CAM 3.0 (Cummunity Atmosphere Model) là mô hình khí quyển cộng đồng và là một trong bốn mô hình thành phần thuộc hệ thống mô hình CCSM. Cũng nhƣ các phiên bản trƣớc, CAM 3.0 đƣợc thiết kế là một mô hình thuộc hệ thống mô hình hoàn lƣu chung GCM của NCAR phù hợp cho các nghiên cứu khí hậu (Collins và nnk. 2004). CAM 3.0 có thể đƣợc chạy nhƣ là một AGCM độc lập hoặc nhƣ là một thành phần thuộc hệ thống mô hình khí hậu cộng đồng (CCSM; Collins et al. 2006a). Khi chạy CAM 3.0 độc lập nhƣ là một AGCM, mô hình đƣợc tích hợp với mô hình đất cộng đồng (Community Land Model - CLM; Bonan và nnk 2002; Oleson và nnk 2004), mô hình băng biển nhiệt động lực (Thermodynamic sea ice model) và dữ liệu đại dƣơng hoặc tùy chọn mô hình đại dƣơng lớp mỏng (Slab ocean model – SOM). Trong chế độ chạy lồng
25
ghép, CAM 3.0 đƣợc tích hợp cùng với CLM, mô hình băng biển cộng đồng (CSIM5; Briegleb và nnk 2004) và chƣơng trình đại dƣơng song song (POP; Smith and Gent 2002). Mô hình băng biển nhiệt động lực học đƣợc sử dụng cho việc chạy độc lập là một thành phần thuộc CSIM5. Chế độ chạy độc lập phù hợp cho các nghiên cứu về hoàn lƣu khí quyển và nhiệt độ mặt nƣớc biển, cũng có thể đƣợc sử dụng cho các tính toán ƣớc lƣợng các cƣỡng bức khí hậu ví dụ nhƣ sự gia tăng khí CO2 trong khí quyển do hoạt động của con ngƣời. Mô hình hoàn lƣu chung đầy đủ CCSM phù hợp cho các nghiên cứu tƣơng tác khí quyển, đại dƣơng, băng biển và bề mặt ở các qui mô thời gian mùa và năm.
Thế hệ đầu tiên của mô hình khí quyển cộng đồng (CAM) là các mô hình khí hậu cộng đồng (CCMs). Phiên bản đầu tiên là CCM0 (Washington 1982; Williamson 1983), tiếp theo là CCM1 (Williamson và nnk. 1987) và CCM2 (Hack và nnk. 1993) và cuối cùng là CCM3 (Kiehl và nnk. 1998). CCM3 là phiên bản đầu tiên trong các CCMs đƣợc thiết kế giúp ngƣời sử dụng có thể linh động trong việc chạy mô hình độc lập nhƣ một AGCM hoặc là một thành phần thuộc hệ thống mô hình hệ thống khí hậu đầy đủ (CSM1; Boville và Gent 1998). Việc cải tiến mô hình đã dẫn tới thay đổi thuật ngữ chỉ tên của các mô hình. Sau khi CCM3 và CSM1 đƣợc công bố, nhóm nghiên cứu thuộc NCAR đã quyết định đổi tên AGCM thành mô hình khí quyển cộng đồng (CAM) và là một mô hình thành phần của CCSM. CAM2 và CCSM2 đƣợc công bố vào tháng 5 năm 2002 (Kiehl và Gent 2004). Ngay sau khi đƣợc công bố, CAM2 và CCSM2 thể hiện sai số mang tính hệ thống và cần đƣợc cải thiện kỹ năng mô phỏng khí hậu. Những sai số đáng kể nhƣ nhiệt độ bề mặt mô phỏng lớn hơn thực tế, nhiệt độ thấp hơn ở tầng đối lƣu hạn trên khu vực nhiệt đới, sai số về thông lƣợng bề mặt ở các khu vực ven biển, mô phỏng yếu các xoáy thuận nhiệt đới và mô phỏng sai về cấu trúc của dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ). Qua nhiều nghiên cứu cải tiến, CCSM3 và CAM3.0 đƣợc công bố vào tháng 6 năm 2004. Mã nguồn, tài liệu hƣớng dẫn, các bộ số liệu đầu vào … cho mô hình CAM 3.0 đƣợc công bố trên trang web http://www.ccsm.ucar.edu/models/atm-cam. Sơ đồ Hình 2.2 mô tả các thành phần chính của mô hình CCSM3.
Sau khi CAM 3.0 đƣợc công bố, đã có nhiều nghiên cứu nhằm đánh giá kỹ năng mô phỏng và dự báo của mô hình. Các kết quả đánh giá kỹ năng mô
26
phỏng hoàn lƣu thủy văn bằng mô hình CAM 3.0 đƣợc thể hiện trong nghiên cứu của Hack và nnk (2006) và Rasch (2006b), các đánh giá về động lực đƣợc thể hiện trong nghiên cứu của Hurrell và nnk (2006). Các đánh giá khác về mô phỏng khí quyển và các cải tiến của mô hình đƣợc trình bày trong nghiên cứu tổng quan CCSM3 của Collins và nnk (2006a). Một điều đáng lƣu ý đó là những cải tiến trong mô phỏng khí hậu có liên quan đến việc cải tiến mô hình bề mặt đất. Những cải tiến về mô hình CLM đƣợc trình bày trong nghiên cứu của Bonan và nnk (2002). Nhiều thay đổi về vật lý và động lực học của mô hình CAM 3.0 đƣợc đƣa ra trong nghiên cứu của Collins và nnk (2004).
Hình 2.2. Minh họa mô hình CAM 3.0 trong hệ thống mô hình CCSM3 [30]
Mô hình CAM 3.0 có thể đƣợc mô tả bởi ba khối chính: (i) khối số liệu đầu vào, (ii) khối tính toán xử lý CAM 3.0, (iii) khối kết quả đầu ra (Hình 2.3).
27
Khối số liệu đầu vào gồm số liệu khí nhà kính, khối số liệu điều kiện ban đầu, số liệu ozon, … đƣợc mô tả trên Bảng 2.1. Các loại số liệu điều kiện ban đầu đƣợc liệt kê trong Bảng 2.2.
Bảng 2.1. Số liệu đầu vào mô hình CAM 3.0
STT Số liệu đầu vào
1 Số liệu khí nhà kính
2 Khối số liệu điều kiện ban đầu 3 Số liệu Ozon
4 Số liệu bức xạ 5 Số liệu khí Sulfat
6 Số liệu nhiệt độ mặt nƣớc biển SST 7 Số liệu thực vật
8 Số liệu điều kiện ban đầu cho mô hình đất 9 Số liệu địa hình
10 Số liệu bề mặt độ phân giải cao
Bảng 2.2. Điều kiện ban đầu của mô hình CAM 3.0
STT Loại số liệu điều kiện ban đầu
1 Nhiệt độ
2 Thành phần gió kinh/vĩ hƣớng 3 Độ ẩm riêng hơi nƣớc
4 Thế vị bề mặt
5 Dấu phân biệt đất/đại dƣơng 6 Nhiệt độ bề mặt
7 Nhiệt độ bề mặt tuyết/băng 8 Độ dầy tuyết
9 Loại đất
CAM3.0 có thể chạy đƣợc với số liệu mô hình đại dƣơng hoặc với số liệu dự báo mô hình đại dƣơng lớp mỏng. Số liệu mô hình đại dƣơng đơn giản là đọc và nội suy số liệu nhiệt độ bề mặt biển (SST). Chạy thành phần số liệu đại dƣơng cần phải có bộ số liệu SST thay đổi theo thời gian. Số liệu thành phần băng biển bao gồm số liệu độ bao phủ băng tuyết.
Khối tính toán xử lý CAM 3.0 gồm nhiều các chƣơng trình con xử lý số liệu và tính toán: chƣơng trình lập cấu hình, chƣơng trình đọc số liệu, khối tính toán động lực, …đƣợc mô tả trên Bảng 2.3. Khối số liệu đầu ra gồm gần 300 biến. Giá trị của các biến đƣợc cho tại các nút lƣới với độ phân giải của lƣới là 2,5 độ kinh, vĩ và 26 mực theo chiều thẳng đứng (Bảng 2.4).
28
Những file kết quả sản sinh bởi CAM 3.0 đều ở định dang NetCDF chứa đựng số liệu khí quyển tại nút lƣới. CAM 3.0 cũng tạo ra một loạt các file khởi động lại gồm những thông tin cần thiết để tiếp tục chạy nối tiếp, và một loạt các file điều kiện ban đầu đƣợc tạo ra đều đặn theo chu kỳ chứa đựng giá trị tức thời đối với những trƣờng mà cần để chạy mô hình với kiểu chạy điều kiện ban đầu.
Bảng 2.3. Mô tả khối mô hình CAM 3.0
STT Khối tính toán xử lý trong CAM 3.0
1 Các chƣơng trình lập cấu hình và thực thi 2 Chƣơng trình đọc số liệu
3 Khối động lực
4 Mô hình số liệu đại dƣơng 5 Mô hình đại dƣơng lớp mỏng 6 Các sơ đồ tham số hóa vật lý 7 Chƣơng trình so sánh kết quả 8 Mô hình cột đơn
9 Chƣơng trình kiểm soát lƣới 10 Mô hình băng biển
11 Mô hình đất
12 Chƣơng trình kết nối các thành phần
Bảng 2.4. Sản phẩm đầu ra mô hình CAM 3.0
STT Sản phẩm đầu ra mô hình
1 Áp suất bề mặt PS (Pa)
2 Áp suất mực nƣớc biển PSL (Pa) 3 Nhiệt độ T (K)
4 Độ ẩm riêng Q (kg/kg) 5 ….. (gần 300 biến)
Hệ tọa độ thẳng đứng đƣợc sử dụng trong mô hình là hệ tọa độ Lai (Hybrid) (Hình 2.4). Hệ tọa độ thẳng đứng Lai đƣợc phát triển vào năm 1981 với mục đích cung cấp khung áp dụng chung cho trục tọa độ thẳng đứng, trong đó bám sát theo địa hình ở gần bề mặt Trái đất và trở thành hệ tọa độ áp suất ở những lớp trên.
29
Hình 2.4. Hệ tọa độ thẳng đứng Lai trong CAM 3.0