nghiên cứu tác động của tham số hoá các quá trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình mm5

Nh107
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN




Nguyễn Bình Phong



NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ
CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG
KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5


LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – 2009
i
Nghiên cứu phát triển sơ đồ phân tích và
ban đầu hóa xoáy thuận nhiệt đới 3 chiều
cho mục đích dự báo quĩ đạo bão ở Việt
Nam.


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Nguyễn Bình Phong



NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ
CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG
KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5


Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
Mã số: 60.44.87

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Phan Văn Tân

Hà Nội – 2009

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

3

Lời cảm ơn
Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS.
Phan Văn Tân đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi
nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải
dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, những lời
khuyên hữu ích và hơn hết là niềm say mê nghiên cứu khoa học.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học,
Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên vì đã tạo điều kiện giúp đỡ và tổ
chức những hoạt động học tập và nghiên cứu một cách tận tình.
Cuối cùng, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và
động viên vô cùng to lớn từ gia đình, bạn bè và các bạn đ
ồng nghiệp

, tôi xin bày tỏ
lòng biết ơn chân thành vì những góp ý hữu ích trong chuyên môn c

ũng như những
chia sẻ trong cuộc sống.














LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

4

MôC LôC

Trang
Lêi nãi ®Çu
3
Ch¬ng 1

TỔNG QUAN
5
1.1

Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5
1.2

Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình
khí hậu
5
1.3

Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí
quyển
9
1.4

Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực
vật - khí quyển
11


Ch¬ng 2

MÔ HÌNH MM5 VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ
MẶT ĐẤT
16
2.1

Giới thiệu về mô hình MM5 16

2.2

Cấu trúc mô hình MM5 17
2.3

Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5 20
2.4

Động lực học của mô hình 21


Ch¬ng 3

ỨNG DỤNG BATS CHO MM5
34
3.1

Mô tả sơ đồ BATS 34
3.2

Áp dụng BATS cho MM5 47


Ch¬ng 4

KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ
50
4.1

Cơ sở số liệu 50

4.2

Phạm vi nghiên cứu 51
4.3

Kết quả nghiên cứu 52

Kết luận và kiến nghị 65

Phụ lục 66

Tài liệu tham khảo 70





LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

5

LỜI NÓI ĐẦU
Trong các mô hình khí hậu, việc đưa vào điều kiện biên dưới trong đó có
tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đóng vai trò rất quan trọng. Sự bến đổi
của mặt đệm gây nên sự biến đổi của Albedo cũng như khả năng hấp thụ và phát
xạ bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài. Mặt đệm cũng ảnh hưởng đến các quá
trình trao đổi năng lượng giữa bề mặt và khí quyển thông qua sự vận chuyển rối,
bốc thoát hơi từ bề mặt, ngưng kết trong khí quyển…Chính vì vậy, trong các mô
hình dự báo khí hậu, vai trò của địa hình và lớp phủ bề mặt có ảnh hưởng lớn đến
quá trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển. Các quá trình này được tham số

hóa và đưa vào mô hình bằng các sơ đồ gọi là sơ đồ đất (LSM: Land Surface
Model). Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan tâm nghiên
cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, các nguồn năng lượng và
nước trong lớp đất gần bề mặt và các quá trình hình thành, tan tuyết
Các nghiên cứu đã chỉ ra, sơ đồ sinh - khí quyển BATS (Biosphere
Atmosphere Transfer Scheme) có nhiều ưu điểm trong việc tính toán tác động
của các quá trình vật lý bề mặt và đã được nhiều tác giả sử dụng trong các mô
hình khí hậu trong đó có mô hình khí hậu khu vực RegCM (mô hình thuỷ tĩnh).
Một số nhà nghiên cứu khí hậu cũng đã bước đầu sử dụng sơ đồ BATS trong mô
hình MM5 (mô hình phi thủy tĩnh). Để đưa vào được ảnh hưởng của các quá
trình bề mặt qui mô dưới lưới vào mô phỏng khí hậu, chúng tôi thử nghiệm áp
dụng sơ đồ BATS vào mô hình MM5 nhằm phát triển mô hình và mô phỏng ảnh
hưởng của các quá trình vật lý bề mặt đến khí hậu.
Chính vì những nguyên nhân trên chúng tôi lựa chọn đề tài “Nghiên cứu
tác động của tham số hóa các quá trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu
khu vực bằng mô hình MM5”. Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu tác động
của bề mặt đất đến hệ thống khí hậu bằng việc áp dụng sơ đồ BATS (Biosphere
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

6

Atmosphere Tranfer Scheme) vào mô hình MM5. Mục tiêu chính của luận văn là
thay thế sơ đồ đất của MM5 (Noahlsm) bởi sơ đồ BATS, việc nghiên cứu tương
tác giữa bề mặt và khí quyển đã được nhiều tác giả nghiên cứu nên sẽ không
được trình bày kỹ ở đây.

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

7

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu về tham số hoá các quá trình bề
mặt trong mô hình khí hậu. Điển hình là Avissar & Pielke và Koster & Suarez đã
đưa ra phương pháp khảm để biểu diễn ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt,
Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Colorado đã nghiên cứu về sự trao đổi bức
xạ và lớp biên trong phát triển RegCM2, Dyi-Huey Chang, Le Jiang và Shafiqul
Islam đã nghiên cứu lồng độ ẩm đất vào mô hình MM5. Robert E.Dickinson và
Muhammad Shaikh trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra sự bốc thoát hơi nước từ
lá của thực vật có tác động lớn đến mô hình khí hậu và đã đưa ra sơ đồ trao đổi

sinh quyển - khí quyển để mô phỏng khí hậu…
Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tác động của lớp biên phía dưới đối với khí
hậu đang được quan tâm. Phan Văn Tân và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng
của tính bất đồng nhất mặt đệm đến các trường nhiệt độ và lượng mưa mô phỏng
bằng mô hình RegCM trên khu vực Đông Dương và Việt Nam đã chỉ ra vai trò
của các quá trình vật lý bề mặt và những vấn đề cần được triển khai nghiên cứu
tiếp trong các mô hình khí hậu.
1.2 Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình khí hậu
Khí hậu chịu tác động bởi bề mặt đất ở mọi qui mô thời gian và không
gian. Trước tiên, khí quyển chịu tác động trực tiếp bởi mặt đệm, bề mặt là nguồn
tích trữ nhiệt và ẩm cho khí quyển thông qua dòng hiển nhiệt và bốc hơi. Thứ
hai, các điều kiện bề mặt đóng vai trò điều chỉnh chu trình tác động hồi tiếp trong
hệ thống khí hậu. Thứ ba, các thành phần bức xạ mặt trời tại bề mặt (thông lượng
ẩn nhiệt và hiển nhiệt) là nhân tố chính quyết định lượng nước và nhiệt trong đất.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

8

Cuối cùng, các dòng năng lượng bề mặt tác động mạnh đến trị số các yếu tố như
độ ẩm, tốc độ gió, nhiệt độ mực 2 mét, lớp mây thấp và giảng thuỷ. Hoạt động
của con người phần lớn diễn ra ở lớp khí quyển này và chịu ảnh hưởng trực tiếp
bởi các điều kiện khí quyển tại gần bề mặt.
Việc tham số hoá các quá trình tại bề mặt đất trong mô hình dự báo thời
tiết cũng như các mô hình khí hậu có một vai trò rất quan trọng do những nguyên
nhân sau:
- Các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt tại bề mặt là điều kiện biên
dưới cho các phương trình năng lượng và ẩm trong khí quyển.
- Các sơ đồ bề mặt có tác động rất lớn đến các tham số bề mặt như nhiệt
độ, điểm sương và lớp mây thấp.
- Các điều kiện bề mặt qui định cơ chế tác động hồi tiếp (feedback

mechanims) đối với các quá trình vật lý trong khí quyển: mây mực thấp ảnh
hưởng đến cân bằng bức xạ tại bề mặt, các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển
nhiệt tác động đến sự trao đổi lớp biên và các quá trình đối lưu ẩm.
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

9


Hình 1.1 Tương tác giữa các quá trình trong khí quyển và bề mặt
Ngoài ra, do lượng nước có thể được giữ lại trong lớp đất bề mặt nên độ
ẩm đất còn được xem là một trong những nhân tố có tính ỳ giống như loại bề mặt
nước, bề mặt tuyết hoặc băng, có quy mô tương tác với khí quyển từ vài ngày
đến mùa. Ví dụ như bề mặt nước tích trữ nhiệt vào mùa hè vào giải phóng nhiệt
vào mùa đông. Để rõ hơn, ta xét một thời kỳ có hai giai đoạn khô và ướt. Giai
đoạn khô xảy ra sau thời kỳ có mưa và giai đoạn ướt xảy ra lúc bắt đầu thời kỳ
mưa. Sau thời kỳ mưa, với chế độ ẩm dư thừa trong đất, khả năng bốc hơi từ bề
mặt quy định bởi chế độ khí tượng lớp sát bề mặt - giai đoạn khí quyển thống trị
trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung AB và CD). Trong thời kỳ này
bốc hơi từ bề mặt đạt giá trị cực đại và còn gọi là bốc hơi khả năng. Sau khi bốc
hơi diễn ra nhiều, độ ẩm đất giảm và khả năng cung cấp ẩm do bốc hơi từ bề mặt
đất không còn rõ. Bốc hơi bề mặt lúc này phụ thuộc vào lượng thoát hơi do thực
vật gây ra. Khả năng hút nước của thực vật chịu sự chi phối bởi độ ẩm thích hợp
trong đất và lúc này khả năng cung cấp ẩm cho khí quyển từ bề mặt phụ thuộc
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

10

vào khả năng giữ ẩm trong lớp đất bề mặt (không bị ngấm xuống sâu) và độ ẩm
thích hợp trong lớp đất rễ cho sự hút nước của rễ cây, giai đoạn này được gọi là
giai đoạn độ ẩm đất thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung

BC và AD). Khi thời kỳ ướt bắt đầu, bề mặt xảy ra quá trình thấm nước xuống
sâu và độ ẩm đất lại chịu ảnh hưởng của những điều kiện khí quyển bên trên nó
(nhiệt, giáng thuỷ). Các quá trình tiếp diễn tạo nên vòng tuần hoàn thay phiên
thống trị giữa độ ẩm đất và khí quyển trong việc luân chuyển vật chất (nhiệt, ẩm)
của hệ thống khí hậu.

Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn sự tương tác giữa nước trong đất và khí quyển,
trong đó E, E
p
, I và P lần lượt là bốc hơi, bốc hơi khả năng, lượng thẩm thấu và mưa
Những nhân tố quan trọng khác góp phần ảnh hưởng của bề mặt tới khí
quyển là con người và thế giới sinh vật trên bề mặt Trái đất. Sự phát thải các chất
khí độc hại do hoạt động sản xuất của con người sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
thành phần của khí quyển (các chất xol khí) và hệ quả là các quá trình truyền và
Đất
thống trị
Đất
thống trị
Khí quyển
thống trị
Khí quyển
thống trị
E<E
p
E=E
p
I=P

I<P

C

B

D

A

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

11

hấp thụ bức xạ bị thay đổi, các quá trình hình thành và tạo mưa thay đổi. Tuy
rằng năng lượng giành cho các phản ứng sinh hoá trong lớp sát bề mặt là rất nhỏ
nhưng về lâu dài hay trong việc mô phỏng khí hậu hoặc mô phỏng khí quyển với
quy mô không gian lớn (toàn cầu) thì không thể không xét tới các quá trình này.
Sự trao đổi năng lượng của lớp sinh vật sát bề mặt được coi là đóng vai trò quan
trọng trong các chu kỳ tuần hoàn hoá-địa-sinh trên trái đất [1]. Ví dụ, lượng
carbon mà toàn bộ thực vật trên Trái đất trao đổi với khí quyển trong một ngày
gấp khoảng 6 lần tổng lượng carbon sinh ra do khí thải công nghiệp của con
người [5]. Nhấn mạnh thêm rằng quá trình trao đổi giữa thế giới sinh vật với môi
trường là liên tục, trong khi sự phát thải của con người gần như là một chiều. Hệ
quả của chúng vẫn liên quan tới sự thay đổi thành phần của khí quyển và tất
nhiên sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trong hệ thống khí hậu.
Tóm lại ta thấy rằng để tính toán được chính xác các thông lượng trao đổi
giữa bề mặt và khí quyển phải miêu tả được các quá trình trao đổi năng lượng
xảy ra tại bề mặt Trái đất và biến trình của độ ẩm đất theo thời gian.
1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển
Trong một mô hình khí hậu bao gồm mô hình khí quyển, mô hình đại
dương, mô hình thuỷ văn, mô hình bề mặt [2], bộ phận bề mặt sẽ đóng vai trò

cung cấp (trả lại) cho mô hình khí quyển các dòng năng lượng phi bức xạ. Các
dòng năng lượng phi bức xạ bao gồm dòng ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và dòng hiển
nhiệt (dòng nhiệt rối). Nói cách khác, bề mặt cung cấp điều kiện biên dưới cho
mô hình khí quyển. Để miêu tả chính xác được các dòng năng lượng này, ta phải
xem xét đến tất cả các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm và động lượng giữa đất, thực
vật và khí quyển xảy ra tại bề mặt Trái đất. Sơ đồ miêu tả quá trình tương tác
giữa bề mặt và khí quyển (hình 1.3) được gọi là sơ đồ trao đổi năng lượng giữa
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

12

đất - thực vật và khí quyển, viết tắt là SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere
Transfers). Trong một sơ đồ SVAT phải tính được đến ba quá trình cơ bản sau:
1. Cân bằng năng lượng bức xạ tại bề mặt
2. Trao đổi nhiệt, động lượng và ẩm giữa bề mặt và khí quyển
3. Sự tích trữ năng lượng tại bề mặt
Sơ đồ SVAT nhận đầu vào từ mô hình khí quyển (tại mực thấp nhất) bao
gồm bức xạ sóng ngắn từ mặt trời; sóng dài từ khí quyển và mây; giáng thuỷ
dạng rắn hoặc dạng lỏng; chế độ gió, nhiệt và ẩm sát bề mặt. Các sơ đồ SVAT sẽ
tính toán cân bằng nhiệt, ẩm cho lớp bề mặt hoặt động. Bề dày của lớp này được
lựa chọn tuỳ thuộc vào điều kiện địa phương và quy mô thời gian cần tính toán
(thời tiết, khí hậu). Hình 1.3 miêu tả quan hệ qua lại giữa sơ đồ SVAT và mô
hình khí quyển trong một mô hình khí hậu.


Để tính toán sự trao đổi năng lượng, động lượng và khối lượng giữa bề mặt
và khí quyển, các sơ đồ SVAT đã được phát triển rất sớm, từ các sơ đồ đất-thuỷ
văn đơn giản ban đầu của Budyko (1963), Manabe (1969) [6] cho đến các sơ đồ
tán lá lớn (big leaf) phức tạp hơn của Deardroff (1978) [6], bao gồm việc tính
Hình 1.3

Quan h
ệ gắn kết giữa bề mặt v
à khí quy
ển trong mô h
ình h
ệ
thống khí hậu. P là giáng thuỷ, R là bức xạ, T, q, u là nhi
ệt độ, độ ẩm
không khí và vận tốc gió; SH, LE,  là dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt và
ứng
suất bề mặt
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

13

toán các phương trình trao đổi nhiệt, ẩm cho một vài tầng đất sâu và một vài tầng
thực vật (loại thực vật cao và thấp).
Trong sơ đồ đất-thuỷ văn, lớp đất bề mặt được xem xét như một "chiếc
thùng" có thể được lấp đầy bởi giáng thuỷ nếu có và sẽ bị khô đi do bốc hơi và
dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt xảy ra khi chiếc thùng hết khả năng chứa nước,
còn tốc độ bốc hơi được xem như là hàm tuyến tính của lượng nước trong thùng
(độ ẩm đất).

Trong các sơ đồ SVAT gần đây về cơ bản gồm ba bộ phận chính là bộ
phận đất, bộ phận tuyết và bộ phận thực vật. Bộ phận đất có vai trò cung cấp các
profin nhiệt và ẩm của cột đất tính từ bề mặt trở xuống (bộ phận đất là sơ đồ tối
thiểu nhất cho một sơ đồ SVAT), bộ phận thực vật cung cấp tốc độ bốc thoát hơi
của lá cây và bộ phận tuyết miêu tả quá trình thành tạo và tan đi của tuyết trên bề
mặt. Một số sơ đồ SVAT đã đưa vào quá trình cân bằng carbon trong lớp thực
vật với các quá trình trao đổi

2
CO
của thực vật với mục đích nghiên cứu hệ sinh
thái. Đã có rất nhiều các mô hình dạng SVAT được phát triển trong những năm
vừa qua nhưng đa số chúng dựa trên hai mô hình là BATS của Dickinson (1984)
và SiB của Sellers (1986) [6]. Hai mô hình này được coi như là mở đầu trong
việc đưa vào hầu hết các quá trình xảy ra tại bề mặt vào trong các sơ đồ SVAT áp
dụng cho các mô hình khí tượng và khí hậu.
1.4 Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí
quyển
Năng lượng bức xạ thuần
n
R
hấp thụ tại bề mặt tính bởi:

4
(1 )   

n w g
R S L T
 
(1.1)
LUN VN THC S NGUYN BèNH PHONG

14

trong ú

S
l chiu nng hay nng lng bc x mt tri ti b mt,

l albedo b mt,
w
L
l thụng lng súng di ti b mt (ca khớ quyn, mõy),

l hng s Stefan-Boltzmann v
g
T
l nhit b mt.
Phng trỡnh cõn bng nhit ti b mt:

n
R G SH LE
(1.2)
trong ú
G
l thụng lng nhit truyn xung lp t di b mt,
SH
l
thụng lng hin nhit,
E
l tc bc thoỏt hi nc v
L
l n nhit hoỏ hi.
Trong phng trỡnh (1.2) ta ó b qua nng lng dnh cho cỏc phn ng sinh
hoỏ.

Coi cỏc quỏ trỡnh truyn nhit ri
( )

SH
, bc thoỏt hi
( )
E
v truyn ng
lng (ng sut b mt

) l ta khuch tỏn. Theo lý thuyt tng t ca Monin-
Obukhov, thụng lng khuch tỏn
F

ca mt lng

t b mt vo khớ quyn
cú th tớnh theo cụng thc xp x:
( )

D s a
F C u


(1.3)
Hình 1.4: Sự phân bố lại năng lợng mặt trời tại bề mặt (trái) và
các dòng ẩn nhiệt và hiển nhiệt truyền vào trong lớp biên khí
quyển (phải)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

15

trong đó


là mật độ không khí,
u
là độ lớn của vận tốc gió,
s

và
a

tương
ứng là

tại bề mặt và trong không khí, và
D
C
là hệ số trao đổi không thứ
nguyên. Nếu ta ký hiệu kháng trở khí động học (độ chống chịu) bề mặt:
1

a
D
r
C u
(1.4)
thì thông lượng
F

được viết lại dưới dạng:
( )



s a
a
F
r

 

(1.5)
Theo công thức (1.5) ta thấy thông lượng

truyền từ bề mặt vào trong khí
quyển do sự chênh lệch lượng

giữa bề mặt và khí quyển, và quá trình truyền
này chịu một độ cản r
a
.
Áp dụng cách tính các thông lượng như trên, xét sự chênh lêch giữa nhiệt
độ không khí tại bề mặt đang xét
c
T
và nhiệt độ không khí của khí quyển
a
T
,
chênh lệch giữa độ ẩm riêng

c a
q q

, vận tốc
r
u
tại độ cao
r
ta có thể viết lại công
thức cho thông lượng hiển nhiệt (SH), tốc độ bốc hơi (E) và ứng suất bề mặt (

):
 
  
m
a c a c r
p
a a a
T T q q u
SH c E
r r r
   
(1.6)
ở đây
m
a
r
là kháng trở khí động học đối với trao đổi mômen động lượng, vận tốc
tại độ cao
0
z
(hệ số gồ ghề) là bằng không và xem hai quá trình truyền nhiệt và
khuếch tán ẩm có sự tương tự hoàn toàn.

Phương trình truyền nhiệt xuống các lớp đất sâu:
( ) [ ]
  
 
  
s
s s s s s
T
c T k S
t z z

(1.7)
LUN VN THC S NGUYN BèNH PHONG

16

trong ú
s
T
l nhit ca lp t,
s
k
l h s khuch tỏn nhit ca t,

s s
c


tng ng l mt , nhit dung riờng ca t,
s

S
l ngun nhit phỏt sinh hoc
tiờu hao do chuyn pha ca nc hoc do trao i ri.
Phng trỡnh nhp lng nc (budget) ti b mt:



,
Giáng thuỷ-Bốc thoát hơi Dòng chảy bề mặt
i w
w
S
t
(1.8)
trong ú
w
l lng nc ti b mt, tớnh bng
m
hoc
kg
tu thuc theo i
th nguyờn bờn v phi.
,
i w
S
l lng nc sinh ra hoc mt i do tan hoc úng
bng.
Phng trỡnh truyn nc xung sõu do lng ng trng lc:

r
q
S
t z

(1.9)
trong ú

l lng nc trong t
3 3
( )

m m
,
q
l thụng lng nc truyn
xung v
r
S
l ngun sinh hoc tiờu hao nc di t do r thc vt. Thụng
lng nc cú th tớnh theo cụng thc ca Darcy:
( )
( )



h z
q K h
z

(1.10)
trong ú
( )

K h h
tng ng l h s dn thu lc v cao ct nc trong t.
i vi cỏc vựng t trng, cỏc khỏng tr hay nghch o ca h s trao
i ri cú th c tớnh theo lý thuyt ri ti lp biờn hnh tinh khớ quyn [5].
Khi b mt l thc vt, do lỏ cõy thoỏt hi nc thụng qua cỏc l khớ khng nờn
vn quan trng cho vic tham s hoỏ quỏ trỡnh bc thoỏt hi chớnh l tham s
hoỏ khỏng tr khớ khng
s
r
ca lỏ cõy. Khỏng tr khớ khng c trng cho kh
nng thớch hp trao i gia thc vt v mụi trng bờn ngoi, khi
s
r
t giỏ tr
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

17

nhỏ nhất nghĩa là khả năng bốc thoát hơi là tốt nhất. Một công thức tính
s
r
hay
được sử dụng là của Jarvis (1976) [6], trong đó
s
r
có thể được phân tách thành

tích các hàm phụ thuộc từng yếu tố nhiệt độ
T
không khí tại bề mặt, chênh lệch
giữa sức trương hơi nước của không khí trong vòm phủ thực vật và sức trương
hơi nước trong các tế bào của lá cây
e

, bức xạ quang hợp
PAR
, nồng độ
2
CO

trong không khí
2
CO
C
, chênh lệch thế năng nước trong đất và rễ cây cùng một số
yếu tố khác (thuộc về thực vật học).
2 2
( ) ( ) ( ) ( ) ( )
     
s CO s s s s CO
r T e PAR C r T r e r PAR r C
 
(1.11)
Độ chống chịu của tán lá lớn
c
r
được tính bởi:


s
c
r
r
LAI
(1.12)
trong đó LAI là chỉ số diện tích lá cây tương đối so với diện tích bề mặt. Khi đó
lượng bốc hơi sẽ tính theo công thức:



a c
a c
q q
E
r r

(1.13)
Trong các sơ đồ SVAT phức tạp hơn sẽ thêm hai phương trình nhập lượng
nước và nhiệt trong vòm phủ thực vật với giả thiết rằng không khí trong tán lá
thực vật không có khả năng tích trữ nhiệt và ẩm. Ngoài ra phải tính đến sự ngăn
chặn giáng thủy, sự suy yếu bức xạ và suy yếu động lượng (gió) do tán lá của
thực vật mà sẽ liên hệ trực tiếp tới các tham số albedo và độ gồ ghề của bề mặt và
quá trình bốc thoát hơi của thực vật.
Hiện nay, với những hiểu biết về các cơ chế sinh lý của thực vật và đặc
tính vật lý của đất cho phép chúng ta nghiên cứu và mô phỏng các quá trình trao
đổi nhiệt, ẩm tại bề mặt một cách khá chính xác và đã được kiểm chứng bởi một
số quan trắc riêng biệt [10].
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

18

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MM5
VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ MẶT ĐẤT

2.1 Giới thiệu về mô hình MM5
Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 (MM5) của Trung
tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR) và Trường Đại học Tổng
hợp Pennsylvania Hoa Kỳ (PSU), là thế hệ mới nhất trong một loạt các mô hình
dự báo được Anthes phát triển từ những năm 1970. Qua quá trình thử nghiệm,
mô hình đã được điều chỉnh và cải tiến nhiều lần nhằm mô phỏng tốt hơn các quá
trình vật lý quy mô vừa và có thể áp dụng đối với nhiều đối tượng sử dụng khác
nhau.
Phiên bản 3.5 (MM5V3.5) của mô hình ra đời năm 2001 đã được điều
chỉnh, cải tiến thêm so với các phiên bản trước trong các mảng:
+ Kỹ thuật lồng ghép nhiều mực
+ Động lực học bất thuỷ tĩnh
+ Đồng hoá số liệu 4 chiều
+ Bổ xung lựa chọn các sơ đồ tham hoá vật lý
+ Kỹ thuật tính toán
Mô hình MM5 sử dụng hệ thống lưới lồng (nesting grid) nhằm mô phỏng
tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ hơn bước lưới của miền tính ban đầu.
Về lý thuyết, MM5 cho phép lồng tối đa 9 khu vực. Tỷ lệ của độ phân giải theo
phương ngang của miền tính trong với miền tính ngoài luôn là 3:1
MM5 là mô hình số trị tương đối phức tạp và đòi hỏi khối lượng tính toán
lớn nên hiện nay chương trình nguồn chỉ chạy trên hệ các máy tính mạnh như:
SUN, IBM, CRAY, DEC (Alpha), hay PC-cluster với hệ điều hành Linux. Kèm
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

19

theo phần mềm mô hình còn có các phần mềm hỗ trợ khác như phần mềm biên
dịch Porland Group Fortran (PGI) hay phần mềm đồ hoạ của NCAR (NCAR
Graphics).
2.2 Cấu trúc mô hình MM5
Sơ đồ trong hình 2.1 biểu diễn hệ thống các modul chính của mô hình
MM5. Có thể chia mô hình thành hai bộ phận chính:
+ Bộ phận xử lý và bộ phận mô phỏng
Đầu tiên, số liệu địa hình, các thông số của miền tính và số liệu khí tượng
được nội suy theo phương ngang, phương thẳng đứng thông qua các modul thuộc
bộ phận xử lý TERRAIN, REGRID và INTERPF. Bộ phận mô phỏng MM5 nhập
dữ liệu đã được xử lý từ các modul trên, mô phỏng các quá trình vật lý và đưa ra
dự báo số của mô hình. Sản phẩm dự báo của MM5 được chuyển đến bộ phận
xử lý cuối cùng là modul đồ hoạ (GRAPH/RIP, GRADS) và phân tích dữ liệu
(Output Analyis).










TERAIN
REGRID
INTERPF
MM5

Output Analysis
GRAPH/RIP

Bộ phận tiền xử lý
Bộ phận mô phỏng
Bộ phận hậu xử lý
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

20

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc các modul chính của mô hình MM5.
Do phép nội suy theo sơ đồ hình 2.1 không thể mô tả chi tiết về địa hình
khu vực và các trường khí tượng khu vực cần dự báo cho nên quá trình nội suy
có thể được tăng cường trong modul RAWINS/Litter_r, đây là modul xử lý các
nguồn số liệu quan trọng được cung cấp từ mạng lưới trạm quan trắc bề mặt tiêu
chuẩn và các trạm thám không địa phương. Trong trường hợp lồng ghép nhiều
mực đối với các khu vực khác nhau, mô hình bổ xung modul NESTDOWN với
mục đích làm trơn hơn lưới thô ở miền ngoài. Modul INTERPB có chức năng
chuyển các trường khí tượng từ mực sigma của mô hình về mực khí áp (hình 2.2)

Hình 2.2: Sơ đố cấu trúc đầy đủ các modul của mô hình MM5.
Sau đây, chúng tôi trình bày một cách sơ lược một số vấn đề liên quan đến
các modul chính của mô hình MM5
2.2.1 Modul TERRAIN
NESTDOWN

TERAIN

REGRID

INTERPF

MM5

RAWINS
/Little_R

GRAPH/RIP

Output Analysis

INTERPB

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

21

Là modul đầu tiên của hệ thống mô hình dự báo MM5, dùng để nội suy
theo phương ngang các dữ liệu về độ cao địa hình và thảm thực vật, loại hình bề
mặt, ranh giới đất-nước,…cho các miền tính. Trường số liệu đưa vào ở đây bao

gồm:
+ Độ cao địa hình
+ Thảm thực vật hay loại hình sử dụng
+ Nhiệt độ các lớp sát mặt
+ Độ nhám bề mặt đất
Tất cả các số liệu ở đây được chia thành 6 bộ với các bậc và độ phân giải
tương ứng là: 1º, 30’, 10’, 5’, 2’ và 30”.
Quá trình tính toán trong chương trình của modul TERRAIN được thực
hiện theo hai bước sau:
+ Thiết lập trường địa hình khu vực cho miền dự báo ở dạng lưới thô và
lưới dự báo.
+ Truy xuất sản phẩm là file số liệu địa hình cho khu vực lựa chọn
2.2.2 Modul REGRID
Modul REGRID dùng để đọc và phân tích số liệu khí tượng ở các mực khí
áp theo phương ngang đồng thời nội suy các giá trị phân tích được từ lưới thô
ban đầu vào lưới tính của mô hình dựa vào các phép chiếu bản đồ đã được định
nghĩa trong khi thực hiện tính toán ở modul TERRAIN.
REGRID không phải là chương trình đơn lẻ mà là những chương trình xử
lý nhiều quá trình bao gồm hai thành phần chính:
+ Đọc và định dạng lại trường khí tượng ban đầu (thực hiện bởi modul con
pregrid)
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

22

+ Nội suy các trường khí tượng vào lưới tính của MM5 (thực hiện bởi
modul con regridder)
2.2.3 Modul INTERPF
Modul INTERPF có chức năng chính là:
+ Nội suy số liệu khí tượng theo chiều thẳng đứng vào lưới mô hình.

+ Bổ xung các trường bề mặt như khí áp, nhiệt độ không khí.
+ Xử lý mô hình bất thuỷ tĩnh nguyên thuỷ.
2.2.4 Modul MM5
Modul MM5 là modul đưa ra kết quả dự báo số của mô hình, tất cả các lựa
chọn của mô hình được MM5 mô phỏng và dự báo
Phổ ứng dụng của MM5 bao gồm nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng. MM5
cho phép mô phỏng và dự báo thới tiết nói chung, các quá trình quy mô từ lớn
đến vừa như gió mùa, bão, áp thấp,…Ngoài ra, MM5 cũng cho phép mô phỏng
và dự báo các quá trình quy mô nhỏ hơn (từ 2km đến 200km).
2.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5
Từ những năm 1990 đến 1993, theo các chương trình của
GEWEX/GCIP/GAPP, GEWEX/GAPP, NOAA/OGP, Trung tâm môi trường
EMC của Trung tâm dự báo Môi trường quốc tế hợp tác với Phòng thuỷ văn
NWS và Trung tâm nghiên cứu ứng dụng NESDIS đã nghiên cứu và cải tiến mô
hình đất mới để sử dụng trong các mô hình dự báo thời tiết và khí hậu của NCEP.
Trong thời gian đầu, NCEP xây dựng bốn mô hình đất bao gồm:
1) Mô hình thùng chứa (bucket) đơn giản
2) OSU LSM: Có sự lồng ghép giữa lớp biên khí quyển, thực vật và đất
gọi tắt là CAPS (Coupled Atmospheric boundary layer - Plant – Soil)
3) Mô hình SSiB
LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

23

4) Mô hình cân bằng nước đơn giản gọi tắt là SWB (the Simple Water
Balance model)
Kết quả so sánh của bốn mô hình trên đã được Chen đưa ra năm 1996 và
chỉ ra mô hình đất của trường Đại học bang Oregon (OSU LSM) cho kết quả tốt
nhất trong bốn mô hình trên. OSU LSM đã được NCEP sử dụng trong các mô
hình dự báo thời tiết, khí hậu khu vực và toàn cầu.

OSU LSM đã được sử dụng trong thời gian khoảng 10 năm. Sau đó OSU
LSM được phát triển thêm bởi EMC, GCIP/GAPP. Tại NCEP, mô hình đất lần
đầu tiên được lồng vào mô hình qui mô vừa ETA vào tháng 1 năm 1996. Năm
1999 với việc đưa thêm vào cơ chế vật lí của sự hình thành và tan băng, tuyết phủ
và với một số lượng lớn người sử dụng, NCEP LSM đã đạt được một bước tiến
lớn
Năm 2000, với sự phát triển của khoa học công nghệ, theo đề nghị của
EMC (Environmental Modeling Center) về hợp tác xây dựng LSM với NCEP và
mô hình đất được đặt tên mới là NOAH LSM
N: National Centers for Environmental Prediction (NCEP)
O: Oregon State University
A: Air Force
H: Hydrologic Research Lab - NWS
2.4 Động lực học của mô hình
2.4.1 Hệ toạ độ
Theo phương thẳng đứng, mô hình MM5 sử dụng hệ toạ độ sigma ():


(2.1)
t

s

t

p

p
p

p







LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

24

Trong đó, p là khí áp, p
s
là khí áp mặt đất và p
t
là khí áp tại đỉnh khí quyển.



Hình 2.4 Hệ toạ độ của mô hình MM5
Các mực theo phương đứng trong hệ toạ độ  có đặc điểm uốn sát địa hình
ở lớp dưới và gần sát với các mực khí áp ở lớp trên. Theo hệ toạ độ này ta thấy 
biến đổi từ 1 (mặt đất) tới 0 (đỉnh khí quyển) và các mực khí quyển được xác
định bởi tập giá trị  trong khoảng [0,1]. Các biến


,  được xác định trên các
mực nguyên (K=1, 2, ), các biến còn lại được xác định trên các mực phân
(K=1

1/2
, 2
1/2
, ). Ưu điểm của hệ toạ độ  là theo đó ta tính được ảnh hưởng của
địa hình đến các quá trình nhiệt động lực học xảy ra trong khí quyển.
Mô hình MM5 sử dụng lưới tọa độ so le Arakawa B theo phương ngang có
dạng như trên hình 2.4a. Tại các điểm gạch chéo mô hình thực hiện việc tích
phân cho các biến vô hướng như áp suất, độ ẩm riêng, nhiệt độ,… Tại các điểm
có ký hiệu dấu chấm, mô hình thực hiện việc tích phân cho các thành phần gió
ngang.
2.4.2 Hệ các phương trình cơ bản


LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG

25

 Các phương trình chuyển động ngang:
2
* * * * *
* *
/ /
u
f
p u p uu m p vu m p u p
m mp p v D
t x y x x
  
 
 

 
     
       
 
 
     
 
 


(2.2)
2
* * * * *
* *
/ /
v
v
fu
p p uv m p vv m p v p
m mp p D
t x y y y
  
 
   
     
       
   
     
   


(2.3)
trong đó, u và v - các thành phần vận tốc theo hướng đông và bắc;

- độ
cao địa thế vị; m - nhân tố bản đồ;




t


;

- mật độ không khí; f - tham số
Coriolis; D
u
và D
v
- biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng; p*=p
s
- p
t
.
 Phương trình nhiệt động lực học:
2
* * * *
* *
/ /
T

p p
u
p T p T m p vT m p T Q
m p p D
t x y c c
 

 
   
      
 
   
 



(2.4)
trong đó, c
p
= c
pd
(1+0.8q
v
) là nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định,
c
pd
là nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, q
v
là tỷ số xáo trộn hơi nước, Q
là năng lượng đoạn nhiệt, D

T
biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng,
dt
dp


được tính bằng:
*
*
dp
p
dt
  
 


(2.5)
với:
* * * *
p p p p
m u v
t t x y
 
   
  
 
   
 

(2.6)

 Khí áp bề mặt có thể được tính từ:
2
* * * *
/ /p p u m p v m p
m
t x y


 
   
   
 
   
 


(2.7)
cùng với sử dụng tích phân theo phương đứng: