2.1. Mơ hình WRF trong nghiên cứu và dự báo thời tiết
2.1.3. Tham số hóa vật lý
Các sơ đồ tham số hóa vật lý trong mơ hình WRF rất phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các đối t-ợng sử dụng khác nhau. Các quá trình vật lý đ-ợc tham số hóa trong mơ hình WRF bao gồm: các quá trình vật lý vi mơ, tham số hóa đối l-u mây tích, lớp biên hành tinh, mơ hình bề mặt, các q trình đất-bề mặt (mơ hình đất), bức xạ, khuếch tán.
Vật lý vi mô (Microphysics)
Vi vật lý bao gồm các quá trình xử lý hơi n-ớc, mây và quá trình giáng thủy. Các sơ đồ vi vật lý dùng để tính tốn xu thế của nhiệt độ, độ ẩm khí quyển và m-a bề mặt. WRF cho phép lựa chọn các sơ đồ tham số hóa vi vật lý sau: Sơ đồ Kessler, sơ đồ Purdue Lin, sơ đồ WSM3, sơ đồ WSM5, sơ đồ WSM6, sơ đồ Eta Ferrier và sơ đồ Thompson. Mỗi sơ đồ có độ phức tạp và các biến ẩm riêng khác nhau.
Lựa chọn mặc định của mơ hình WRF trong mảng vật lý vi mô là sơ đồ mây, giáng thủy theo l-ới Eta (EtaGCP). Sơ đồ này dự báo những thay đổi của hơi n-ớc ng-ng tụ trong các dạng mây chứa n-ớc, mây gây m-a, mây chứa băng, giáng thủy băng (tuyết, băng tròn, m-a đá).
Đối l-u mây tích (Cumulus)
Trong mơ hình số trị nói chung, tham số hóa đối l-u mây tích có tầm quan trọng đặc biệt đối với mơ phỏng có độ phân giải trên 10km, mơ hình khơng mơ phỏng đ-ợc các ổ đối l-u riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm. Mây đối l-u Cb, Cu sâu có xu h-ớng làm nóng và khơ khơng khí mơi tr-ờng do chúng làm tiêu hao ẩm môi tr-ờng cịn mây tầng Ci, Cs nơng lại có xu h-ớng làm cho môi tr-ờng lạnh và ẩm nhờ sự bốc hơi của hơi n-ớc và n-ớc cuốn ra từ mây (do khơng khí mơi tr-ờng khơ hơn). Chính vì vậy, việc xem xét phổ mây tích với các kích cỡ khác nhau là rất quan trọng trong nghiên cứu mối t-ơng tác giữa mây tích và mơi tr-ờng quy mơ lớn. Mây tích có quy mơ nhỏ hơn nhiều so với độ phân giải thông th-ờng của l-ới mơ hình, nên ảnh
h-ởng của nó đối với hồn l-u quy mơ lớn khơng thể tính trực tiếp mà chỉ có thể tính gián tiếp từ cân bằng nhiệt và ẩm của hệ thống hồn l-u quy mơ lớn.
Nh- vậy, mục đích chính của vấn đề tham số hóa đối l-u là: - Dự báo l-ợng m-a sinh ra do đối l-u.
- Tính tốn tác động của đối l-u đến các quá trình nhiệt động lực học mơ hình nh- tính ổn định thẳng đứng, phân bố lại tr-ờng nhiệt, ẩm hình thành mây, các ảnh h-ởng đến đốt nóng bề mặt, bức xạ khí quyển,….
Có nhiều ph-ơng pháp khác nhau đã đ-ợc sử dụng để liên kết mây với các tr-ờng giải đ-ợc nh- nhiệt độ, độ ẩm và gió, nh-ng vẫn ch-a một ph-ơng pháp nào là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đ-a ra đều có những -u, nh-ợc điểm riêng.
Tham số hóa đối l-u mây tích về mặt lý thuyết chỉ đúng cho những l-ới thơ, đối với l-ới tinh thì bỏ qua sự đối l-u. Trong WRF có những tùy chọn tham số hóa đối l-u khác nhau: Sơ đồ Kain-Fritsh, sơ đồ Betts-Miller-Janjic, sơ đồ tổ hợp Grell-Devenji.
Lớp bề mặt và các mơ hình bề mặt đất (Surface Layer, Land-Surface Model)
Những sơ đồ lớp bề mặt tính tốn hệ số vận tốc và trao đổi ma sát, cho phép tính dịng nhiệt và ẩm bề mặt bởi mơ hình đất-bề mặt và sơ đồ lớp biên hành tinh. Các sơ đồ lớp bề mặt trong mơ hình WRF gồm: Sơ đồ lớp bề mặt MM5, sơ đồ lớp bề mặt Eta.
Những mơ hình bề mặt đất (LSMs) dùng thơng tin khí quyển từ lớp bề mặt, bức xạ từ sơ đồ bức xạ, giáng thủy từ vật lý vi mô và sơ đồ đối l-u, cùng với thông tin quan trọng trên những biến trạng thái của đất và thuộc tính của bề mặt đất để cung cấp những thông tin về thông l-ợng nhiệt và ẩm qua những điểm mặt đất và những điểm trên mặt biển, băng. Các thông l-ợng này cung cấp điều kiện biên ban đầu cho dịng thăng trong mơ hình PBL.
Mơ hình mặt đất khơng cung cấp những xu h-ớng, nh-ng cập nhật những biến trạng thái của đất gồm: nhiệt độ bề mặt, profile nhiệt độ đất, profile độ ẩm đất, tuyết.
Khơng có trao đổi ngang giữa những điểm lân cận trong LSMs, vì vậy nó có thể coi nh- mơ hình cột một chiều cho mỗi điểm l-ới trong mơ hình WRF. Hiện nay, có nhiều mơ hình bề mặt có thể chạy độc lập. Mơ hình khuếch tán nhiệt 5 lớp, mơ hình Noah 4 lớp, mơ hình chu trình cập nhật nhanh RUC
Lớp biên hành tinh (Planetary Boundary Layer, PBL)
Lớp biên hành tinh (PBL) có nhiệm vụ tính tốn thơng l-ợng xốy quy mơ d-ới l-ới. Vì vậy khi PBL đ-ợc kích hoạt thì khuếch tán theo chiều thẳng đứng cũng đ-ợc kích hoạt. Hầu hết, khuếch tán ngang là không đổi (Kk=const). Thông l-ợng bề mặt đ-ợc cung cấp bởi bề mặt và sơ đồ bề mặt đất. Sơ đồ PBL xác định các profile thông l-ợng giữa lớp biên và trạng thái của lớp biên. Vì vậy, sẽ cung cấp những khuynh h-ớng của nhiệt độ, độ ẩm (bao gồm cả mây), động l-ợng ngang trong tồn cột khí quyển. Hầu hết, các sơ đồ PBL xét sự xáo trộn khô, nh-ng cũng bao gồm hiệu ứng bão hòa trong sự ổn định thẳng.
Bức xạ khí quyển
Các sơ đồ bức xạ khí quyển cho ta thấy sự đốt nóng bề mặt khí quyển bởi thơng l-ợng bức xạ sóng ngắn của mặt trời và sóng dài của bề mặt đất. Bức xạ sóng dài bao gồm tia hồng ngoại (IR) hoặc bức xạ nhiệt hấp thụ đ-ợc phát ra từ khối khơng khí và bề mặt. Dịng bức xạ sóng dài từ bề mặt phụ thuộc vào loại bề mặt đất, nhiệt độ bề mặt đất. Bức xạ sóng ngắn có chứa cả bức xạ sóng dài, và phụ cận sóng dài trong phổ mặt trời. Vì chỉ có nguồn là mặt trời, nên bức xạ sóng dài gồm các q trình hấp thụ, phản xạ, phát xạ trong khí quyển và tại bề mặt. Phản xạ phụ thuộc vào Albedo của mặt đệm. Bức xạ còn phụ thuộc vào phân bố của mây, hơi n-ớc và các khí CO2, O3,…. Các tùy chọn bức xạ trong mơ hình WRF gồm: Sơ đồ sóng dài RRTM, sơ đồ sóng ngắn và sóng dài Eta GFDL, sơ đồ sóng ngắn MM5 (Dudhia), sơ đồ sóng ngắn Goddard.
Trong khi mơ hình tham số hóa vật lý phân loại theo các module và sự t-ơng tác giữa chúng thông qua những biến trạng thái mơ hình (ẩn nhiệt, ẩm, gió, …), xu h-ớng của chúng và thơng l-ợng bề mặt.
Q trình tham số hóa mây tích tác động vào vi vật lý thơng qua dịng đi ra. Vi vật lý cùng với mây tích tác động đến bức xạ thông qua sự ảnh h-ởng của mây tới bức xạ. Bức xạ và bề mặt t-ơng tác với nhau thơng qua phát xạ sóng ngắn, dài và albedo bề mặt. Bề mặt t-ơng tác với lớp biên hành tinh thông qua thông l-ợng nhiệt ẩm bề mặt và gió. Lớp biên hành tinh và mây tích t-ơng tác với nhau thơng qua dịng giáng và mây tầng thấp.