Tham số húa vật lý là thành phần quan trọng nhất trong mụ hỡnh húa khớ hậu. Với cựng một miền tớch phõn và cỏc tham số khỏc nhưđộ phõn giải, bước thời gian tớch phõn, điều kiện ban đầu và điều kiện biờn xung quanh, RegCM vẫn cho cỏc kết quả mụ phỏng rất khỏc nhau nếu cỏc sơ đồ tham số húa vật lý khỏc nhau được lựa chọn. Cỏc sơ đồ tham số húa vật lý được thử nghiệm trong RegCM3 được trỡnh bày trong Bảng 3.4.
Bảng 3.4: Cỏc sơđồ vật lý biểu diễn trong RegCM3.
Sơđồ tham số húa đối lưu (1)Kuo (2)BMJ (3)GAS (4)GFC Sơđồ tớnh toỏn thụng lượng đại
dương - khớ quyển (1) BATS (2) Zeng
Sơđồ bức xạ CCM3
Sơđồ lớp biờn hành tinh Hostlag Sơđồ trao đổi mặt đất - khớ quyển BATS
86
3.2.2.1. Chọn sơ đồ tham số húa đối lưu
Tham số húa đối lưu rất cần thiết trong cỏc mụ hỡnh khớ hậu khu vực vỡ độ
phõn giải ngang khoảng vài chục đến vài trăm kilụmột khụng thể biểu diễn hiện cỏc quỏ trỡnh vật lý mõy vốn cú quy mụ dưới lưới. Về bản chất, tham số húa đối lưu là biểu diễn cỏc đặc trưng thống kờ của mõy theo cỏc biến quy mụ lưới giải được. Rất nhiều nghiờn cứu đó chỉ ra rằng trong cỏc loại tham số húa, kết quả dự bỏo của mụ hỡnh khớ hậu khu vực nhạy nhất với tham số húa đối lưu [Gorchis vcs., 2002; Ratnam vcs., 2005; Singh vcs., 2006]. Theo Hoon và Hong (2007), cỏc sơ đồ tham số húa đối lưu trong cỏc mụ hỡnh số cú thể chia thành cỏc sơ đồ quỹ ẩm (vớ dụ như
Kuo 1965, 1974), sơ đồđiều chỉnh đối lưu (vớ dụ Manabe vcs., 1965; Betts-Miller, 1974), và sơ đồ thụng lượng khối (vớ dụ Arakawa và Schubert, 1974). Từ cuối những năm 1980, cỏc sơđồ thụng lượng khối đó được sử dụng thành cụng trong cỏc mụ hỡnh nghiệp vụ (như Tiedtke, 1989; Pan và Wu, 1995; Peng vcs., 2004).
Trong RegCM3 đó sẵn cú sơ đồ tham số húa đối lưu kiểu Kuo (Anthes, 1977), sơ đồ của Betts-Miller-Janjic (BMJ, 1996), sơ đồ của Grell (1993) với 2 giả
thiết khộp kớn của Arakawa-Schubert và Fritsch-Chappel (ký hiệu lần lượt là GAS và GFC). Khi thực hiện luận ỏn, sơ đồ tham số húa đối lưu của Emanuel chưa được
đưa vào làm 1 tựy chọn của RegCM3 nờn khụng được thử nghiệm ở đõy. Cỏc phiờn bản của RegCM3 với cỏc sơđồ tham số húa đối lưu được trỡnh bày trong Bảng 3.5. Kết quả mụ phỏng mưa và nhiệt độ bề mặt của cỏc phiờn bản này được so sỏnh với số liệu tỏi phõn tớch của CRU và chọn ra sơđồ tham số húa đối lưu thớch hợp nhất.
Bảng 3.5: Ký hiệu cỏc phiờn bản mụ hỡnh RegCM3 với cỏc tựy chọn sơ đồ tham số húa đối lưu.
Sơ đồ tham số húa đối lưu Ký hiệu
Kuo Reg+Kuo Betts-Miller-Janjic Reg+BMJ
Grell+AS Reg+GAS Grell+FC Reg+GFC
87
(a) T2m, CRU, 8/96 (b) Reg+GAS
(c) Reg+GFC (d) Reg+BMJ
Hỡnh 3.7: Nhiệt độ tại độ cao 2m trung bỡnh thỏng 8/1996 của (a) CRU, (b) Reg+GAS, (c) Reg+GFC và (d) Reg+BMJ. Đơn vị độ C.
Trong quỏ trỡnh nghiờn cứu, chỳng tụi đó thử nghiệm cỏc sơ đồ tham số húa
đối lưu sẵn cú núi trờn để mụ phỏng giú mựa mựa hố cho khu vực ĐNA và nhận thấy sơ đồ Kuo và BMJ (Hỡnh 3.7d) mụ phỏng nhiệt độ khỏ gần với CRU nhưng tỏi tạo lượng mưa quỏ nhỏ và khụng nắm bắt được cỏc tõm mưa lớn điển hỡnh của giú mựa mựa hố khu vực ĐNA (Hỡnh 3.8d); sơ đồ GFC tỏi tạo mưa quỏ lớn và diện quỏ
88
rộng (Hỡnh 3.8c) đồng thời nhiệt độ quỏ thấp (Hỡnh 3.7c) so với CRU; sơ đồ GAS tỏi tạo nhiệt độ thấp hơn CRU trung bỡnh khoảng 2-4 độ (Hỡnh 3.7b) trong khi lượng mưa tỏi tạo cũng khỏ thấp so với CRU (Hỡnh 3.8b), đặc biệt khi so sỏnh với số liệu quan trắc thực tế trờn lónh thổ Việt Nam (Hỡnh 3.8a). Nhưng, so với cỏc sơ đồ sẵn cú trong RegCM3, sơđồ GAS cho những kết quả hợp lý hơn cảđối với khu vực ĐNA.
(a) Mưa, CRU, 8/96 (b) Reg+GAS
(c) Reg+GFC (d) Reg+BMJ
Hỡnh 3.8: Lượng mưa trung bỡnh thỏng 8/1996 của (a) CRU, (b) Reg+GAS, (c) Reg+GFC và (d) Reg+BMJ. Đơn vị mm/ngày.
89
a/ Nhận xột về Reg+Kuo:
Trong quỏ khứ, sơ đồ Kuo gốc (Kuo 1965, 1974) được sử dụng rộng rói trong cỏc mụ hỡnh nghiệp vụ do khỏ đơn giản nhưng vỡ vậy cũng cú nhiều hạn chế. Kuo và Anthes (1984) đó chỉ ra rằng sơ đồđối lưu Kuo tỏi tạo quỏ mạnh đốt núng thuần trong phần dưới tầng đối lưu và tỏi tạo yếu hơn thực tế trong tầng đối lưu trờn bởi vỡ sơ đồ này đó bỏ qua sự bay hơi của hơi nước lỏng trong phần dưới của tầng
đối lưu. Yếu điểm này đó được khắc phục trong sơ đồ kiểu Kuo (Anthes, 1977)
được sử dụng trong luận ỏn này, trong đú, bay hơi của giỏng thủy của bước thời gian này được nhập vào lượng hơi nước của bước thời gian tiếp theo. Vỡ vậy, profile
đốt núng của Reg+Kuo gần thực tế hơn và kết quả là nhiệt độ bề mặt của Reg+Kuo khỏ gần CRU, ngoại trừ thấp hơn CRU khoảng 1-2oC trờn bỏn đảo Đụng Dương. Hơn nữa, sơ đồ Kuo giả thiết một phần của hội tụ ẩm tổng cộng làm ẩm cột khớ và phần cũn lại chuyển thành giỏng thủy, do đú, đồng thời, cột khớ quyển cũng được làm ẩm thờm cựng với lượng ẩm từ quỏ trỡnh hội tụ chủ yếu do bỡnh lưu ẩm.
Nhưng sơ đồ Kuo vẫn khụng thể tạo ra sự làm ẩm thực tế trong khớ quyển, một phần vỡ bản chất khụng biết trước được của tham số kinh nghiệm α, phần làm
ẩm từ giỏng thủy [Emanuel, 1994]. Tớch phõn phương trỡnh bảo toàn hơi nước trong toàn cột khớ quyển ta được:
Phần làm ẩm khớ quyển = Hội tụ ẩm – Giỏng thủy P + Bay hơi Fs = αP
Vớ dụ, trong cõn bằng bức xạ - đối lưu, vận tốc giú V = 0 dẫn đến hội tụẩm = 0, cũn thụng lượng bề mặt Fs > 0 do thụng lượng bức xạ và thụng lượng nhiệt rối bề
mặt cõn bằng với bức xạ súng dài từ khớ quyển vào khụng gian, khi đú P = Fs / (1+α). Như vậy, sơ đồ Kuo làm ẩm khớ quyển tại bất kỳ nơi nào cú giỏng thủy đối lưu miễn là α > 0. Kết quả là, cần thiết phải tạo ra khớ quyển bóo hũa. Nhưng tại nhiệt đới, thậm chớ cả nơi cú chuyển động thăng trung bỡnh, quỹ ẩm của tầng đối lưu cũng khú cú thểđạt trạng thỏi bóo hũa. Vỡ vậy, sơ đồ Kuo khụng thể mụ phỏng chớnh xỏc hàm lượng hơi nước trong khớ quyển. Đõy là vấn đề đặc biệt khụng tốt trong cỏc mụ hỡnh khớ hậu vỡ cỏc mụ hỡnh khớ hậu rất nhạy đối với sự dự bỏo chớnh
90
xỏc hơi nước - thành phần quan trọng nhất hấp thụ bức xạ hồng ngoại trong khớ quyển. Kết quả là sơ đồ tham số húa đối lưu của Kuo tỏi tạo lượng mưa thấp hơn CRU và vị trớ cỏc tõm mưa khụng chớnh xỏc.
Những kết quả này rất phự hợp với cỏc nghiờn cứu của cỏc tỏc giả khỏc vềđộ
nhạy của RegCM đối với sơ đồ tham số húa đối lưu của Kuo trờn một số khu vực thuộc ĐNA. Liu vcs. (2007) thực hiện một chuỗi thử nghiệm độ nhạy bao gồm 4 sơ đồ đối lưu trong mụ hỡnh khớ hậu khu vực phõn giải cao của Trung tõm khớ hậu Quốc gia Trung Quốc (Reg\_NCC) để đỏnh giỏ khả năng tỏi tạo giú mựa mựa hố khu vực Biển Nam Trung Hoa năm 1998 cho thấy sơ đồ Kuo khụng thể mụ phỏng tốt lượng mưa và vị trớ mưa so với cỏc sơ đồ cũn lại. Tương tự, Singh vcs. (2006) mụ phỏng cỏc đặc trưng hoàn lưu giú mựa mựa hố trờn Đụng Á núi chung và trờn Hàn Quốc núi riờng bằng cỏch sử dụng mụ hỡnh RegCM3 với độ phõn giải ngang 27km trong thời đoạn 5 năm từ 1998 đến 2002, thử nghiệm với 3 sơđồ tham số húa
đối lưu bao gồm sơ đồ Grell với giả thiết khộp kớn của Arakawa-Schubert và 2 sơ đồđối lưu dạng thụng lượng khối của Kuo và Emanuel cũng chỉ ra rằng hoàn lưu, nhiệt độ và lượng mưa của sơ đồ Grell và Emanuel gần với quan trắc hơn so với sơ đồ Kuo.
b/ Nhận xột về Reg+BMJ:
Sơđồ tham số húa đối lưu BMJ cũng cú xu hướng tỏi tạo lượng mưa rất thấp hơn thực tế trong khi trường nhiệt độ bề mặt khỏ gần với CRU. Nguyờn nhõn cú thể
tương tự như Reg+Kuo, đú là khụng biểu diễn hợp lý profile ẩm của khớ quyển. Trong sơ đồ BMJ, về bản chất, đối lưu xảy ra khi khớ quyển bất ổn định (khụng cú nghịch nhiệt ngăn cản bất ổn định) và đối lưu cũng điều khiển khớ quyển về trạng thỏi phiếm định giống như ta quan trắc được. Yếu điểm của sơ đồ BMJ là khụng cú cơ sở vật lý đối với profile tham chiếu tổng quỏt của độẩm tương đối. Trong khi mụ hỡnh cú thểđược điều chỉnh để nhận được cỏc kết quảđỏng tin cậy tại một điểm hay một thời gian nào đú, ta khụng thể hy vọng nhận được cỏc profile độ ẩm thực tế
trong cỏc hoàn cảnh khỏc. Đõy khụng phải là vấn đề nghiờm trọng với mục đớch dự
91
mụ hỡnh húa khớ hậu bởi vỡ nhưđó núi, mụ hỡnh khớ hậu rất nhạy đối với việc biểu diễn chớnh xỏc lượng hơi nước khớ quyển [Emanuel, 1994]. Tại ICTP, năm 2007, cỏc tỏc giả của RegCM3 đó gỡ bỏ lựa chọn sơ đồ tham số húa đối lưu BMJ khỏi phiờn bản mới nhất của RegCM3.
c/ Nhận xột về Reg+GAS và Reg+GFC:
Sơ đồ tham số húa đối lưu của Grell tỏi tạo nhiệt độ bề mặt thường thấp hơn CRU khoảng 2-3oC nhưng lượng mưa và vị trớ cỏc tõm mưa, đặc biệt tõm mưa lớn trờn vịnh Belgan được mụ phỏng khỏ tốt. Nhưng với 2 giả thiết khộp kớn khỏc nhau, sơ đồ Grell cho cỏc kết quả mụ phỏng rất khỏc nhau. Reg+GFC tỏi tạo mưa lớn hơn và nhiệt độ thấp hơn hẳn so với Reg+GAS. Một cõu hỏi đặt ra là tại sao nhiệt độ và lượng mưa mụ phỏng của 2 phiờn bản lại khỏc nhau trong khi thực chất chỳng chỉ
khỏc nhau về giả thiết khộp kớn, đú là cỏch tớnh thụng lượng khối đỏy mõy? Trong sơ đồ tham số húa đối lưu của Grell (1993), thụng lượng khối đỏy mõy cú thểđược xỏc định dựa trờn giả thiết khộp kớn của Arakawa-Schubert (AS) là
'' ' . ( , ') b ABE ABE m dt K i i − = − hoặc giả thiết khộp kớn của Fritsch-Chappell (FC) là . ( , ') b ABE m K i i = − Δτ với K(i,i’) là nhõn tớch phõn được tớnh bằng ' ( , ') ABE ABE K i i dt −
= − trong đú ABE là năng lượng nổi của phần tử trong mụi trường khi chưa cú mõy tại bước thời gian t; ABE’ là năng lượng nổi sau một bước thời gian tớch phõn dt và vẫn chưa cú mõy; ABE’’ là năng lượng nổi khi cú mõy với giả thiết là thụng lượng khối mõy bằng một hằng số cho trước (thường là đơn vị).
Δτ là khoảng thời gian để tiờu tỏn độ bất ổn định gõy ra bởi quỏ trỡnh quy mụ lớn. Theo, Fritsch - Chappell Δτ=30 phỳt (=1800s). Nhưng Δτ = 30 phỳt cú thể là khoảng thời gian chưa đủ dài để tiờu tỏn hết độ bất ổn định gõy ra bởi mụi trường quy mụ lớn vỡ trờn thực tế, chu trỡnh sống của một đỏm mõy tớch thường 30 phỳt
đến hơn 1 giờ. Yang vcs. (2002) đó thử nghiệm Δτ biến đổi từ 600-7200s và nhận thấy kết quả rất phụ thuộc vào khoảng thời gian này, cụ thể là sai số RMSE và hệ số
92
tương quan giữa lượng mưa mụ phỏng và quan trắc đều tăng lờn khi Δτ tăng, nhưng nhiệt độ mụ phỏng vẫn cú xu thế õm đỏng kể.
Luận ỏn sử dụng giỏ trị Δτ = 30 phỳt đối với sơ đồ GFC nờn thụng lượng khối đỏy mõy (vốn tỷ lệ nghịch với Δτ) lớn hơn thực tế, đồng thời bất ổn định vẫn cũn và cú thể tiếp tục hỡnh thành đỏm mõy giả khỏc. Cả 2 nguyờn nhõn này đều cú thể dẫn tới tăng giỏng thủy đối lưu, tăng hiệu ứng làm lạnh do mưa và làm khụ tầng thấp của khớ quyển do sự hạ xuống của khụng khớ ngoài mõy. Kết quả là GFC làm lạnh quỏ mạnh mặt đất (Hỡnh 3.7c). Khi sử dụng giả thiết khộp kớn AS, thụng lượng khối đỏy mõy nhỏ hơn nờn lượng mưa đối lưu của Reg+GAS giảm và nhiệt độ bề
mặt tăng lờn, gần với quan trắc hơn. Giỏng thủy quy mụ lưới của GAS cũng tăng lờn so với GFC do hệ quả của việc tăng nhiệt độ bề mặt của GAS.
(a) Profile nhiệt độ, 8/1996 (b) Profile độẩm riờng, 8/1996
Hỡnh 3.9: Profile (a) nhiệt độ và (b) độ ẩm trung bỡnh thỏng 8/1996 lấy trung bỡnh trong khu vực từ 12-22N, 106-110E của Reg+GFC và của phiờn bản này khi lượng mưa đối lưu giảm đi một nửa. Đơn vị nhiệt độ là độ C, đơn vị độ ẩm riờng là kg/kg.
Để thấy rừ hơn quan hệ của giỏng thủy đối lưu và nhiệt độ bề mặt chỳng tụi thử nghiệm giảm lượng giỏng thủy đối lưu trong GFC và GAS đi một nửa. Khi đú, nhiệt độ trờn cao gần như khụng thay đổi, cũn từ 850mb trở xuống mặt đất, nhiệt độ
93
tăng một chỳt. Độ ẩm giảm đi trong suốt tầng đối lưu nhưng lượng giảm khụng
đỏng kể (Hỡnh 3.9). Như vậy, giỏng thủy đối lưu chỉ ảnh hưởng tới nhiệt độ sỏt mặt
đất và độ ẩm, do đú ảnh hưởng đến lượng mưa tổng cộng. Kết quả là giỏng thủy tổng cộng cũng giảm (Hỡnh 3.10) và nhiệt độ bề mặt tăng lờn (Hỡnh 3.11).
(a) Mưa, Reg+GFC, 8/1996 (b) Mưa, Reg+GFC, mưa đối lưu giảm 1 nửa
Hỡnh 3.10: Lượng mưa trung bỡnh thỏng 8/1996 của (a) Reg+GFC và (b) Reg+GFC khi lượng mưa đối lưu giảm 1 nửa. Đơn vị mm/ngày.
(a) T2m, Reg+GFC, 8/1996 (b) T2m, Reg+GFC, mưa đối lưu giảm 1 nửa
Hỡnh 3.11: Nhiệt độ tại 2m trung bỡnh thỏng 8/1996 của (a) Reg+GFC và (b) Reg+GFC khi lượng mưa đối lưu giảm 1 nửa. Đơn vị độ C.
94
Tuy nhiờn, nhiệt độ bề mặt tăng khụng đỏng kể trong khi lượng mưa, đặc biệt trờn bỏn đảo Đụng Dương vốn đó thấp hơn thực tế càng giảm đi. Biến trỡnh mưa tổng cộng và mưa đối lưu khụng đổi, chỉ khỏc về biờn độ cũn giỏng thủy quy mụ lưới gần như khụng tăng đỏng kể khi giỏng thủy đối lưu giảm và thường chỉ xảy ra tại những khu vực cú nhiệt độ bề mặt tăng. Do vậy, khi sử dụng sơ đồ Grell (1993), khụng thể giảm lượng mưa đối lưu nhằm làm tăng nhiệt độ bề mặt cho gần hơn với thực tế.
Một trong những nguyờn nhõn sinh ra nhiều giỏng thủy đối lưu dẫn tới làm lạnh bề mặt của sơđồ Grell cú thể là do cỏch tớnh thụng lượng khối đỏy mõy của sơ đồ này chỉ dựa trờn lực nổi, bản chất là dựa trờn độ chờnh lệch nhiệt độ giữa phần tử
khớ thăng lờn và mụi trường, khi đú, đối lưu sẽ sinh ra bất cứ khi nào năng lượng thế
khả năng (CAPE) dương, mà điều kiện này rất dễ xảy ra vào ban ngày ở nhiệt đới, nơi bức xạ mặt trời lớn, nhất là vào mựa hố. Xie và Zhang (2000) đó chỉ ra rằng:
... cỏc quan trắc cho thấy tương quan õm giữa CAPE và hoạt động đối lưu [Thompson vcs., 1979]. Trong thỏm sỏt bất ổn định cú điều kiện, cấu trỳc nhiệt động lực thường thể hiện một lớp lực nổi õm đỏng kể (thường được biết đến như độ cản đối lưu) bờn dưới mực đối lưu tự do [Fritsch và Kain, 1993; Emanuel, 1994]. Độ bất ổn định đối lưu khụng thể giải phúng tự động trừ khi cú nguồn năng lượng bờn ngoài cung cấp cho phần tử khớ để vượt quỏ độ cản đối lưu và cú thể nõng lờn mực đối lưu tự do. Sự tồn tại của CAPE chỉ cú thể coi là điều kiện cần, chưa phải điều kiện đủ.
CAPE, NCAPE và giỏng thủy quan trắc
Thời gian (ngày) từ 5h30p GMT ngày 18/7/1995
Hỡnh 3.12: Chuỗi thời gian của CAPE (J/kg),
CAPE õm (NCAPE) (J/kg) và lượng mưa quan trắc (mm/ngày). Đường đậm là CAPE, đường chấm, gạch là NCAPE và đường nột đứt là tốc độ mưa. [Xie và Zhang, 2000].
95
Hỡnh 3.12 là hỡnh ảnh minh họa một vớ dụ của Xie và Zhang (2000) trong đú ngày 9 đến 13 cú CAPE lớn nhưng khụng quan trắc thấy mưa cũn ngày 2, 6, 8, 14 cú CAPE nhỏ nhưng lại cú mưa lớn. Do đú, khi dựa hoàn toàn vào điều kiện CAPE dương để quyết định cú đối lưu nờn sốđiểm lưới xuất hiện đối lưu của sơ đồ Grell trong từng bước tớch phõn hầu như trải khắp miền tớnh, đặc biệt trờn đại dương. Lượng mõy lớn hơn thực tế sinh ra do sơ đồ Grell cũng cú thể dễ dàng phản xạ bức