRF (The WRF Pre-processing System,
WPS): là chương trình được sử dụng chủ yếu để mô phỏng các dữ liệu thực,
bao gồm: xác định miền mô phỏng, nội suy các dữ liệu địa hình, loại đất sử dụng, đọc và nội suy các trường khí tượng từ các mô hình khác (mô hình toàn cầu, mô hình khu vực có độ phân giải thấp) về miền mô phỏng.
Môđun đồng hóa số liệu (WRFDA): là chương trình đồng hóa số liệu quan trắc vào trường phân tích được tạo ra bởi chương trình WPS. Chương trình này cũng cho phép cập nhật điều kiện ban đầu trong trường hợp mô hình WRF được chạy ở chế độ tuần hoàn. Kỹ thuật đồng hóa số liệu biến phân bao gồm cả biến phân ba chiều 3DVAR và biến phân 4 chiều 4DVAR
Môđun mô phỏng (ARW): Đây là mođun chính của hệ thống mô hình WRF,
bao gồm các chương trình khởi tạo đối với trường hợp mô phỏng lý tưởng, mô phỏng dữ liệu thực và chương trình tích phân. Các chức năng chính của mô hình WRF là:
26
Ứng dụng đối với cả miền tính toàn cầu và khu vực
Hệ toạ độ ngang là lưới so le Arakawa C, hệ toạ độ thẳng đứng là hệ toạ
độ khối theo địa hình.
Bước thời gian sai phân Runge-Kutta bậc 3 được sử dụng đối với các số
sóng âm thanh và sóng trọng trường, sai phân bậc 2 đến bậc 6 được sử dụng cho cả phương ngang và phương thẳng đứng.
Lồng ghép miền tính một chiều, 2 chiều và lựa chọn miền tính lồng ghép
di dộng.
WRF được thiết kế cho phép ghép nối với các mô hình khác như mô hình
đại dương, mô hình đất.
Các lựa chọn tham số hóa vật lý đầy đủ cho bề mặt đất, lớp biên hành
tinh, bức xạ bề mặt và khí quyển, quá trình vi vật lý và quá trình đối lưu.
Mô hình lớp xáo trộn đại dương một cột
Chương trình đồ họa và xử lý sản phẩm của mô hình (Post-processing & Visualization tools): bao gồm một số chương trình và phần mềm cho việc khai thác sản phẩm và đồ họa như RIP4, NCL, GrADS và Vis5D.
Hệ phương trình cơ bản của WRF là hệ phương trình đầy đủ, bất thủy tĩnh, viết cho chất lỏng nén được, có khả năng mô phỏng được các quá trình khí quyển trên nhiều quy mô khác nhau. Về cơ bản các sơ đồ tham số hóa vật lý của WRF đều dựa trên các mô hình MM5, ETA và một số mô hình khác. Các sơ đồ tham số hóa vật lý trong WRF được chia thành năm loại: các quá trình vi vật lý, các sơ đồ tham số hóa mây và đối lưu, các quá trình bề mặt đất, lớp biên khí quyển và tham số hóa bức xạ. Cấu trúc và các hệ phương trình cơ bản của mô hình WRF đã được trình bày cụ thể và có thể tìm hiểu rõ hơn trong nghiên cứu của Wicker và Skamarock
(2002) [23] hay tại trang web
http://www.mmm.ucar.edu/individual/skamarock/wrf_equations_eulerian.pdf và
http://www.mmm.ucar.edu/wrf/users/wrf-docphysics.pdf. Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung vào nghiên cứu những đặc điểm nổi bật của mô hình WRF
27
khi có sự kết hợp với môđun Chem (WRF/Chem). Dưới đây sẽ trình bày rõ hơn về môđun CHEM.
2.1.2 Mô đun CHEM
Nghiên cứu này sử dụng mô hình WRF/Chem phiên bản 3.4, với sự kết hợp đầy đủ các môđun hóa học bên trong mô hình khí tượng WRF [7]. Hình 2.2 cho ta cái nhìn tổng quát về cấu trúc của mô hình WRF/Chem. Môđun Chem cung cấp nhiều tùy chọn về cơ chế hóa học như RADM (Cơ chế mô hình lắng đọng axit khu vực – Regional Acid Deposition Model Mechanism), CBMZ (Cơ chế liên kết Các bon phiên bản Z – Carbon Bond Mechanism version Z) cho các chất hóa học pha khí và sử dụng mô hình MOSAIC (Mô hình tính toán các chất hóa học và tương tác xon khí – Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry), MADE/SORGAM (Mô hình động lực xon khí chuẩn cho khu vực Châu Âu kết hợp với mô hình xon khí hữu cơ thứ cấp – Modal Aerosol Dynamics Model for Europe with the Secondary Organic Aerosol Model) cho các cơ chế của xon khí. Bên cạnh đó, WRF/Chem có một tùy chọn đơn giản là GOCART (Vận chuyển bức xạ xon khí hóa học Ozon toàn cầu – Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation Transport), tùy chọn này sử dụng sơ đồ xon khí đơn giản nhất để tập trung vào việc mô phỏng bụi.
Có thể thấy qua hình 2.2, hệ thống mô hình WRF/Chem có cấu trúc gần giống với cấu trúc mô hình WRF (Hình 2.1), sự khác biệt giữa mô hình WRF/Chem với mô hình WRF thông thường là phần hóa học của mô hình cần được cung cấp số liệu dưới dạng ô lưới giống với số liệu khí tượng. Số liệu đầu vào này có thể được cung cấp bởi bộ phận tiền xử lý WPS (ví dụ như số liệu bụi) hoặc đọc vào trong quá trình khởi tạo real.exe (ví dụ như đốt sinh khối, phát thải sinh học, các trường hóa học của GOCART…) hay đọc trong quá trình chạy WRF (ví dụ như phát thải do con người, điều kiện lớp biên, phát thải bụi núi lửa…). Do đó, để dễ dàng hơn cho người dùng trong việc tạo bộ số liệu đầu vào, hệ thống mô hình có kèm theo một số chương trình để chuyển đổi định dạng bộ số liệu bởi không phải tất cả các lựa chọn về chất phát thải đều được định dạng sẵn để phù hợp cho tất cả các tùy chọn trong
28
danh sách biến của mô hình WRF/Chem. Nói cách khác, việc tạo ra bộ số liệu phát thải đầu vào để tính toán các quá trình hóa học khí quyển là khá phức tạp, đôi khi người dùng cần phải thay đổi các mã lập trình trong quá trình biên dịch mô hình để có được những sản phẩm đáp ứng đúng với mục tiêu nghiên cứu.