2.2.1. Giới thiệu mơ hình
Mơ hình dự báo thời tiết khu vực phân giải cao HRM (High resolution Regional Model) là mơ hình thuỷ tĩnh, sử dụng hệ phƣơng trình nguyên thuỷ, bao gồm đầy đủ các q trình vật lý nhƣ: Bức xạ, mơ hình đất, các quá trình rối trong lớp biên, tạo mƣa qui mô lƣới, đối lƣu nông và đối lƣu sâu. Mơ hình HRM đƣợc phát triển tại Tổng cục Thời tiết Cộng hòa liên bang Đức (DWD) và đang đƣợc chạy nghiệp vụ tại nhiều cơ quan khí tƣợng quốc gia nhƣ tại Philipin, Brazil, Tây Ban Nha, Đức,… Mơ hình HRM đƣợc chuyển giao và chạy nghiệm vụ tại Trung tâm Dự báo Khí tƣợng Thủy văn Trung ƣơng (TTDBTƢ) từ năm 2002 thông qua dự án hợp tác nghiên cứu giữa 3 đơn vị là DWD, Khoa Khí tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng học, Trƣờng Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội và TTDBTƢ. Số liệu ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian cho mơ hình HRM đƣợc lấy từ các trƣờng phân tích và dự báo từ mơ hình tồn cầu (Global Model for Europe - GME) của DWD. Hiện tại, mơ hình HRM đang đƣợc chạy nghiệp vụ tại TTDBTƢ với phiên bản HRM-14km (độ phân giải ngang là 14km, 40 mực thẳng đứng và bƣớc thời gian là 90 giây) cho 2 phiên dự báo hàng ngày vào 00UTC (7 giờ Việt Nam) và 12UTC (19 giờ Việt Nam). HRM là mơ hình dự báo thời tiết đầu tiên đƣợc triển khai tại Việt Nam và đã đƣợc cải tiến nhiều lần trong những năm gần đây.
2.2.2. Cấu trúc lưới và phương pháp số
- Lƣới điều hoà hoặc lƣới quay kinh-vĩ;
- Độ phân giải từ 0.250 đến 0.050(tƣơng ứng với 28 đến 6 km);
- Sơ đồ sai phân trung tâm bậc hai theo không gian, theo lƣới C-Arakava; - Hệ toạ độ lai với số mực từ 20 đến 40;
- Sơ đồ tích phân theo thời gian Leap-frog, bán tƣờng minh, có độ chính xác bậc bốn đƣợc áp dụng để tích phân hệ phƣơng trình dự báo. Bƣớc tích phân theo thời gian Dt (s) theo công thức CFL (Courant-Friedrichs-Levy) và phụ thuộc vào bƣớc tích phân theo khơng gian;
- Cách xử lý biên theo Davies (1976).
Hệ phƣơng trình nguyên thuỷ của mơ hình bao gồm 6 phƣơng trình dự báo tƣơng ứng với 6 biến: pS, u, v, T, qV, qC.
- Phƣơng trình xu thế khí áp mặt đất; - Hai phƣơng trình thành phần gió ngang; - Phƣơng trình bảo tồn nhiệt;
- Phƣơng trình bảo tồn hơi nƣớc;
- Phƣơng trình bảo tồn nƣớc lỏng trong mây;
Ngồi ra cịn có 9 phƣơng trình cảnh báo, đó là: Phƣơng trình tốc độ thẳng đứng trong toạ độ lai, phƣơng trình trạng thái, phƣơng trình chuyển đổi giữa động năng và thế năng, phƣơng trình tính tốc độ thẳng đứng trong toạ độ khí áp, quan hệ tính xốy thế tuyệt đối, quan hệ tính động năng trên một đơn vị khối lƣợng, quan hệ tính địa thế vị từ tích phân phƣơng trình thuỷ tĩnh, quan hệ xác định nhiệt độ ảo và phƣơng trình tính độ ẩm riêng bão hồ.
2.2.4. Các q trình tham số hóa vật lý * Sơ đồ tham số hóa đối lưu Tiedtke
Từ năm 1989, Tiedtke đã xây dựng một sơ đồ TSHĐL mây tích dựa trên cơ sở gần đúng các dịng khối. Ơng đã chia động lực của mây tích thành hai phần, một phần dòng thăng và một phần dịng giáng. Dịng khối trong mây khi đó là tổng của dòng khối trong dòng thăng và dòng khối trong dòng giáng.
Tiedtke (1989) phân biệt các loại mây đối lƣu nhƣ sau:
- Đối lƣu sâu: hội tụ khơng khí ở lớp biên trong điều kiện bất ổn định có khả năng tạo thành dịng thăng lớn để có thể xuyên qua tầng đối lƣu.
- Đối lƣu nơng: bên dƣới có phân kỳ nhẹ và chỉ đạt đến độ cao trong tầng đối lƣu.
- Đối lƣu mực giữa: xuất hiện ở vùng front trong lớp giữa của khí quyển, chân mây nằm trên lớp biên khí quyển.
* Sơ đồ Heise
Sơ đồ này đƣợc phát triển dựa trên cơ sở lý thuyết của sơ đồ TSHĐL Tiedtke (1989). Điểm khác biệt duy nhất giữa hai sơ đồ là cách tính thơng lƣợng khối lƣợng dòng thăng tại chân mây cho đối lƣu sâu. Trong sơ đồ Tiedtke, giả
thiết khép kín này đƣợc xác định dựa vào hội tụ ẩm qui mô lớn ở mực thấp.
* Sơ đồ Betts-Miller-Janjic
Sơ đồ TSHĐL BMJ đƣợc xây dựng trên nguyên tắc điều chỉnh cấu trúc nhiệt ẩm đối lƣu mơ hình về cấu trúc nhiệt ẩm thám sát thực trong khí quyển nhiệt đới.
Cấu trúc nhiệt động thám sát trong khí quyển nhiệt đới:
Một trong những mục đích chìa khóa quan trọng của nghiên cứu thám sát GATE là nghiên cứu đối lƣu sâu có tổ chức rất phức tạp ở nhiệt đới để thử nghiệm và phát triển các sơ đồ TSHĐL khu vực này trong mơ hình số (Betts, 1974). Mục đích đầu tiên của các sơ đồ TSHĐL là phải đảm bảo cho cấu trúc thẳng đứng của nhiệt và ẩm bị điều khiển mạnh bởi đối lƣu phải gần thực, nghĩa là gần nhất với thám sát. Ý tƣởng cơ bản về tựa cân bằng giữa trƣờng mây và ép buộc qui mô lớn đối với đối lƣu nông là của Betts (1973) và đối với đối lƣu sâu là do Arakawa và Shubert (1974) đƣa ra. Điều đó có nghĩa cấu trúc nhiệt ẩm đặc trƣng trong các vùng đối lƣu đƣợc minh chứng bởi thám sát. Đây là cơ sở của quá trình điều chỉnh đối lƣu. Manable & CS (1965) đề xuất phƣơng pháp điều chỉnh đối lƣu sâu về đoạn nhiệt ẩm trong khi khí quyển nhiệt đới khơng tiến đến cân bằng đoạn nhiệt ẩm khi tồn tại đối lƣu sâu. Tất cả đó cho thấy, trên qui mơ lƣới trong mơ hình có mặt đối lƣu ln phải duy trì một cấu trúc thẳng đứng của nhiệt ẩm thực nhƣ thám sát.
Vấn đề tiếp theo là bằng thám sát làm thế nào minh chứng đƣợc rằng các chế độ đối lƣu khác nhau có các cấu trúc nhiệt động tựa cân bằng khác nhau để duy trì đƣợc sự tựa cân bằng giữa mây qui mơ dƣới lƣới và các q trình qui mơ lƣới. Betts (1982) nêu ra một quan điểm lý thuyết từ thám sát (GATE, BOMEX, ATEX) dựa vào sự thiết lập điểm bão hồ. Từ đó tác giả đã xác định đƣợc một tập hợp các tham số thích hợp cho đối lƣu sâu và đối lƣu nơng trong mơ hình toàn cầu.