Ảnh hưởng của bề mặt đệm đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của mô hình WRF.

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

----------------

Trần Đình Linh

ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA CỦA MÔ HÌNH WRF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016


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

---------------Trần Đình Linh

ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA CỦA MÔ HÌNH WRF

Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
Mã số: 60440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
PGS. TS. Ngô Đức Thành

Hà Nội – Năm 2016


LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS. TS. Ngô Đức Thành,
người đã định hướng, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và
hoàn thành luận văn.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, các cán bộ trong Khoa Khí
tượng Thủy văn và Hải dương học đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ và tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành nghiên cứu tại Khoa.
Xin gửi lời cảm ơn đến Phòng Sau đại học - Trường Đại học Khoa học Tự
nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi hoàn thành khóa học của mình.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy văn - Trường Đại học
Tài nguyên và Môi trường Hà Nội, các bạn bè đồng nghiệp đã ủng hộ và tạo điều
kiện cho tôi trong thời gian qua.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, người thân và bạn bè, những
người đã luôn dõi theo, động viên tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn
của mình.

Trần Đình Linh


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
LH

Latent Heat: thông lượng ẩn nhiệt trao đổi giữa bề mặt và khí quyển

MODIS

Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer: ảnh quang phổ bức xạ
phân giải vừa

NCEP

National Centers for Environmental Prediction: trung tâm quốc gia dự báo
môi trường Hòa Kỳ

NCEP-

The NCEP GFS Final Analysis data: số liệu GFS (phân tích cuối cùng).

FNL/FNL
SH

Sensible Heat: Thông lượng hiển nhiệt trao đổi giữa bề mặt và khí quyển

USGS

U.S Geological Survey: Cơ quan nghiên cứu địa chất Hoa Kỳ; USGS Land
Use data: Số liệu sử dụng đất do USGS cung cấp

Tp. HCM

Thành phố Hồ Chí Minh

WPS

WRF Preprocessing System: Hệ thống tiền xử lý của mô hình WRF

WRF

Weather Research and Forcasting Model: mô hình nghiên cứu và dự báo
thời tiết

WSF

the WRF Software Framework: Hệ thống phần mềm của mô hình WRF

WRF_

Mô hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất MODIS

MODIS
WRF_

Mô hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất USGS

USGS

1


MỞ ĐẦU
Bề mặt trái đất là một thành phần của hệ thống khí hậu, nó có vai trò quan
trọng trong quá trình hình thành thời tiết và khí hậu. Chúng ta biết rằng, các loại bề
mặt khác nhau có độ phản xạ và độ phát xạ khác nhau. Từ đó cán cân bức xạ và cân
bằng năng lượng tại bề mặt cũng thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm của bề mặt. Hơn
nữa, mỗi loại bề mặt cũng có đặc trưng nhiệt, độ ghồ ghề riêng. Do đó, sự trao đổi
nhiệt giữa bề mặt và khí quyển cũng như sự tương tác của nó với chế độ hoàn lưu

cũng thay đổi tùy thuộc vào loại bề mặt.
Trên thế giới, việc nghiên cứu ảnh hưởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu
nói chung và ảnh hưởng của bề mặt đến kết quả của mô hình số trị đã được nhiều
nhà khoa học thực hiện và đạt được những kết quả quan trọng. Ở Việt Nam, vấn đề
này cũng rất được quan tâm nghiên cứu. Trong thời gian gần đây, một số nhà khoa
học đã công bố những kết quả bước đầu có ý nghĩa. Tuy nhiên, để trả lời câu hỏi về
ảnh hưởng của bề mặt đến kết quả mô phỏng của mô hình số trị như thế nào thì vẫn
còn nhiều vấn đề cần được tháo gỡ. Do vậy, nhằm góp thêm bằng chứng để trả lời
cho câu hỏi trên thì chúng tôi đã lựa chọn đề tài luận văn “Ảnh hưởng của bề mặt
đệm đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của mô hình WRF”. Mục đích
của luận văn là chỉ ra những thay đổi trong kết quả mô phỏng khi mô hình được
thiết lập chạy với các nguồn số liệu đất khác nhau. Về nội dung, ngoài phần mở đầu
và kết luận, luận văn được bố cục trong 3 chương.
Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu
Chương 3: Kết quả và thảo luận.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vai trò của bề mặt đến các quá trình khí quyển
Bề mặt trái đất có vai trò quan trọng trong sự hình thành khí hậu, đặc điểm
của bề mặt quyết định đến kết quả tương tác giữa bề mặt với bức xạ và hoàn lưu khí
quyển. Cùng một khối không khí nhưng khi tương tác với điều kiện địa hình khác
nhau có thể tạo ra hệ quả thời tiết hoàn toàn trái ngược. Ví dụ như một dãy núi có
thể gây chuyển động đối lưu cưỡng bức hình thành thời tiết xấu bên sườn đón gió,
nhưng phía bên sườn khuất gió lại có thời tiết khô nóng hơn do khối không khí di
chuyển đoạn nhiệt khô xuống theo sườn núi. Hay chúng ta cũng biết đến vai trò
điều hòa khí hậu của biển sông, hồ, … Có được tác dụng như vậy là do nước có

quán tính nhiệt lớn hơn, do đó mà nhiệt độ nước biến động ít hơn so với nhiệt độ
đất. Chính vì vậy, chế độ nhiệt ở các khu vực ven biển, vùng lân cận các sông, suối,
ao, hồ điều hòa hơn so với các vùng nằm sâu trong lục địa, nhiệt độ không khí ở
những khu vực này có sự biến đổi ngày và năm nhỏ hơn so với các khu vực lân cận
có cùng điều kiện bức xạ và hoàn lưu khí quyển.
Bề mặt đất khác nhau có tương tác với bức xạ khác nhau. Ngoài ảnh hưởng
khác nhau của đặc điểm địa hình mà chúng ta có thể hình dung được thì các loại bề
mặt khác nhau có độ phản xạ (albedo), phát xạ bức xạ khác nhau từ đó làm thay đổi
cán cân bức xạ và sau đó là cán cân nhiệt theo không gian. Bảng 1 cho thấy albedo
của các loại bề mặt khác nhau khá lớn, từ vài % đến gần 100 %. Với bề mặt đất đơn
thuần, albedo cũng có sự thay đổi lớn tuy vào loại đất khác nhau, đất đen và ẩm
albedo chỉ khoảng 5%, trong khi đất sáng và khô albedo có thể đến 40%, trong khi
albedo của cát biến đổi trong khoảng từ 15 đến 40%. Các loại bề mặt khác còn có
albedo khác nhau nhiều hơn, albedo của cỏ trong khoảng từ 16-26%, của đất nông
nghiệp là 18-25%, rừng từ 5-20%, albedo của băng từ 20-45%, với mây mỏng là
30-50%, mây dày từ 60-90%. Đặc biệt, albedo của nước và tuyết có sự thay đổi rất
lớn. Tùy vào góc thiên đỉnh mặt trời mà độ phản xạ của bề mặt nước khác nhau, từ
khoảng 3-10% khi góc thiên đỉnh mặt trời nhỏ đến khoảng 10-100% khi góc thiên
3


đỉnh mặt trời lớn. Điều này cho thấy rằng tuy cùng là bề mặt nước nhưng độ phản
xạ có thể khác nhau rất lớn, ở vùng vĩ độ thấp, nơi có góc thiên đỉnh mặt trời nhỏ thì
phần lớn bức xạ mặt trời được giữ lại, trong khi ở vùng vĩ độ cao thì phần lớn bức
xạ mặt trời bị phản xạ. Albedo của tuyết cũng thay đổi lớn, với tuyết cũ thì albedo
chỉ khoảng 40% trong khi tuyết mới hình thành có thể có albedo lên tới 95%.
Ngoài ảnh hưởng đến thời tiết, khí hậu thông qua tương tác với hoàn lưu và
bức xạ, bề mặt còn là nguồn nhiệt chủ yếu cung cấp cho khí quyển, góp phần hình
thành các quá trình thời tiết. Bức xạ dư thừa tại bề mặt phần lớn được chuyển hóa
thành nhiệt cung cấp ngược lại cho khí quyển bằng dẫn nhiệt phân tử, rối và đối lưu

(hiển nhiệt - SH) hoặc thông qua quá trình bốc hơi và ngưng kết (ẩn nhiệt - LH). Tỉ
lệ phân bổ bức xạ dư thừa cho SH và LH phụ thuộc vào đặc điểm của bề mặt. Bề
mặt ẩm có khả năng bốc hơi lớn thì LH chiếm ưu thế hơn, còn bề mặt khô khi khả
năng bốc hơi kém thì SH là cách thức truyền nhiệt chủ yếu.
Tỉ số giữa SH và LH được gọi tỉ số Bowen, chỉ số này thường được dùng
trong phân tích khí hậu. Giá trị của chỉ số Bowen > 1 thì dòng SH chiếm ưu thế,
trong khi tỉ số Bowen < 1 thì LH chiếm ưu thế hơn. Giá trị của tỉ số Bowen biến đổi
phụ thuộc vào loại bề mặt: bề mặt đại dương nhiệt đới 0,1; rừng nhiệt đới ẩm
0,1÷0,3; sa mạc bán khô hạn 2÷6; sa mạc >10 (Gregor, 1998 [8]). Do vậy, tỉ số
Bowen cũng có thể được dùng để đánh giá tính chất khô/ẩm của bề mặt.
Bảng 1: Giá trị albedo của các loại bề mặt khác nhau
Loại bề mặt
Đất

Đặc điểm
Đen và ẩm - sáng và khô

Albedo (%)
5-40

Cát

15-40

Cỏ

16-26

Đất nông nghiệp

18-25

4


Rụng lá

15-20

Lá kim

5-15

Góc thiên đỉnh nhỏ

3-10

Góc thiên đỉnh lớn

10-100

Rừng

Bề mặt nước

Cũ

40

Mới

95

Tuyết

Băng biển

30-45

Sông băng

20-40

Mây dày

60-90

Mây mỏng

30-50

Băng

Mây

(Nguồn: Oke, 1992 [14]; Ahrens, 2006 [5])
1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu
Nghiên cứu về ảnh hưởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu nói chung và đến
kết quả mô phỏng của mô hình số trị nói riêng đã được nhiều nhà nghiên cứu trên
thế giới và Việt Nam thực hiện với những kết quả quan trọng. Sau đây tác giả xin

trích dẫn những nghiên cứu tiêu biểu nhất có liên quan đến vấn đề nghiên cứu của
luận văn. Các nghiên cứu được tổng quan lần lượt từ các nghiên cứu trên thế giới
đến các nghiên cứu ở trong nước.
1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Từ khoảng những năm 90 của thế kỷ trước, vấn đề nghiên cứu về ảnh hưởng
của bề mặt đất đến kết quả mô phỏng của mô hình số đã được đề cập và triển khai
thực hiện. Năm 1994, Klink và Willmott đã nghiên cứu ảnh hưởng của độ ẩm đất và
độ ghồ ghề của bề mặt lên mô phỏng khí hậu [13], kết quả cho thấy tầm quan trọng
của sự biến đổi bề mặt đất đến khí hậu, đặc biệt là độ ẩm đất và độ ghồ ghề của bề
mặt. Trong bài báo này, các tác giả sử dụng mô hình bề mặt-khí quyển qui mô vừa
5


TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt:
1. Nguyễn Bình Phong (2009), Nghiên cứu tác động của tham số hóa các quá
trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình MM5,
LVThS khoa học.
2. Trần Thị Vân (2006), “Ứng dụng viễn thám nhiệt khảo sát đặc trưng nhiệt độ
bề mặt đô thị với sự phân bố các kiểu thảm phủ ở thành phố Hồ Chí
Minh”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 9 (2006), tr. 70-74.
3. Lương Văn Việt (2008), “Một số kết quả bước đầu về ứng dụng mô hình
MM5 trong nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại thành phố Hồ Chí
Minh”, Tạp chí Phát triển Khoa học và Công nghệ, 11 (04-2008), tr. 7992.
4. Lương Văn Việt (2010), “Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ thành phố Hồ Chí
Minh theo qui hoạch đô thị đến năm 2020”, Tạp chí Phát triển Khoa học
và Công nghệ, 13 (M1-2010), tr. 5-13.
Tiếng Anh:
5. Ahrens C. D. (2006), “Meteorology today: An introduction to weather,
climate, and environment”, Eighth Edition, Thompson, Brooks/Cole.

USA.
6. Fang-Yi Cheng, Yu-Ching Hsu, and Pay-Liam Lin, (2011) “Investigation of
the effects of different land use and land cover patterms on mesoscale
meteorological simulations in the Taiwan area”, Journal of applied
Meteorology and Climatology, 52, pp. 570-587.
7. Glenn R. Mc Gregor, and S. Nieuwolt (1998), Tropical Climatology

6


8. Hong, S., V. Lakshmi, E.E. Small, F. Chen, M. Tewari, and K.W Manning
(2009), “Efffects of vegetation and soil moisture on the simulated land
surface processes from the coupled WRF/Noah Model”, Journal of
Geophysical Research-Atmospheric, 114 (D18), 10.1029/2008JD011249.
9. Xiaoyan Jiang, Christine Wiedinmyer, Fei Chen, Zong-Liang Yang, and Jeff
Chun-Fung Lo (2008), “Predicted impacts of climate and land use
change on surface ozone in the Houston, Texas area”, Journal of
Geophysical Research, VOL. 113, D20312, doi:10.1029/2008JD009820,
2008.
10. Steve Kardinal Jusuf, Nyuk Hien Wong, Emlyn Hagen, Roni Anggoro, and
Yan Hong (2007), “The influence of land use on the urban heat island in
Singapore”, Habitat International, 32(2), pp. 232-242.
11. Xinli Ke, Ejiun Ma, and Yongwei Yuan (2014), “Scenario simulation of the
imfluence of land use change on the regional temperature in a Rapidly
urbanizing region: A case study in southern-Jiangsu, China”. Advances
in Meteorology, 2014, Article ID 159724, 12 pages.
12. Katherine Klink, Cort J. Willmott (1994), “Influence of soil moisture and
surface roughness heterogeneity on modeled climate”, Climate Research,
Vol. 4: 105-118, 1994.
13. Enjun Ma, Xiangzheng Deng, Qian Zhang, and Anping Liu (2014), “Spatial

variation of surface energy fluxes due to land use change across China”,
Energies, 2014(7), pp. 2194-2206.
14. Oke T. R. (1992), “Boundary layer climate”, Second edition, Routledge,
New York.
15. W. Moufouma-Okia, and D. P. Rowell (2009), “Impact of soil moisture
initialisation and lateral boundary conditions on regional climate model
7


simulations of the West African Monsoon”, Climate Dynamic, DOI
10.1007/s00382-009-0638-0.
16. A. J. Pitman, N. de Noblet-Ducoudre, F. B. Avila, L. V. Alexander, J.-P.
Boisier, V. Brovkin, C. Delire, F. Cruz, M. G. Donat, V. Gayler, B. van
den Hurk, C. Reick, and A Voldolre (2012), “Effects of land cover
change on temperature and rainfall extremes in multi-model ensemble
simulations”, Earth System Dynamics, 3, pp. 213-231.
17. Z. Tao, J. A. Santanello, M. Chin, S. Shou, Q. Tan, E. M. Kemp, and C. D.
Peters-Lidard (2013), “Effect off land cover on atmospheric processes
and air quality over the continental United States – a NASA Unified
WRF (NU-WRF) model stady”, Atmospheric Chemistry and Physics, 13,
pp. 6207-6226.
18. M. Trail, A.P. Tsimpidi, P. Liu, K. Tsigaridis, Y. Hu, A. Nenes, B. Stone,
and A.G. Russell (2013), “Potential impact of land use change on future
regional climate in the Southeastern U.S: Reforestation and cop land
conversion”,

JOURNAL

ATMOSPHERES,

OF
VOL.

doi:10.1002/2013JD020356, 2013.

8

GEOPHYSICAL
118,

RESEARCH:
11,577–11,588,