Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực Việt Nam Đông Dương

Đại học Quốc gia Hà Nội
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên
Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm
trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu
khu vực Việt Nam Đông Dơng

Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân
Hà Nội 2005

Đại học Quốc gia Hà Nội
Trờng Đại học Khoa học Tự nhiên













Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm
trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu

khu vực Việt Nam Đông Dơng

Mã số: QG.04.13
Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân

Các thành viên tham gia: TS Trần Quang Đức
ThS Vũ Thanh Hằng
CN Thái Thị Thanh Minh

CN Nguyễn Đăng Quang
CN D Đức Tiến
NCS Hồ Thị Minh Hà
NCS Bùi Hoàng Hải














Hà Nội 2005

ii
Báo cáo tóm tắt đề tài


1. Tên đề tài: Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm trong mô hình
số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực Việt Nam Đông Dơng

2. Mã số: QG.04.13
3. Chủ trì đề tài: PGS. TS Phan Văn Tân
4. Các cán bộ tham gia:
1) TS Trần Quang Đức
2) ThS Vũ Thanh Hằng
3) CN Thái Thị Thanh Minh
4) CN Nguyễn Đăng Quang
5) CN D Đức Tiến
6) NCS Hồ Thị Minh Hà
7) NCS Bùi Hoàng Hải
5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu:
1) Mục tiêu:
Đánh giá khả năng áp dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM trong mô
phỏng/dự báo một số biến khí hậu bề mặt trên vùng lãnh thổ Việt Nam Đông Dơng
Xác định đợc mức độ ảnh hởng của tính bất đồng nhất địa hình và điều kiện
mặt đệm trong mô hình số mô phỏng/dự báo khí hậu khu vực Việt Nam
Đông Dơng
2) Nội dung:
a) Nghiên cứu sơ đồ tham số hóa các quá trình bề mặt
Nghiên cứu phơng pháp biểu diễn hiệu ứng bất đồng nhất địa hình và lớp phủ
bề mặt trong mô hình khí hậu
Tìm hiểu sơ đồ thuật toán và lập trình tính các hiệu ứng nói trên
Tính toán thử nghiệm và hoàn thiện sơ đồ
b) Nghiên cứu ứng dụng sơ đồ tham số hóa các quá trình bề mặt qui mô dới lới
vào mô hình khí hậu khu vực RegCM
Tìm hiểu, khai thác mô hình mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM
Nghiên cứu phơng pháp lồng ghép sơ đồ tính hiệu ứng bất đồng nhất địa hình
và lớp phủ bề mặt vào mô hình khí hậu khu vực RegCM
Chạy mô hình RegCM để tính toán mô phỏng/dự báo cho các trờng hợp:
+ Cha tính đến bất đồng nhất bề mặt

iii
+ Tính đến bất đồng nhất do độ cao địa hình và lớp phủ bề mặt
+ Thử nghiệm hiệu ứng độ nhạy theo các sơ đồ tham số hóa đối lu
So sánh các trờng hợp tính toán, đánh giá kết quả
6. Các kết quả đạt đợc:
1) Trên cơ sở các tập số liệu địa hình và đất sử dụng với độ phân giải ngang 10
phút, đã khảo sát tính bất đồng nhất bề mặt trong từng ô lới mô hình khí hậu khu vực
độ phân giải ngang 60 km trên khu vực từ 2
o
N đến 35
o
N và từ 85
o
E đến 125
o
E. Mức độ
bất đồng nhất độ cao địa hình và lớp phủ bề mặt đợc đánh giá khi độ phân giải của
mô hình bề mặt thay đổi theo hai phơng án: 30ì30 km và 20ì20 km. Kết quả tính
toán cho thấy, ngoại trừ trên bề mặt biển, hầu nh các ô lới nằm trên đất liền đều xảy
ra sự bất đồng nhất. Khi tăng độ phân giải mô hình bề mặt, độ cao địa hình đợc mô tả
chi tiết hơn, số loại bề mặt xuất hiện trong các ô lới mô hình phổ biến từ 23 loại khi
độ phân giải mô hình bề mặt là 30ì30 km, và tăng lên có thể tới 56 loại khi đô phân
giải tăng lên đến 20ì20 km.
2) Đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 để mô phỏng khí hậu bề mặt
cho khu vực Đông Dơng và Việt Nam trong thời kỳ 68/1997. Đồng thời đã khảo sát
hiệu ứng của tính bất đồng nhất qui mô dới lới của độ cao địa hình và loại bề mặt khi
chạy mô hình RegCM3 với các sơ đồ tham số hóa đối lu theo 9 trờng hợp thí
nghiệm. Kết quả mô phỏng trờng nhiệt độ 2m trung bình và tổng lợng ma từng
tháng đợc so sánh với số liệu phân tích của CRU. Từ đó nhận thấy rằng, so với số liệu

CRU, mô hình đã mô phỏng khá tốt trờng nhiệt độ, nhng đối với lợng ma thì có sự
biến đổi mạnh giữa các thí nghiệm và tùy thuộc vào sơ đồ đối lu. Hiệu ứng của tính
bất đồng nhất bề mặt là nhỏ đối với trờng nhiệt độ mô phỏng, nhng nó đã làm biến
đổi đáng kể sự phân bố không gian của lợng ma và ít ảnh h
ởng đến tổng lợng ma
toàn miền.
3) Nói chung trên khu vực Việt Nam Đông Dơng, nhiệt độ mô phỏng thấp hơn
so với số liệu CRU khoảng vài độ, nhất là trong những trờng hợp sử dụng các sơ đồ
đối lu AS74 và FC80. Trong các sơ đồ đối lu, sơ đồ Kuo cho lợng ma mô phỏng
vợt quá quan trắc ở các vùng Nêpan, Myama, và thấp hơn quan trắc ở khu vực Việt
Nam và Đông Dơng, trong khi đó các sơ đồ AS74 và FC80 thờng cho lợng ma mô
phỏng vợt quá quan trắc hầu nh trên toàn miền tính.
4) ảnh hởng của tính bất đồng nhất bề mặt không đợc thể hiện rõ trong các
trờng nhiệt độ và lợng ma khi chạy với sơ đồ Kuo, nhng khi chạy với các sơ đồ
AS74 và FC80 nó đã làm thay đổi đáng kể cấu trúc không gian của lợng ma tùy
thuộc vào độ phân giải của mô hình bề mặt. ảnh hởng quan trọng nhất của việc tăng
độ phân giải mô hình bề mặt là mô tả chi tiết hơn cấu trúc qui mô dới lới của lợng
ma trên khu vực Đông Dơng. Trong số các sơ đồ đối lu, sơ đồ AS74 với việc đa
vào tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới dờng nh
cho kết quả mô phỏng lợng
ma phù hợp hơn với quan trắc CRU.
5) Tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới cũng có ảnh hởng tới các đặc
điểm khác của bề mặt, nh hàm lợng nớc trong các lớp đất, dòng chảy mặt, các dòng
ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và hiển nhiệt, mặc dù những ảnh hởng này nói chung là nhỏ.

i
v

7. Tình hình kinh phí của đề tài
Tổng kinh phí đợc cấp: 60.000.000 đồng

Đã nhận: 60.000.000 đồng
Đã thanh toán: 60.000.000 đồng

Xác nhận
của Ban Chủ nhiệm khoa Chủ trì đề tài



PGS. TS Phạm Văn Huấn PGS. TS Phan Văn Tân

Xác nhận của Trờng

v
Abstract
1. Project title: Study on the roles of topography and surface conditions in the
numerical model for climate simulation and prediction over Vietnam
− Indochina
regions
2. Code number: QG.04.13
3. Project Leader: Assoc. Prof. Dr. Phan Van Tan
4. Members: 1) Dr. Tran Quan Duc
2) M.Sc Vu Thanh Hang
3) B.Sc Thai Thi Thanh Minh
4) B.Sc Nguyen Dang Quang
5) B.Sc Du Duc Tien
6) PhD Student Ho Thi Minh Ha
7) PhD Student Bui Hoang Hai
5. Aims and contents of project:
1) Aims:
− To evaluate the possibility of an implementation of RegCM for simulation and

prediction of surface climate over Vietnam−Indochina regions.
− To determine the effects of subgrid scale heterogeneity of terrain high and
landuse on the surface climate simulations by the regional climate model.
2) Contents:
a) Study on land surface processes parameterization schemes
− Methods of representation of the land surface heterogeneous effects in the
climate models
− Algorithms and programming for calculating these effects
− Performing the calculations and improving schemes
b) Implementation of the subgrid scale parameterization schemes of the land
surface heterogeneity in the RegCM
− Study on the implementation of RegCM to simulate regional climate
− Application of the subgrid scale parameterization schemes of the land surface
heterogeneity in RegCM
− Run the RegCM to simulate the surface climate conditions:
+ Without subgrid scale heterogeneity of land surface
+ With subgrid scale heterogeneity of terrain high and landuse
+ Test of sensitivities of different convective parameterization schemes
− Comparison of different experiments, including control cases, with observed
data and making comments

vi
6. Results:
1) Based on the terrain high and landuse data sets with 10 minutes resolutions,
the subgrid scale heterogeneity of land surface in the gridboxes of regional climate
model with resolution of 60km are investigated over domain of 2
o
N−35
o
N and

85
o
E−125
o
E. Heterogeneity of subgrid scale of terrain high and landuse are determined
with two resolutions of the land surface model: 30×30 km and 20×20 km. The results
show that, land surface heterogeneities occur in the most of model gridboxes locating
over continent. The number of surface types appearing in the model girdboxes is
usually 2−3 with the resolution of land surface model is 30×30 km, and increased up to
5−6 types in the case of land surface model resolution is 20×20 km.
2) The Regional Climate Model version 3.0 (RegCM3) is used to simulate
surface climate over Indochina and Vietnam in the periods of June−August 1997.
Effects of land surface subgrid scale heterogeneity are investigated within RegCM3
with different convective precipitation parameterization schemes. Nine experiments are
designed by combinations of different surface model resolutions and convective
parameterization schemes. The model simulations of 2m−temperature and rainfall of
all experiments are compared to CRU data set and to each others. The results show
that, the 2m−temperatures patterns are reproduced well in comparison with CRU data,
but the simulated rainfalls of the model are noticeable different and changed from one
to another experiment depending on the convective schemes. The effects of subgrid
scale heterogeneity of land surface on temperature fields are negligible. Unlike
temperature fields, these heterogeneities substantially impact on spatial distributions of
simulation rainfalls rather than on total rainfalls of the domain.
3) In general, over regions of Vietnam and Indochina, the model simulated 2m
temperatures are underestimated by a few degrees in comparison with CRU data,
especially, in the cases of using convective schemes of Grell type with AS74 and FC80
closures (AS74 and FC80). In the experiments, which run with convective schemes of
Kuo type (TH*_K), the simulated rainfalls are overestimated in the regions of Nepan,
Myama, and underestimated over Vietnam and Indochina; but in the cases of runing
with AS74 and FC80, the simulated rainfalls are usually overestimated.

4) Effects of land surface heterogeneity are not evidently represented in both of
simulated temperature and rainfall when running with the convective scheme of Kuo
type, but the spacial distributions of rainfall in July and August are changed
significantly when running with AS74 and FC80 schemes depending on the land
surface model resolutions. The most important effect of the increase of land surface
model resolution is an increased finescale structure of rainfall over Indochina. Among
the convective schemes, the AS74 with including subgrid scale heterogeneity seems
giving the rainfall that better agreement with CRU data.
5) The heterogeneity of the subgrid scale also affects other features of land
surface, such as water content in soil layers, runoff, latent heat (evapotranspiration),
sensitive heat,… although these effects are small, in general.
Mục lục

Mở đầu 2

Chơng 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu 4
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu 4
1.2 ảnh hởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt đối với các dòng
trao đổi đất
khí quyển 7
1.3 Phơng pháp tính đến bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề mặt 9
Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM 11

2.1 Sơ lợc lịch sử phát triển 11
2.2 Hệ thống lới tọa độ ngang và thẳng đứng của RegCM 13
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đồ 13
2.4 Động lực học của mô hình 15
2.5 Tham số hóa vật lý trong mô hình 16
2.5.1 Sơ đồ bức xạ 16
2.5.2 Mô hình bề mặt đất 17

2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tinh 17
2.5.4 Các sơ đồ giáng thủy đối lu 18
2.5.5 Sơ đồ giáng thủy qui mô lới 23
2.5.6 Tham số hóa các dòng từ đại dơng 24
2.5.7 Sơ đồ Gradient áp suất 25
2.5.8 Mô hình hồ 25
2.5.9 Mô hình truy nguyên (tracer model) 26
2.6 Điều kiện biên trong RegCM 27
Chơng 3: Kết quả tính toán và nhận xét 28

3.1 Số liệu ban đầu và thiết kế thí nghiệm 28
3.2 Đa hiệu ứng bất đồng nhất bề mặt và độ cao địa hình vào mô hình RegCM3 30
3.3 Khảo sát mức độ bất đồng nhất bề mặt trong khu vực nghiên cứu 32
3.4 ảnh hởng của bất đồng nhất đến trờng nhiệt độ mô phỏng 33
3.5 ảnh hởng của bất đồng nhất đến lợng ma mô phỏng 39
Kết luận và kiến nghị 53

Tài liệu tham khảo 56
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu KHCN 58

2

Mở đầu
Trong nghiên cứu và dự báo khí hậu bằng mô hình số, địa hình thờng đợc làm
trơn bằng cách thay thế độ cao thực bởi độ cao đại diện cho từng ô lới. Việc làm trơn
này có ảnh hởng đáng kể đến kết quả dự báo các biến trờng khí hậu, đặc biệt ở
những khu vực địa hình có độ chia cắt ngang và chia cắt sâu lớn. Hơn nữa, trong điều
kiện hiện nay, khi mà độ phân giải của các mô hình khí hậu khu vực chỉ mới đạt đợc
cỡ hàng chục đến hàng trăm km, sự làm trơn địa hình chắc chắn sẽ dẫn đến sự bất đồng
nhất lớn về độ cao địa hình ngay trong từng ô lới. Bên cạnh độ cao địa hình, mặt đệm

cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với điều kiện khí hậu của mọi khu vực.
Sự biến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của albedo cũng nh khả năng hấp thụ và
phát xạ bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài. Mặt đệm cũng ảnh hởng đến các quá trình
trao đổi năng lợng giữa bề mặt và khí quyển thông qua sự vận chuyển rối, bốc thoát
hơi từ bề mặt, ngng kết hơi nớc 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 hởng lớn đến các quá
trình tơng tác giữa mặt đệm và khí quyển, và chúng đợc tham số hóa thông qua các
mô hình trao đổi bề mặt (Earth Surface Exchange Model
ESEM).
Trong những năm gần đây, ngời ta đã cố gắng đa các quá trình tơng tác giữa
các thành phần của hệ thống khí hậu (khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển,
băng quyển) vào các mô hình dự báo. Tuy nhiên, việc biểu diễn toán học những quá
trình tơng tác này nhằm mô tả định lợng các cơ chế hồi tiếp cũng chỉ mới đợc thực
hiện ở mức độ nhất định. Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển đợc quan
tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lợng, hiển nhiệt và hơi nớc
qua mặt tiếp xúc khí quyển
bề mặt; các nguồn năng lợng và nớc trong lớp đất gần
bề mặt; các nguồn năng lợng và nớc trong các tán cây; và các quá trình hình thành,
tan tuyết. Hiện nay ngời ta đã lồng các mô hình tính các dòng trao đổi này vào trong
các mô hình khí hậu khu vực. Một trong những mô hình phát triển theo hớng này là
mô hình RegCM (Regional Climate Model). RegCM đợc xây dựng trên cơ sở mô
hình MM4 (Mesoscale Model version 4), nhng kế thừa và phát triển sơ đồ mô tả các
quá trình tơng tác đất
khí quyển của CCM (Community Climate Model).
Ngoài việc lồng những quá trình tơng tác đất
khí quyển vào các mô hình khí
hậu, ngời ta còn xây dựng các mô hình tách biệt (chạy tính độc lập) nhằm nghiên cứu
vai trò của mặt đệm đối với quá trình tơng tác đất
khí quyển. Trong những mô hình
này, các tính chất của bề mặt đợc xem nh nhữug tham số biến đổi, còn các dòng bức

xạ, hiển nhiệt, ẩn nhiệt, nớc, sẽ là những biến cần khảo sát. Điều kiện khí hậu đợc
phản ánh thông qua sự biến thiên của các biến này.
ở Việt Nam, hớng nghiên cứu này đã đợc đề cập đến thông qua một thử
nghiệm mô phỏng ma bằng mô hình RegCM [15]. Ngoài ra, trong khuôn khổ đề tài
nghiên cứu khoa học đặc biệt cấp Đại học Quốc gia Hà Nội 2002
2003, chúng tôi đã

3
bớc đầu thu đợc một số thành quả trong việc nghiên cứu ảnh hởng của tính bất
đồng nhất bề mặt đối với các dòng trao đổi năng lợng, nhiệt, ẩm giữa đất và khí quyển
[18].
Nghiên cứu dự báo khí hậu hiện đang là một vấn đề mang tính thời sự ở nớc ta.
Do nhiều điều kiện khác nhau, bài toán này hiện chỉ mới dừng lại trong phạm vi các
mô hình thống kê. Nh đã biết, hạn chế của các mô hình thống kê là phụ thuộc vào độ
dài và chất lợng của tập số liệu sử dụng. Hơn nữa, do tính chất vốn có, các mô hình
này chỉ có thể nắm bắt đợc những hiện tợng mang tính qui luật, và sẽ cho kết quả sai
khi gặp những hiện tợng khí hậu đột biến.
Để có thể nâng cao chất lợng dự báo, bên cạnh các mô hình thống kê cần phải
nghiên cứu ứng dụng các mô hình số công nghệ cao. Đề tài này đợc đặt ra nh là một
quá trình kế tiếp giai đoạn 2002
2003, nhằm nghiên cứu ảnh hởng của độ cao địa
hình và điều kiện lớp phủ bề mặt đối với kết quả mô phỏng và dự báo các trờng khí
hậu bằng mô hình khí hậu khu vực, tạo tiền đề cho việc nghiên cứu ứng dụng các mô
hình số vào dự báo khí hậu hạn vừa và hạn dài.
Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo, nội dung báo cáo
của đề tài đợc trình bày trong ba chơng:
Chơng 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu.
Trong chơng này trình bày vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình hệ thống
khí hậu, ảnh hởng của tính bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề mặt đến kết quả mô
phỏng/dự báo các biến trờng khí hậu, và phơng pháp biểu diễn tính bất đồng nhất

này trong các mô hình khí hậu.
Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực
RegCM. Trong chơng này giới thiệu sơ lợc về lịch sử phát triển của mô hình khí hậu
khu vực RegCM phiên bản 3.0, động lực học và vấn đề tham số hóa các quá trình vật lý
của mô hình.
Chơng 3: Kết quả tính toán và nhận xét. Đây là nội dung trọng tâm của báo cáo,
trong đó trình bày việc thiết kế các thí nghiệm theo sự biến đổi độ phân giải của mô
hình bề mặt, thời gian mô phỏng, việc lựa chọn miền tính cũng nh các sơ đồ tham số
hóa vật lý. Việc so sánh, phân tích những kết quả tính toán, mô phỏng với tập số liệu
quan trắc CRU cũng đợc tiến hành và trình bày trong chơng này.
Đề tài này đợc hoàn thành với sự hỗ trợ kinh phí từ phía Đại học Quốc gia
(ĐHQG) Hà Nội, sự giúp đỡ của Ban Khoa học & Công nghệ, ĐHQG, Phòng Khoa
học Công nghệ, trờng Đại học Khoa học Tự nhiên, sự ủng hộ nhiệt tình của Hội đồng
Khoa học Trái đất, ĐHQG HN, của Ban chủ nhiệm khoa Khí tợng Thủy văn và Hải
dơng học, cũng nh sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các đồng nghiệp tham
gia đề tài và tập thể cán bộ của Bộ môn Khí t
ợng. Nhân đây chúng tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành.

4

Chơng 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt
trong mô hình khí hậu
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu
Vấn đề cơ bản của tơng tác đấtkhí quyển (landatmosphere interaction) là sự
trao đổi ẩm và năng lợng giữa hai thành phần này. Về mặt lịch sử, nhiều khía cạnh
quan trọng của quá trình tơng tác này đã đợc xem xét đến trong các lĩnh vực liên
quan với vi khí tợng, khí tợng nông nghiệp, khí tợng rừng, lớp biên hành tinh, và
thủy văn. Gần đây hơn, tơng tác đất
khí quyển cũng đã đợc ghi nhận là vấn đề

quan trọng trong việc nghiên cứu chu trình sinh địa hóa, khí hậu, khí tợng qui mô vừa,
và dự báo thời tiết bằng phơng pháp số trị. Trên thực tế, bề mặt đất đợc xem là thành
phần cơ bản của hệ thống khí hậu từ khi bắt đầu Chơng trình Nghiên cứu Khí hậu
Toàn cầu (World Climate Research Programme
WCRP), và nó đã đợc đa vào mô
hình hoàn lu chung (General Circulation Model
GCM) dới dạng khá đơn giản.
Các dòng ẩm và nhiệt từ bề mặt đất đóng vai trò quyết định sự phân bố của nhiệt
độ, hơi nớc, giáng thủy, các tính chất của mây, và do đó cả dòng bức xạ từ khí quyển
phía trên đi xuống tại bề mặt. Việc kết hợp giữa các thành phần đất và khí quyển trong
các mô hình nói chung phụ thuộc vào sự thiết lập các biểu thức biểu diễn các quá trình
tơng tác xảy ra giữa chúng. Đây cũng là một trong những vấn đề hiện nay đang đợc
nghiên cứu. So với bề mặt đại dơng, phạm vi biến thiên của điều kiện ẩm và nhiệt độ
trên bề mặt đất rất lớn, từ những vùng đất khô cằn đến các vùng khí hậu ẩm ớt, từ khí
hậu nhiệt đới đến khí hậu cực. Trên bề mặt đất, nhiệt dung nhỏ, khả năng tích lũy nớc
hạn chế, dẫn đến sự biến động ngày đêm của điều kiện nhiệt, ẩm mạnh hơn rất nhiều
so với trên bề mặt đại dơng, và tạo ra những tác động trực tiếp hơn đến sự biến đổi
năng lợng và ẩm đi vào khí quyển, gây nên sự biến đổi các tính chất của mây và giáng
thủy. Khả năng hạn chế đối với việc tích lũy nhiệt và nớc kết hợp với bản chất bất
đồng nhất của đất phía dới, của lớp phủ thực vật cũng nh độ nghiêng địa hình đã
hàm chứa sự bất đồng nhất lớn trong các dòng hiển nhiệt và ẩn nhiệt từ bề mặt đất. Tuy
nhiên, sự khác biệt giữa các dòng này so với các dòng từ những bề mặt đợc xem là
đồng nhất ra sao, chúng có thể chi phối hoàn lu qui mô vừa, tác động đến những điều
kiện qui mô lớn nh thế nào, là những vấn đề cốt yếu mà hiện nay đang đợc tập
trung nghiên cứu.
Đầu vào cho các mô hình khí quyển từ các mô hình bề mặt đất biến thiên trên các
qui mô không gian từ hàng chục đến hàng trăm km. Trong khi còn rất nhiều, nếu
không nói tất cả, các quá trình bề mặt đất xác định những đầu vào này về cơ bản xảy ra
trên qui mô không gian nhỏ hơn, từ qui mô không gian lá đến cánh đồng hoặc tối đa là
cảnh quan khu vực. Những sơ đồ tham số hóa bề mặt đất đầu tiên trong các mô hình

khí hậu và mô hình qui mô vừa chấp nhận giả thiết đồng nhất của bề mặt đất trên qui
mô diện tích lới mô hình, hoặc với một dạng bề mặt giả thiết cụ thể nào đó, hoặc lấy

5
trung bình trên các dạng bề mặt thực tế. Những sơ đồ tham số hóa gần đây đã đa vào
một vài khía cạnh của tính bất đồng nhất và đi sâu nghiên cứu những nguyên nhân gây
ra sự khác biệt giữa các kết quả thu nhận đợc do tính đến các hiệu ứng bất đồng nhất
khác nhau. Một số tác giả đã đề xuất biểu diễn bề mặt đất bên trong mô hình dới dạng
khảm (mosaic) các bề mặt đồng nhất, mỗi một loại là một phần nào đó của tổng diện
tích ô lới. Các biến dự báo, nh độ ẩm đất và nhiệt độ đất, khi đó đợc tính riêng biệt
cho mỗi miền con này. Một số nghiên cứu khác lại nhấn mạnh tầm quan trọng của sự
biến động không gian của giáng thủy và độ ẩm đất và đã đề xuất các sơ đồ tham số hóa
thống kê.
Hình 1.1 minh hoạ cấu trúc khả dĩ của một mô hình hệ thống khí hậu (đã đơn
giản hoá) và vai trò giao diện của các mô hình trao đổi bề mặt trong đó. Qua đó có thể
thấy, khí quyển tơng tác với bề mặt đất thông qua sự trao đổi động lợng, năng lợng,
nớc và các hợp phần hoá học khác. Bề mặt làm tiêu hao động lợng đối với hoàn lu
khí quyển do sức cản bề mặt cũng nh làm tiêu hao nguồn nớc thông qua bốc hơi trên
đất và đặc biệt là trên biển. Sự trao đổi bức xạ, hiển nhiệt và hơi nớc giữa bề mặt
khí
quyển đóng vai trò cơ bản trong việc hình thành và duy trì hoàn lu khí quyển trên
nhiều qui mô không gian khác nhau, từ qui mô vừa của gió đất
biển (sea-breeze) đến
qui mô toàn cầu của hoàn lu Hadley. Hơn nữa, những tác động của bề mặt làm ảnh
hởng đáng kể đến khí hậu cả trên qui mô lớn, qui mô vùng và địa phơng (Giorgi &
Mearns, 1991 [11]). Tơng tự, ứng suất gió và các dòng năng lợng và nớc bề mặt
trên đại dơng là cơ chế tác động chính tạo ra hoàn lu biển khu vực và toàn cầu
(Niiler 1992, [10]).

Hình 1.1 Sơ đồ biểu diễn một dạng đơn giản có thể của mô hình hệ thống khí hậu (CSM) trong

đó ESEMs đóng vai trò giao diện giữa các thành phần

6
Theo truyền thống, trên đất liền, các mô hình trao đổi bề mặt đợc xem nh là
công cụ để tính các dòng động lợng, năng lợng và nớc bề mặt cho các mô hình khí
quyển (AM) khi cho trớc tập các tham số biểu thị tính chất bề mặt đất. Tuy nhiên,
trong các mô hình hệ thống khí hậu hiện nay, mô hình trao đổi bề mặt đóng vai trò
giao diện, kết nối những tác động qua lại giữa các mô hình khí quyển, sinh quyển và
thủy văn bề mặt. Để tính đợc các dòng bề mặt, mô hình trao đổi bề mặt đòi hỏi phải
đợc cung cấp một số biến bề mặt, nh lớp phủ thực vật và các tính chất của nó. Trong
một số mô hình hiện nay, các biến này đợc cho dới dạng tập các số liệu đầu vào. Tuy
nhiên, trong những mô hình kết hợp nh trên hình 1.1 giá trị các biến này đợc tạo
thành trong sự tơng tác lẫn nhau giữa các mô hình hệ sinh thái, mà đến lợt mình các
mô hình này sử dụng các biến khí hậu và nguồn nớc bề mặt tạo nên bởi mô hình trao
đổi bề mặt để mô phỏng động lực học hệ sinh thái.
Hình 1.2 là một minh họa cho vai trò giao diện của mô hình trao đổi bề mặt trong
mô hình hệ thống khí hậu. Mô hình khí quyển cung cấp gió, áp suất, nhiệt độ, độ ẩm
tại mực thấp nhất của mô hình, bức xạ mặt trời và phát xạ sóng dài từ khí quyển từ sơ
đồ tham số hoá bức xạ, các hệ số trao đổi nhiệt, ẩm từ sơ đồ tham số hoá rối bề mặt và
giáng thủy cho mô hình bề mặt đất. Kết quả tính toán của mô hình đất sẽ trả lại cho mô
hình khí quyển các dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt, nớc (bốc hơi),, và lợng nớc d thừa
biến thành dòng chảy mặt. Sự kết hợp nớc trong khí quyển và nớc tại bề mặt về cơ
bản xảy ra thông qua sự phân chia giáng thuỷ thành bốc hơi, dòng chảy và nớc thấm
xuống đất sâu. Các mô hình khí hậu hiện nay nói chung tính dòng chảy nh là phần
còn lại của lợng giáng thuỷ sau khi đã bốc thoát hơi và cán cân n
ớc của lớp đất sâu
vài mét tính từ bề mặt. Tuy nhiên trong thực tế, giáng thuỷ, bốc hơi, ẩm đất và dòng
chảy tác động lẫn nhau rất phức tạp, phụ thuộc vào dạng địa hình, tính chất đất và
tơng tác với các lớp nớc dới sâu (Freeze 1978, Dooge 1986 [23]). Do đó cần phải
có các mô hình thuỷ văn để có thể tính đợc những hiệu ứng đó khi xác định dòng

chảy hữu hiệu và sự trao đổi nớc với đất dới sâu. Các mô hình trao đổi bề mặt có thể
đóng vai trò giao diện giữa các mô hình thuỷ văn và các mô hình hệ thống khí hậu
bằng cách tính nguồn nớc của lớp đất bề mặt, nơi các quá trình sinh lý xảy ra (tức sự
bốc thoát hơi) và cung cấp nguồn này nh là điều kiện biên cho modul thuỷ văn.

Hình 1.2 Vai trò giao diện của mô hình đất trong mô hình hệ thống khí hậu

7
Cuối cùng, các mô hình trao đổi bề mặt còn có vai trò quan trọng trong mô hình
hoá vận chuyển các chất hoá học trong khí quyển (tạm gọi là mô hình truy nguyên
Tracer Model), vì các nguồn vận chuyển thẳng đứng trong lớp khí quyển dới thấp và
các quá trình lắng đọng khô liên quan chặt chẽ với hiệu ứng của sự trao đổi giữa bề mặt
khí quyển và các tính chất của bề mặt.
1.2 ảnh hởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt
đối với các dòng trao đổi đất
khí quyển
Trong mô hình hóa hệ thống khí hậu trái đất, các quá trình bất đồng nhất không
gian xuất hiện trên các qui mô nhỏ hơn những qui mô có thể giải đợc bởi các mô hình
số. Việc biểu diễn đợc các quá trình này trong các mô hình là rất cần thiết. Chẳng
hạn, sự hình thành mây đối lu xảy ra trên các qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô
nắm bắt đợc của các mô hình khí hậu với độ phân giải có thể đạt đợc hiện nay.
Trong hóa học khí quyển, sự phân bố các chất chỉ thị và các cơ chế phản ứng hóa học
có liên quan, có thể có tính bất đồng nhất lớn trong ô lới của mô hình vận chuyển hóa
học toàn cầu hoặc khu vực, nhất là gần các vùng phát sinh và tiêu tán. Thủy văn lục địa
phụ thuộc vào các tính chất địa mạo và đất bề mặt mà nó có thể biến động lớn theo
không gian cho tới những qui mô cực kỳ nhỏ. Các tính chất của bề mặt biển, nh nhiệt
độ, độ muối, và cấu trúc sóng, có thể cho thấy sự biến động không gian rõ rệt, đặc biệt
ở các vùng bờ và gần mặt phân cách đại dơngbăng biển, v.v.
Khó khăn trong vấn đề mô tả ảnh hởng của các quá trình bất đồng nhất qui mô
dới lới thể hiện ở hai tình huống. Tình huống thứ nhất nảy sinh liên quan với tính phi

tuyến mạnh của các quá trình. Nếu F(x) và G(y) là các hàm phi tuyến của các biến bất
đồng nhất x và y và nếu ký hiệu dấu gạch ngang trên chỉ việc lấy trung bình ô lới của
mô hình số, khi đó sẽ xảy ra các hệ thức sau:
)x(F)x(F
,
)y(G)y(G
(1.1)
)y(G)x(F)y(G)x(F)y(G)x(F
(1.2)
Điều đó có nghĩa là, những ảnh hởng trung bình ô lới của biến bất đồng nhất x
đến quá trình F không thể biểu diễn đợc bằng cách lấy trung bình ô lới của x (để
nhận đợc
x trớc) rồi sau đó áp dụng hàm F cho x (biểu thức 1.1), và ảnh hởng kết
hợp trung bình ô lới của tính bất đồng nhất trong cả F(x) và G(y) không thể đợc tính
một cách đơn giản từ ảnh hởng trung bình của các hàm riêng biệt F(x) và G(y); tức là
còn tồn tại các hạng tử khác nữa. Ta sẽ gọi những ảnh hởng nhận đợc từ (1.1) và
(1.2) là những ảnh hởng kết hợp (aggregation effects). Nếu F và G là tuyến tính
hoặc phi tuyến yếu, hoặc tính bất đồng nhất trong x và y không thể hiện rõ ràng thì
trong các biểu thức (1.1) và (1.2) có thể thay thế dấu bất đẳng thức bởi dấu bằng
để áp dụng thực tiễn. Tình huống phức tạp thứ hai xuất hiện khi tính bất đồng nhất gây
ra các hoàn lu (khí quyển hoặc đại dơng) không nắm bắt đợc một cách rõ ràng
bằng mô hình số. Nếu có liên quan, ảnh hởng của những hoàn lu này cần đợc mô tả
hoặc tham số hóa bằng cách nào đó trong mô hình. Ta sẽ gọi dạng ảnh hởng của tính
bất đồng nhất thứ hai này là những ảnh hởng động lực.

8
Cả ảnh hởng kết hợp và ảnh hởng động lực của tính bất đồng nhất là quan
trọng trong mô hình hóa các quá trình bề mặt cho các mô hình hệ thống khí hậu. Bề
mặt đất thực tế đợc đặc trng bởi tính bất đồng nhất không gian rõ rệt xảy ra trên
phạm vi rộng lớn và hầu nh biến thiên liên tục với mọi qui mô, từ dới một mét đến

vài trăm km. Trên thực tế, điều đó đã đợc ghi nhận qua những thông tin từ ảnh mây vệ
tinh, từ số liệu viễn thám và số liệu quan trắc bề mặt. Một ví dụ về tính bất đồng nhất
qui mô nhỏ đợc đa ra bởi Avissar [3], ngời đã đo kháng trở khí khổng của thực vật
(là đại lợng qui định sự bốc thoát hơi) trong một thửa ruộng khoai tây và nhận thấy
rằng nó tuân theo phân bố tựa chuẩn lôga theo sự biến động trong môi trờng vi mô lá
(độ nghiêng, hớng, độ che bóng, mực cao thấp trong tán, gió).
Bề mặt đất đóng vai trò nổi bật trong mô hình hóa hệ thống khí hậu, vì nó biểu
diễn sự giao diện giữa khí quyển và đất, sinh quyển và thủy văn. Bề mặt đất trao đổi
động lợng, năng lợng, nớc và những hợp phần hóa học quan trọng khác với khí
quyển, và bằng cách đó tác động tới các điều kiện thời tiết và khí hậu. Những trao đổi
này cũng quyết định và chịu ảnh hởng bởi sự tiến triển của các hệ sinh thái đất cũng
nh chu trình nớc bề mặt. Hơn nữa, đất và đại dơng kết hợp với nhau cả về mặt vật
lý và sinh học, thông qua dòng chảy sông và gió đất biển phát triển dọc các vùng bờ
biển. Để nắm bắt đợc những tơng tác này giữa các thành phần khác nhau của hệ
thống khí hậu, các mô hình quá trình bề mặt cần phải hợp nhất một loạt rất nhiều quá
trình sinh học và thủy văn phức tạp, mà nhiều quá trình trong đó có bản chất phi tuyến
mạnh. Những mô hình số thực hiện việc mô tả các quá trình tơng tác phức tạp này
đợc gọi là các sơ đồ truyền đất
thực vậtkhí quyển (SVATS).
Các mô hình khí hậu ba chiều hiện nay (GCM) nói chung chạy ở độ phân giải vài
trăm km. Còn các mô hình khí hậu khu vực, bao phủ trên những miền có diện tích hạn
chế, chỉ đạt đợc độ phân giải vài chục km [13]. Tuy nhiên, nh chúng ta đã thấy, tính
bất đồng nhất bề mặt xảy ra ở những qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô có thể giải
đợc bởi các mô hình toàn cầu và mô hình khu vực. Do đó cần phải đa vào những
phơng pháp tham số hóa ảnh hởng của tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dới lới
trong khuôn khổ những sơ đồ SVAT phức tạp sử dụng trong các mô hình hệ thống khí
hậu.
Đã có một vài cách tiếp cận đợc đề xuất trong thập kỷ qua để mô tả những ảnh
hởng kết hợp và ảnh hởng động lực của tính bất đồng nhất trong các mô hình bề mặt
đất. Những mô hình hiệu ứng kết hợp cố gắng tính đến sự đóng góp của biến động

qui mô dới lới của các tính chất bề mặt đất đối với các nguồn năng lợng và nớc
trung bình ô lới và sự trao đổi động lợng, năng lợng và nớc giữa đất và khí quyển.
Còn những mô hình mô tả các quá trình bất đồng nhất do hiệu ứng động lực cố gắng
mô tả ảnh hởng của các hoàn lu khí quyển gây ra bởi tính bất đồng nhất bề mặt. Các
hoàn lu này có qui mô nhỏ nh rối lớp biên hành tinh đến qui mô vừa của gió đất
biển, gió sờn dốc.

9
1.3 Phơng pháp tính đến bất đồng nhất địa hình và lớp phủ
bề mặt
Địa hình có vai trò thúc đẩy mạnh các quá trình động lực đến hoàn lu khí quyển,
còn bề mặt đất trao đổi động lợng, năng lợng, nớc và các hợp phần hóa học với khí
quyển. Nh là hệ quả, sự tơng tác đấtkhí quyển có tác động thực sự đến thời tiết và
khí hậu, và đến chu trình nớc và năng lợng của hệ thống khí hậu [2,6]. Những tơng
tác này xảy ra thông qua hàng loạt các quá trình phức tạp bao gồm động lực, vật lý,
sinh học và thủy văn mà nhiều quá trình trong đó có bản chất phi tuyến [11]. Trong
nhiều trờng hợp, bề mặt đất đợc đặc trng bởi tính bất đồng nhất rõ ràng, cả trong
địa hình và lớp phủ thực vật. Tính bất đồng nhất này có thể xảy ra trên mọi qui mô, từ
vài mét đến và trăm km. Nó có thể đợc nhận thấy qua sự phân bố phức tạp của địa
hình và hàm lợng nớc trong đất [11] cũng nh các đặc tính thực vật qui mô nhỏ [3].
Độ phân giải không gian ngang của các mô hình khí hậu hiện nay (vài trăm km)
thô tới mức tính bất đồng nhất của bề mặt đất và ảnh hởng của nó đến khí hậu không
thể biểu diễn đợc một cách rõ ràng. Việc sử dụng các mô hình khí hậu khu vực
[11,13] và các mô hình có độ phân giải biến đổi [11] cho phép tăng độ phân giải lên
khoảng một bậc đại lợng. Tuy nhiên, những mô hình này đòi hỏi khắt khe về tính toán
và do đó chỉ cho phép tăng độ phân giải đến một giới hạn nhất định. Bớc trung gian
hớng tới việc biểu diễn các quá trình bất đồng nhất bề mặt không cần sử dụng các mô
hình khí hậu có độ phân giải rất cao là tham số hóa những quá trình đó trong các mô
hình có độ phân giải thô. Và trong những thập kỷ gần đây đã có một số sơ đồ tham số
hóa nh vậy đợc đề xuất [11].

Việc tham số hóa tính bất đồng nhất bề mặt đất ở đây sẽ nói đến cả bất đồng
nhất địa hình và đất sử dụng nói chung có thể đợc chia thành: 1) ph
ơng pháp rời
rạc hóa (hay còn gọi là phơng pháp khảm), và 2) phơng pháp liên tục (còn gọi là
phơng pháp sử dụng hàm mật độ xác suất PDF). Trong phơng pháp khảm, ô lới
mô hình đợc chia thành một số ô lới con hoặc các mảnh ô vuông. Việc tính toán các
quá trình bề mặt đất đợc thực hiện tách biệt cho từng ô con và các dòng trao đổi
đấtkhí quyển sau đó đợc tập hợp lại ở qui mô lới thô ban đầu. Các ô lới con đợc
chia dựa trên cơ sở loại đất sử dụng [2], độ cao địa hình, hoặc địa hình và đất sử dụng
địa phơng [24]. Nói chung, các kỹ thuật phân bố lại và tập hợp lại đơn giản đợc sử
dụng để trao đổi thông tin giữa lới thô và các ô lới con. Tuy nhiên, trong một số
trờng hợp phức tạp hơn, có thể xem xét thêm cơ chế nhiệt động lực học của dòng khí
đi qua địa hình dốc để mô tả hiệu ứng động lực của địa hình.
Trong phơng pháp PDF, các biến bất đồng nhất đợc biểu diễn qua hàm mật độ
xác suất thực nghiệm hoặc lý thuyết, và những quá trình có liên quan đợc kết hợp lại
qua hàm mật độ xác suất thích hợp. Việc tham số hóa các hiệu ứng của hoàn lu qui
mô vừa có tổ chức cũng có thể đợc đa vào thông qua việc biểu diễn tính bất đồng
nhất bề mặt đất [11]. Tuy nhiên, tất cả những phơng pháp này đều có những u điểm
và hạn chế của chúng [11] và việc sử dụng chúng nói chung phụ thuộc vào những vấn
đề cụ thể cần quan tâm.

10
Bất chấp phơng pháp nào đợc sử dụng, các công trình trớc đây đều chỉ ra một
cách rõ ràng rằng, tính bất đồng nhất qui mô dới lới gây nên bởi điều kiện địa hình
và đất sử dụng có thể ảnh hởng một cách sâu sắc đến khí hậu và các nguồn năng
lợng và nớc bề mặt, đặc biệt ở qui mô vùng và địa phơng. Bởi vậy cần thiết phải
đa việc biểu diễn tính bất đồng nhất bề mặt đất vào các mô hình khí hậu. Trong phạm
vi đề tài này, chúng tôi sẽ sử dụng một sơ đồ tham số hóa kiểu khảm dựa trên công
trình của Seth và cộng sự [24] SGD94 áp dụng cho mô hình khí hậu khu vực
(RegCM). Phơng pháp này cũng đã đợc Filippo Giorgi và cộng sự áp dụng để mô

phỏng khí hậu khu vực châu Âu [12]. Chi tiết hơn về mô hình RegCM sẽ đợc trình
bày trong chơng sau. Các sơ đồ dựa trên phơng pháp khảm đòi hỏi tính toán nhiều
hơn so với các sơ đồ dựa trên phơng pháp PDF, nhng chúng có u điểm quan trọng
là không đòi hỏi những giả thiết đặc biệt về PDF của các biến có liên quan.
Sơ đồ SGD94 giả thiết rằng mỗi ô lới thô của mô hình đợc chia thành N ô lới
con (vuông) đều nhau, với mỗi ô lới con đó, việc tính toán bề mặt đợc thực hiện một
cách độc lập. Đặc biệt sơ đồ cho phép lựa chọn một cách mềm dẻo các ô lới con dựa
trên thông tin về địa hình và đất sử dụng địa phơng. Hahmann và Dickinson [12] đã
đa phiên bản của sơ đồ này vào mô hình khí hậu toàn cầu và đã nhận thấy rằng khí
hậu mô phỏng trên vùng châu Phi nhiệt đới trong những tháng mùa hè đã có những
biến đổi đáng kể so với khi không sử dụng nó. Tuy nhiên, họ đã không tính đến sự biến
động địa hình qui mô dới l
ới và không thực hiện sự phân bố lại các biến khí hậu từ
lới thô cho các ô lới con. Đó là những đặc điểm quan trọng khi áp dụng sơ đồ
SGD94.
Trong đề tài này, địa hình qui mô dới lới đợc sử dụng nh là một biến mà dựa
vào đó các biến khí hậu gần bề mặt sẽ đợc phân bố lại từ ô lới thô của mô hình đến
các ô lới con trong sơ đồ tính các dòng trao đổi bề mặt khí quyển. Nh vậy, việc
tham số hóa các quá trình bề mặt qui mô dới lới ở đây sẽ bao gồm các bớc sau:
1) Chia ô lới mô hình thành N ô lới con và xác định loại lớp phủ bề mặt, độ cao
địa hình cho từng ô lới con
2) Dựa vào độ cao địa hình của từng ô lới con, thực hiện sự phân bố lại các biến
khí quyển là đầu vào cho mô hình trao đổi bề mặt. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi
thực hiện sự phân bố lại cho hai biến quan trọng là nhiệt độ và độ ẩm
3) Chạy sơ đồ trao đổi bề mặt cho từng ô lới con riêng biệt để nhận đợc các
dòng năng lợng và nớc tơng ứng
4) Tổng hợp (kết hợp) các dòng bề mặt của tất cả các ô lới con trong từng ô lới
mô hình để nhận đợc các dòng tơng ứng của ô lới mô hình làm đầu vào cho mô
hình khí quyển.
Chi tiết hơn về các quá trình này sẽ đợc trình bày trong chơng 3.

11

Chơng 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo
khí hậu khu vực RegCM
2.1 Sơ lợc lịch sử phát triển
ý tởng sử dụng các mô hình khu vực hạn chế (Limited Area Models LAMs)
để nghiên cứu khí hậu các khu vực nhỏ đã đợc Dickinson và Giorgi [17] đề xuất đầu
tiên. ý tởng này dựa trên khái niệm lồng (nest) một chiều, trong đó các trờng khí
tợng qui mô lớn nhận đợc từ mô hình hoàn lu chung khí quyển (GCM) đóng vai trò
cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian (LBC) cho mô
hình mô phỏng khí hậu khu vực (RCM), nhng không có sự tơng tác ngợc từ RCM
đối với các trờng điều khiển GCM.
Mô hình khí hậu khu vực NCAR RegCM (hay gọi tắt là RegCM) đã đợc xây
dựng dựa trên mô hình qui mô vừa MM4 (Mesoscale Model Version 4) của Trung tâm
Quốc gia Nghiên cứu khí quyển và Đại học Tổng hợp bang Pennsylvania
(NCARPSU) vào cuối những năm 1980 [17]. Các thành phần động lực học của mô
hình bắt nguồn từ MM4. MM4 là mô hình sai phân hữu hạn đối với khí quyển nén
đợc, thỏa mãn cân bằng thủy tĩnh và sử dụng tọa độ thẳng đứng . Cốt lõi động lực
học của RegCM tơng tự nh phiên bản MM5 thủy tĩnh.
Để áp dụng MM4 cho nghiên cứu khí hậu, một số sơ đồ tham số hóa vật lý đã
đợc thay thế, chủ yếu là các sơ đồ truyền bức xạ và vật lý bề mặt đất. Và điều đó dẫn
đến sự hình thành RegCM. Phiên bản RegCM đầu tiên đã đa vào sơ đồ trao đổi sinh
khí quyển (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme BATS, [7]) để biểu diễn các quá
trình bề mặt, sơ đồ truyền bức xạ của NCARCCM (Community Climate Model) phiên
bản 1 (CCM1), sơ đồ lớp biên hành tinh địa phơng độ phân giải trung bình, sơ đồ đối
lu cumulus kiểu Kuo của (Anthes, 1977), và sơ đồ ẩm hiện của Hsie và cộng sự [17].
Những cải tiến chính đầu tiên về vật lý và các sơ đồ số hóa của RegCM đã đ
ợc
Giorgi và cộng sự trình bày trong một số bài báo. Kết quả của những cải tiến này đã

dẫn đến sự hình thành phiên bản thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2. Vật lý của
RegCM2 dựa trên cơ sở NCARCCM2, và mô hình qui mô vừa MM5 [17]. Cụ thể,
toàn bộ sơ đồ truyền bức xạ, sơ đồ lớp biên phi địa phơng của Holtslag và cộng sự đã
thay thế sơ đồ lớp biên địa phơng cũ, sơ đồ mây đối lu dòng khối của Grell đợc đa
vào nh một tùy chọn, và phiên bản BATS1E [6] cũng đã đợc đa vào mô hình.
Trong vài năm gần đây, một số sơ đồ vật lý mới đã đợc phát triển và chúng đã
đợc sử dụng để cải tiến RegCM, chẳng hạn các sơ đồ vật lý của phiên bản CCM3.
Trớc hết, sơ đồ truyền bức xạ CCM2 đã đợc thay thế bởi sơ đồ của CCM3. Trong sơ
đồ truyền bức xạ CCM2 đã tính đến các hiệu ứng của H
2
O, O
3
, O
2
, CO
2
và mây. Sự
truyền bức xạ mặt trời đã đợc xử lý theo cách tiếp cận của Eddington và bức xạ

12
mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ phủ mây, hàm lợng nớc lỏng trong
mây, và bán kính giọt nớc hữu hiệu của mây. Sơ đồ truyền bức xạ CCM3 giữ nguyên
cấu trúc nh trong CCM2, nhng nó đa vào một số đặc điểm mới nh ảnh hởng của
việc gia tăng các khí nhà kính (NO
2
, CH
4
, CFC), aerosol khí quyển, và băng trong mây.
Những thay đổi cơ bản khác thuộc về các lĩnh vực xử lý các quá trình mây và
ma. Sơ đồ ẩm hiện ban đầu của Hsie và cộng sự đã đợc thay thế bằng sơ đồ đơn giản

hóa của nó. Đó là vì sơ đồ ban đầu đòi hỏi phải tính quá nhiều trong khi chạy mô hình.
Trong sơ đồ đơn giản hóa chỉ đa vào một phơng trình dự báo đối với nớc trong
mây, nó có tính đến sự hình thành nớc mây, sự bình lu và xáo trộn do rối, sự tái bốc
hơi trong các điều kiện gần bão hòa, và sự chuyển thành ma qua thành phần tự động
chuyển đổi. Điểm mới chính của sơ đồ này là không có tiến trình vi vật lý đơn giản,
nhng trong thực tế biến nớc mây đã dự báo sẽ đợc sử dụng trực tiếp trong tính toán
bức xạ mây. Trong các phiên bản trớc của mô hình, các biến nớc mây để tính toán
bức xạ đã đợc chẩn đoán dới dạng độ ẩm tơng đối địa phơng. Đặc điểm mới này
đa vào một yếu tố rất quan trọng và có ảnh hởng sâu rộng là sự tơng tác giữa chu
trình nớc mô phỏng và những tính toán các nguồn năng lợng.
Cuối cùng, một khía cạnh quan trọng của sự phát triển mô hình là mở rộng cấu
hình lới mô hình, bằng cách đó độ phân giải ngang của mô hình là tơng đối thô ở
vùng đệm của biên xung quanh và tăng lên khi đi vào trong miền tính. Những thí
nghiệm ban đầu sử dụng phiên bản đoạn nhiệt của mô hình với kiểu lới giãn đợc
trình bày bởi Qian và cộng sự [17]. Tuy nhiên, trong phiên bản mới RegCM3 lại không
có tùy chọn lới giãn. Những đặc điểm mới khác trong RegCM3 bao gồm những cải
tiến trong việc kết hợp với mô hình hồ và đa vào mô hình xử lý các hợp chất hóa học
với khả năng tơng tác bức xạ [17].
So với các phiên bản trớc, phiên bản gần đây nhất của RegCM (RegCM3) đã có
những cải tiến và bổ sung đáng kể. Đó là những thay đổi trong vật lý mô hình bao gồm
sơ đồ ma và mây qui mô lớn mà nó có tính đến sự thay đổi qui mô dới lới của mây,
các sơ đồ tham số hóa mới đối với các dòng bề mặt biển của Zeng [17], và sơ đồ đối
lu cumulus Betts (1986), tham số hóa kiểu khảm sự bất đồng nhất qui mô dới lới do
địa hình và đất sử dụng [12].
Ngoài ra, RegCM3 có thêm một số đặc điểm mới liên quan đến số liệu đầu vào.
Các tập số liệu về tính chất của lớp phủ bề mặt toàn cầu USGS và độ cao địa hình toàn
cầu độ phân giải 30 giây có thể đợc sử dụng để tạo ra các file địa hình (terrain files).
Hơn nữa, các tập số liệu tái phân tích toàn cầu của NCEP và ECMWF đợc sử dụng
làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Về tổ chức chơng trình, toàn bộ hệ thống mô hình RegCM bao gồm bốn thành

phần: Terrain, ICBC, RegCM và Postprocessor. Terrain và ICBC là hai thành phần tiền
xử lý của RegCM. Các biến bề mặt đất (bao gồm độ cao địa hình, đất sử dụng và nhiệt
độ bề mặt biển) và số liệu các trờng khí tợng ba chiều trên các mặt đẳng áp đã đợc
nội suy theo phơng ngang từ lới kinh vĩ về độ phân giải cao của mô hình và có thể sử
dụng các phép chiếu bản đồ khác nhau: Mercator (Rotated và Normal), Lambert

13
Conformal, hoặc Polar Stereographic. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất về hệ tọa
độ của RegCM cũng đợc thực hiện. Các mặt gần bề mặt bám sát địa hình, và các
mặt ở những mực cao hơn có xu hớng gần với các mặt đẳng áp.
2.2 Hệ thống lới tọa độ ngang và thẳng đứng của RegCM
Mô hình RegCM nhận và phân tích số liệu trên các mặt áp suất, nhng các số liệu
này sẽ đợc nội suy về hệ tọa độ thẳng đứng trớc khi đa vào mô hình. Hệ tọa độ
thẳng đứng trong RegCM tuân theo địa hình (hình 2.1), tức là các mực lới phía dới
lợn theo địa hình trong khi các mặt trên cao thì phẳng hơn. Các mực giữa dãn phẳng
dần khi áp suất giảm đến đỉnh của mô hình. Tọa độ thẳng đứng vô thứ nguyên đợc
sử dụng để xác định các mực mô hình, trong đó p là áp suất, p
t
là hằng số chỉ áp suất
tại đỉnh mô hình, p
s
là áp suất bề mặt
)(
)(
ts
t
pp
pp

=

(2.1)
Có thể nhận thấy từ phơng trình (2.1) và từ hình 2.1 rằng,
bằng 0 tại đỉnh mô
hình và bằng 1 tại bề mặt, và mỗi mực mô hình đợc xác định bởi giá trị của
. Độ
phân giải thẳng đứng của mô hình đợc xác định bởi dãy các giá trị nằm giữa 0 và 1
mà không nhất thiết cách đều nhau. Nói chung độ phân giải trong lớp biên mịn hơn
nhiều so với lớp trên cao, và số mực có thể thay đổi tùy thuộc yêu cầu ngời dùng.
Lới tọa độ ngang sử dụng trong mô hình là lới xen kẽ kiểu Arakawa
Lamb B,
trong đó bao gồm các điểm nút lới (dot points) và các điểm tâm ô lới (từ đây gọi là
tâm lới
cross points) (hình 2.2). Các biến vô hớng (T, q, p,) đợc xác định tại
các tâm lới, trong khi các thành phần gió hớng đông (u) và hớng nam (v) đợc đặt ở
nút lới. Do đó vận tốc ngang đợc xác định tại các nút lới. Số liệu đầu vào của mô
hình đợc nội suy về các điểm lới (nút lới hoặc tâm lới) một cách nhất quán thông
qua quá trình tiền xử lý. Tất cả các biến ở trên đợc xác định tại giữa các lớp thẳng
đứng của mô hình, gọi là các mực giữa hay các mực phân (half
levels) và đợc biểu
diễn bằng các đờng đứt quãng trên hình 2.1. Thành phần vận tốc thẳng đứng đợc xác
định tại các mực nguyên (full
levels) và đợc biểu diễn bằng các đờng liền nét. Khi
xác định các mực
, những mực nguyên luôn đợc liệt kê ra, kể cả các mực =0 và
=1. Số lớp của mô hình vì vậy luôn luôn nhỏ hơn số mực nguyên .
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đồ
Hệ thống mô hình RegCM có bốn lựa chọn phép chiếu bản đồ, là:
1) Lambert Conformal: thích hợp cho vĩ độ trung bình,

2) Polar Stereographic: cho vùng vĩ độ cao,
3) Normal Mercator: cho vùng vĩ độ thấp, và
4) Rotated Mercator: cho tùy chọn thêm.


14

Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lới thẳng đứng của RegCM

Hình 2.2 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lới ngang kiểu ArakawaB trong RegCM

Các hớng x và y trong mô hình không tơng ứng với các hớng tây
đông và
nam
bắc, ngoại trừ đối với phép chiếu Normal Mercator, do đó gió quan trắc nói
chung sẽ đợc quay theo lới mô hình, và các thành phần gió u và v của mô hình cần
phải đợc quay trớc khi so sánh với gió quan trắc. Những phép biến đổi này đợc thực
hiện trong quá trình tiền xử lý mô hình để cung cấp số liệu trên lới mô hình, và trong
quá trình xử lý sau khi mô hình tính toán. Nhân tố bản đồ m đợc định nghĩa bởi
m = (khoảng cách trên lới) / (khoảng cách thực trên trái đất)

15
Giá trị của m thờng gần bằng 1 và biến đổi theo vĩ độ. Các phép chiếu trong mô
hình bảo toàn hình dạng của các miền nhỏ, sao cho dx=dy ở mọi nơi, nhng độ dài lới
biến đổi trong miền để cho phép biểu diễn mặt cầu trên mặt phẳng. Nhân tố bản đồ cần
phải đợc tính đến trong các phơng trình mô hình ở những nơi gradient ngang đợc sử
dụng.

2.4 Động lực học của mô hình
Các phơng trình động lực học của mô hình, và việc rời rạc và hóa số chúng đợc

mô tả một cách chi tiết bởi Grell [17]. Sau đây sẽ dẫn ra một số đặc điểm chính.
Các phơng trình động lợng ngang
uFuFvfp
xx
p
pp
RT
mp
up
y
mvup
x
muup
m
t
up
VH
t
v
+++








+

+














+


=


*
*
*
*
***
2
*
)/(

//




&
(2.2)
vFvFufp
yy
p
pp
RT
mp
vp
y
mvvp
x
muvp
m
t
vp
VH
t
v
+++

+


+














+


=


*
*

*
*
***
2
*
)/(

//




&
(2.3)
trong đó u và v là các thành phần hớng về đông và hớng về bắc của vận tốc gió, T
v
là
nhiệt độ ảo,

là độ cao địa thế vị, f là tham số coriolis, R là hằng số khí của không khí
khô, m là nhân tố bản đồ đối với các phép chiếu Polar Stereographic, Lambert
Conformal, hoặc Mercator,
dt
d


=
&
, và F
H

và F
V
biểu diễn các hiệu ứng khuếch tán
ngang và khuếch tán thẳng đứng, và p
*
=p
s

p
t
.
Các phơng trình liên tục và phơng trình xicma chấm (

&
)

+


=


&
***
2
*
// p
y
mvp
x
mup
m
t
p
(2.4)
Tích phân thẳng đứng phơng trình (2.4) đợc dùng để tính sự biến thiên theo
thời gian của áp suất bề mặt trong mô hình

d
y
mvp
x
mup
m
t
p

//
1
0
**
2
*











+


=


(2.5)
Sau khi tính xu thế áp suất bề mặt
t
p

*
, vận tốc thẳng đứng trong hệ tọa độ xicma
(

&
) đợc tính tại mỗi mực trong mô hình bằng cách tích phân thẳng đứng phơng trình
(2.4)

16
'
//1
0
**
2
*
*


d
y
mvp
x
mup
m
t
p
p

+


+


=
&
(2.6)
trong đó

là biến giả của tích phân và

&
(

=0)=0
Phơng trình nhiệt động học và phơng trình Omega (

)
Phơng trình nhiệt động học là
TFTF
c
Qp
pPc
RT
Tp
y
mvTp
x
muTp
m
t
Tp
VH
pmasttpm
v
+++
+
+

+


=


*
***
2
*
)/(

//




&
(2.7)
trong đó c
pm
là nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí ẩm, c
pm

=c
p
(1+0.8q
v
), Q là đốt
nóng phi đoạn nhiệt, F
H
T biểu thị hiệu ứng khuếch tán ngang, F
V
T biểu thị ảnh hởng
của xáo trộn thẳng đứng và hiệu chỉnh đối lu khô, và

là
dt
dp
p
*
*

+=
&
(2.8)
trong đó

+


+


=
y
p
v
x
p
um
t
p
dt
dp
****
(2.9)
c
p
là nhiệt dung riêng đẳng áp đối với không khí khô và q
v
là tỷ số xáo trộn hơi nớc.
Phơng trình thủy tĩnh
Phơng trình thủy tĩnh đợc sử dụng để tính độ cao địa thế vị từ nhiệt độ ảo T
v

,
1
*
1
1
)/ln(







+
+
+=
+

v
rc
v
t
q
qq
RT
pp


(2.10)
trong đó Tv = T(1+0:608qv), q

v
, q
c
, và q
r
là tỷ số xáo trộn của hơi nớc, nớc hoặc
băng trong mây, và nớc ma hoặc tuyết.

2.5 Tham số hóa vật lý trong mô hình
Trong mục này sẽ trình bày những đặc điểm quan trọng nhất về các sơ đồ tham số
hóa vật lý hiện đang sử dụng trong RegCM3.
2.5.1 Sơ đồ bức xạ
RegCM3 sử dụng sơ đồ bức xạ của NCAR CCM3, đợc mô tả trong (Kiehl et al.
1996). Một cách tóm tắt, các thành phần bức xạ mặt trời dùng để tính ảnh hởng của
O
3
, H
2
O, CO
2
, và O
2
, theo gần đúng Eddington của (Kiehl et al. 1996). Nó bao gồm

17
18 khoảng phổ từ 0.2 đến 0.5 àm. Tham số hóa tán xạ và hấp thụ của mây dựa theo
(Slingo 1989), nhờ đó các thuộc tính quang học của các giọt mây nh sự suy giảm độ
dày quang học, albedo tán xạ đơn và các tham số phi đối xứng, đợc biểu diễn dới
dạng hàm lợng nớc lỏng của mây và bán kính hữu hiệu của các giọt mây. Khi mây
cumulus đợc hình thành, phần ô lới bị mây phủ phải sao cho độ phủ tổng cộng đối

với cột ô lới trải từ mực chân mây tính toán của mô hình đến mực đỉnh mây (đợc
tính khi giả thiết có sự chồng chất ngẫu nhiên) là hàm của khoảng cách ngang của ô
lới. Độ dày của lớp mây đợc giả thiết bằng độ dày của lớp mô hình, và hàm lợng
nớc trong mây đối với mây giữa và mây dới đợc cho là khác nhau.
2.5.2 Mô hình bề mặt đất
Tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đất đợc thực hiện bằng việc sử dụng
BATS1E (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) [6]. BATS là mô hình bề mặt đợc
thiết kế để mô tả vai trò của thực vật và tác động của độ ẩm đất trong việc làm thay đổi
sự trao đổi động lợng, năng lợng và hơi nớc giữa bề mặt và khí quyển. Mô hình có
một lớp thực vật, một lớp tuyết, một lớp đất bề mặt dày 10cm, một lớp rễ dày 1
2m, và
một lớp đất sâu thứ ba dày 3m. Các phơng trình dự báo đợc giải đối với nhiệt độ các
lớp đất khi sử dụng phơng pháp tác động
phục hồi mở rộng của Deardoff, 1978 [4].
Nhiệt độ tán lá và bề mặt tán đợc chẩn đoán qua phơng trình cân bằng năng lợng
khi có sự tham gia của các dòng hiển nhiệt, bức xạ, và ẩn nhiệt.
Việc tính toán thủy văn đất gồm có các phơng trình dự báo hàm lợng nớc
trong các lớp đất. Các phơng trình này tính đến giáng thủy, tuyết tan, nớc rơi xuống
từ tán lá, bốc thoát hơi, dòng chảy mặt, sự thấm phía dới tầng rễ, và sự trao đổi
khuếch tán của nớc giữa các lớp đất. Quá trình di chuyển nớc trong đất đợc mô tả
gần đúng bằng hàm giải tích nhận đợc từ những kết quả của mô hình đất phân giải
cao và cờng độ dòng chảy mặt đợc biểu diễn nh là hàm của cờng độ ma và mức
độ bão hòa của nớc trong đất. Độ dày lớp tuyết đợc dự báo từ lợng tuyết rơi, tuyết
tan và sự thăng hoa. Giáng thủy đợc giả thiết rơi xuống dới dạng tuyết nếu nhiệt độ ở
mực thấp nhất của mô hình đạt dới 271K.
Các dòng hiển nhiệt, hơi nớc và động lợng tại bề mặt đợc tính khi sử dụng hệ
số cản bề mặt tiêu chuẩn (standard) thành lập dựa trên cơ sở lý thuyết tơng tự của lớp
bề mặt. Hệ số cản phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và độ ổn định của khí quyển
trong lớp bề mặt. Cờng độ bốc thoát hơi bề mặt phụ thuộc vào lợng nớc sẵn có
trong đất. BATS có 20 loại thực vật [17]; kết cấu đất phân bố từ thô (cát) đến vừa phải

(mùn) và mịn (sét); và các màu đất khác nhau (sáng đến tối) để tính albedo của đất.
Những điều này đã đợc mô tả trong [7].

2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tinh
Sơ đồ lớp biên hành tinh, đ
ợc phát triển bởi Holtslag và cộng sự [17], dựa trên
khái niệm khuếch tán phi địa phơng trong đó có tính đến các dòng gradient ngợc

18
(countergradient) gây nên do các xoáy quy mô lớn trong khí quyển bất ổn định, xáo
trộn mạnh. Thông lợng xoáy thẳng đứng trong lớp biên đợc cho bởi









=
ccc
z
C
KF

(2.11)
trong đó

c

là hạng vận chuyển gradient ngợc mô tả sự vận chuyển phi địa phơng
do đối lu khô. Độ khuếch tán xoáy đợc cho bởi công thức phi địa phơng








=
h
z
zkwK
tc
2
1
(2.12)
trong đó k là hằng số Karman, w
t
là vận tốc đối lu rối, phụ thuộc vào tốc độ ma sát, độ
cao và độ dài Monin
Obhukov; và h là độ cao lớp biên. Thành phần gradient ngợc đối
với nhiệt độ và hơi nớc đợc cho bởi
hw
C
t
c
c
0

=
(2.13)
trong đó C là hằng số, bằng 8.5 và
0
c

là thông lợng nhiệt độ hoặc hơi nớc bề mặt.
Phơng trình (2.13) đợc áp dụng cho lớp nằm giữa đỉnh của lớp biên và đỉnh của lớp
bề mặt; lớp này đợc giả thiết bằng 0.1h. Ngoài lớp này và đối với động lợng,

c
đợc
giả thiết bằng 0.
Để tính độ khuếch tán xoáy và các thành phần gradient ngợc, độ cao lớp biên
đợc chẩn đoán từ
])()[/(
])()([
22
svs
c
hg
hvhurRi
h


+
=
(2.14)

trong đó u(h), v(h) và

v
là các thành phần gió và nhiệt độ thế vị ảo ở độ cao lớp biên, g
là gia tốc trọng trờng, Ri
c
r là số Richardson tới hạn và

s
là nhiệt độ thích hợp của
không khí gần bề mặt. Mô tả chi tiết hơn có thể xem (Holtslag et al. 1990) và (Holtslag
and Boville 1993).

2.5.4 Các sơ đồ giáng thủy đối lu
Có thể sử dụng một trong ba sơ đồ tham số hóa sau đây để tính giáng thuỷ đối
lu: (1) Sơ đồ Grell; (2) Sơ đồ Kuo sửa đổi; và (3) Sơ đồ Betts-Miller. Thêm vào đó, sơ
đồ tham số hóa Grell có thể áp dụng với một trong hai giả thiết khép kín: (1) khép kín
Arakawa và Schubert và (2) khép kín Fritsch và Chappell [17]. Từ đây ta sẽ gọi các giả
thiết khép kín này tơng ứng là AS74 và FC80.
1) Sơ đồ Grell
Tơng tự nh tham số hóa AS74, sơ đồ Grell xét mây nh là hai hoàn lu ổn
định: dòng đi lên và dòng đi xuống. Không xuất hiện xáo trộn trực tiếp giữa không khí
trong mây và không khí môi trờng, ngoại trừ tại đỉnh và đáy của các hoàn lu. Dòng