2.1.1. Giới thiệu mơ hình
Mơ hình khí tƣợng động lực quy mơ vừa thế hệ thứ 5 (MM5) của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Mỹ (NCAR) và Trƣờng Đại học Tổng hợp Pennsylvania Mỹ (PSU) là thế hệ mới nhất trong một loạt các mơ hình dự báo đƣợc Anthes phát triển từ những năm 1970. Qua quá trình thử nghiệm, mơ hình đã đƣợc điều chỉnh và cải tiến nhiều lần nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý quy mơ vừa và có thể áp dụng đối với nhiều đối tƣợng sử dụng khác nhau. Phiên bản 3.5 (MM5V3.5) của mơ hình ra đời năm 2001 đã đƣợc điều chỉnh, cải tiến thêm so với các phiên bản trƣớc trong các mảng: Kỹ thuật lồng ghép nhiều mực; Động lực học bất thuỷ tĩnh; Đồng hoá số liệu 4 chiều; Bổ sung lựa chọn các sơ đồ tham số hố vật lý; Kỹ thuật tính tốn.
Mơ hình MM5 sử dụng hệ thống lƣới lồng (nesting grid) nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý có quy mơ nhỏ hơn bƣớc lƣới của miền tính ban đầu. Về lý thuyết, MM5 cho phép lồng ghép tối đa 9 khu vực. Tỷ lệ của độ phân giải (ĐPG) theo phƣơng ngang của miền tính trong so với miền tính ngồi ln là 3:1.
Số liệu ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian cho mơ hình MM5 đƣợc lấy từ các trƣờng phân tích và dự báo từ mơ hình tồn cầu GFS. GFS là mơ hình phổ tồn cầu của Trung tâm dự báo môi trƣờng Mỹ (NCEP-National Centers for Environmental Predictions).
2.1.2. Cấu trúc mơ hình
Các mơ đung chính của MM5 gồm:
- Mơđun TERRAIN
TERRAIN là mô đun đầu tiên của hệ thống mơ hình dự báo MM5, dùng để nội suy phƣơng ngang các dữ liệu về độ cao địa hình và thảm thực vật (land use), loại hình bề mặt đất, ranh giới đất – nƣớc,... cho các miền tính. Trƣờng số liệu đƣa vào ở đây bao gồm:
+ Thảm thực vật hay loại hình sử dụng; + Nhiệt độ đất các lớp sát mặt;
+ Độ nhám bề mặt đất.
- Mơđun REGRID
Các chƣơng trình trong mơđun REGRID dùng để đọc và phân tích số liệu khí tƣợng ở các mực khí áp theo phƣơng ngang đồng thời nội suy các giá trị phân tích đƣợc từ lƣới thơ ban đầu (lƣới của các mơ hình tồn cầu, khu vực mà số liệu đƣợc lấy làm đầu vào cho MM5) vào lƣới tính của mơ hình dựa vào các phép chiếu bản đồ đã đƣợc định nghĩa trong khi thực hiện tính tốn ở mơđun TERRAIN.
- Mơđun INTERPF
Chức năng chính của mơđun INTERPF là:
+ Nội suy số liệu khí tƣợng theo chiều thẳng đứng vào lƣới mơ hình; + Bổ sung các trƣờng bề mặt nhƣ khí áp, nhiệt độ khơng khí;
+ Xử lý mơ hình bất thuỷ tĩnh nguyên thuỷ. - Môđun MM5
MM5 là môđun đƣa ra kết quả dự báo số của mơ hình, tất cả các lựa chọn của mơ hình đƣợc MM5 mơ phỏng và dự báo.
Phổ ứng dụng của MM5 bao gồm nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng. MM5 cho phép mô phỏng và dự báo thời tiết nói chung, các q trình quy mơ từ lớn đến vừa nhƣ gió mùa, bão, áp thấp,… Ngồi ra, MM5 cũng cho phép mơ phỏng và dự báo các q trình quy mơ nhỏ hơn (từ 2 đến 200km).
2.1.3. Hệ các phương trình thủy nhiệt động lực của MM5
- Phƣơng trình xu thế khí áp;
- Phƣơng trình xu thế nhiệt độ;
- Các phƣơng trình chuyển động ngang và thẳng đứng;
2.1.4. Điều kiện biên
- Điều kiện biên xung quanh
xung quanh. Trong MM5, ở bốn biên xung quanh ta phải xác định các biến nhiệt độ (T), độ ẩm tƣơng đối (RH), áp suất hoặc độ cao địa thế vị (H), các thành phần gió ngang (U, V) và có thể cả các trƣờng vật lý vi mô nhƣ là mây nếu cần thiết. Các giá trị biên có thể lấy từ phân tích trong tƣơng lai, từ mơ phỏng của lƣới thơ hơn trƣớc đó (tƣơng tác một chiều) hoặc từ các mơ hình dự báo khác (trong dự báo thời gian thực). Đối với dự báo thời gian thực, giá trị biên thƣờng lấy mơ hình dự báo toàn cầu. Trong các trƣờng hợp nghiên cứu điều kiện biên có thể lấy từ số liệu phân tích đƣợc tăng cƣờng từ các thám sát bề mặt và cao không.
- Điều kiện biên bức xạ:
Điều kiện biên trên bức xạ đƣợc thiết lập trên cơ sở lí thuyết sau:
+ Áp dụng vào khí quyển thì các q trình khí quyển có thể mơ tả bằng các phƣơng trình tuyến tính hố;
+ Tính ổn định tĩnh và dịng trung bình đƣợc coi là hằng số; + Hiệu ứng Coriolis đƣợc bỏ qua;
+ Áp dụng đƣợc đối với gần đúng thuỷ tĩnh.
Việc thiết lập RUBC trong các mơ hình phổ là tƣơng đối đơn giản, nhƣng phức tạp hơn đối với những mô hình nút lƣới.
2.1.5. Các q trình tham số hóa
Tham số hóa các q trình khí quyển quy mơ dƣới lƣới trong MM5 gồm có:
- Tham số hóa đối lưu: Đƣợc chia làm 03 nhóm chính là thích ứng đối
lƣu, đối lƣu xuyên thủng và sơ đồ dựa trên mơ hình mây tích. Hiện nay có nhiều sơ đồ tham số hóa đối lƣu nhƣ sơ đồ của Manabe và các cộng sự, Betts và Miller, Arakawa và Shubert, Grell, Frank, và Cohen.
- Tham số hóa các q trình vi mơ trong mây: Vai trị chính của các sơ đồ vi vật lý mây trong mơ hình số trị là: Xử lý các q trình mây và mƣa quy mơ l- ƣới; Có thể tính tốn đến pha băng và tạo hạt đá; Tính tốn xu thế nhiệt, các biến ẩm, và mƣa không phải do đối lƣu; và cung cấp các thơng tin và tính chất của mây cho các sơ đồ bức xạ.
Tham số hóa các q trình vi mơ trong mây gồm có Sơ đồ Simple Ice, Sơ đồ Mixed-phase và sơ đồ Warm Rain... và một số sơ đồ khác ít phổ biến hơn.
- Tham số hóa bức xạ: Gồm có sơ đồ tham số hóa bức xạ sóng dài và tham số hóa bức xạ sóng ngắn, theo Rodgers (1967).
- Tham số hóa lớp biên hành tinh: Bao gồm phƣơng trình năng lƣợng bề mặt, Thơng lƣợng bức xạ thuần Rn, thông lƣợng hiển nhiệt Hs và thông lƣợng ẩm Es, sơ đồ tham số hóa khí động lực học (Bulk-aerodynamic), mơ hình phân giải cao của Blackadar, sơ đồ khuếch tán thẳng đứng, Sơ đồ khuếch tán ẩm thẳng đứng.
- Tham số hóa các q trình đất – bề mặt: Gồm các sơ đồ: + None: Không dự báo nhiệt độ lớp đất bề mặt;
+ Force - Restone (Blackada) scheme: Dùng cho lớp mỏng đơn thuần ngay trên bề mặt và nhiệt độ của lớp đó;
+ Five - Layer Soil Model: Dự báo nhiệt độ của 5 lớp: 1, 2, 4, 8, 16m; + OSU/Eta-Suface Model: Mơ hình lớp đất bề mặt có thể dự báo nhiệt độ và độ ẩm của 4 lớp: 10, 30, 60, 100 cm.
Hình 2.1 là miền tính sử dụng trong luận văn này là miền tính lồng ghép từ hai miền. Miền tính thứ nhất (miền lớn) giới hạn trong khoảng 5-30O
N, 90- 130OE với 65x95 điểm tính và độ phân giải ngang 45km. Về phƣơng đứng 23 mực sigma phân bố không đều từ mặt đất đến mực xấp xỉ 100mb. Miền tính thứ hai cho Việt Nam (miền nhỏ) đƣợc lồng vào miền tính thứ nhất có độ phân giải ngang 15km với 127x63 điểm tính. Miền tính này bao trùm lãnh thổ Việt Nam.