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
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC Tự NHIÊN
ĐẢNH GIÁ VAI TRÒ CỦA ĐỊA HÌNH VÀ ĐIÊU KIỆN MẶT ĐỆM
TRONG MÔ HỈNH s ố MÔ PHỎNG VÀ D ự BÁO KHÍ HẬU
KHU VỤC VIỆT NAM - ĐÔNG DƯƠNG
Mõ sô': ỌG .04.13
Chủ trì đ ề tòi: PGS. TS Phan Văn Tán
Cóc thành viên tham gia: TS Trần Quang Đức
ThS Vũ Thanh Hằng
CN Thái Thị Thanh M inh
CN Nguyễn Đăng Quang
CN Dư Đức Tiến
NCS Hồ Thị M inh Hà
NCS Bùi Hoàng Hải
_ OA;h; c CJỐC ~ |A
JVUNG ?Á"/THÒIVg Tr j 'Hư \Vệ(,
D T / 3 Ỹ 4
HÀ NỘI - 2005
BÁO CÁO TÓM TẮT ĐỂ TÀI
1. Tên đề tài: Đánh giá vai trò của địa hình và điều kiện mật đệm trong mô hình
sô' mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực Việt Nam - Đông Dương
2. M ã số: QG.04.13
3. C hủ 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 Dư 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 mỏ
phỏng/dự báo một số biến khí hậu bề mặt trên vùng lãnh thổ Việt Nam - Đông Dương
- Xác định được mức độ ảnh hưởng 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 Dương
2) Nội dung:
a) Nghiên cứu sơ đồ tham số hóa các quá trinh bề mặt
- Nghiên cứu phương pháp biểu diễn hiệu ứng bất đồng nhất địa hình và lớp phủ
bề mặt trong mô hình khí hâu
- 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 dưới lưới
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 phương pháp lồng ghép sơ đồ tính hiệu ứng bất đồng nhất địa hình
và lớp phủ bề mặt vào mô hình khí hâu khu vực RegCM
- Chạy mò hình RegCM để tính toán mỏ phỏng/dự báo cho các trường hợp:
+ Chưa tính đến bất đồng nhất bề mặt
ii
+ Tính đến bất đồng nhất do độ cao địa hình và lớp phủ bề mặt
+ Thỉtnghiộm hiộu ứng độ nhạy theo các sơ đồ tham số hóa đối lưu
- So sánh các trường hợp tính toán, đánh giá kết quả
6. Các kết quả dạt được:
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 lưới mô hình khí hậu khu vực
độ phân giải ngang 60 km trên khu vực từ 2°N đến 35°N và từ 85°E đến 125°E. Mức độ
bất đồng nhất độ cao địa hình và lớp phủ bề mặt được đánh giá khi độ phân giải của
mô hình bề mặt thay đổi theo hai phương án: 30x30 km và 20x20 km. Kết quả tính
loán cho thấy, ngoại trừ trôn bồ mặt biổn, hầu như các ô lựứi lúm Irên dâì lien (Jcu xày

ra sự bất đồng nhất. Khi tăng độ phân giải mô hình bề mặt, độ cao địa hình được mô tả
chi tiết hơn, số loại bổ mặt xuất hiộn trong các ô lưới mô hình phổ biến từ 2-3 loại khi
độ phản giải mô hình bề mặt là 30x30 km, và tăng lên có thể tới 5 -6 loại khi đô phân
giải tăng lên đến 20x20 km.
2) Đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 để mô phỏng khí hậu bề mặt
cho khu vực Đông Dương và Việt Nam trong thời kỳ 6-8/1997. Đồng thời đã khảo sát
hiệu ứng của tính bất đồng nhất qui mô dưới lưới của độ cao địa hình và loại bề mặt khi
chạy mô hình RegCM3 với các sơ đồ tham số hóa đối lưu theo 9 trường hợp thí
nghiêm. Kết quả mô phỏng trường nhiệt độ 2m trung binh và tổng lượng mưa từng
tháng được 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 trường nhiệt độ, nhưng đối với lượng mưa thì có sự
biến dổi mạnh giữa các thí nghiệm và tùy thuộc vào sơ đồ đối lưu. Hiệu ứng của tính
bất đổng nhất bồ mặt là nhỏ đối với trường nhiệt độ mô phỏng, nhưng nó dã làm biến
đổi đáng kể sự phân bố không gian của lượng mưa và ít ảnh hưởng đến tổng lượng mưa
toàn miền.
3) Nói chung trên khu vực Việt Nam - Đông Dương, nhiệt độ mô phỏng thấp hơn
so với số liệu CRU khoảng vài độ, nhất là trong những trường hợp sử dụng các sơ dồ
đối lưu AS74 và FC80. Trong các sơ đồ đối lưu, sơ đồ Kuo cho lượng mưa mô phỏng
vượt quá quan trắc ở các vùng Nêpan, Myama, và thấp hơn quan trắc ở khu vực Việt
Nam và Đông Dương, trong khi đó các sơ đồ AS74 và FC80 thường cho lượng mưa mô
phỏng vượt quá quan trắc hầu như trên toàn miền tính.
4) Ảnh hưởng của tính bất đồng nhất bề mặt không được thể hiện rõ trong các
trường nhiệt độ và lượng mưa khi chạy với sơ đồ Kuo, nhưng khi chạy với các sơ đổ
AS74 và FC80 nó đã làm thay dổi đáng kể cấu trúc không gian của lượng mưa tùy
thuộc vào độ phân giải của mô hình bề mật. Ảnh hường quan trọng nhất của việc tăng
độ phân giải mô hình bề mặt là mô tả chi tiết hơn cấu trúc qui mô dưới lưới của lượng
mưa trên khu vực Đông Dương. Trong số các sơ đồ đối lưu, sơ đồ AS74 với việc đưa
vào tính bất đồng nhất bể mật qui mô dưới lưới dường như cho kết quả mô phỏng lượng
mưa phù hợp hơn với quan trắc CRU.
5) Tính bất đổng nhất bề mặt qui mô dưới lưới cũng có ảnh hường tới các dặc

điểm khác của bề mặt, như hàm lượng nước trong các lớp đất, dòng chảy mặt, các dòng
ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và hiển nhiệt, mặc dù những ảnh hường này nói chung la nhỏ.
iii
7. Tình hình kinh phí của đề tài
Tổng kinh phí được 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
—
PGS. TS Phạm Văn H uấn
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI
PGS. TS P han Vãn Tán
CỦA TRƯỜNG
Phó H iệu 1 RUÓNC.
iv
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. P roject L ead er: Assoc. Prof. Dr. Phan Van Tan
4. M em bers: 1) Dr. Tran Quan Due
2) M.Sc Vu Thanh Hang
3) B.Sc Thai Thi Thanh Minh
4) B.Sc Nguyen Dang Quang
5) B.Sc Du Due 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 V ietnam -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:
+ W ithout 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
V
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"N-35"N and
85°E-125°E. Heterogeneity of subgrid scale of terrain high and landuse are determined
with two resolutions of the land surface model: 30x30 km and 20x20 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 30x30 km, and increased up to
5-6 types in the case of land surface model resolution is 20x20 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-A ugust 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 -tem perature and rainfall of
all experiments are compared to CRU data set and to each others. The results show
that, the 2m -tem peratures 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.
7. Funding:
Total support: 60.000.000 VND
Received: 60.000.000 VND
Spent: 60.000.000 VND
vi
MỤC LỤC
Mở đ ầ u 2
Chương 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí h ậ u 4
1.1 Vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình khí h ậ u 4
1.2 Ảnh hưởng của bất đồng nhất do địa hình và lớp phủ bề mặt đối với các dòng
trao đổi đất - khí quyển 7
1.3 Phương pháp tính đến bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề m ật

9
Chương 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực RegCM 11
2.1 Sơ lược lịch sử phát triển 11
2.2 Hệ thống lưới tọa độ ngang và thẳng đứng của RegC M 13
2.3 Phép chiếu bản đồ và nhân tố bản đ ồ 13
2.4 Động lực học của mô h ìn h 15
2.5 Tham số hóa vật lý trong mô h ìn h 16
2.5.1 Sơ đồ bức x ạ 16
2.5.2 Mô hình bề mặt đất 17
2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tin h
17
2.5.4 Các sơ đồ giáng thủy đối lư u 18
2.5.5 Sơ đồ giáng thủy qui mô lưới 23

2.5.6 Tham số hóa các dòng từ đại dương
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 m odel)
26
2.6 Điểu kiện biên trong R egCM 27
Chương 3: Kết quả tính toán và nhận x é t 28
3.1 Số liệu ban đầu và thiết kế thí nghiệm 28
3.2 Đưa hiệu ứng bất đồng nhất bề mặt và độ cao địa hình vào mô hình RegCM 3 30
3.3 Khảo sát mức độ bất đồng nhất bề mặt trong khu vực nghiên cứ u

32
3.4 Ảnh hưởng của bất đồng nhất đến trường nhiệt độ mô phỏng 33
3.5 Ảnh hưởng của bất đồng nhất đến lượng mưa mô p h ỏ n g

39
Kết luận và kiến nghị 53
Tài liệu tham khảo 56
Phiếu đăng ký kết quả nghiên cứu K H -C N
58
MỞ ĐẨU
Trong nghiên cứu và dự báo khí hậu bằng mô hình số, địa hình thường được làm
trơn bằng cách thay thế độ cao thực bởi độ cao đại diện cho từng ô lưới. Việc làm trơn
này có ảnh hưởng đáng kể đến kết quả dự báo các biến trường 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 được
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 lưới. Bên cạnh độ cao địa hình, mật đệm
cũng đóng một vai trò hết sức quan trọng đối với điếu kiện khí hậu của mọi khu vực.
Sự biến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của albedo cũng như khả nãng 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 hơi nước 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 các quá
trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển, và chúng được tham số hóa thông qua các
mô hình trao đổi bề mặt (Earth Surface Exchange Model - ESEM).
Trong những năm gần đây, người ta đã cố gắng đưa các quá trình tương 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 tương tác này nhằm mô tả định lượng các cơ chế hồi tiếp cũng chỉ mới được thực
hiện ở mức độ nhất định. Các quá trinh trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan
tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, hiển nhiệt và hơi nước
qua mặt tiếp xúc khí quyển - bề mặt; các nguồn năng lượng và nước trong lớp đất gần
bề mặt; các nguồn năng lượng và nước trong các tán cây; và các quá trình hình thành,
tan tuyết. Hiện nay người 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 hướng này là
mô hình RegCM (Regional Climate Model). RegCM được xây dựng trên cơ sở mô
hình MM4 (Mesoscale Model version 4), nhưng kế thừa và phát triển sơ đồ mô tả các
quá trình tương tác đất - khí quyển của CCM (Community Climate Model).
Ngoài việc lồng những quá trình tương tác đất - khí quyển vào các mô hình khí
hậu, người 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 tương tác đất - khí quyển. Trong những mô hình
này, các tính chất của bề mặt được xem như nhữug tham số biến đổi, còn các dòng bức
xạ, hiển nhiệt, ẩn nhiệt, nước, sẽ là những biến cần khảo sát. Điều kiện khí hậu được
phản ánh thông qua sự biến thiên của các biến này.

Ở Việt Nam, hướng nghicn cứu này đã được dề cập đến thông qua một thừ
nghiệm mô phỏng mưa 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
2
bước đầu thu được một số thành quả trong việc nghiên cứu ảnh hường của tính bất
đồng nhất bề mặt đối với các dòng trao đổi năng lượng, 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 nước ta.
Do nhiều điều kiện khác nhau, bài toán này hiện chỉ mới dừng lại trong phạm vi các
mô hình thống kê. Như đã biết, hạn chế của các mô hình thống kê là phụ thuộc vào độ
dài và chất lượng của tập số liệu sử dụng. Hơn nữa, do tính chất vốn có, các mô hình
này chỉ có thể nắm bắt được những hiện tượng mang tính qui luật, và sẽ cho kết quả sai
khi gặp những hiện tượng khí hậu đột biến.
Để có thể nâng cao chất lượng 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 được đặt ra như là một
quá trinh kế tiếp giai đoạn 2002-2003, nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của độ cao địa
hình và điều kiện lớp phủ bề mặt đối với kết quả mô phỏng và dự báo các trường 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 được trình bày trong ba chương:
Chương 1. Tham số hoá các quá trình trao đổi bề mặt trong mô hình khí hậu.
Trong chương này trình bày vị trí của mô hình trao đổi bề mặt trong mô hình hệ thống
khí hậu, ảnh hưởng của tính bất đồng nhất địa hình và lớp phủ bề mặt đến kết quả mô
phỏng/dự báo các biến trường khí hậu, và phương pháp biểu diễn tính bất đồng nhất
này trong các mô hình khí hậu.
Chương 2. Giới thiệu về mô hình số mô phỏng và dự báo khí hậu khu vực
RegCM. Trong chương này giới thiệu sơ lược 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.

Chương 3: Kết quả tính toán và nhận xét. Đây là nội dung trong 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 như các sơ đồ tham số
hóa vật lý. Việc so sánh, phàn tích những kết quả tính toán, mô phỏng với tập số liệu
quan trắc CRU cũng được tiến hành và trình bày trong chương này.
Đề tài này được 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, trường 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 tượng Thủv vãn và Hải
dương học, cũng như sự đóng góp ý kiến của các nhà khoa học, các đồng nghiêp tham
gia đề tài và tập thể cán bộ của Bộ môn Khí tượng. Nhân đây chúng tôi xin bày tỏ lòng
biết ơn chân thành.
3
CHƯƠNG 1. THAM s ố HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH TRAO Đ ổ i BỂ MẶT
TRONG MÔ HÌNH KHÍ HẬU
1.1 VỊ TRÍ CỦA MÔ HÌNH TRAO Đ ổi BÊ MẶT TRONG MÔ HÌNH KHÍ HẬU
Vấn đề cơ bản của tương tác đất-khí quyển (land-atmosphere interaction) là sự
trao đổi ẩm và năng lượng giữa hai thành phần này. v ề mặt lịch sử, nhiều khía cạnh
quan trọng của quá trình tương tác này đã được xem xét đến trong các lĩnh vực liên
quan với vi khí tượng, khí tượng nông nghiệp, khí tượng rừng, lớp biên hành tinh, và
thủy văn. Gẩn đây hơn, tương tác đất - khí quyển cũng đã được ghi nhận là vấn đề
quan trọng trong việc nghiên cứu chu trình sinh địa hóa, khí hậu, khí tượng qui mô vừa,
và dự báo thời tiết bằng phương pháp số trị. Trên thực tế, bề mặt đất được xem là thành
phần cơ bản của hệ thống khí hậu từ khi bắt đầu Chương trình Nghiên cứu Khí hậu
Toàn cầu (World Climate Research Programme - WCRP), và nó đã được đưa vào mô
hình hoàn lưu chung (General Circulation Model - GCM) dưới dạng khá đơn giản.
Các dòng ẩm và nhiệt từ bề mặt đất đóng vai trò quyết định sự phân bô' của nhiệt
độ, hơi nước, 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

tương tác xảy ra giữa chúng. Đây cũng là một trong những vấn đề hiện nay đang được
nghiên cứu. So với bề mặt đại dương, 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 ướt, từ khí
hậu nhiệt đới đến khí hậu cực. Trên bề mặt đất, nhiệt dung nhỏ, khả năng tích lũy nước
hạn chế, dẫn đến sự biến động ngày đêm của điều kiện nhiệt, ẩm mạnh hơn rất nhiều
so với trên bề mặt đại dương, và tạo ra những tác động trực tiếp hơn đến sự biến đổi
nãng lượng và ẩm đi vào khí quyển, gây nên sự biến đổi các tính chất của mây và giáng
thủy. Khả nãng hạn chế đối với việc tích lũy nhiệt và nước kết hợp với bản chất bất
đồng nhất của đất phía dưới, của lớp phủ thực vật cũng như 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 bế mặt được xem là
đồng nhất ra sao, chúng có thể chi phối hoàn lưu qui mô vừa, tác động đến những điều
kiện qui mô lớn như thế nào, là những vấn đề cốt yếu mà hiện nay đang được 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 da 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 lưới mô hình, hoặc với một dạng bề mặt giả thiết cụ thể nào đó, hoặc lấy
4
trung bình trên các dạng bề mặt thực tế. Những sơ đồ tham số hóa gần đây đã đưa 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 được 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 dưới dạng
khảm (mosaic) các bề mặt đồng nhất, mỗi một loại là một phần nào đó của tổng diện
tích ô lưới. Các biến đự báo, như độ ẩm đất và nhiệt độ đất, khi đó được 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 để 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 tương tác với bể mặt đất thông qua sự trao đổi động lượng, nãng lượng,
nước và các hợp phần hoá học khác. Bề mặt làm tiêu hao động lượng đối với hoàn lưu
khí quyển do sức cản bé mặt cũng như làm tiêu hao nguồn nước thông qua bốc hơi trên
đất và đặc biệt là trên biển. Sự trao đổi bức xạ, hiển nhiệt và hơi nước giữa bề mặt - khí
quyển đóng vai trò cơ bản trong việc hình thành và duy trì hoàn lun 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 lưu Hadley. Hơn nữa, những tác động của bề mặt làm ảnh
hưởng đáng kể đến khí hậu cả trên qui mô lớn, qui mô vùng và địa phương (Giorgi &
Mearns, 1991 [11]). Tương tự, ứng suất gió và các dòng năng lượng và nước bề mặt
trên đại dương là cơ chế tác động chính tạo ra hoàn lưu biển khu vực và toàn cầu
(Niiler 1992, [10]).
Hình 1.1 Sơ đố biểu diễn một dạng đơn giản có thê’ của mõ hình hệ thống khí hậu (CSM) trong
đó ESEMs đóng vai trò giao diện giữa các thành phẩn
5
Theo truyền thống, trên đất liền, các mô hình trao đổi bề mặt được xem như là
công cụ để tính các dòng động lượng, năng lượng và nước bề mặt cho các mô hình khí
quyển (AM) khi cho trước tập các tham số biểu thị tính chất bề mặt đất. Tuy nhiên,
trong các mô hình hộ thống khí hậu hiện nay, mô hình trao đổi bế 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 được các dòng bề mặt, mô hình trao đổi bề mặt đòi hỏi phải
được cung cấp một số biến bé mặt, như lớp phủ thực vật và các tính chất của nó. Trong
một số mô hình hiện nay, các biến này được cho dưới dạng tập các số liệu đầu vào. Tuy
nhiên, trong những mô hình kết hợp như trên hình 1.1 giá trị các biến này được tạo
thành trong sự tương tác lẫn nhau giữa các mô hình hệ sinh thái, mà đến lượt mình các
mô hình này sử dụng các biến khí hậu và nguồn nước bể mặt tạo nên bởi mô hình trao
đổi bể mặt để mô phỏng động lực học hệ sinh thái.
Hình 1.2 là một ininh họa cho vai trò giao diện của mô hình trao đổi bề mặt trong

mô hình hộ 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 sô' trao đổi nhiệt, ẩm từ sơ đồ tham sô' 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, nước (bốc hơi), , và lượng nước dư thừa
biến thành dòng chảy mặt. Sự kết hợp nước trong khí quyển và nước tại bề mặt về cơ
bản xảy ra thông qua sự phân chia giáng thuỷ thành bốc hơi, dòng chảy và nước thấm
xuống đất sâu. Các mô hình khí hậu hiện nay nói chung tính dòng chảy như là phần
còn lại của lượng giáng thuỷ sau khi đã bốc thoát hơi và cán cân nước của lớp đât 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
tương tác với các lớp nước dưới sâu (Freeze 1978, Dooge 1986 [23]). Do đó cần phải
có các mô hình thuỷ văn để có thể tính được những hiệu ứng đó khi xác định dòng
chảy hữu hiệu và sự trao đổi nước với đất dưới sâu. Các mô hình trao đổi bổ 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 nước của lớp đất bề mặt, nơi các quá trình sinh lý xảy ra (tức sự
bốc thoát hơi) và cung cấp nguồn này như là điều kiện biên cho modul thuỷ văn.
K i li Q U T Ể N
Phướng Iflĩ»h
nhièt dông
Đút xạ
Phương trinh
chuyên dộng
Tham só hoá rối
Phưttng trình Ị
bào toàn ni/ớc
Thi số hoổ mây Ị
Hiến
n h ự t
D ú t xạ

, ỵ Oiling tliuỳ
Hình 1.2 Vai trò giao diện của mò hình đất trong mõ hinh hệ thòng khí hậu
6
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 dưới 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 bê mặt.
1.2 ẢNH HƯỞNG CỦA BÂT ĐỔNG NHẤT DO ĐỊA HÌNH VÀ LỚP PHỦ BỂ MẶT
ĐỐI VỚI CÁC DÒNG TRAO Đ ổi ĐẤT - KHÍ QUYEN
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 dược bởi các mô hình
số. Viộc biểu diễn được các quá trình này trong các mô hình là rất cần thiết. Chẳng
hạn, sự hình thành mây đối lưu xảy ra trên các qui mô nhỏ hơn nhiều so với qui mô
nãm bắt được của các mô hình khí hậu với độ phân giải có thể đạt được 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 lưới 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, như 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 dương-băng biển, v.v.
Khó khăn trong vấn đề mô tả ảnh hưởng của các quá trình bất đồng nhất qui mô
dưới lưới 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 v à nếu k ý hiệu dấu gạch ngang trên chỉ v iệc lấy trung bình ô lưới của
mô hình số, khi đó sẽ xảy ra các hệ thức sau:
ĨÕ Õ * F (~ X ), G (7)* G (~ y) (
1
.

1
)
F (x )G (y ) * F (x )G (y ) * F(~x)G(y) (1.2)
Điều đó có nghĩa là, những ảnh hưởng trung binh ô lưới của biến bất đồng nhất .V
đến quá trình F không thể biểu diễn được bằng cách lấy trung bình ô lưới của X (để
nhận được X trước) rồi sau đó áp dụng hàm F cho X (biểu thức 1.1), và ảnh hưởng kết
hợp trung bình ô lưới của tính bất đồng nhất trong cả F(x) và G(y) không thể được tính
một cách đơn giản từ ảnh hường trung bình của các hàm riêng biệt F(x) và G(y)\ tức là
còn tồn tại cấc hạng tử khác nữa. Ta sẽ gọi những ảnh hưởng nhận được từ (1.1) và
(1.2) là những ảnh hưởng 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 “díu bằng”
để áp dụng thực tiễn. Tinh huống phức tạp thứ hai xuất hiện khi tính bất đồng nhất gây
ra các hoàn lưu (khí quyển hoặc đại dương) không nấm bắt được một cách rõ ràng
bằng mô hình số. Nếu có liên quan, ảnh hưởng của những hoàn lưu này cần được mô tả
hoặc tham số hóa bằng cách nào đó trong mô hình. Ta sẽ gọi dạng ảnh hường của tính
bất đồng nhất thứ hai này là những ảnh hưởng động lực.
7
Cả ảnh hưởng kết hợp và ảnh hưởng 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 được đặc trưng bởi tính bất đồng nhất không gian rõ rệt xảy ra trên
phạm vi rộng lớn và hầu như biến thiên liên tục với mọi qui mô, từ dưới một mét đến
vài trãm km. Trên thực tế, điều đó đã được 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 được đưa ra bởi Avissar [3], người đã đo kháng trở khí khổng của thực vật
(là đại lượng qui định sự bốc thoát hơi) trong một thửa ruộng khoai tây và nhân thấy
rằng nó tuân theo phân bố tựa chuẩn lôga theo sự biến động trong môi trường vi mô lá
(độ nghiêng, hướng, 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 lượng, năng lượng, nước 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 hưởng bởi sự tiến triển của các hệ sinh thái đất cũng
như chu trình nước bề mặt. Hơn nữa, đất và đại dương kết hợp với nhau cả về mặt vật
lý và sinh học, thông qua dòng chảy sông và gió đất - biển phát triển d ọc các vùng bờ
biển. Để nắm bắt được những tương 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 tương tác phức tạp này
được gọi là các sơ đồ truyền đất-thực vật-khí 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 được độ phân giải vài chục km [13], Tuy nhiên, như 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
được bởi các mô hình toàn cầu và mô hình khu vực. Do đó cần phải đưa vào những
phương pháp tham số hóa ảnh hưởng của tính bất đồng nhất bề mặt qui mô dưới lưới
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 được đề xuất trong thập kỷ qua để mỏ tả những ảnh
hưởng kết hợp và ảnh hưởng 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 dưới lưới của các tính chất bề mặt đất đối với các nguồn năng lượng và nước
trung bình ô lưới và sự trao đổi động lượng, năng lượng và nước 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 hưởng của các hoàn lưu khí quyển gây ra bởi tính bất đồng nhất bề mặt. Các
hoàn lưu này có qui mô nhỏ như rối lớp biên hành tinh đến qui mô vừa cùa gió đất -
biển, gió sườn dốc.
1.3 PHƯƠNG PHÁP TÍNH ĐẾN BẤT ĐỔNG NHẤT ĐỊA HÌNH VÀ LỚP PHỦ
BỀ MẬT
Địa hình có vai trò thúc đẩy mạnh các quá trình động lực đến hoàn lưu khí quyển,

còn bề mặt đất trao đổi động lượng, năng lượng, nước và các hợp phẩn hóa học với khí
quyển. Như là hộ quả, sự tương tác đất-khí quyển có tác động thực sự đến thời tiết và
khí hậu, và đến chu trình nước và năng lượng của hệ thống khí hậu [2,6]. Những tương
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 trường hợp, bề mặt đất được đặc trưng 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 được nhận thấy qua sự phân bô' phức tạp của địa
hình và hàm lượng nước trong đất [11] cũng như 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 hưởng của nó đến khí hậu không
thể biểu diễn được một cách rõ ràng. Việc sử dụng các mô hình khí hâu khu vực
[11,13] và các mô hình có độ phân giải biến đổi [11] cho phép tãng độ phân giải lên
khoảng một bậc đại lượng. Tuy nhiên, những mô hình này đòi hỏi khất khe về tính toán
và do đó chỉ cho phép tăng độ phân giải đến một giới hạn nhất định. Bước trung gian
hướng 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 như vậy được để 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 được chia thành: 1) phương pháp rời
rạc hóa (hay còn gọi là phương pháp khảm), và 2) phương pháp liên tục (còn gọi là
phương pháp sử dụng hàm mật độ xác suất - PDF). Trong phương pháp khảm, ô lưới
mô hình được chia thành một số ô lưới con hoặc các mảnh ô vuông. Việc tính toán các
quá trình bể mặt đất được thực hiện tách biệt cho từng ô con và các dòng trao đổi
đất—khí quyển sau đó được tập hợp lại ở qui mô lưới thô ban đầu. Các ô lưới con được
chia dựa trên cơ sở loại đất sử dụng [2], độ cao địa hình, hoặc địa hình và đất sử dụng
địa phương [24], Nói chung, các kỹ thuật phân bố lại và tập hợp lại đơn giản được sử
dụng để trao đổi thông tin giữa lưới thô và các ô lưới con. Tuy nhiên, trong một sô'
trường 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 phương pháp PDF, các biến bất đồng nhất được biểu diễn qua hàm mật độ
xác suất thực nghiệm hoặc lý thuyết, và những quá trình có liên quan được kết hợp lại
qua hàm mật độ xác suất thích hợp. Việc tham sổ hóa các hiệu ứng của hoàn lưu qui
mô vừa có tổ chức cũng có thể được đưa vào thông qua việc biểu diễn tính bất đồng
nhất bề mặt đất [11]. Tuy nhiên, tất cả những phương pháp này đều có những ưu 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.
9
Bất chấp phương pháp nào được sử dụng, các công trình trước đây đểu chỉ ra một
cách rõ ràng rằng, tính bất đồng nhất qui mô dưới lưới gây nên bởi điều kiện địa hình
và đất sử dụng có thể ảnh hưởng một cách sâu sắc đến khí hậu và các nguồn nãng
lượng và nước bề mặt, đặc biệt ở qui mô vùng và địa phương. Bởi vậy cần thiết phải
đưa 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). Phương pháp này cũng đã được 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 được trình
bày trong chương sau. Các sơ đồ dựa trên phương pháp khảm đòi hỏi tính toán nhiều
hơn so với các sơ đồ dựa trên phương pháp PDF, nhưng chúng có ưu 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 lưới thô của mô hình được chia thành N ô lưới
con (vuông) đều nhau, với mỗi ô lưới con đó, việc tính toán bề mặt được thực hiện một
cách độc lập. Đặc biệt sơ đồ cho phép lựa chọn một cách mềm dẻo các ô lưới con dựa
trên thông tin về địa hình và đất sử dụng địa phương. Hahmann và Dickinson [12] đã
đưa phiên bản của sơ đồ này vào mô hình khí hậu toàn cầu và đã nhận thấy rằng khí
hâu 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 dưới lưới và không thực hiện sự phân bố lại các biến khí hậu từ
lưới thô cho các ô lưới con. Đó là những đặc điểm quan trọng khi áp dụng sơ đồ

SGD94.
Trong đề tài này, địa hình qui mồ dưới lưới được sử dụng như là một biến mà dựa
vào đó cấc biến khí hậu gần bề mặt sẽ được phân bố lại từ ô lưới thô của mô hình đến
các ô lưới con trong sơ đồ tính các dòng trao đổi bề mặt - khí quyển. Như vậy, việc
tham số hóa các quá trình bể mặt qui mô dưới lưới ở đây sẽ bao gồm các bước sau:
1) Chia ô lưới mô hình thành N ô lưới con và xác định loại lớp phủ bề mặt, độ cao
địa hình cho từng ô lưới con
2) Dựa vào độ cao địa hình của từng ô lưới con, thực hiện sự phân bô' lại các biến
khí quyển là đầu vào cho mô hình trao đổi bề mặt. Trong phạm vi của đề tài, chúng tôi
thực hiên 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 lưới con riêng biệt để nhận được các
dòng năng lượng và nước tương ứng
4) Tổng hợp (kết hợp) các dòng bề mặt của tất cả các ô lưới con trong từng ô lưới
mô hình để nhận được các dòng tương ứng của ô lưới mô hình làm đầu vào cho mõ
hình khí quyển.
Chi tiết hơn vé các quá trình này sẽ được trình bày trong chương 3.
10
CHƯƠNG 2. GIỚI THIỆU VỂ MÔ HÌNH s ố MÔ PHỎNG VÀ D ự BÁO
KHÍ HẬU KHU V ự c REGCM
2.1 Sơ LƯỢC LỊCH s ử PHÁT TRIEN
Ý tưởng sử dụng các mô hình khu vực hạn chế (Limited Area Models - LAMs)
đổ nghiên cứu khí hậu các khu vực nhỏ đã được Dickinson và Giorgi [17] đề xuất đầu
tiên. Ý tưởng này dựa trên khái niệm lồng (nest) một chiều, trong đó các trường khí
tượng qui mô lớn nhận được từ mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) đóng vai trò
cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiộn biên phụ thuộc thời gian (LBC) cho mô
hình mô phỏng khí hậu khu vực (RCM), nhưng không có sự tương tác ngược từ RCM
đối với các trường điều khiển GCM.
Mô hình khí hậu khu vực NCAR RegCM (hay gọi tắt là RegCM) đã được 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

(NCAR-PSU) 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
được, thỏa mãn cân bằng thủy tĩnh và sử dụng tọa độ thẳng đứng ơ. Cốt lõi động lực
học của RegCM tương tự như phiên bản MM5 thủy tĩnh.
Để áp dụng MM4 cho nghiên cứu khí hậu, một số sơ đồ tham số hóa vật lý đã
được 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 đưa 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 N CAR-CCM (Community Climate Model) phiên
bản 1 (CCM1), sơ đồ lớp biên hành tinh địa phương độ phân giải trung binh, sơ đồ đối
lun 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 đổ số hóa của RegCM đã được
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 NCAR-CCM 2, và mô hình qui mô vừa MM5 [17]. Cụ thể,
toàn bộ sơ đồ truyền bức xạ, sơ đồ lớp biên phi địa phương của Holtslag và cộng sự đã
thay thế sơ đồ lớp biên địa phương cũ, sơ đồ mây đối lưu dòng khối của Grell được đưa
vào như một tùy chọn, và phiên bản BATS1E [6] cũng đã được đưa vào mô hình.
Trong vài năm gần đày, một số sơ đồ vật lý mới đã được phát triển và chúng đã
được sử dụng để cải tiến RegCM, chẳng hạn các sơ đồ vật lý của phiên bản CCM3.
Trước hết, sơ đồ truyền bức xạ CCM2 đã được thay thế bởi sơ đồ của CCM3. Trong sơ
đổ truyền bức xạ CCM2 đã tính đến các hiệu ứng của H20 , 0 3, 0 2, C 0 2 và mây. Sự
truyền bức xạ mặt trời đã được xử lý theo cách tiếp cận cùa Ô-Edđington và bức xạ
11
mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ phủ mây, hàm lượng nước lỏng trong
mây, và bán kính giọt nước hữu hiệu của mây. Sơ đồ truyền bức xạ CCM3 giữ nguyên
cấu trúc như trong CCM2, nhưng nó đưa vào một số đạc điểm mới như ảnh hưởng của
việc gia tăng các khí nhà kính (N 02, CH4, 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
mưa. Sơ đồ ẩm hiện ban đầu của Hsie và cộng sự đã được 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 đưa vào một phương trình dự báo đối với nước trong
mây, nó có tính đến sự hình thành nước mây, sự bình lưu và xáo trộn do rối, sự tái bốc
hơi trong các điều kiện gẩn bão hòa, và sự chuyển thành mưa qua thành phần tự động
chuyển đổi. Điểm mới chính của sơ đồ này là không có tiến trình vi vật lý đơn giản,
nhưng trong thực tế biến nước mây đã dự báo sẽ được sử dụng irực tiếp trong tính toán
bức xạ mây. Trong các phiên bản trước của mô hình, các biến nước mây để tính toán
bức xạ đã được chẩn đoán dưới dạng độ ẩm tương đối địa phương. Đặc điểm mới này
đưa vào một yếu tố rất quan trọng và có ảnh hưởng sâu rộng là sự tương tác giữa chu
trình nước mô phỏng và những tính toán các nguồn năng lượng.
Cuối cùng, một khía cạnh quan trọng của sự phát triển mô hình là mở rộng cấu
hình lưới mô hình, bằng cách đó độ phân giải ngang của mô hình là tương 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 “lưới giãn” được
trình bày bởi Qian và cộng sự [17]. Tuy nhiên, trong phiên bản mới RegCM3 lại không
có tùy chọn “lưới giãn”. Những đặc điểm mới khác trong RegCM3 bao gồm những cải
tiến trong việc kết hợp với mô hình hồ và đưa vào mô hình xử lý các hợp chất hóa học
với khả năng tương tác bức xạ [17].
So với các phiên bản trước, 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 mưa và mây qui mô lớn mà nó có tính đến sự thay đổi qui mô dưới lưới của mây,
các sơ đồ tham sô' hóa mới đối với các dòng bề mặt biển của Zeng [17], và sơ đổ đối
lưu cumulus Betts (1986), tham số hóa kiểu khảm sự bất đồng nhất qui mô dưới lưới do
địa hình và đất sử dụng [12].
Ngoài ra, RegCM3 có thêm một số đặc điểm mới liên quan đến sô' 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 được 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 ECMW F được sử dụng
làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên.
Về tổ chức chương trinh, 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 nhiêt
độ bề mặt biển) và số liệu các trường khí tượng ba chiều trên các mặt đảng áp đã được
nội suy theo phương ngang từ lưới 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
12
Conformal, hoặc Polar Stereographic. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất về hệ tọa
độ ơ của RegCM cũng được thực hiện. Các mặt ơ gần bề mặt bám sát địa hình, và các
mặt ơ ở những mực cao hơn có xu hướng gần với các mặt đẳng áp.
2.2 HỆ THỐNG LƯỚI TỌA ĐỘ NGANG VÀ THANG đ ú n g c ủ a REGCM
Mô hình RegCM nhận và phân tích số liệu trên các mặt áp suất, nhưng các sổ liệu
này sẽ được nội suy về hệ tọa độ thẳng đứng trước khi đưa vào mô hình. Hệ tọa độ
thẳng đứng trong RegCM tuân theo địa hình (hình 2.1), tức là các mực lưới phía dưới
lượn theo địa hình trong khi các mặt trên cao thì phẳng hơn. Các mực giữa dãn phảng
dần khi áp suất giảin đến đỉnh của mô hình. Tọa độ thẳng đứng vô thứ nguyên ơ được
sử dụng để xác định các mực mô hình, trong đó p là áp suất, p, là hằng số chỉ áp suất
tại đỉnh mô hình, ps là áp suất bề mặt
ơ = ■ < £ -& ! (2.1)
(P s - P ',)
CÓ thể nhận thấy từ phương trình (2.1) và từ hình 2.1 rằng, ơ bằng 0 tại đỉnh mô
hình và bằng 1 tại bề mặt, và mỗi mực mô hình được xác định bởi giá trị của ơ. Độ
phân giải thẳng đứng của mô hình được 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 người dùng.
Lưới tọa độ ngang sử dụng trong mô hình là lưới xen kẽ kiểu Arakavva-Lamb B,
trong đó bao gồm các điểm nút lưới (dot points) và các điểm tâm ô lưới (từ dây gọi là
tâm lưới - cross points) (hình 2.2). Các biến vô hướng (T, q, p , ) được xác định tại
các tâm lưới, trong khi các thành phần gió hướng đông (u) và hướng nam (v) được đặt ở
nút lưới. Do đó vận tốc ngang được xác định tại các nút lưới. Số liệu đầu vào của mô
hình được nội suy về các điểm lưới (nút lưới hoặc tâm lưới) một cách nhất quán thông

qua quá trình tiến xử lý. Tất cả các biến ở trên được xác định tại giữa các lớp thảng
đứng của mô hình, gọi là các mực giữa hay các mực phân (half-levels) và được biểu
diễn bằng các đường đứt quãng trên hình 2.1. Thành phần vận tốc thẳng đứng được xác
định tại các mực nguyên (full-levels) và được biểu diễn bằng các đường liến nét. Khi
xác định các mực ơ, những mực nguyên luôn được liệt kê ra, kể cả các mực ơ=0 và
ơ = l. Số lớp của mô hình vì vậy luôn luôn nhỏ hơn số mực nguyên ơ.
2.3 PHÉP CHIẾU BẢN Đ ổ VÀ NHÂN T ố BẢN Đ ổ
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 M ercator: cho vùng vĩ độ thấp, và
4) Rotated M ercator: cho tùy chọn thêm.
13
Hình 2.1 Sơ đồ biểu diễn cấu trúc lưới thẳng đứng của RegCM
(I Y ,1 ) (IY .J X )
X X X X
X
X
X X
X
X
X
X
X X X X X X
X
X
X
X
X
X

X X X X X X
X X X X
X
X
(1 .1 ) J - > (1.JX)
Hình 2.2 Sơ đổ biểu diễn cấu trúc lưới ngang kiểu Arakawa-B trong RegCM
Các hướng X và y trong mô hình không tương ứng với các hướng tây-đông và
nam -bắc, ngoại trừ đối với phép chiếu Normal Mercator, do đó gió quan trắc nói
chung sẽ được quay theo lưới mô hình, và các thành phần gió u và V của mô hình cần
phải được quay trước khi so sánh với gió quan trắc. Những phép biến đổi này dược thực
hiện trong quá trình tiền xử lý mô hình để cung cấp số liệu trên lưới mô hình, và trong
quá trình xử lý sau khi IT1Ô hình tính toán. Nhân tố bản đồ m được định nghĩa bời
m = (khoảng cách trên lưới) / (khoảng cách thực trên trái đất)
14
Giá trị của m thường gần bằng 1 và biến đổi theo vĩ độ. Các phép chiếu trong mô
hình bảo toàn hình dạng của các miển nhỏ, sao cho d x-d y ở mọi nơi, nhưng độ dài lưới
biến đổi trong miền để cho phép biểu diễn mặt cầu trên mặt phẳng. Nhân tố bản đổ cẩn
phải được tính đến trong các phương trình mô hình ở những nơi gradient ngang được sử
dụng.
2.4 ĐỘNG L ự c HỌC CỦA MÔ HÌNH
Các phương trình động lực học của mô hình, và việc rời rạc và hóa sô' chúng được
mô tả một cách chi tiết bởi Grell [17]. Sau đây sẽ dẫn ra một số đặc điểm chính.
Các phương trình động lượng ngang
dp’ll
õ T
2(õp’mt/m dp'vulnt\ õp’liớ
dx
õy
dpv
dí

- mp
- -m
■ mp
RTV dp | õộ
(p + Pi I ơ ) dx õx
d ơ
+ f p 'v + FHU + Fvu
(2.2)
dp'uvlm dp'vv/m'] ôp’vớ
õx
õy
RTV ôp' + õ<p
(p ' + p ,/ ơ ) õ y õy
dơ
+ fp 'u + Fhv + Fvv
(2.3)
trong đó H và V là các thành phần hướng về đông và hướng về bắc của vận tốc gió, T v là
nhiệt độ ảo, ộ là độ cao địa thế v ị,/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, ớ - — , và FH và Fy biểu diễn các hiêu ứng khuếch tán
dt
ngang và khuếch tán thẳng đứng, và p*=p1-p,.
Các phư ơng trình liên tục và phưong trình xicm a chấm ( ớ )
õp_
õt
= -77?
dp'ulm dp'vlm dp" ở
õx dy
õ ơ
(2.4)

Tích phân thẳng đứng phương trình (2.4) được dùng để tính sự biến thiên theo
thời gian của áp suất bề mặt trong mô hình
dp
õt
õp II / m õp V / m
õx õy
d ơ
dp
(2.5)
Sau khi tính xu thế áp suất bề mặt — , vận tốc thảng đứng trong hệ tọa độ xicma
dt "
( ớ ) được tính tại mỗi mực trong mô hình bằng cách tích phân thảng đứng phương trình
(2.4)
15
= * J
p 0
dp’
dt
+ m
dp'u/m dp'v/m
ÔX dy
dơ '
(2.6)
trong dó ơ ’ là biến giả của tích phân và ờ ( ơ=0)~0
Phương trình nhiệt động học và phương trình Omega ( Cữ)
Phương trình nhiệt động học là
ôp'T 2(õ p 'u T lm d p 'v T lm \ dp T ờ
_
L
__

—
_
m
_
—

1-

dt
= -m
õx
RT CO
dy
P Q
dơ
+
(2.7)

11

+ ^—^
cpm(ơ + P ,/p asl) cpm
+ F„T + FVT
trong đó cpm là nhiệt dung riêng đẳng áp của không khí ẩm, cpm- c p(l+ 0.8 q v), Q là đốt
nóng phi đoạn nhiệt, FHT biểu thị hiệu ứng khuếch tán ngang, FVT biểu thị ảnh hưởng
của xáo trộn thẳng đứng và hiệu chỉnh đối lưu khô, và co là
Cú = P ớ + ơ
trong đó
dp'
dt

dp _ dp
+ m
dp dp
u - ỉ— + v-ỉ—
ôx ôy
(2.8)
(2.9)
dt õt
cp là nhiệt dung riêng đẳng áp đối với không khí khô và qv là tỷ số xáo trộn hơi nước.
Phương trình thủy tĩnh
Phương trình thủy tĩnh được sử dụng để tính độ cao dịa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv,
õệ
ỡln(cr + p, / p )
= -RT„ 1 +
<ỉc+qr
1 +9v
-I
(2. 10)
trong đó Tv = T(l+0:608qv), qv, qn và qr là tỷ số xáo trộn của hơi nước, nước hoặc
băng trong mây, và nước mưa 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, được mô tả trong (Kiehl et al.
1996). Một cách tóm tắt, các thành phần bức xạ mặt trời dùng để tính ảnh hưởng của
O}, H 20 , C 0 2, và 0 2, theo gần đúng Ô-Eddington của (Kiehl et al. 1996). Nó bao gồm
16
18 khoảng phổ từ 0.2 đến 0.5 um. 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 như sự suy giảm độ

dày quang học, albedo tán xạ đơn và các tham số phi đối xứng, được biểu diễn dưới
dạng hàm lượng nước lỏng của mây và bán kính hữu hiệu của các giọt mây. Khi mây
cumulus được hình thành, phần ô lưới bị mây phủ phải sao cho độ phủ tổng cộng đối
với cột ô lưới trải từ mực chân mây tính toán của mô hình đến mực đỉnh mây (được
tính khi giả thiết có sự chồng chất ngẫu nhiên) là hàm của khoảng cách ngang của ô
lưới. Độ dày của lớp mây được giả thiết bằng độ dày của lớp mô hình, và hàm lượng
nước trong mây đối với mây giữa và mây dưới được cho là khác nhau.
2.5.2 Mô hình bề mặt đất
Tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đất được thực hiện bằng việc sử dụng
BATS1E (Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme) [6]. BATS là mô hình bề mặt được
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 lượng, năng lượng và hơi nước 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 l-2 m , và
một lớp đất sâu thứ ba dày 3m. Các phương trình dự báo được giải đối với nhiệt độ các
lớp đất khi sử dụng phương pháp tác động-phục hồi mở rộng của Deardoff, 1978 [4].
Nhiệt độ tán lá và bề mặt tán được chẩn đoán qua phương trình cân bằng năng lượng
khi có sự tham gia của các dòng hiển nhiệt, bức xạ, và ẩn nhiệt.
Việc tính toán thủy văn đất gồm có các phương trình dự báo hàm lượng nước
trong các lớp đất. Các phương trình này tính đến giáng thủy, tuyết tan, nước rơi xuống
từ tán lá, bốc thoát hơi, dòng chảy mặt, sự thấm phía dưới tầng rễ, và sự trao đổi
khuếch tán của nước giữa các lớp đất. Quá trình di chuyển nước trong đất được mô tả
gần đúng bằng hàm giải tích nhận được từ những kết quả của mô hình đất phân giải
cao và cường độ dòng chảy mặt được biểu diễn như là hàm của cường độ mưa và mức
độ bão hòa của nước trong đất. Độ dày lớp tuyết được dự báo từ lượng tuyết rơi, tuyết
tan và sự thăng hoa. Giáng thủy được giả thiết rơi xuống dưới dạng tuyết nếu nhiệt độ ở
mực thấp nhất của mô hình đạt dưới 2 71K.
Các dòng hiển nhiệt, hơi nước và động lượng tại bề mặt được tính khi sử dụng hệ
sổ cản bề mặt tiêu chuẩn (standard) thành lập dựa trên cơ sở lý thuyết tương tự của lớp
bể mặt. Hệ số cản phụ thuộc vào độ gồ ghề của bề mặt và độ ổn định của khí quyển
trong lớp bề mặt. Cường độ bốc thoát hơi bề mật phụ thuộc vào lượng nước 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 điểu này đã được mô tả trong [7].
2.5.3 Sơ đồ lớp biên hành tinh
Sơ đồ lớp biên hành tinh, được phát triển bởi Holtslag và cộng sự [17], dựa trên
khái niệm khuếch tán phi địa phương trong đó có tính đến các dòng “gradient ngược”
17
(countergradient) gây nên do các xoáy quy mô lớn trong khí quyển bất ổn định, xáo
trộn mạnh. Thông lượng xoáy thẳng đứng trong lớp biên được cho bởi
/ > - * , ( f - r . ) ^ (2.1.)
trong đó Yc là hạng vận chuyển “gradient ngược” mô tả sự vận chuyển phi địa phương
do đối lưu khô. Độ khuếch tán xoáy được cho bởi công thức phi địa phương
K c = kw,z
' U '
A /
(2.12)
trong đó k là hằng số Karman, W, là vận tốc đối lưu rối, phụ thuộc vào tốc dộ ma sát, độ
cao và độ dài M onin-Obhukov; và h là độ cao lớp biên. Thành phán gradient ngược đổi
với nhiệt độ và hơi nước được cho bởi
Yc - c ~ r (2-13)
W'h
trong đó c là hằng số, bằng 8.5 và ậ° là thông lượng nhiệt độ hoặc hơi nước bề mặt.
Phương trình (2.13) được áp dụng cho lớp nằm giữa đỉnh của lớp biên và đỉnh của lớp
bề mặt; lớp này được giả thiết bằng o.lh. Ngoài lớp này và đối với động lượng, Yc được
giả thiết bằng 0.
Để tính độ khuếch tán xoáy và các thành phần gradient ngược, độ cao lớp biên
được chẩn đoán từ
h = Ricr[u(h)2 +v(h)2]
( g ỉ 0 , M W - 0 , ì
trong đó u(h), v(h) và 9V là các thành phần gió và nhiệt độ thế vị ảo ở độ cao lớp biên, g

là gia tốc trọng trường, Rì,r là số Richardson tới hạn và 9S 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 lưu
Có thể sử dụng một trong ba sơ đồ tham số hóa sau đây để tính giáng thuỷ đối
lưu: (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 tương ứng là AS74 và FC80.
1) Sơ đổ Grell
Tương tự như tham số hóa AS74, sơ đồ Grell xét mây như là hai hoàn lưu 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 trường, ngoại trừ tại đỉnh và đáy của các hoàn lưu. Dòng
18
khối lượng là không đổi theo độ cao và không có sự cuốn vào hoặc cuốn ra xuất hiện
dọc theo các thành mây. Các mực xuất phát cùa các dòng đi lên và đi xuống tương ứng
được cho bởi các mực cực đại và cực tiểu của năng lượng tĩnh ẩm. Sơ đồ Grell được
kích hoạt khi phần tử đi lên đạt được đối lưu ẩm. Sự ngưng kết trong dòng đi lên được
tính bởi sự nâng lên của phần tử đã bão hòa. Dòng khối lượng đi xuống (m0) phụ thuộc
vào dòng khối lượng đi lên (mb) theo mối quan hệ sau:
m ữ = ^ - m b (2. 15)
2
trong đó /, là sự ngưng kết chuẩn hóa (normalized) trong dòng đi lên, / 2 là sự bốc hơi
chuẩn hóa trong dòng đi xuống, và p là phần ngưng kết đi lên bị tái bốc hơi trong dòng
đi xuống. p phụ thuộc vào độ đứt gió và có giá trị điển hình giữa 0.3 và 0.5. Lượng
mưa rơi được cho bởi
Pcu = l,m h(j-J3) (2.16)
Sự đốt nóng và làm ẩm trong sơ đồ Grell được xác định bởi cả các dòng khối
lượng và dòng cuốn ra ở đỉnh và chân mây. Hơn nữa, hiệu ứng làm lạnh của dòng ẩm
di xuống cũng được đưa vào.

Do tính đơn giản của sơ đồ Grell, một vài giả thiết khép kín có thể được áp dụng.
Phiên bản ngầm định của RegCM3 sử dụng trực tiếp giả thiết tựa cân bằng của AS74.
Đó là, may đối lưu làm ổn định môi trường nhanh như các quá trình không đối lưu làm
mất ổn định môi trường như sau:
ABE" - ABE
m» =

ATA 2 (2-17)
NA At
trong đó ABE là năng lượng nổi sẵn có cho đối lưu, A B E ” là lượng năng lượng nổi sẵn
có cho đối lưu thêm vào nãng lượng nổi được tạo thành bởi một vài quá trình không dối
lưu trong khoảng thời gian At và NA là cường độ biến đổi của ABE trên một đơn vị mh.
Hiệu A B E ”-ABE có thể được xem như là cường độ bất ổn định trên khoảng thời gian
At. A B E ” được tính từ trường hiện tại cộng với xu thế tương lai gây nên từ bình lưu
nhiệt và ẩm và hiệu chỉnh đoạn nhiệt khô.
Một điều kiện ổn định khác dựa vào giả thiết khép kín được áp dụng chung trong
các mô hình GCM và RCM là giả thiết khép kín kiểu FC80. Khép kín này giả thiết
rằng đối lưu lấy đi (remove) năng lượng nổi ABE trên qui mô thời gian cho trước như
sau:
ABE
'”b = T r r (2.18)
NA T
trong đó rlà qui mô thời gian ADE bị lấy đi.
Sự khác nhau cơ bản giữa hai giả thiết này là ở chỗ, giả thiết khép kín AS74 liên
kết các thông lượng đối lưu và mưa với xu thế của trạng thái của khí quyển, trong khi
giả thiết khép kín FC80 liên kết các thông lượng đối lưu với mức độ bất ổn định của
khí quyển, c ả hai sơ đồ đều đạt được sự cân bằng thống kê giữa đối lưu và các quá
19