0 0C h0 0 T (1 A F) Q AFoi (1 A F) frz t
trong đó T0 là nhiệt độ lớp xáo trộn đại dƣơng, là mật độ của của nƣớc trong đại dƣơng, C0 là nhiệt dung của nƣớc biển, h0 là độ sâu trung bình năm của
đại dƣơng (m), A là tỉ lệ của đại dƣơng đƣợc phủ bởi băng biển, F là thơng lƣợng nhiệt thuần từ khí quyển xuống đại dƣơng (Wm-2), Q là thông lƣợng nhiệt trong lớp xáo trộn (Wm-2
), Foi là nhiệt trao đổi với băng biển (Wm-2), và Ffrz là nhiệt nhận đƣợc khi băng biển phát triển trên vùng nƣớc mở (Wm-2
). và C0 là các hằng số.
Hình 2.3 Sơ đồ mơ tả các mơ hình thành phần của CAM-SOM
Nhƣ vậy, CAM 3.0 đƣợc phát triển là mơ hình khí hậu thành phần khí quyển, một trong bốn thành phần của CCSM (bao gồm mơ hình khí quyển, mơ hình đại dƣơng, mơ hình đất và mơ hình băng biển). CAM 3.0 có thể chạy một cách độc lập và cũng có thể chạy kết hợp với các mơ hình thành phần của CCSM. CAM 3.0 có thể ứng dụng để dự báo khí hậu trong tƣơng lai khi kết hợp với mơ hình đại dƣơng lớp mỏng (Hình 2.3). Nhiệt độ mặt nƣớc biển và độ phủ băng biển bây giờ là biến dự báo nhận đƣợc từ mơ hình đại dƣơng.
Có thể nhận đƣợc gần 300 biến từ CAM-SOM và các biến có thể là các giá trị tức thời, giá trị cực đại, giá trị cực tiểu, và giá trị trung bình theo thời gian: Trung bình ngày, trung bình tháng, trung bình theo mùa, trung bình năm. Một số biến dự báo quan trọng kết xuất từ mơ hình CAM-SOM có thể làm đầu vào cho mơ hình khí hậu khu vực (Bảng 2.1).
0
0
Bảng 2.1 Danh mục một số trƣờng kết xuất của mơ hình CAM-SOM
Tên trƣờng Mơ tả trƣờng Số mực Đơn vị
LPSTEN Xu thế áp suất bề mặt 1 Pa/s
OMEGA Vận tốc thẳng đứng (áp suất) 26 Pa/s
PBLH Độ cao lớp biên 1 m PHIS Thế vị bề mặt 1 m2/s2 PS Áp suất bề mặt 1 Pa PSDRY Áp suất bề mặt 1 Pa PSL Áp suất mực biển 1 Pa Q Độ ẩm riêng 26 kg/kg
SICTHK Độ dày băng biển 1 m
SST Nhiệt độ bề mặt biển 1 K T Nhiệt độ 26 K TS Nhiệt độ bề mặt 1 K TS1 Nhiệt độ dƣới đất TS1 1 K TS2 Nhiệt độ dƣới đất TS2 1 K TS3 Nhiệt độ dƣới đất TS3 1 K TS4 Nhiệt độ dƣới đất TS4 1 K U Thành phần gió vĩ hƣớng 26 m/s V Thành phần gió kinh hƣớng 26 m/s
Z3 Độ cao địa thế vị (trên mực biển) 26 m
2.3 Thiết kế thí nghiệm
Xin nhắc lại, trong khn khổ luận văn này, các thí nghiệm đƣợc thực hiện nhằm nghiên cứu khả năng ứng dụng mơ hình khí hậu khu vực (RegCM3) vào bài toán dự báo hạn mùa ở Việt Nam. Cụ thể hơn là trả lời hai câu hỏi về (1) khả năng dự báo hạn mùa của mô hình RegCM3 với các tùy chọn tham số hóa đối lƣu khác
nhằm đƣa ra đƣợc kết quả dự báo hạn mùa cho khu vực Việt Nam. Nhƣ vậy, có hai nhóm thí nghiệm đƣợc thực hiện nhƣ sau:
TN1. Nghiên cứu khả năng dự báo hạn mùa của mơ hình RegCM3
với các tùy chọn tham số hóa đối lƣu khác nhau
Mơ hình RegCM3 đƣợc thiết kế chạy lần lƣợt với 3 sơ đồ tham số hóa đối lƣu khác nhau, từ ngày 01 tháng 04 đến ngày 31 tháng 10 của từng năm trong giai đoạn 1996-2005 với số liệu đầu vào là số liệu tái phân tích NNRP2 của Trung tâm quốc gia Dự báo Môi trƣờng của Mỹ (National Centre for Environmental Prediction (NCEP) Reanalysis datasets) và bộ số liệu phân tích hàng tháng trên lƣới 1 độ của nhiệt độ mặt biển ngoại suy tối ƣu (OISST) từ Cơ quan quản lý biển và khí quyển quốc gia (National Ocean and Atmosphere Administration). Các sơ đồ đối lƣu đƣợc sử dụng là: (1) Sơ đồ Kuo sửa đổi; (2) Sơ đồ MIT Emanuel và (3) Sơ đồ Grell với giả thiết khép kín Arakawa và Schubert. Kí hiệu tƣơng ứng với 3 nhóm kết quả của thí nghiệm 1 này là: Reg_Kuo, Reg_Emanuel và Reg_Grell. Với điều kiện biên là số liệu tái phân tích, điều kiện khí quyển gần thực nhất có thể có, thí nghiệm này nhằm đƣa ra các dự báo cho mùa hè (mở rộng từ tháng 04 đến tháng 10) trong giai đoạn 10 năm với các sơ đồ đối lƣu khác nhau. Thí nghiệm này nhằm đánh giá khả năng của RegCM3 khi trƣờng đầu vào cho RegCM3 là trƣờng khí quyển thực. Kết quả đƣợc so sánh với số liệu quan trắc để đƣa ra đánh giá về chất lƣợng mô phỏng hạn mùa của RegCM3 cho khu vực Việt Nam.
TN2. Nghiên cứu khả năng kết nối mơ hình RegCM3 với CAM-SOM
Kết nối với đầu ra từ hệ thống mơ hình kết hợp CAM-SOM, mơ hình RegCM3 đƣợc đặt chạy với 2 trƣờng hợp:
a. Từ ngày 01 tháng 04 đến ngày 01 tháng 10 của từng năm trong giai đoạn 2000-2005, kết quả đƣợc so sánh với kết quả của chạy RegCM3 với đầu vào là số liệu tái phân tích NNRP2 cho giai đoạn tƣơng ứng, nhằm đánh giá sự khác biệt khi dự báo với 2 đầu vào khác nhau (kết quả dự báo của
CAM-SOM và số liệu tái phân tích) của mơ hình RegCM3. Kí hiệu tƣơng
b. Chạy 4 tháng (leadtime từ 0 cho đến 3 tháng) bắt đầu từ ngày 01 của từng tháng từ tháng 01 đến tháng 06, của từng năm trong giai đoạn 2001-2005. Đây là kết quả thử nghiệm dự báo hạn mùa, đặt chạy nối tiếp để xét đến sự khác biệt của kết quả với các leadtime khác nhau của RegCM3 khi sử dụng sản phẩm dự báo của CAM-SOM.
Hình 2.5 Miền tính của RegCM3 trong các thí nghiệm. Độ phân giải ngang 36 km.
Mô tả một cách trực quan hơn các thí nghiệm đƣợc minh họa trong hình 2.4. Cấu hình của mơ hình trong tất cả các thí nghiệm nhƣ sau. Theo chiều thẳng đứng mơ hình gồm 18 mực σ với đỉnh tại mực 50 mb. Miền tính mơ hình gồm 144x105 điểm (theo hai chiều đông-tây và nam-bắc tƣơng ứng) với tâm tại điểm 11.5oN và 108oE. Độ phân giải ngang là 36 km sử dụng phép chiếu Mercator. Hình 2.5 mơ tả miền tính với độ cao địa hình.
Một điểm lƣu ý ở đây là khi sử dụng đầu ra từ hệ thống mơ hình CAMSOM làm đầu vào cho mơ hình RegCM3, cần phải sửa đổi quá trình tiền xử lý (chuẩn bị điều kiện biên) trong mơ hình RegCM3. Cụ thể về chƣơng trình cần chỉnh sửa các module:
o cam42.f: tạo mới tập tin này, chứa chƣơng trình con đọc các biến tốc độ
gió kinh vĩ hƣớng, nhiệt độ, độ ẩm riêng, nhiệt độ bề mặt, độ cao địa thế vị và khí áp bề mặt (U, V, T, Q, TS, Z3, PS) từ đầu vào CAMSOM.
o CAM.f: chỉnh sửa từ CCSM.f ban đầu, gọi chƣơng trình con từ cam42.f
kết hợp với việc đọc biến địa thế vị bề mặt (PHIS) từ đầu vào CAMSOM. o ICBC.f: chỉnh sửa để sử dụng các chƣơng trình con trong 2 tập tin trên
Hình 2.4 Mơ tả các thí nghiệm đƣợc thực hiện.
TN1: nghiên cứu khả năng dự báo hạn mùa của mơ hình RegCM3 với các sơ đồ tham số hóa đối lưu khác nhau (10 năm với 7 tháng/1năm); TN2a (6 năm với 6 tháng/năm) & TN2b (5 năm với 6 lần đặt chạy/năm, 4 tháng/1 lần): nghiên cứu khả năng kết nối mơ hình RegCM3 với CAM-SOM
Việc đọc số liệu đầu vào cho RegCM3 từ sản phẩm của CAMSOM đƣợc mô tả sau đây. Mơ hình CAMSOM lƣu trữ kết quả dƣới dạng netcdf do đó cần sử dụng bộ thƣ viện tƣơng ứng để trích xuất. Bộ thƣ viện Netcdf Fortran Interface (NFI) đƣợc đƣa vào trong quá trình biên dịch và sử dụng các hàm liệt kê trong Bảng 2.2. Nguyên lý thực hiện việc đọc dữ liệu bao gồm:
- Đọc Header: Header là đoạn dữ liệu đầu tiên của số liệu toàn cầu. Đoạn dữ
T4 T10 T4 T10 T4 T10 T4 T10 1996 1997 1998 ~ 2003 2004 2005 T4 T9 2000 T4 T9 2001 T4 T9 2002 T4 T9 2003 T4 T9 2004 T4 T9 2005 T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 2001 ~ 2005 TN2b TN1 TN2a
Vì mơ hình tồn cầu CAM-SOM là mơ hình phổ nên trƣớc khi có thể sử dụng làm đầu vào cho mơ hình khu vực nó đã đƣợc chuyển đổi sang dạng lƣới Gauss theo phƣơng ngang và lƣới lai sigma - áp suất theo phƣơng đứng. Trƣớc khi biến đổi mơ hình này đƣợc chạy với cấu hình T42 tƣơng ứng với độ phân giải ~2,81 độ. Việc cần làm của bộ chƣơng trình là thiết lập các thông số lƣới: kinh độ, vĩ độ, mực thẳng đứng sao cho khớp với header của CAM-SOM. Sau đó các thơng số lƣới của mơ hình khí hậu khu vực đƣợc thiết lập tại đây.
- Sử dụng các hàm trong thư viện NFI để lần lượt đọc các biến: Nhiệt độ các
mực, độ cao địa thế vị các mực, độ ẩm riêng các mực, tốc độ gió vĩ hƣớng các mực, tốc độ gió kinh hƣớng các mực, áp suất bề mặt, độ cao địa thế vị bề mặt, nhiệt độ bề mặt nƣớc biển. Sử dụng độ cao địa thế vị bề mặt tính độ cao địa hình.
- Nội suy thẳng đứng (sigma sang áp suất):
o Tính áp suất tại các mực theo các tham số của hệ tọa độ lai: ak, bk.
o Tính độ cao tại các mực áp suất dựa trên độ cao và nhiệt độ của các mực sigma, áp suất bề mặt, áp suất đỉnh khí quyển.
o Tính tốc độ gió kinh hƣớng và vĩ hƣớng tại các mực áp suất dựa trên các biến tƣơng ứng tại mực sigma.
o Tính nhiệt độ tại các mực áp suất dựa trên nhiệt độ tại mực sigma. o Chuyển độ ẩm riêng thành độ ẩm tƣơng đối
o Tính độ ẩm tƣơng đối tại các mực áp suất dựa trên độ ẩm tƣơng đối tại mực sigma.
- Nội suy ngang: Nội suy theo phƣơng ngang song tuyến tính đƣợc thực hiện
tại các điểm nhân đối với nhiệt độ, độ cao, độ ẩm và tại các điểm tròn đối với tốc độ gió kinh, vĩ hƣớng.
- Hệ bản đồ:
o Tốc độ gió kinh, vĩ hƣớng đƣợc tính tốn lại sao cho vector gió sau khi thực hiện phép quay phù hợp với hệ bản đồ đƣợc sử dụng trong mơ hình khí hậu khu vực RegCM (Mercator).
o Tính các biến yêu cầu trƣớc khi tính P* bao gồm: Nhiệt độ trung bình lớp tính từ bề mặt đến mực dƣới cùng, Áp suất tại đỉnh lớp này, Độ cao tại mực áp suất đó.
o Ngoại suy áp suất bề mặt từ áp suất của mực gần bề mặt nhất o Tính áp suất tại điểm tròn dựa theo áp suất tại điểm nhân.
Bảng 2.2 Các hàm đƣợc sử dụng trong thƣ viện NFI
TT Tên Ghi chú
1 NF_OPEN Mở file netcdf
2 NF_INQ_VARID Tìm vị trí biến 3 NF_INQ_DIMID Tìm vị trí các chiều 4 NF_INQ_DIMLEN Tìm độ lớn các chiều 5 NF_INQ_VARNAME Đọc tên biến
6 NF_GET_VARA_REAL Đọc biến thực vào mảng 7 NF_GET_VARA_INT2 Đọc biến nguyên vào mảng
2.4 Nguồn số liệu
Số liệu cho RegCM3:
Tất cả nguồn số liệu đầu vào cần để cung cấp cho mơ hình RegCM3 (bao gồm số liệu về độ cao địa hình, các loại bề mặt, nhiệt độ mặt nƣớc biển và số liệu tái phân tích làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên cập nhật theo thời gian) có thể đƣợc tải về từ trang web http://www.ictp.trieste.it/pubregcm/RegCM3. Cụ thể:
Bộ số liệu lớp phủ (Global Landuse Cover Characteric: GLCC) cung cấp thông tin về thực vật/mặt đệm, nhận đƣợc 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 đƣợc chia thành 18 loại đất phủ/thực vật đƣợc định nghĩa trong sơ đồ tƣơng tác sinh quyển-khí quyển BATS. Mặt đệm của mỗi ơ lƣới của mơ hình đƣợc xác định thuộc 1 trong số 18 loại này..
Số liệu độ cao địa hình đƣợc 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.
Số liệu SST là bộ số liệu phân tích hàng tháng trên lƣới 1 độ của nhiệt độ mặt biển ngoại suy tối ƣu (OISST) (1981-2011) cũng có sẵn từ Cơ quan quản lý biển và khí quyển quốc gia (National Ocean and Atmosphere Administration).
Số liệu tái phân tích tồn cầu để sử dụng đối với các điều kiện ban đầu và biên là số liệu tái phân tích NNRP2 của Trung tâm quốc gia Dự báo Môi trƣờng của Mỹ (National Centre for Environmental Prediction Reanalysis datasets), lƣới 2.5 độ, L17, từ 1996 đến 2005.
Số liệu đầu ra của hệ thống mơ hình CAM-SOM để sử dụng đối với các điều kiện ban đầu và biên đƣợc lấy từ tháng 01 đến tháng 09 của từng năm trong giai đoạn 2000-2005. Nhƣ đã đề cập, số liệu đầu ra của CAM-SOM cho dƣới định dạng netcdf với tên tập tin và các biến chứa trong các tập tin tƣơng ứng nhƣ sau:
somYYYY_rmr.cam2.h0.YYYY-MM.nc (địa thế vị bề mặt)
somYYYY_rmr.cam2.h1.YYYY-12-01-21600.nc (tốc độ gió kinh, vĩ
hƣớng)
somYYYY_rmr.cam2.h2.YYYY-12-01-21600.nc (độ ẩm tuyệt đối, nhiệt độ
các mực và nhiệt độ bề mặt)
somYYYY_rmr.cam2.h3.YYYY-12-01-21600.nc (khí áp bề mặt và độ cao
địa thế vị)
Trong đó, YYYY chỉ năm (YYYY nhỏ hơn YYYY 1 năm) và MM chỉ tháng của số liệu chứa trong tập tin.
Hình 2.5 Vị trí 48 trạm lấy số liệu quan trắc để thẩm định
Số liệu đánh giá:
Số liệu CRU: Số liệu tái phân tích của Trung tâm nghiên cứu khí hậu của Anh với độ phân giải ngang 0,5 độ, chỉ lấy số liệu nhiệt độ bề mặt, lƣợng mƣa trung bình tháng.
Số liệu đầu vào: có thể so sánh với chính số liệu đầu vào NNRP2 (NCEP) để xem xét khả năng tái tạo các trƣờng gió, nhiệt và ẩm của mơ hình.
Số liệu quan trắc thực tế trên Việt Nam: 48 trạm quan trắc khí tƣợng điển hình trải đều trên lãnh thổ Việt Nam. Trong 1 ngày có số liệu tại 4 obs quan trắc chuẩn. Nhiệt độ đƣợc tính trung bình ngày, sau đó tính trung bình các tháng để so sánh. Lƣợng mƣa tính tổng lƣợng ngày, sau đó tính trung bình tháng để so sánh. Danh sách các trạm trình bày trong Bảng 2.3 và hiển thị trên hình 2.5.
Bảng 2.3 Danh sách 48 trạm lấy số liệu quan trắc để thẩm định
STT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ STT Tên trạm Kinh độ Vĩ độ
1 Điện Biên 103.00 21.21 25 Hƣơng Khê 105.70 18.18 2 Lai Châu 103.09 22.03 26 Nam Đông 107.72 16.17 3 Mộc Châu 104.38 20.51 27 Thanh Hóa 105.46 19.49 4 Sơn La 103.54 21.20 28 Tƣơng Dƣơng 104.43 19.28
5 Hà Giang 104.59 22.49 29 Vinh 105.40 18.40
7 Tuyên Quang 105.22 21.82 31 Đà Nẵng 108.20 16.03 8 Yên Bái 104.52 21.42 32 Nha Trang 109.12 12.15 9 Bắc Quang 104.50 22.29 33 Phan Thiết 108.06 10.56 10 Lạng Sơn 106.46 21.50 34 Phú Quý 108.93 10.52 11 Sa Pa 103.82 22.35 35 Quy Nhơn 109.13 13.46 12 Bãi Cháy 107.07 20.97 36 Trà My 108.23 15.35
13 Cô Tô 107.77 20.98 37 Tuy Hòa 109.17 13.05
14 Bạch Long Vĩ 107.72 20.13 38 Ayunpa 108.54 13.25 15 Hà Nội 105.51 21.01 39 Buôn Ma Thuột 108.03 12.41 16 Hịa Bình 105.20 20.49 40 Bảo Lộc 107.48 11.28 17 Nam Định 106.10 20.26 41 Đà Lạt 108.26 11.57 18 Ninh Bình 105.59 20.16 42 Kontum 107.37 14.20 19 Phủ Liễn 106.38 20.48 43 Playcu 108.00 13.59 20 Đông Hà 107.08 16.85 44 Cà Mau 105.17 9.10 21 Đồng Hới 106.37 17.28 45 Cần Thơ 105.47 10.02 22 Hà Tĩnh 105.54 18.21 46 Côn Đảo 106.60 8.68 23 Hồi Xuân 105.10 20.37 47 Rạch Giá 105.05 10.00
Chƣơng 3
KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT
Chƣơng 3 sẽ trình bày và đánh giá các kết quả theo nhƣ thiết kế thí nghiệm đã nêu trong chƣơng 2. Cụ thể kết quả sẽ gồm hai phần chính tƣơng ứng với 2 thí nghiệm, đó là (1) nghiên cứu khả năng dự báo hạn mùa của mơ hình RegCM3 với các sơ đồ tham số hóa đối lƣu khác nhau và (2) nghiên cứu khả năng kết nối mơ hình RegCM3 với CAM-SOM.