2 .Hệ thống mơ hình dự báo khí hậu CFS
2.3 Mơ hình khí hậu khu vực RegCM
Hiện nay, mơ hình khí hậu khu vực RegCM đãđƣợcứng dụngđể nghiên cứu khí hậu quá khứ, hiện tại và tƣơng lai tại nhiều nơi khác nhau trên thế giới, từ Châu Mỹ, Châu Âu đến Châu Á, Châu Phi [21] [34] [10] [37]. Phiên bản NCAR RegCM (NCAR Regional Climate Model)đầu tiên đƣợc xây dựng dựa trên MM4 (Mesoscale Model Version 4) của Trung tâm quốc gia nghiên cứu khí quyển (NCAR) và Trƣờng đại học Tổng hợp Pennsylvania (PSU), Hoa Kỳ, vào cuối những năm 1980[20] [17]. Phiên bản RegCM đầu tiên đã đƣa vào sơ đồ trao đổi sinh khí quyển (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme BATS) để biểu diễn các quá trình bề mặt và sơ đồ truyền bức xạ của NCARCCM phiên bản 1 (CCM1). Tiếp sau đó, kết quả của những cải tiến quan trọng về vật lý và các sơ đồ số hóa của RegCM đã dẫn đến sự hình thành phiên bản thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2[23] [24]. Một phiên bản cũng đã đƣợc sử dụng rộng rãi, khá phổ biến và đƣợc sử dụng trong nhiều nghiên cứu khí hậu khu vực là RegCM phiên bản 3 (RegCM3) với những cải tiến và bổ sung đáng kể so với các phiên bản trƣớc[34]. Đó là những thay đổi trong vật lý mơ hình bao gồm sơ đồ giáng thủy qui mô lƣới, các sơ đồ tham số hóa vật lý nhƣsơ đồ tính các dịng từ bề mặt biển của Zeng, sơ đồ đối lƣu mây tích Betts... Phiên bản 4.2 (RegCM4.2) mới đƣợc sử dụng từ tháng 5 năm 2011, so với RegCM3, phiên bản 4.2 đã đƣợc phát triển để thân thiện hơn với ngƣời dùng. Tất cả các tham số cấu hình, tùy chọn đƣợc đƣa về một file namelist, các dữ liệu đầu vào và đầu ra đều sử dụng định dạng netcdf, cùng với đó là sự hỗ trợ nhiều thƣ viện giúp ngƣời dùng dễ dàng thao tác. Hiện nay RegCM4.2 cũng đang đƣợc ngƣời dùng sử dụng rộng rãi.
Mơ hình RegCM4 sử dụng hệ tọa độ thẳng đứng thủy tĩnh theo địa hình, ký hiệu là , đƣợc định nghĩa bởi (ppt) /(ps pt) trong đó p là áp suất, pt là áp
suất tại đỉnh mơ hình, và ps là áp suất tại bề mặt. bằng 0 tại đỉnh và bằng 1 tại bề mặt. Thông thƣờng, độ phân giải thẳng đứng trong lớp biên mịn hơn các lớp trên cao và số mực thay đổi tuỳ theo yêu cầu ngƣời sử dụng. Lƣới ngang có dạng xen kẽ ArakawaB (Hình 2). Các biến vơ hƣớng (T, q, p,…) đƣợc xác định tại tâm các ô lƣới trong khi các thành phần vận tốc gió hƣớng đơng (u) và hƣớng bắc (v) đƣợc xác định tại các nút lƣới. Vị trí tâm ơ lƣới ký hiệu bằng dấu nhân, còn các nút lƣới đƣợc ký hiệu bằng dấu chấm tròn. Theo phƣơng thẳng đứng các biến vơ hƣớng và thành phần gió ngang (u, v) đƣợc xác định tại mực giữa mỗi lớp, gọi là các mực phân, còn thành phần vận tốc thẳng đứng đƣợc xác định trên các mực nguyên (Hình 2).
Hình 2.1 Cấu trúc lƣới thẳng đứng (bên trái) và lƣới ngang dạng xen kẽ ArakawaB (bên phải) của mơ hình
Hệ phƣơng trình cơ bản của RegCM4.2 bao gồm các phƣơng trình động lƣợng ngang, phƣơng trình liên tục, phƣơng trình nhiệt động học, phƣơng trình thủy tĩnh và phƣơng trình ẩm [29]. Vềđiều kiện ban đầu và điều kiện biên, mơ hình khí hậu khu vực RegCM đƣợc xây dựng dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa các q trình qui mơ lớn (thƣờng là các trƣờng khí tƣợng tồn cầu và đƣợc gọi là các trƣờng điều khiển), đƣợc cập nhật thƣờng xuyên theo thời gian trên vùng biên, với các quá trình qui mơ khu vực (đƣợc xác định bởi động lực học và vật lý của chính mơ hình khu vực) tại vùng biên xung quanh gọi là vùng đệm. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mơ hình đƣợc cung cấp bởi trƣờng điều khiển là số liệu tái phân tích hay trƣờng dự báo của GCM tuỳ theo mục đích mơ phỏng hay dự báo. Mơ hình sẽ cập
nhật thông tin từ trƣờng điều khiển sau từng bƣớc thời gian tích phân. Giá trị biên tại mỗi bƣớc thời gian tích phân là giá trị nội suy từ các trƣờng điều khiển đƣợc cập nhật từng 3h, 6h hoặc 12h một. Mơ hình RegCM cho phép chọn một trong các phƣơng pháp cập nhật biên là: (1) biên cố định, (2) biên biến đổi theo thời gian, (3) biên giả và (4) biên lỏng dần (hay biên giảm dƣ). Trên các vùng đại dƣơng, nhiệt độ mặt nƣớc biển (SST) đƣợc cung cấp nhƣ là điều kiện biên dƣới. Trên bề mặt đất, sơ đồ BATS khi chạy kết hợp (couple) sẽ cung cấp các dịng trao đổi đất khí quyển. Ngồi ra để chạy RegCM4.2 cần phải có độ cao địa hình, lớp phủ thực vật, đất và các tính chất vật lý của đất,...
Về tham số hóa đối lƣu, trong mơ hình RegCM4.2 có thể sử dụng một trong bảy tùy chọn sau đây thay vì với chỉ 3 tùy chọn ở phiên bản RegCM3 để tính giáng thuỷ đối lƣu: (1) Sơ đồ Kuo sửa đổi; (2) Sơ đồ Grell; Trong đó, sơ đồ Grell có thể áp dụng với một trong hai giả thiết khép kín: (1) khép kín Arakawa và Schubert và (2) khép kín Fritsch và Chappell. (3) Sơ đồ Betts-Miller; (4) Sơ đồ Emanuel (5) Sơ đồ Tiedtke. Ngoài ra phiên 4.2 đã cải tiến so với phiên bản 3 khi đƣa thêm 2 lựa chọn kết hợp (6) sử dụng sơ đồ Grell trên đất liền và sơ đồ Emanuel trên biển và (7) Sử dụng sơ đồ Emanuel trên đất liền và sơ đồ Grell trên biển.
Tất cả nguồn số liệu đầu vào cần để cung cấp cho mơ hình RegCM4 (bao gồm số liệu về độ cao địahình, các loại bề mặt, nhiệt độ mặt nƣớc biển và số liệu tái phân tích làm điều kiệnban đầu và điều kiện biên cập nhật theo thời gian) có thể đƣợc tải về từ trang web http://www.ictp.trieste.it/pubregcm/RegCM4.2. 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 xạphân 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 vậtđƣợc định nghĩa trong sơ đồ tƣơng tác sinh quyển-khí quyển BATS. Mặt đệmcủa 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 địahình đều có sẵn tại các độ phân giải 30 và 10 phút.Ởđây sử dụng tập số liệuđộ phân giải 10 phút.
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm
Với mục đích thử nghiệm ứng dụng mơ hình RegCM với số liệu CFS dự báo hạn mùa một số chỉ số khí hậu cực đoan cho Việt Nam, chúng tơi đã thiết lập cấu hình cho mơ hìnhRegCM nhƣ sau:
1) Phiên bản sử dụng: RegCM4.2
2) Miền tính: gồm 144x130 điểm lƣới, tâm miền đặt tại (20N; 105E), bao phủ toàn bộ Việt Nam và phần lớn lãnh thổ các nƣớc Đông Nam Á
3) Độ phân giải ngang 36 x 36 km với 18 mực theo chiểu thẳng đứng
4) Tham số hóa vật lý:Sơ đồ đất BATS, sơ đồ đối lƣu Grell – AS. Ngoài ra, các sơ đồ bức xạ, lớp biên hành tinh, mƣa qui mô lƣới,… đƣợc lấy ngầm định.
5) Điều kiện ban đầu và điều kiện biên: Số liệu CFS cập nhật 6h/lần
6) Hạn dự báo: 6 tháng, không kể tháng đứng làm dự báo (Lead time chạy từ 0 đến 6 tháng)
7) Số lần chạy dự báo trong một tháng: Về nguyên tắc có thể chạy mơ hình mỗi ngày một lần. Tuy nhiên do dung lƣợng số liệu điều kiện biên quá lớn (khoảng 40GB/dự báo), hơn nữa tốc độ đƣờng truyền Internet không đảm bảo nên ở đây chỉ thực hiện chạy mơ hình 7 ngày/lần. Nhƣ vậy, trung bình mỗi tháng có 4 lần chạy dự báo. Mặc dù vậy, tùy thuộc vào đƣờng truyền số liệu, số lần dự báo có thể ít hơn do khơng tải đƣợc số liệu về hoặc số liệu tải về bị lỗi hoặc không đủ.
Trong luận văn này đã sử dụng tất cả 37 lần chạy dự báo, bắt đầu từ 09/01/2012 đến 29/10/2012.
Một điểm đáng chú ý ở đây là phiên bản RegCM4.2 sử dụng nhiệt độ mực nƣớc biển (SST) trung bình tháng, trong khi đó CFS có cung cấp SST 6 giờ một.Do
đó, chúng tơi đã cải tiến và thay đổi RegCM4.2 cập nhập số liệu SST 6 giờ một từ CFS.
Trên hình 3 minh họa qui trình chạy dự báo của mơ hình. Trục nằm ngang là các tháng đứng làm dự báo. Có thể thấy số lần dự báo trong từng tháng có thể khác nhau. Mỗi lần dự báo đƣợc thể hiện bởi một đƣờng nằm nghiêng, trong đó các L=0, L=1,… biểu thị hạn dự báo. Từ các vạch kẻ trên đƣờng nằm nghiêng nếu chiếu xuống đƣờng nằm ngang ta sẽ nhận đƣợc thông tin dự báo cho tháng nào với hạn dự báo bằng bao nhiêu tháng.
Hình 2.2 Quy trình dự báo mùa