Các dòng trao đổi giữa bề m ặt đại dương và khí quyển được tham số hóa theo một trong hai sơ đồ tùy chọn là BATS và Zeng.
BATS là mô hình bề m ặt đất đã được cộng đồng các nhà nghiên cứu sử dụng trong nhiều năm. N ó bao gồm m ột lớp thực vật, ba lớp đất để tính hàm lượng nước trong đất, và sử dụng phương pháp tác đ ộ n g -p h ụ c hồi để tính nhiệt độ lớp đất m ặt và lớp đất dưới bể mặt. Tại m ỗi ô lưới của mô hình được gán m ột loại thực vật m à nó được xác định bởi m ột số tham số như độ gồ ghề, cực đại và cực tiểu của chỉ số diện tích lá, chỉ sô' diện tích thân, albedo thực vật, và kháng trở khí khổng cực tiểu. N hững giá trị tham số này được cho bởi D ickinson et al.( 1993) đối với 18 loại bề m ặt đất.
Hiện nay đối với thực vật, nhiệt độ tán lá và nhiệt độ không khí trong tán lá được tính chẩn đoán từ cân bằng nãng lượng tán lá. Các dòng hiển nhiệt, hơi nước và động lượng tại bề m ặt được tính khi sử dụng hệ số cản bề m ặt chuẩn được thành lập dựa trên lý thuyết tương tự của lớp bề mặt. Bốc thoát hơi bề m ặt có tính đến sự bổc hơi từ đất, phần bị ướt của tán lá và sự thoát hơi từ phần khô (không bị ướt) của tán. Cường độ bốc hơi và thoát hơi m ặt đất phụ thuộc vào hàm lượng ẩm trong đất, hàm lượng ẩm này là một biến dự báo.
V iệc tính toán thủy văn bao gồm các phương trình dự báo hàm lượng nước lớp đất bề m ặt, lớp đất rễ, và lớp đất dưới sâu được đặc trưng bởi các độ sâu tương ứng 10cm, l - 2 m và 3m. Những phương trình này có tính đến giáng thủy, tan tuyết, nước nhỏ xuống từ tán lá, sự bốc thoát hơi, dòng chảy mặt, nước thấm lọc phía dưới lớp đất sâu (ở đây gọi là dòng nền), và sự di chuyển của nước trong đất dưới tác dụng của trọng trường và mao dẫn. Cường độ dòng chảy mặt tỷ lệ với cường độ giáng thủy + cường độ tan tuyết và mức độ bão hòa của nước trong đất. Độ dày tuyết được dự báo từ lượng tuyết rơi, tuyết tan và thăng hoa.
Sơ đồ Zeng tính các thông lượng hiển nhiệt (SH), ẩn nhiệt (L H), động lượng (r) giữa mặt biển và khí quyển mực thấp theo các công thức sau đây:
trong đó ux và vx là các thành phần gió trung bình, II, là tốc độ gió ma sát, ỡ, là tham sô' qui mô nhiệt độ, q, là tham số qui mô độ ẩm riêng, p a là m ật độ không khí, C pa là nhiệt dung riêng của không khí, L e là ẩn nhiệt hóa hơi. Chi tiết hơn về cách tính các tham số này có thể tham khảo (Zeng et al. 1998).
2.5.7 Sơ dồ G radient áp suất
Có hai tùy chọn để tính lực gradient khí áp. Cách thông thường là sử dụng các trường đầy đủ. Cách khác là sơ đồ suy diễn thủy tĩnh sử dụng nhiệt độ nhiều động. Trong sơ đồ này, có thêm sự làm trơn ở đỉnh nhằm giảm sai sô' liên quan tới tính toán PGF.
2.5.8 M ỏ hình hồ
M ô hình hồ phát triển bởi (H ostetler et al. 1993) có thể chạy lồng ghép tương tác với mô hình khí quyển. Trong mô hình hồ, cấc thông lượng nhiệt, ẩm và động lượng dựa trên đầu vào là sô' liệu khí tượng, nhiệt độ m ặt hồ và albdo. Nhiệt được truyền theo phương thẳng đứng giữa các lớp mô hình hồ do xáo trộn rối và đối lưu. Băng và tuyết có thể bao phủ m ột phần hay toàn bộ m ặt hồ.
Trong m ô hình hồ, phương trình dự báo đối với nhiệt độ là
trong đó T là nhiệt độ của lớp hồ, ke và km tương ứng là hệ số khuếch tán rối và phần tử. Phương pháp tham số hóa của (H enderson-Sellers 1986) được sử dụng để tính k ' và km
được đặt bằng m ột hằng số 39 X 1CT7 m 2 s“' ngoại trừ dưới băng và tại các điểm sáu nhất của hồ.
(2.35)(2.33) (2.33) (2.34)
Thông lượng ẩn và hiển nhiệt từ hồ được tính toán khi sử dụng phương pháp tham sô' hóa theo BATS (D ickinson et al. 1993). Các công thức khí động học tổ hợp được sử dụng đổ tính thông luợng ẩn nhiệt (Fq) và thông lượng hiển nhiệt (Fs) như sau:
Fq = PaC DVa(qs - q a) (2.37)
Fs = P aC pC DVaỢ s - T a) (2.38)
trong đó các chỉ số dưới í và a lần lượt chỉ mặt đất và không khí; p a là m ật độ không khí, Va là tốc độ gió, q là độ ẩm riêng, T là nhiệt độ. Hệ số cản động lượng C[) phụ thuộc vào độ gồ ghề và số R ichardson tổ hợp bề mật. Với điều kiện không có băng, albedo được tính như là hàm của góc thiên đỉnh mặt trời (H enderson-Sellers 1986). Bức xạ sóng dài phát ra từ hồ được tính từ định luật Stefan-Boltzmann. Mô hình hồ sử dụng sơ đồ phủ băng m ột phần của (Patterson & Ham blin 1988) để biểu diễn sự trao đổi khác nhau của nhiột và ẩm giữa các bề m ặt bãng và nước với khí quyển, và để tính nãng lượng bề m ặt của bãng hồ và tuyết phủ. Chi tiết hơn có thể xem (H ostetler et al.
1993) và (Small & Sloan 1999).
2.5.9 M ó hình truy nguyên (tracer inodcl)
M ô hình truy nguyên (chúng tôi tạm sử dụng thuật ngữ này khi dịch từ tiếng Anh cụm từ “T racer m odel”) là Iĩiột khái niệm mới được áp dụng trong các mô hình khí hậu. Bản chất của nó là giải các phương trình dự báo, chẩn đoán các đại lượng không phải là các biến khí tượng truyền thống, mà là các chất tồn tại trong khí quyển có khả năng bị vận chuyển và có tác động tới các quá trình vật lý xảy ra trong khí quyén. Đối với khí hậu, các chất truy nguyên như xon khí và các chất khí là những chất được quan tâm nhiều nhất. Với các đại lượng này, mô hình giải m ột phương trình dự báo có dạng (Qian et al. 2001):
Ẽ Ả = - V . V ỵ + Fh+ F v + Tcum + S z - RwIs - Rwcum - Ddep + Ỵ JQ p - Q , (2.39)
dt
trong đó, số hạng đầu tiên của vế phải biểu diễn bình lun ngang và đứng, được giải khi sử dụng sơ đồ ngược dòng giảm nhẹ; F H và Fy là khuếch tán rối ngang và đứng được xử lý tương tự như đối với hơi nước; T CUM là vận quyển qui mô dưới lưới liên quan đến đối lưu (khi sử dụng xấp xỉ xáo trộn tốt - w ell-m ixing approxim ation (Qian et al. 1999) hoặc vận chuyển thông lượng khối); s là số hạng nguồn bắt buộc phải cho trước từ sớ liệu ngoài; Is và Rwrum là lắng đọng ướt (wet rem oval) do mây qui mô lớn và mây đối lưu (G iorgi 1989); DJt.p là lắng đọng khô trên bề mặt (phụ thuộc vào bản chất của chất truy nguyên, nồng độ của nó ở mực thấp và loại bề mặt); Qn và Qt tương ứng biểu diễn các số hạng sinh ra và m ất đi liên quan đến các quá trình chuyển đổi lý hóa (phụ thuộc vào bản chất của các chất truy nguyên, ví dụ, tính chất hóa học của các xon khí sulfate (Q ian et al. 2001)).
Nồng độ dự báo cùng với các đặc tính quang học riêng của các xon khí sau đó được sử dụng để tính toán các đặc tính quan học của cột khí quyển cung cấp cho sơ đồ bức xạ và tính toán những tác dộng khí hậu tiếp theo (Giorgi et al. 2002).
2.6 ĐIỂU KIỆN BIÊN TRONG REGCM
M ô hình khí hậu khu vực RegCM được xây dựng dựa trên nguyên tấc càn bằng giữa các quá trình qui mô lớn (thường là các trường khí tượng toàn cầu và được gọi là các trường điều khiển), được cập nhạt thường xuyên theo thời gian trên vùng biên theo thời gian, với các quá trình qui mô khu vực (được xác định bởi động lực học và vật lý của chính mô hình khu vực) tại vùng biên xung quanh gọi là vùng đệm. Thời gian để thiết lập được sự cân bằng này phụ thuộc vào kích thước miền tính, độ phân giải, bước thời gian tích phan. M ột sô' nghiên cứu đã chỉ ra rằng khoảng thời gian này có thê từ 3 đến 5 ngày hoặc dài hơn [Giorgi 1989], Để tránh sự đột biến của mô hình gây nên bởi sự biến đổi khác nhau giữa trường điều khiển qui mô lớn và trường qui mô khu vực trên biên xung quanh, người ta đã sử dụng điều kiện biên lỏng dần trên vùng đệm [Davies và T urner 1977].
Phương pháp biên lỏng dần dựa trên nguyên tắc làm cho các biến mô hình dần phù hợp với trường điều khiển, hay trường qui mô lớn, khi đi qua vùng đệm từ trong m iền tính ra ngoài biên. Nó đảm bảo việc chuyển đổi cơ chế giữa trường qui mô lớn và mô hình, đồng thời hạn ch ế việc phát sinh nhiễu tại vùng đệm.
Độ rộng của vùng đệm cũng là một nhân tố quan trọng đối với điều kiện biên của mô hình. Độ rộng của vùng đệm có thể biến đổi theo kích thước m iền tính. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cần tăng độ rộng vùng đệm khi miền tính tãng để đảm bảo độ ổn định của m ô hình.
CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ NHẬN XÉT
3.1 SỐ LIỆU BAN ĐẦU VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Nguồn số liệu được sử dụng để tính toán trong phạm vi đề tài bao gồm các tập sô liệu độ cao địa hình (terrain high) và đất sử dụng (landuse), sô' liệu các trường khí tượng dùng làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian. Mô tà chi tiết về các tập số liệu này có thể xem, chẳng hạn, trong [17]. Để nghiên cứu ảnh hưởng của tính bất đồng nhất bề mặt, đã sử dụng số liệu địa hình và đất sử dụng của USGS với độ phân giải 10 phút (~20km ). Số liệu khí tượng làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên là tập số liệu tái phân tích toàn cầu E R A -4 0 của Trung tâm dự báo thời tiết hạn vừa châu Âu (EC M W F) với độ phân giải 2.5" X 2.5" và bước thời gian 6h. Ngoài ra, để đánh giá mức độ chính xác cùa những kết quả mô phỏng các trường khí hậu bề mặt theo mô hình, chúng tôi đã sử dụng thêm các tập số liệu phân tích (analysis) các biến nhiột độ không khí 2m và giáng thủy của CRƯ (Climate Research Unit, đại học East Anglia, Anh), độ phân giải 0.5" X 0.5°. Thời gian được chọn mô phỏng là các tháng 6,7,8/1997.
Trong phạm vi của đề tài, những thí nghiệm mô phỏng được thiết kế dựa trên các tùy chọn sau:
1) M iền tính: Việc ỉựa chọn m iền tính thích hợp là m ột vấn đề không đơn giản [1], nhất là đối với vùng Đông Nam Á và Việt Nam - Đông Dương, VI đây là nơi “giao tranh” của nhiều hệ thống gió mùa khác nhau, hơn nữa phía bắc lại có hệ thống núi H ym alaya đồ sộ. V iệc m ở rộng vùng biên lên phía bắc sao cho m iền tính bao phủ được hệ thống núi này sẽ làm cho khối lượng tính toán tăng lên mà chưa có gì đảm bảo sẽ nhận được kết quả tốt hơn. Ngược lại, khi thu hẹp đường biên xuống phía nam để tránh hệ thống núi này sẽ dẫn đến vùng đệm quá bé hoặc sẽ đè lên khu vực cần quan tâm, ảnh hưởng tới kết quả tính toán. Do đó, ở đây chúng tôi cô' gắng chọn m iền tính sao cho khu vực V iệt Nam - Đông Dương nằm ở trung tâm và vùng đệm không quá nhỏ. Hơn nữa, do thời gian m ô phỏng là những tháng chính hè (6,7,8) nên biên bên trái của m iền hơi lệch về phía tây. Cụ thể m iền tính được chọn là: Từ 2°N đến 35”N và từ 85°E đến 125 E.
2) Độ phân giải: Theo phương thẳng đứng, mô hình gồm 18 mực với áp suất khí
q u y ể n mực trên cùng là 50 mb. Độ phân giải ngang của mô hình (khí quyển) là 60 X 60
km. Đ ể khảo sát ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt, độ phân giải ngang cùa mô hình bề mặt đất dược chọn theo ba phương án: (1) có cùng độ phân giải với mô hình khí quyển (tức 60 X 60 km ); (2) mỗi ô lưới của mô hình được chia làm N =2x2= 4 ô lưới
con, tức là m ô hình bề m ặt có độ phân giải ngang là 30 X 30 km ; và (3) mỗi ô lưới của
ngang là 20 X 20 km. Trong bảng 3.1 dẫn ra các phương án mô phỏng này, trong đó T H l x l , T H 2x2, TH 3x3 tương ứng ký hiệu cho các phương án đã nêu.
___________ Bảng 3.1 Độ phân giải ngang ứng với các phương án mô phỏng
Phương án mô phỏng T H lx l TH2x2 TH3x3
Mô hình khí quyển (AM) 60 km 60 km 60 km
Mô hình bề mặt (ESEM) 60 km 30 km 20 km
Trong các phương án đã nêu, T H lx l được sử dụng như là phương án chuẩn (hay còn gọi là phương án chạy kiểm tra - Control run), dùng để so sánh với các phương án khác.
3) Các tùy chọn tham số hóa vật lý của mô hình: Như đã biết, các sơ đồ tham số hóa các quá trình vật lý có ý nghĩa rất quan trọng đến kết quả mô phỏng. Viộc khảo sát độ nhạy và vai trò của các sơ đồ này là hết sức cần thiết trong quá trình nghiên cứu, đánh giá khả năng ứng dụng của mô hình. Như đã đề cập trong chương 2, mô hình khí hậu khu vực RegCM 3 đã đưa vào một loạt các sơ đồ tham số hóa. Tuy nhiên, trong khuôn khổ của đề tài, từ những kết quả nghiên cứu trước đây của chúng tôi cũng như của m ột số tác giả khác, trong các thí nghiệm mô phỏng chúng tôi đã sử dụng sơ đồ tham số hóa bức xạ NCAR/CCM , sơ đồ lớp biên cùa Hotlslag và sơ đồ trao đổi bé mặt đất BATS. Riêng sơ đồ tính các dòng trao đổi giữa bề mặt đại dương - khí quyển, thay cho BATS chúng tôi sử dụng sơ đồ của Zeng. Hai sơ đồ tham sô' hóa chưa được sử dụng trong nghiên cứu này là mô hình hồ và mô hình truy nguyên. Đối với sơ đồ tham số hóa đối lưu, với nhận định rằng có thể đây là một trong những quá trình vật lý quan trọng có tác động lớn đến kết quả mô phỏng các trường khí hậu bề mặt, nên chúng tôi đã lựa chọn 3 trường hợp thử nghiệm là sơ đồ Kuo, sơ đồ Grell với giả thiết khép kín AS74 (ký hiệu là G rell-A S 74, hay đơn giản hơn là AS74), và sơ đồ Grell với giả thiết khép kín FC80 (ký hiệu là G relI-FC 80, hay đơn giản là FC80).
Kết hợp tất cả các phương án đã nêu trên, có thể đưa ra những trường hợp thí nghiệm sau (bảng 3.2).
Bảng 3.2 Danh Iĩiục các thí nghiệm và cấu hình tương ứng Ký hiệu
thí nghiệm
Độ phân giải
Sơ dồ đối lưu
AM ESEM Kuo AS74 FC80
T H lx l K 60 km 60 km X TH2x2 K 60 km 30 km X TH3x3 K 60 km 20 km X T H lx l AS74 60 km 60 km X TH2x2 AS74 60 km 30 km X TH3x3 AS74 60 km 20 km X T H lx l FC80 60 km 60 km X TH2x2 FC80 60 km 30 km X TH3x3 FC80 60 km 20 km X
3.2 ĐƯẠ HIỆU ỨNG BẤT ĐỒNG NHẤT BỂ MẶT VÀ ĐỘ CAO ĐỊA HÌNH VÀO MÔ HÌNH REGCM3
M ô hình khí hậu khu vực được sử dụng trong đề tài này là phiên bản RegCM3 mà động lực học và vật lý chính của nó đã được trình bày trên đây. Các quá trình trao đổi giữa bề m ặt đất và khí quyển được tham sô hóa bằng sơ đồ BATS. Đê biểu diễn tính bất đồng nhất địa hình và loại bề mặt trong mô hình, chúng tôi đã sử dụng phương pháp khảm , trong đó mỗi ô lưới của m ô hình được chia thành N ô lưới con đều nhau. Để thuận tiện trong trình bày, ta sẽ gọi các ô lưới của mô hình là “lưới thô” .
M ỗi m ột ô lưới nói chung, kể cả ô lưới thô và ô lưới con, đều có độ cao địa hình, lớp thực vật và loại đất riêng xác định của nó. Tính bất đồng nhất qui mô dưới lưới của địa hình và loại bề m ặt được tính đến khi các quá trình tính toán các dòng bề mặt đất được thực hiện đầy đủ cho từng ô lưới con và có sự tương tác hai chiều xảy ra giữa mô hình khí quyển và mô hình bề mặt.
BATS nhận đầu vào từ mô hình khí quyển các dòng bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài đi xuống, giáng thủy, nhiệt độ không khí, hơi nước, tốc độ gió, áp suất và mật độ gần bề m ặt. Từ những đầu vào này, sau khi tính toán BATS sẽ trả lại cho mô hình khí quyển albedo, thông lượng bức xạ sóng dài đi lên, thông lượng động lượng (ứng