(Luận án tiến sĩ) nghiên cứu khả năng mô phỏng mùa các yếu tố khí tượng trên lãnh thổ việt nam bằng phương pháp thủy động và thống kê
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (28.33 MB, 163 trang )
ĐẠI IIỌC Ọ lló c CIA HÀ NỘI
TRI ỞN(; ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
HÒ THỊ MINH HÀ
NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG MƠ PHỎNG
MÙA CÁC YỂU TĨ KHÍ TƯỢNG TRÊN
LÃNH THỔ VIỆT NAM BẰNG PHƯƠNG
PHÁP THỦY ĐỘNG VÀ T H ốN G KÊ
Chuyên ngành:
Khí tượng học
Mà số:
62.44.87.01
LUẬN ÁN TIÉN SĨ KHÍ T Ư Ợ N G H Ọ C
NGƯỜI HƯỚNG DÀN KHOA HỌC:
]. PGS. TS. Nguyền Hưởng Điền
2. GS. TS. N&uyền Văn Hữu
H À NỘ I - 2008
Mục
lục
■
■
L ờ i c a m đ o a n .......................................................................................................................................................1
L ờ i c ả m o m ......................................................................................................................................................... 2
Mục lục.........................................................................................................................3
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tẳt......................................................................... 5
Danh mục hình ả n h ................................................................................................................. 7
Danh mục các bàng....................................................................................................13
Mở đ ẩu....................................................................................................................... 15
Chương 1 CÁC NGHIÊN c ú u VỀ D ự BÁO KHÍ HẬU KHU v ự c BẰNG
MƠ HÌNH SỐ TRỊ............................................................................................... 18
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
21
1.1.1. Tại sao cần dự báo khí hậu khu vực bằng mơ hình RCM?.....................21
1.1.2. Nhĩrng nghiên cứu ứng dụng RCM vào dự báo khí hậu khu vực.........26
1.2. Tình hình nghiên cứu trong nirớc
32
1.3. Những nghiên cứu về thống kê hiệu chỉnh sản phẩm mơ hình số
35
Chương 2 PHƯƠNG PHÁP MƠ HÌNH HĨA KHÍ HẬU KHU v ự c VÀ
PHƯƠNG PHÁP THỐNG KÊ SẢN PHẤM MƠ HÌNH SỐ (MOS)..................38
2.1. Phương pháp mơ hình hóa khí hậu khu vực ứng dụng vào mơ hình
RegCM3
39
2.1.1. Động lực học.......................................................................................... 39
2.1.2. Các thành phần vật lý trone RegCM3.................................................... 45
2.2. Phương pháp thống kê sản phẩm mơ hình số
66
2.2.1. Các phương pháp đánh giá thốne, kê mơ hình khí h ậ u .............................. 66
2.2.2. Phương pháp luyện mạng thần kinh nhân tạo ANN.............................. 70
2.3. Neuồn số liệu sử dụng
74
3
Chương 3 K Ế T Q U Ả M Ô P H Ỏ N G CÁ C T R Ư Ờ N G KHÍ T Ư Ợ N G T R Ê N
KIUJ V ự c DÔNG NAM Á BẢNG MỔ HÌNH KHÍ HẬU KHU v ự c
R e g C M 3 .......................................................................................................................................................7 7
3.1. Thời tiết, khí hậu khu vực DNA trong thập kỷ cuối thế kỷ XX
77
3.2. Hoàn kru, nhiệt độ, dộ ẩm và lượng mưa của RegCM3
78
3.2.1. Cấu hình động lực................................................................................... 78
3.2.2. Lựa chọn sơ đồ tham sổ hóa vật lý.......................................................... 85
3.2.3. Kết quả mơ phỏng 10 năm của RegCM3 với bộ tham sổ tối ưu.............99
t h ư ơ n g 4 C Ả I T H IỆ N K Ế T Q U Ả M Ô P H Ỏ N G N H IỆ T Đ ộ V À L Ư Ợ N G
MƯA CỬA MỒ HỈNH RegCM3 BẰNG s ơ DÓ THAM SỐ HÓA ĐỐI
LƯU MỚI VÀ BẰNG PHƯƠNG PHÁP HIỆU CHỈNH THÓNG K Ê ...............107
4.1. Cải tiến RegCM3 bàng sơ đồ tham số hóa đối lưu mới
107
4.1.1. Lý do chọn lựa sơ dồ tham số hóa đối kru Tieđtke............................... 107
4.1.2. Mơ hình RegCM3 với sơ đồ đối lưu mới Tiedtke................................. 109
4 .1 .3 . Đ á n h g i á t h ố n g k ê ...............................................................................................................117
4.2. Cải thiện kết quà mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của RegCM3 nhờ
h iệ u c h ì n h b à n g A N N
126
4.2.1. Lý do chọn phương pháp hiệu chinh bầng A N N .................................. 126
4.2.2. Các kết quả sau khi hiệu chinh.............................................................. 130
K É T L U Ậ N .....................................................................................................................................................140
TẢI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................143
1‘I IỤ L Ụ C
4
Danh mục các kỷ hiệu và chữ viết tắt
Acc
Accuracy - Độ chính xác
AOCM
Atmosphere Global Climate Model - Mơ hình khí hậu tồn cẩu nhánh
khí q u y ển
ANN
Artificial Neural Network - Mạng thần kinh nhân tạo.
AS
Arakavva-Schubert - Tên sơ đồ tham số hóa đối lưu
BA’I s
Bio-Atmospheric Transfer Scheme - Sơ đồ tương tác khí quyển - bè mặt
BTtìộ
Bấc Trung Bộ
BMJ
Betts-Miller-Janjic - Tên sơ đo tham số hóa đối lưu
C('M
Community Climate Model - Mơ hình Khí hậu cộng dồng
CC3CM
Couple Global Climate Model - Mơ hình khí hậu tồn cầu phối hợp
CRU
Climatic Research Units - Trung tâm nghiên cứu khí hậu (Anh)
DBK.H
Dự báo khí hậu
DBKHKV
D ự b áo khí hậu k h u vực
ĐNA
Đ ông N am Á
ĐBB
Đ ông Bẳc Bộ
ĐBBB
Dồng bằng Bẳc Bộ
ECHAM 4
M ơ h ìn h khí hậu tồn cầu th u ộ c V iệ n M a x P la n c k (Đ ứ c )
ECMWF
European Center for Medium Range Weather Forecasts
báo thời tiẻt hạn vừa Châu Âu.
ENSO
HI Nino-Southern Oscillation - El Nino-Dao động Nam
EOF
Empirical Orthogonal Function - Hàm trực giao kinh nghiệm
IỈR A 4 0
S ố liệ u tái p h â n tíc h k é t h ợ p s ả n p h ẩ m m ơ h ì n h s ố c ù a E C M W F
FC
Fritsch-Chappell - Tên sơ đồ tham sổ hóa đối lưu
GAIi
Grell AS + Bats
GCM
G lo b a l C lim a te M o d el - M ơ h ìn h khí h ậ u to à n cầu
GCM
Global Circulation Model - Mơ hình hồn lưu chung khí quyển
1ỈK
B iệt th ứ c H a n sse n v à K u ip crs
HQTT
H ồ i q u y t u y ế n tín h
HRM
High Resolution Model - Mỏ hình (dự báo thời tiết) độ phân giải cao
5
- Trung tâm dự
HSS
1leidke Skill Score - Chì sơ kỷ năng í lcidke
HSTỌ
1lệ so tương quan
1C ri*
International Centre for Theoretical Physics - Trung tâm quốc tế nghiên
cứu vật lý lý thuyết (Ý)
ITCA
Internal Tropical Convection Zone - Dái hội tụ nội nhiệt đới
Ipec;
Integovemmental Panel on Climate Chanse - Nhỏm nghiên cứu đa
chính phũ về biến đối khí hậu
MM5
Mesoscale Model 5 - Mơ hình quy mô vừa thé hệ thứ 5
MOS
Model Output Statistics - Thống kè sán phẩm mơ hình
NTrBỘ
Nam Trung Bộ
NCAR
National Center for Atmospheric Research (USA) - Trung tàm quốc gia
nghiên cứu khí quyén (Mỹ).
NCIiP
National Center for Environmental Prediction - Trung tâm Quốc gia về
Dự báo Môi trường (Mỹ)
NOAA
National Oceanographical and Atmospheric Administration - Cơ quan
quàn lý Khí quyển - Đại dương (Mỹ)
LAM
Limited Area Model - Mơ hình khu vực hạn chế
LliC
Lateral Boundary Condition - Điều kiện biên xung quanh
PBL
Planetary Boundary Layer - Lớp biên hành tinh
PC’A
Principal Component Analysis - Phân tích thành phần chính
PSU
Pennsynavia States University - Dại hợc bang Pennsynavia
RcgCM
Regional Climate Model - Mơ hình khí hậu khu vực cùa NCAR
RCM
Regional Climate Model - Mơ hình khí hậu khu vực
SST
Sea surface temperature - nhiệt độ nước biển bề mặt
T1ĨD
Thái Bình Dương
TBNN
Trung bình nhiều năm
TieB
Tiedtke + Bats
TieZ
Tiedtke + Zeng
TrTrBỘ
Trung Trung Bộ
XI Nỉ)
Xoáy thuận nhiệt dới
V Bắc
Việt Bẳc
VOS.
và cộng sự
6
Danh mục hình ảnh
■
H in h 1.1:
Phân vùng gió mùa của S.P.Khromov (1957). Phần giới hạn trong
hình chừ nhật tỏ đậm là khu vực gió mùa ĐNA theo sổ liệu của
Raniage (1971);.........................................................................................19
ỉ I n h 1.2:
Sai số hệ thung cùa nhiệt độ khơng khí bề mặt (°C) và giáng thủy
(%) trong giai đoạn 1961-1990 cùa các thừ nghiệm sứ dụng mơ hình
AOGCM cùa CSIRO Mk2, CCSRj'NIES, ECHAM/OPYC, CGCM1
(tư hợp 3 thành phần) và HadCM2 (4 thành phần)...................................22
H nh 1.3: Dòng chày mùa hè ở Thụy Điển, (a) lính tốn từ mơ hình thủy văn,
sứ dụng quan trắc mưa và dịng chảy tại trạm [Raab và Vedin,
1995]; (b) mỏ phỏng cùa GCM; (c) mơ phóng cùa RCM độ phân
giãi 55km; (d) mô phỏng cùa RCM độ phân giái I8km. Đơn vị dịng
chảy mặt là mm. (Trích dan từ Christensen vcs., 1998)..................................... 2 5
H n h 1.4:
RCM có thể dự báo dược các đặc trung hồn hru vốn khơng giái
âưực bời GCM. Ví dụ trong trường hựp dự báo xốv thuận nhiệt đới
[Giorgi, 2006]............................................................................................ 26
H n h 1.5:
Khả nàng mô phỏng Itrợng mưa và nhiệt độ khu vực Tây Á cùa
RegCM3 trung bình trong thời kỳ' từ 1987-2000 [ G i o r g i , 2 0 0 6 ] ....................2 9
l i n h 1.6:
Kha năng mô phỏng lượng mưa vờ nhiệt độ khu vực Đỏng Á của
RegCM3 trung bình trong thời kỳ' từ ì 987-2000 [Giorgi, 2006]...............29
H inh 2 .1 :
H ình 2 .2 :
Các quy mơ khơng gian cùa mỏ hình khi hậu [ G i o r g i , 2 0 0 6 ] ......................... 38
Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb cùa mơ hình
RegCM3 [Eỉguindi vcs., 2003]..................................................................40
I iình 2 .3 :
ỉ .inh 2 .4 :
Lồng ghép mỏ hình RCM vào GCM bằngphưưng pháp động lực ............... 41
Mơ hình mây đối lint một chiều ổn định trong sư đồ Grell [ Grell,
1993 ]..............................................................................................................................................4 9
ỉ inh 2.5: Mơ hình máy đui lim sáu [Tiedtke, 1989]..................................................56
7
D ự báo cho địa phương bảng phương pháp thống kê sàn phẩm cùa
ỉ lình 2 .6 :
GCMhoặc RCM...................................................................................... 70
c ẩ u trúc cùa mạng thần kinh sinh hục (trên) và cấu trúc ANN
H ìn h 2 .7 :
(dưới)..........................................................................................................71
Mặt lồi là hàm cùa các trụng số. Điếm dốc nhất trên mặt lỗi là nơi
H ìn h 2 .8 :
soi số tơng cộng nhị nhất.................................................................................................... 72
Các dạng hàm truyền CƯ bán cùa ANN, (a) hàm Log-sigma, (b) tan-
H ìn h 2 .9 :
sigma, (c) tuyến tính [Demuth vcs., 2000Ị................................................72
H ìn h 2 .1 0 :
Mạng thần kinh 3 ìớp theo phương pháp Levenberg-Marquardt ................ 73
H in h 2 .1 1 :
Dạng vectư cùa mạng 3 lớp (rong I lìn h 2 . 1 0 ......................................................... 73
H ìn h 3.1 :
Dỏng gió mùa chính trong 3 tháng mùa hè (6, 7, 8) ở Châu Ả ......................8 0
H ìn h 3 .2:
Đường dịng và độ âm trung bình tháng 8/1996 mực 850mb cùa (a)
ERA40 và (b) RegCMS. Đơn vị độ ấm lờ kg/kg ........................................................ 81
H ìn h 3 .3 :
Tương tự H ì n h 3 . 2 b nhimg miền tích phân rộng hơn về phía bắc,
hẹp hơn về 3 phía cịn lại............................................................................ 82
Hình 3.4: Lượng mua mơ phỏng bởi (a) GCM_300km, (b) RCM_50km, (c)
R C M 25km vờ (d) Quan trắc [Giorgi, 2006], Đơn vị mm/ngày......................83
H nil 3 .5 :
Ltrợng mưa trung bình tháng 8 của 3 năm 1996-1998 mơ phịng bới
(a)RegCM3_60km và (b) RegCM3 45km. Dơn vị mm/ngày ............................ 84
H n h 3 .6 :
Sai số RMSE cùa lượng mưa trung bình tháng 6-8/1996-1998 cùa
(a) RegCM3 60km và (b) RegCM3_45km. Đơn vị mm/ngày..................... 84
H .n h 3 .7 :
Nhiệt ĩỉộ tại (tộ cao 2m trung bình tháng 8/1996 của (a) CRU, (b)
Reg+GAS, (c) Reg+GFC và (d) Reg+BMJ. Đơn vị độ c . ........................87
H n h 3 .8 :
Lượng mưa trung bình tháng 8/1996 cùa (a) CRU, (b) Reg+GAS,
(c) Reg+GFC và (d) Reg-+ BMJ. Đơn vị mm/ngày.....................................88
Minh 3 .9 :
Profile (a) nhiệt độ vờ (b) độ am trung bình tháng 8/1996 lơv (rung
hình trong khu vực từ I2-22N, 106-11OE cùa Reg+GFC và cùa
8
phiên ban nàv khi lượng mưa đổi lưu giảm đi một nửa. Dưn vị nhiệt
độ là íỉộ c, iíưn vị độ âm riêng là kg/kg....................................................92
H i n h 3 .1 0 :
Lượng mưa trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GFC và (b)
Reg+GFC khi lượng mưa đổi Ịtru giảm I nửa. Đơn vị mm/ngày ................. 93
H ì n h 3 .1 1 :
Nhiệt độ tại 2m trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GFC và (b)
Reg+CỈFC khi lượng mưa đối lưu giám 1 nửa. Đơn vị độ c ..............................93
H ì n h 3 .1 2 :
Chuối thời gian cùa CAPE (J/kg), CAPE âm (NCAPE) (J/kg) và
lượng mưa quan trắc (mm/ngày). Đường dậm là CAPE, đường
chấm, gạch là NCAPE vờ đường nét đứt là tốc độ mưa. [Xie và
Zhang, 2000]............................................................................................. 94
H ì n h 3 .1 3 :
Lượng bóc hơi từ đại dương vào khí quyến cùa (a) Reg+GAB và
(b) Reg+G AZ trung bình 6-8/1996. Đơn vị mm/ngày...........................................9 7
H ì n h 3 .1 4 :
Tirơng tự H ì n h 3 .1 3 nhưng là thông lượng hiến nhiệt. Đơn vị w/tn .
Vùng màu nhụt (giá trị âm) chi nhiệt từ khí quyến v à đại dương,
vùng màu sâm (giá trị dương) chi thơng lirựrtg nhiệt hướng từ đại
dirưng vào khí quyến ............................................................................................................. 9 8
H ì n h 3 .1 5 :
Nhiệt độ tại 2m trung bình tháng 8/1996 cùa (a) Reg+GAB và
(b)Reg+GAZ. Đơn vị độ c . ...................................................................... 99
H ì n h 3 .1 6 :
Áp suất mực biến trung bình J tháng 6-8/1991-2000 cùa (a) ERA40
và (b) Reg+GAB. Đơn vị mb ...........................................................................................100
H ì n h 3 .1 7 :
Lirợng mưa trung bình mùa hè trong 10 năm của (aj CRU và (b)
Reẹ+ GAB Đơn vị mm/ngày ............................................................................................100
H ì n h 3 .1 8 :
Hiệu nhiệt itộ 2m trung bình mùa hè (roniỊ 10 năm (91-00) giữa
Reg+GAB và CRU. Đưn vị độ c . ............................................................ 102
H ì n h 3 .1 9 :
Sai số RMSE cùa nhiệt độ tại 2m trung bình tháng 6-8 cùa 10 năm
(91-00) cùa Reg^rGAB so với CRU. Đơn vị độ c ................................................ 102
9
Lát cắt thời gian - lỉộ cao cùa hiệu (a) nhiệt itộ và (b) độ ấm của
H ìn h 3 .2 0 :
phiên bán Reg+GAB so với ERA-10 trong 10 năm, (ừ ì 99ì -2000.
Dưn vị nhiệt dụ là độ c, liưn vị độ âm g/kg............................................ 103
Sai su RMSE cùa ỉưựng mua trung bình tháng 6-8 của 10 năm (91-
H in h 3 . 2 1:
00) cùa Reg+GAB .so với CRU. Đơn vị mm/ngày .............................................. 104
Hình 4.1: Tương tự Hình 3.16 nhung là phiên bủn Reg+ TieB................................110
Hinh 4.2: Tương tự Hình 3.20a nhưng là phiên bán Reg+ TieB. Đưn vị độ c . ......111
Hiệu nhiệt độ tại 2m trung bình 30 tháng cùa Reg+TieB so với
H ìn h 4 .3 :
CRU. Đưn vị độ c. Màu sẫm chi sai số âm lớn........................................111
Hình 4.4: Sai so RMSE cùa nhiệt độ tại 2m trung bình tháng 6-8 của 10 năm
(91-00) cùa Reg+ TieB so với CRU. Đơn vị độ c. .................................. 112
H in h 4 .5 :
Profile độ ẩm trung bình tháng 8 cùa các năm (a) 1998 (ẩm nhiều),
(b) 1992 (ấm trung bình) và (c) 199ỉ (ẩm it). Đơn vị kg/kg ........................... 113
H ìn h 4 .6 :
Đường dịng và độ âm mực 850mb trung bình tháng 6-8/91-00 cùa
(a) ERA40, (b) Reg+GAIĨ và (c) Reg+ TieB. Đơn vị độ ấm kg/kg ............... 113
H ìn h 4 .7 :
Tương tự Hình 3.20b nhưng là phiên bản Reg+TieB Dơn vị g/kg ........... 114
Mình 4 .8 :
Lưựng mưa ngày tưng cộng trung bình tháng 6 /ỉ 996 của (a) CRU
và lượng mưa đỏi hni cùa (b) Reg+GAB và (c) Reg+TieB. Đưn vị
mm/ngày .....................................................................................................................................115
H ìn h 4 .9 :
Lượng mưa trung bình tháng 8/1997 (năm ít mưa) cùa ịaj CRU, (b)
Reg+GAB và (c) Reg+TieB. Đơn vị mm/ngày........................................................115
H ìn h 4 .1 0 :
Lượng mưa trung bình tháng 8/1998 (năm mưa nhiều) cùa (a)
CRU, (b) Reg+GAB và (c) Reg+TieB. Dơn vị m m /ngày. ............................... 115
H ìn h 4 .1 1 :
Dị thường nhiệt độ trung bình tháng cùa 3 tháng trong 10 năm so
với trung bình 10 năm cùa moi chuỗi. Dơn vị độ c ............................................118
M ình 4 .1 2 :
PCA đầu tiên của nhiệt độ trung bình tháng cùa 3 tháng trong 10
năm. Đơn vị độ c . ....................................................................................118
10
H 'n h 4 .1 3 :
Nhiệt lí ộ trung bình 30 tháng mùa hè cùa các khu vực trên Việt
Nam. Don vị độ c. Ghi chú: Theo phán vùng khí hậu cùa Phạm
Ngọc Tồn. Phan Tắt Đắc, (1997), Việt Nam được phân chia thành
10 khu vực khí hậu nhtmg do ít sơ liệu và m ột sổ khu vực cỏ khí hậu
íưưng đoi giồng nhau trong mùa gió mùa mùa hè nên ghép thành 5
khu vực....................................................................................................... 119
H n h 4 .1 4 :
trong 10 năm giữa mơ hình và quan trắc, đánh giá cho từng khu vực
trên Việt Nam. Đơn vị RMSE là độ c . ...................................................... 120
H n h 4 .1 5 :
Chuỗi thời gian nhiệt độ tối cao trung bình các tháng 6-8 cùa 10
năm. Đưn vị độ c . ..................................................................................... 121
H n h 4 .1 6 :
D ị thường nhiệt độ toi cao trung bình các tháng 6-8 của 10 nâm so
với trung bình 10 năm của mồi chuỗi. Dơn vị độ c . ................................ 121
l i n h 4 .1 7 :
Lượng mưa trung bình thảng 6-8/1991-2000 cùa (a) CRU, (b)
Reg+GAB, (c) Reg+TieB, (d) Reg+TieZ và (e) Reg+Tổ hợp. Đơn vị
mm/ngày....................................................................................................123
H ình 4 .1 8 :
Dị thường lưựng mưa trung bình các íhúng mùa hè của lữ năm
(1991-2000) so với trung bình 10 năm của quan trắc, tính trên tồn
Việt Nam. Đơn vị mm/ngày.......................................................................124
H ình 4 .1 9 :
(a) HSTỌ và (b) RMSE cùa lượng mưa trung bình tháng cùa 3
tháng trong 10 năm giữa mơ hình và quan trắc, đánh giá cho tìmg
khu vực trên Việt Nam. Đưn vị RMSE là mm/ngày.............................................125
H ìn h 4 .2 0 :
Phân bố độ lệch (ME) cùa (a) nhiệt độ và (b) hrựng mưa trung
bình tháng giữa mơ hình và quan trắc trong các tháng mùa hè (6-8)
của 10 năm (91-00) cùa Reg+GAtí. Đơn vị nhiệt độ là độ c, hrựng
mưa mm/ngày ............................................................ .............................................................. 126
Biếu íiổ tụ điếm cùa nhiệt ĩỉộ quan trắc và mơ hình trên tồn Việt
H ì n h 4 .2 1 :
Nam cùa (a) phiên bán Reg+GAB, ịb) phiên bàn Reg+TieB, đơn vị
độc........................................................................................................... 127
Chuỗi thời gian cùa độ lệch (ME) giữa (a) nhiệt độ và (b) lượng
H ì n h 4 .2 2 :
mưa trung bình tháng của mơ hình và quan trắc trong các íhảng
mùa hè (6-8) cùa 10 năm (1991-2000) tỉnh trên toàn Việt Nam. Đưn
vị nhiệt độ là độ c, hrựng mua mm/ngày,................................................. 128
H ìn h 4 .2 3 :
Phán bu độ lệch (ME) cùa nhiệt độ trung bình tháng giữa mơ hình
và quan trắc trong các tháng mùa hè (6-8) cùa 10 năm (91-00) cùa
Reg+GAB trên khu vực (a) Tây Bắc+ Việt Bắc và (b) Tây’Nguyên........128
H i n h 4 .2 4 :
Phân bố độ lệch (ME) cùa lượng mưa trung bình tháng giừa mỏ
hình và quan trắc trong các tháng mùa hè (6-8) cùa 10 nám (19912000) của Reg+GAB trên khu vực (a) ĐBB+ĐBBB+BTB và (b)
TrBậ+NTrBộ. Đơn vị mm/ngày,..................................................................................... 129
H ì n h 4 .2 5 .
Nhiệt độ trung bình J8 tháng cùa 6 năm sơ liệu phụ thuộc (1992,
1993, 1994, 1997, 1999, 2000) cua (a) Q uan trắc, (b) Reg+TieB và
(c) Reg+ANN. Đưn vị độ c . .................................................................... 131
Hinh 4.26. Tirưnịỉ tự Hình 4.25 nhưng của A năm số liệu độc lập
(1991.1995,1996,1998) .......................................................................................................131
H ìn h 4 .2 7 .
Biếu đồ tụ điếm nhiệt dụ sau khi hiệu chinh bằng ANN trên toàn
Việt Nam cùa các thảng mùa hè (6-8) cùa 10 năm (1991-2000). Đơn
v ịđ ộ C . ....................................................................................................................................... 130
H ì n h 4 .2 8 .
Chi thời gian cùa nhiệt độ trung bình tháng cùa (a) Việt Nam và
(b) Tây Bắc+ Việt Bắc trong 6 năm, số liệu phụ thuộc. Đơn vị iíộ c . ..... 132
M ình 4 .2 9 .
Chuỗi thời gian cùa nhiệt độ cùa (a) Việt Nam. (b) Tày Nguyên và
(c) Tây Bắc và Việt Bắc Ịrorvị 4 năm sổ liệu độc lập sau khi hiệu
chinh bằng ANN. Dưn vị dộ c . ................................................................ 133
12
Hình 4.30: (a) HSTQ và (b) RMSE của nhiệt ĩỉộ trung bình tháng cùa 3 tháng
trong 4 năm su liệu đục lập (98, 96, 91, 95) giữa m ơ hình và quan
trắc, đánh giá cho từng khu vực trên Việt Nam. Đưn vị RMSE là độ
c ..................................................................................................135
Lượng mưa trung bình thảng cùa ố năm số liệu ph ụ thuộc cùa ịa)
H ì n h 4 .3 1 .
Quan trắc, (b) Reg+GAB, (c) Reg+Tố hựp và (íi) Reg+ANN. Đơn vị
mm/ngày....................................................................................................136
H ìn h
4 .3 2 :
Ticưng tự H ì n h 4 .3 1
nhưng của 4 năm sổ liệu độc lập
(1991.1995.1996.1998) .......................................................................................................136
Hình 4.33: (a) HSTQ và (b) RMSE cùa lượng mưa trung bình tháng cùa 3
tháng trong 4 năm so liệu độc lập (1991, 1995, 1996,1998) giữa mơ
hình và quan trắc, đảnh giá cho tìmg khu vực trên Việt Nam. Đơn vị
RM SE là mm/ngày .................................................................................................................137
Danh mục các bảng
Bàng 2.1: Bùng ngẫu nhiên....................................................................................... 68
B à n g 2 .2 :
Bàng các chi số đánh giá dự báo phán đ ô i ..............................................................6 8
B à n g 2 .3 :
Bủng ngầu nhiên đui với dự báo đa nhóm .................................................................6 9
B ả n g 2 .4 :
Bủng các chi số đánh giá dự báo da n h ó m ..............................................................6 9
Bảng 2.5: Bàng các chỉ sơ đánh giá dự báo biến liên tục......................................... 70
B ả n g 3 .1 :
Các kỳ' El Ni no và La Nina trong thế kỷ X X . ........................................................... 78
Bàng 3.2: Các ilựt ENSO trong thập kỳ' cùa cuối thế kỳ’XX [Nguyền Đức Ngừ,
2007; Trenberth, 1997]..............................................................................78
B à n u 3 .3 :
c ẩ u hình dộng lực trong RegCM3 .................................................................................7 9
B â n g 3 .4 :
Các SƯ đô vật lý biêu diễn trong RegCM3 .................................................................85
B ả n g 3 .5 :
Ký hiệu các phiên bán mỏ hình RegCM3 với các tùy chọn SƯ đỗ
{hum so hỏa đoi lưu ................................................................................................................ 86
13
Các phiên hán cùa RegCM3 với các tùy chọn sư liồ thông lượng đại
B à n g 3 .6 :
dương - klìí qun ..................................................................................................................9 6
Các chi sơ đánh giá nhiệt dộ mô phỏng cua Reg+GAB sơ với CRU
B à n g 3 .7 :
tính trên lồn khu vực DMA Dơn vị độ c . .............................................................101
Các chi 50 đánh giá lượng mưa trung bình tháng của Reg+GAR so
B à n g 3 .8 :
với c R U tỉnh trên toàn khu vực DNA. Đơn vị mm/ngày ................................. 105
Các chi sô đánh giá nhiệt độ trung bình tháng của Reg+TieB so
B a n g 4 .1 .
với CRU tinh trên toàn khu vực ĐNA. Đơn vị độ c . ................................112
Báng các chi số đảnh giá biến liên tục đối với nhiệt độ (rung bình
B à n g 4 .2 :
thảng cùa Việt Nam giữa (Ịnon trắc và các phiên bàn Reg+GAB,
Reg+TieB. Reg+ TieZ. Đơn vị độ c . ........................................................ 119
Tưưng tự như B à n g 4 .2 nhim g cùa các khu vực trên Việt Nam ................119
B à n g 4 .3 :
Tương tự như B à n g 4 .2 nhtcng là lưựng mưa trung bình tháng và
B à n e 4 .4 :
thêm phiên bàn Reg+ Tô hợp. Đơn vị mm/ngày ..................................................... 124
Tuưng tự như B à n g 4 . 4 nhưng cùa các khu vực trên Việt Nam ................124
R à n g 4 .5
:
B à n g 4 .6 :
Bủng các chi sổ đánh giá biến liên tục đổi với nhiệt độ trung bình
tháng cùa Việt Nam giữa quan trắc và các phiên bản Reg+GAB,
Reg+TieB, Reg+TieZ, 4 năm (98, 96. 91, 95). Đơn vị độ c .................... 133
B ản g 4 ,7
:
Tưưng tự nhu B ả n g 4 .6 nhim g cùa các khu vực trên Việt Nam .............. 134
B àn g 4 .8
:
Báng các chi sơ đánh giá biến liên tục đối với lưựng m ua trung
bình tháng. từng trạm cùa Việt Nam giữa quan trắc và các phiên
bàn Reg+GAB, Reg+TieB, Reg+TieZ, 4 năm (98, 96, 91, 95). Đưn
vị mm/ngày............................................................................................... 138
B àng 4 .9 :
Tương tự như B à n g 4 .8 nhưng cùa các khu vực trên Việt Nam ................138
14
Mở đầu
Các điều kiện khí hậu vào tháne sau, mùa sau hay năm sau luôn được quan
tâm khi con người đề ra những ke hoạch dài hạn trong sàn xuất nông, lảm, ngư
nghiệp, trong kinh té, xây dựng, du lịch.... Mức độ thành công của những hoạt động
xã hội này phụ thuộc rất nhiều vào việc mùa sau sẽ nóng hay lạnh hơn. mưa nhiều
hay ít hơn, hạn hán hay lũ lụt có thể xảy ra do những sàn phum sản xuất ra có thích
hợp với khí hậu khi dó hay khơng. Như ta đã biết, đây chính là mục đích của bài
tốn dự báo khí hậu hạn mùa.
Đối với khu vực Châu Á, do dặc điểm về địa lý tự nhiên phức tạp, chịu tác
động mạnh của gió mùa nên thường xuyên bị ảnh hưởng bời các hiện tượng thời tiết
và khí hậu bất thường. Theo Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), 43% thảm hoạ tụ
nhiên trên thế giới xây ra từ năm 1991 đến năm 2000 là ở Châu Á, trong đó có 2035
thảm hoạ về thời tiết làm thiệt hại khoảng 40,35 tỳ đô la. Đặc biệt là vào mùa hè, hệ
thống gió mùa tây nam thống trị ờ đây mang đến lượng mưa chỉnh, quyết định tình
trạng khi hậu hạn hán, lũ lụt hay ổn định cho khu vực. Chính vì vậy, đối với khu
vực Châu Á nói chung, Đơng Nam Á và Việt Nam nói riêng, dự báo khí hậu hạn
mùa nói chung và mùa hè nói rièng càng đặc biệt quan trọng.
Các phương pháp thường được sử dụng trong dự báo khí hậu là phương pháp
thống kê và phương pháp số trị. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng
cùa cơng nghệ máy tính trong một vài thập kỷ gần dây, chúng ta đâ có thể xây dựng
và phát triển những mơ hình số trong dự báo khí hậu. Ưu điềm của các mơ hình số
so với phương pháp thống kê là nó dược xây dựng dựa trên mối quan hệ vt lý thc
cựa cỏc quỏ trỡnh trong khớ quyn.
ã
nr
?
I.
.
**
4 .ôI
Tớnh cap thiet của đê tài
Mơ hình số dự báo khí hậu hạn mùa là vấn đè "nóng” hiện nay. Tuy nhiên,
mơ hình tồn cầu khơng the dự báo chi tiét cho khu vực Châu Á do hạn chế về độ
phân giải. Vì vậy. xây dựng mơ hình khí hậu khu vực phù hợp là moi quan tâm của
hầu hết các quốc sia trên châu lục này, trong đó có Việt Nam. Nhưng trước khi đưa
một mơ hình số vào dự báo khí hậu. cẩn kiểm tra kỹ năng của mơ hình đó thơng qua
mơ phỏne trên sổ liệu nhiều năin và đánh giá bằng các chi số thống kê. Đứng trước
u cầu cấp thiết đó, chúng tơi đã chọn và thực hiện đề tài: "Nghiên cứu khả nâng
mơ phóng mùa các yểu tố khi tượng trên lãnh thỏ Việt Nam bằng phương pháp
15
thủy động và thống kê". Trong khuôn khổ luận án, chúng tơi thực hiện mơ phỏng
hồn lưu. nhiệt độ, độ ẩm và lượng mưa trung bình tháng thời hạn 3 tháng trong
mùa hè trên khu vực Đông Nam Ả bàng mơ hinh khí hậu khu vực RegCM phiên
bản 3, sau đó đánh giá và hiệu chinh két q IÌ1Ơ phóng bàng phương pháp thống kê.
•
M ục đích ciia luận án
Luận án đặt ra nhàm đạt được các mục đích sau:
- Đánh giá dược khá năng mơ phỏng khí hậu hạn mùa cho khu vực Đông Nam Á và
Việt Nam của mơ hình khí hậu khu vực RegCM3.
- Cài tién mơ hình RegCM3 bàng cách đưa thêm vào một sơ đồ tham số hóa đối
lưu mới nhằm nâng cao chất lượng mơ phỏng của mơ hình.
- Xây dựng được phương pháp hiệu chinh sản phẩm đầu ra cùa mơ hình bàng cơng
cụ thổn*! kê nhàm chính xác hóa két q mơ phịng.
• Đối tưựng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu mơ phỏng và dự báo khí hậu khu vực bảng mơ hình số là một bài
tốn lớn liên quan đến nhiều khía cạnh khác nhau. Việc thực hiện đầy đủ bài tốn
này nằm ngồi khn khổ luận án này, do đó luận án chỉ giới hạn:
- Đối tượng nghiên cứu: Nhiệt độ khơng khí bề mặt và lượng mưa trung bình tháng
trong mùa hè.
- Phạm vi nghiên cứu: Dông Nam Á và các vùng biển lân cận, đặc biệt chú trọng
đến Việt Nam.
•
N hững đóng góp mới của luận án
Trên cơ sở ứng dụng mơ hình RegCM3 đỏ mơ phỏng hạn mùa các trường khí
htậu bề mặt khu vực Việt Nam và Dơng Nam Ả trong thời kỳ gió mùa mùa hè, lác
già luận án đã nghiên cứu phát triển mô hình này và xây dựng được phương pháp
hiệu chinh các sản phẩm đầu ra cùa mơ hình. Những đóng góp mới chù yếu là:
-
Đ ã đ ư a d ư ợ c s ơ đ ồ t h a m s ổ h o á d ố i lư u T i e d t k e ( 1 9 8 9 ) v à o m ơ h ì n h R e g C M 3
thành một tùy chọn mới và do đó đã làm tăng chất lượng mơ phỏng cùa mơ hình dối
với trường nhiệt độ bề mặt.
- Dã nghiên cứu và xây dựne. dược phươne pháp hiệu chinh các trường nhiệt độ và
lượng mưa cùa mô hình RegCM3 bang phương pháp mạng thần kinh nhàn tụo
(ANN).
16
•
+
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ỷ nghĩa khoa hue:
- Tổng quan dược vấn đề dự báo và mô phỏng khí hậu hiện nay và đê ra phương
án nghiên cứu mơ phỏng khí hậu khu vực Việt Nam bằng mơ hình RegCM3 và
thống kê.
- Đã khảo sát và thừ nghiệm các sơ dồ tham số hóa dối lưu Kuo, BMJ, Grell AS,
Grell FC, Tiedtke. thử nuhiệm các sơ dồ tính tốn thơng lượng đại dương BATS và
Zeng và chọn được sơ đồ đối lưu Tiedtke, sơ dồ thông lượng dại dương BATS là tổt
nhất để mơ phỏng khí hậu khu vực Việt Nam.
- Kết hợp kết quá động lực và phương pháp thống kê (mạng thần kinh nhản tạo) để
đưa ra két quà mô phỏng trường nhiệt độ 2m và lượne mưa mùa hè trên lãnh thổ
Việt Nam phù hợp với thực tiền hơn.
+ Ỷ nghĩa thưc tiền: Kết quà nahiên cứu của luận án có thé sử dụng trong nghiên
cứu và tìm ra một số đặc điểm khí hậu (lượng mưa, nhiệt độ) mùa hè cùa Việt Nam.
•
Cấu trúc luận án
Ngoài các mục mở đầu, tài liệu tham khảo, phụ lục, v.v. nội dung chính của luận án
bao gồm:
Chương I - Trình bày những nghiên cứu trong nước và ngồi nước về dự báo và
mơ phỏng khí hậu khu vực hạn mùa bàng phương pháp số;
Chương 2 - Phương pháp động lực-thống kc bao gồm (ỉ) mơ hình hóa khí hậu khu
vực và (2) thống kẻ hiệu chinh sản phẩm mơ hình số. và các phương pháp đánh giá;
Chương 3 - Các thử nghiệm độ nhạy và kết quả mô phỏng nhiều năm các đặc điểm
h o àn lư u . n h iộ t độ v à m ư a tro n g m ù a g ió m ù a m ù a h è trên k h u v ự c Đ N A b ằ n g m ơ
hình RegCM3;
Chương 4 - Cải thiện kẻt q mơ phịne nhiệt độ bề mặt nhờ cài đặt sơ đồ tham số
hóa đối lưu mới và hiệu chinh nhiệt dộ và lượng mưa cùa mơ hình RegCM3 về gần
với thực tế bàng phương pháp ANN và đánh giá kết q.
Kết luận và kiến nghị : Trình bày tóm tắt các kết quả chù yếu của luận án, những
điểm mới đã dạt dược; nêu những tồn tại và kiến nghị việc sử dụng kết quà luận án
cũng như các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu.
o so so o o Ẩ o ư
17
Chương 1
CÁC NGHIÊN CỨU VẺ Dự
■ BÁO KHÍ HẬU
■ KHU vực
■
BẰNG MƠ HÌNH SỐ TRỊ
■
Khí hậu dược định nghĩa là sự tổne, hợp của thời tiết ờ một vùng nhất định,
dược xác định một cách định lượng thông qua giá trị trung bình của các yếu tố khí
tượng bao gồm nhiệt độ, lưựng mưa, tốc độ và hướng gió, khí áp, mâv và độ âm,...
tại một địa phưưng vào một tháng hoặc một mùa nào đó. Các giá trị trung bình này
có thể biến đổi từ năm này sang năm khác, thập kỳ này sang thập kỷ khác và thể kỷ
này sang thế kỷ khác. Trạng thái trung bình của khí quyển trong một thời gian dài
phụ thuộc vào sự biến đổi của các yếu tố tương tác với nhau như bức xạ mặt trời,
các khối khí, các hệ thống khí áp, hồn lưu đại dương và địa hình. Dưới tác động tổ
hợp của các yếu tố trên, khí hậu trẽn Trái đất khơng đồng nhất mà hình thành các
khu vực với những điểm đặc trưng khác nhau.
Khí hậu khu vực Dông Nam Á là một bộ phận cùa hệ thống khí hậu tồn cầu,
có nhiều đặc điểm hết sức phức tạp, thuộc loại khí hậu rất nóng, ẩm với độ ẩm trung
bình khoảng 70-90%, lượng mưa trung bình năm lớn, khoảng 1500-2500mm. Khí
hậu ờ đây bị chi phối chù yếu bởi sự hoạt động của gió mùa. Thuật ngừ gió mùa
xuất phát từ tiếng Arập là “mausirrT, nghĩa là mùa. 'Pheo s.p Khrơmov (1957), "Gió
mùa là chế độ dịng khí cùa hồn lưu chung khí quyển trên một phạm vi đáng kể
của bề mặt Trái Đất, trong đó ở mọi nơi trong khu vực gió mùa, gió thịnh hành
chuyển ngược hướng hay gần như ngược hướng từ mùa đông sang mùa hè và từ
mùa hè sang mùa đông". Các khu vực gió mùa trên Trái đất dược trình bày trên
Hình 1.1, trên đó cho thấy gió mùa Châu Ả là một khu vực gió mùa điển hình của
thế giới.
18
nhụt tơ đậm là khu vực gió mùa ĐNA theo số liệu cùa Ramage (1971);
1:
Khu vực có xu thể gió mùa; 2: Khu vực gió mùa; 3: Khu vực gió mùa điến hình.
Gió mùa Châu Á bao gồm ít nhất 2 hệ thống con là gió mùa Nam Á (hay gió
mùa Án Độ) và gió mùa Đơng Á, hoạt động độc lập với nhau vào cùng một thời
gian nhưng có tương tác với nhau [Chen và Jin, 1984; Tao và Chen, 1987]. Trong
khi gió mùa Án Độ đã được tập trung nghiên cứu từ rất lâu, hệ thống gió mùa Đơng
Á chì mới được quan tâm trong khoảng hai thập kỷ gần đây [Liu vcs., 2005]. Gió
mùa Đơng Á có thể được chia nhỏ thêm thành gió mùa Đơng Nam Á [Lau và Yang,
1997] thịnh hành trên bán đảo Đông Dương, Nam Trung Quốc và biên Đông (Nam
Trung Hoa), và gió mùa Bẳc Thái Bình Dưorng [Wang và Wu. 1997] cùng với gió
mùa cận nhiệt đới lục địa Đơng Á-Nhật Bản.
Gió mùa mùa đơng ừ ĐNA thể hiện ở sự xâm nhập của các khối khơng khí
lạnh cực đỏi xuống các vĩ độ thấp vào mùa đông thành từng đựt khoảng 5-7 ngày,
chù yếu làm cho thời tiết trờ nên lạnh và khơ, ít mưa, ngoại trừ những khu vực ven
biển, nơi thường xảy ra mưa phùn giá rét vào mùa đơng do khơng khí cực đới biến
tính qua biển và trớ nên ẩm hơn. Những đợt rét đậm, rét hại và khô hạn trong mùa
đông ành hường rắt nhiều đến mùa màng. Tuy nhiên, hoạt động của gió mùa mùa
địng khá ỏn dịnh và có thể dự báo dược do sự xám nhập lạnh thường £ẳn liền với
hoạt động của áp cao lạnh lục địa. Vì vậy, người ta thường quan tâm nhiều hơn đến
gió mùa mùa hè. là hệ thông hoạt độnu phức tạp gan liền với các q trình quy mơ
19
vừa và chịu các ánh hường không nhỏ cùa các q trình có tính địa phương như địa
hình, đường bờ, ... gây hậu quả nghic*m trọng đến dời sống con người mỗi khi xảy
ra lũ lụt, hạn hán hay náng nóng, ... Hoạt động cùa gió mùa mùa hè trên khu vực
Nam Trung Quốc và biển Đông không chỉ ảnh hường đến khí hậu khu vực mà cịn
ảnh hưởng tới khí hậu các khu vực lân cận, thậm chí là khí hậu tồn cầu thơng qua
các q trình trao đơi năne lượng và chu trình thủy văn [Lau và Weng, 2002].
Dự báo khí hậu hạn mùa chù yếu tập trung vào nhiệt độ trung bình hoặc tổng
lượng mưa tháng và/hoặc mùa, đôi khi cả những biến thiên cụ thể như ngày bắt đầu
mưa [Ahago. 1992: Briggs and Wilks, 1996] và tần số hoặc quỹ đạo xoáy thuận
nhiệt đứi [Landman, 2005; Camargo vcs., 2Ơ02; Camargo, 2006]. Phương pháp đơn
giãn nhất để dự báo khí hậu hạn mùa là chi dựa trên các quan trẩc khí hậu địa
phương trong quá khứ và hiện tại. Ban đầu, người ta dự báo bằng cách sứ dụng giá
trị trung bình khí hậu hoặc xem ràng dị thường khí hậu của một mùa nào đó so với
khí hậu nhiều năm sẽ duy trì khơng đổi trong các mùa sắp tới [Huang vcs., 1996].
Các mơ hình thơng kè sau này cư bàn cũng được xây dựng dựa trên già thiết đó.
Nghĩa là, có thề sừ dụng các giá trị trone quá khứ, hiện tại của các nhân tố dự báo
để dự báo trạng thái hoặc sự tiến triển cùa yếu tổ dự báo dựa trên các quan hệ toán
học giữa nhân tổ và yếu tổ dự báo được thành lập từ số liệu quan trắc lịch sử. Với
sự phát triển cùa hệ thống mạng lưới quan trắc tồn cầu có thề đo được nhiệt độ
khơng khí, nhiệt độ mặt nước biển, giáng thủy và một số yếu tổ của hồn lưu khí
quyển, các phuơng pháp dự báo thống kê đã phát triển đáng kể trong suốt thế kỳ
XX. Các mơ hình hồi quy, bao gồm cả phân tích tương quan Canon, đưực sử dụng
hầu như chủ yếu đề dự báo các dị thường khí hậu. Tuy nhiên, do không biểu diễn
trực tiếp quan hệ vật lý giữa nhân tố dự báo và yếu tố dự báo mà chi là xấp xi bằng
quan hệ toán hục giữa chúng nên các mơ hình thống kê khơng tránh khói sai số so
với quan trắc thực. Đẻ biểu diễn các quan hệ vật lý giữa các biến, người ta xây dựng
các mơ hình số dựa trên hệ phương trình đầy đù cùa chuyển động khí quyén và giải
hệ bằng phưưng pháp sai phân trên lưới điểm hoặc bàng phương pháp phổ. Những
mơ hình đẩu tiên theo hướng này dưực gọi là mơ hình hồn lưu chung khí quyển
20
(General Circulation Model - GCM). Nhưng các mơ hình số cũng khơng thốt ly
hồn tồn các già thiết thống kê. Do độ phân giãi tương đối thô của GCM, các q
trình vật lý xáy ra trên các quy mơ nhỏ hem khoảng cách lưới, như đổi lưu, bức
xạ,... vần cần được tham số hóa theo kinh nghiệm.
Lợi thế cùa các mơ hình sổ so với các mơ hình thống kê là khơng địi hỏi cơ
sở dữ liệu làm nhân tố dụ báo. Tuy nhiên, dẻ tạo ra dụ báo có độ tin cậy, số liệu
quan trắc là thiết yếu vừa dể thầm định các mô phỏng hoặc dự báo quá khử của mơ
hình, vừa đc đánh giá các dự báo nghiệp vụ hiện thời. Hơn nữa, các mơ hình sơ
khơng bị hạn ché bời sự khơns, ổn định của khí hậu, các cực trị hoặc những hiện
tượng bất thường có thể xuất hiện trong khí hậu lịch sử. Tuy nhiên, việc giải mơ
hình số rất phức tạp và tốn kém. Quan trọng nhất là kỹ năng cùa các mơ hình số
biển đồi theo mùa và tùy thuộc từng yếu tố khí tượng trên từng khu vực. Việc lựa
chụn sử dụng mơ hình sổ hay mơ hình thống kê đê dự báo mùa cơ bản phụ thuộc
vào mục đích và khả năng cùa nhà dự báo và người sữ dụng. Phương pháp tốt nhất
là sử dụng song song cà hai phương pháp sổ và thống kê [Goddard vcs., 2001].
Sau đây trình bày tình hình nghiên cứu về DBKHKV bầng phương pháp sổ
trị ngồi nưức và trong nước.
1.1. Tình hình nghiên cứu trên thế giới
1.1.1. Tại sao cần dự báo khí hậu khu vực bằng mơ hình RCM?
v ề ngun tac, có thể sử dụng mơ hình hồn lưu chung khí quyển hay mơ
hình khí hậu tồn cầu (đều ký hiệu là GCM) dể DBKH cho từng khu vực trên toàn
cầu. Nhưng độ phân giài cùa GCM thường khá thô, thường từ 2,5 độ đến 3,7 độ
(khoảng vài trăm km) nên không thỏ biểu diễn dù chi tiết các đặc trirng khí hậu của
khu vực và dịa phirơng như khí hậu gió mùa thống trị, địa hình và hệ sinh thái phức
tạp, đặc biệt là tác động mạnh mẽ cùa con người. Trong dự án nghiên cứu DBKH
cùa Giorgi và Hevvitson [Christensen vcs., 2007] tại IPCC, một tổ hựp 21 mơ hình
GCM được xây dựng để mơ phỏng khi hậu tồn cầu đã chi ra ràng sai sổ nhiệt dộ và
21
lượng mưa trung bình trên từng khu vực so với quan trắc thể hiện một cách có hệ
thống (Hình 1.2). Nhiệt độ mơ phịng thắp hơn cịn giáng thủy lại mạnh hơn so với
thực tế trẽn nít cà các khu vực trong hầu hết các mùa. Đổi với hầu hết các khu vực,
sai số nhiệt độ của từng mơ hình riêng lẻ thường biến đổi từ 6 đén
7°c, ngoại trừ
trên khu vực Dơng Nam Ả sai số này giảm cịn 3,6°c. Sai số lượng Iĩiưa ờ Đông
Nam Ả, Nam Ả và Trung Ả thấp hơn -10%, sai sổ lớn hơn ờ Bắc Ả và Dơng Á,
khồng +23% và rất lớn ờ cao nguyên Tây Tạng (+110%). cần lưu ý là ở đây sai số
là độ lệch giữa nhiệt dộ hoặc lượne, mưa trung bình trên tồn khu vực của mơ hình
và số liệu tái phân tích, trong khi đỏ độ phản giải của GCM thơ nên có rất ít các nút
lưới trong mồi khu vực dẫn đến làm trưn các trường và sai số không lớn. Nếu xét ừ
quy mô địa phương hơn thì sai số sẽ lớn hơn.
■ ữ-----■■ 4-------___ JJA ............................ ........ .o.
9 4
0
o
>3 u
«0 ...................1' °- __ 1.. .
ỉ..» ..g .
_.ạ ?
0 1
Q..........
Ĩ3 c ...J_o____ ầ _M..JL .t. -r
Ĩ 7 & :
2 -1 . . • .7 7.". . 1 . .
V ♦
:
"V
•• ♦ ể 1
■
i : :::::
5
u o
----o ........... o •
o........................
-1 _
• A
u
o
Ị
..........
1 -5
♦
SMJ SAJ AM SSACAMWSACHA IHA ếLA CM
L IfCDNIU ««í í w SAH SLACAS SAS CAS TB HAS
____ UA. .
1 g
ẳ
............ ..
. -
4
...................................... .......................... ............................................. I .......
0
o
. . . . . . . 1.
o
o
0
í
ĩ ' .n ** o
J .. .A___
M.. n . . .
J. .
.ft1..
..9.
ã ã
t ^ ãôãiL ã ãããgaa
ãããộM MM
ã1ấLãmã1AaãmmIMIi 1
ãã ãn>aaã
1 •
..
Ị l o ..
Ĩ .
Ị ..........
P Í ® 9
.......... 0.
ỉ
:
:
;
o ................... • •
-6 0
Region
•
H ì n h l .2:
HadCM2
♦ C S IR O
Mk2
. CG CM 1
o
CCSFVNIES
a E C H A M .O P Y C
Sai so hự (hóng cùa nhiệt độ khơng khí bè một (°C) và giáng thúy (%) trong
giai đoạn 1961 -ỉ 990 cùa cúc thừ nghiệm sư dụng mơ hình AOGCM cùa CSIRO Mk2,
CCSR/NIES. ECHAM/OPYC, CGCMỈ (ũ) hợp 3 thành phần) và HadCM2 (4 thành phần).
Số liệu quan trác từ New vcs. (1999a, b). (Trích dần íừ Giorgi vù Francisco. 2000).
77
Mặc dù sản phẩm cùa GCM không dù chi tiết và chính xác đối với DBKH
khu vực nhưng có thể đưực sử dụng làm đầu vào cho các mơ hình khí hậu khu vực.
Do đó, trong thập kỷ 90 cùa the kỷ XX, các mơ hình khu vực hạn chế (LAM) dã
dược áp dụng vào nghiên cứu khi hậu khu vực thông qua kỹ thuật "lông ghép" một
c h iề u [G io rg i
và
M e a m s , 1 991; M c G r e g o r . 1997] t r o n g d ó c á c đ i ề u k i ệ n b a n đ ầ u v à
diều kiện biên xung quanh (LEÌC) cần để chạy LAM được cung cấp bời số liệu tái
phân tích tồn cầu hoặc từ sản phẩm dự báo của GCM [Giorgi và Bi, 2000]. Khi
dược sừ dụng để DIĨKH, LAM thường chỉ các mơ hình khí hậu khu vực.
Theo tài liệu cùa Marshall và Henson (1997), vào cuối những năm 1980,
Filippo Giorgi (Giám đốc Điều hành Trung tâm Vật lý về thời tiết và khí hậu thuộc
Chương trình Khoa học cùa ICTP, Italia) cùng cộng sự đã cho ra đời mơ hình
RegCM, mơ hình kết hợp giữa mơ hình khí hậu cộng đồng CCM cùa NCAR và mơ
hình quy mơ vừa phiên bản 4 (MM4) cùa NCAR. Bàn thân RegCM đã được chứng
minh là một cơng cụ linh hoạt, có thể được dùng để nghiên cứu khí hậu quá khứ,
hiện tại và tưưng lai trên các khu vực khác nhau bao gồm các bang trên lục địa
Châu Mỹ, Châu Âu, Châu Phi, Dông Á, úc và biển Ả Rập. Fillippo nói "Mơ hình
hóa kh í hậu khu vực thực sự là bicớc đi tiên phong cùa NCAR. Khi chúng tỏi bắt
đầu, chưa có ai làm trước đó. Bây giờ, hầu hét các phịng nghiên cicu trên tồn thê
giới và rát nhiều viện nghiên círu nhị hơn bao gồm cả các mrớc đang phát triển đểu
dang sử dụng nó". Ngồi RegCM, trên thế giới cịn nghiên cứu các mơ hình RCM
như mơ hình REMO (REgion Mieỉ) được phát triển dựa trên mơ hình dự báo
thời tiết của Cục thời tiết Đức, mơ hình CHRM (Climate High Resolution Model)
được phát triển từ mơ hình dự báo thời tiết phân giải cao HRM phiên bản 1.6 cũng
của Cục thời tiết Đức, IT1Ơ hình CRCM (Canadian Regional Climate Model) được
phát triẻn ỡ Canada, mơ hình CMM5 phát triển từ mơ hình dự báo thời tiết quy mơ
vừa MM5, mơ hình CWRF có gốc từ mơ hình dự báo thời tiét WRF, ...
Do phát triển từ mơ hình dự báo thời tiết, các mơ hình RCM cũng cần điều
kiện han đâu và điều kiện biên xung quanh dc tích phân giãi hệ phương trình
ngun thùy. Điều kiện ban đầu có thỏ là tập hựp giá trị các biến tại thời điểm bát
23
dầu tích phân hoặc giá trị trung bình khí hậu cùa chúng. Tuy nhiên, sau một thời
gian tích phân, diều kiện ban dầu sè bị “quên” đi trong khi điều kiện biên xung
quanh đirực cập nhật theo thời gian từng 6 giờ hoặc 3 giờ một thơng qua vùng đệm.
Chính vì vậy điều kiện biên xung quanh rất quan trọng đối với RCM và người ta
thường nói DRKHKV là "bài toán điều kiện biên xung quanh” trong khi điều kiện
ban đầu rất quan trọng dối với dự báo thời tiết với hạn dự báo 1-3 ngàv nên “dự báo
thời tiết là bài toán điều kiện ban đầu". Tùy theo mục đích mơ phịng hay dự báo
khí hậu khu vực mà điều kiện ban đầu và điều kiện biên xung quanh của RCM được
cập nhật từ sơ liệu tái phân tích của quan trảc hay từ dự báo cùa GCM.
Để dự bảo khí hậu khu vực cho tưưng lai, RCM được chạy với điều kiện
ban đầu và điều kiện biên là sản phẩm dự báo cùa các GCM. Khi đó, sai số trong
hồn luu quy mơ lớn của GCM sè được truyền vào RCM. Điều này đã được trình
bày rõ ràng trong nghiên cứu của Noguer vcs. (1998). Tuy nhiên, sai sổ hệ thống
trung bình khu vực vần giảm hầu như khoảng 2°c đổi với nhiệt độ và 50-60% đối
với giáng thủy [Giorgi và Marinucci, 1996b; Noguer vcs., 1998; Jones vcs., 1999 ờ
Châu Âu; Giorgi vcs., 1998 ừ lục địa Châu Mỹ; McGregor vcs., 1998 ở Đông Nam
Á; Kato vcs., 2001 ở Đơng Á]. Sai số hệ thống giảm có thế là do trường điều kiện
biên quy mô lớn tốt hơn hoặc do bàn thân vật lý và động lực nội tại của RCM đưực
cài thiện. Trong tất cả các thừ nghiệm của Leung vcs. (1999), Laprise vcs. (1998),
Christensen vcs. (1998) và Machenhauer vcs. (1998) đều cho thấy rõ rằng phân bố
không gian cùa các trường của RCM đều phù hợp với thực tế hom GCM vì đã biểu
(liền đưực các tác động địa hình và tương phàn đất-biển với độ phân giài cao hơn.
Nhưng sai số hệ thống trung bình miền của RCM lồng trong GCM không phải lúc
nào cũng nhỏ hơn sai số cùa bàn thân GCM điều khiển nó. Tương tác giữa số liệu
điều khiển quy mơ lớn và các tác dộng độ phân giài cao RCM có thể có hiệu ứng
âm. Ví dụ như khi tăng độ phân giải có thể biểu diền địa hình núi cao tốt hơn trong
RCM nhưng lại làm tăng cường các đièu kiện q khơ và nóng trong mùa hè ở phía
dơng nam Châu Âu vốn đã không dược GCM dự báo chính xác [Machenauer vcs.,
1998]. Tuy vậy. thơng thường thì RCM sẽ cho sai sổ hệ thống thấp hơn GCM vì độ
24
phân giài ngang đặc biệt quan trọne, nhất là dối với mơ phỏng chu trình thùy văn.
Christensen vcs. ( l l)98) chỉ ra rằng chi có độ phân giãi rất cao biểu diễn dài núi ừ
Nauy và Thụy Điển mới có thể mơ phỏntỉ, đủ tốt q trình thủy văn bề mặt (xem
Hình 1.3).
Hình 1.3: Dịng cháy mùa hè ớ Thụy Điển, (a) tính tốn từ mơ hình thủy vùn, sứ dụng
quan trắc mưa và dòng chảy tụi trạm ỊRaab và Vedin, Ị 995]; (b) mơ phóng cùa GCM; (c)
mơ phong cùa RCM độ phân giai 55km; (d) mù phỏng cùa RCM độ phân giải I8km. Đơn
vị dòng cháy mặt lù mm. (Trích dan từ Christensen vcs., 1998).
Hiện nay có rất ít dần chứng về kỳ năng cùa RCM được điều khién bằng
GCM. Tại quy mô mùa, diền biến thừi gian và vị trí của các đặc trưng khí hậu khu
vực có thể được tái tạo tốt băng RCM so với GCM [Fu vcs., 1998; Sun vcs., 1999;
Bhaskaran vcs., 1998; Hassell và Jones, 1999]. Tại quy mô thời gian ngấn hơn như
quy mô ngày, một số nghiên cứu chi ra ràng RCM lồng trong GCM có xu hướng
mơ phỏng q nhiều sự kiện inưa nhò so với sổ liệu quan trắc [Christensen vcs.,
1998; Dai vcs., 1999; Kato vcs., 2001], Tuy nhiên, RCM tạo ra các sự kiện mưa lớn
thực tế hơn so với GCM, đôi khi tái tạo được các cực trị hồn tồn khơng có trong
GCM [Christensen vcs., 1998; Jones, 1999J. Một phần lý do là RCM phân giãi cao
hơn không làm cho krợng mưa bị giảm đi khi tính trung bình cho ơ lưới rộng như
trong GCM. RCM cũng có thể dự báo được các đặc trưng hồn lưu vốn khơng giải
đirợc bảng (ỈCM (xem Hình 1.4) theo tổng hợp của Giorgi (2006) về kỹ năng cùa
các RCM. Nói tóm lại. việc long RCM vào mơ hình tồn cầu là cần thiết để dự báo
chi tiết hơn và thường là tốt lum các hiện tượng quy mô khu vực và địa phương.
25
RCM
GCM
pfevvure (hPj)
Hình 1.4: RCM có thể dự báo được các đặc tnnĩg hồn lưu vốn khơng giái được bới
GCM. Vi dụ trong trường hợp dự báo xoáy thuận nhiệt đới [Giorgi, 2006].
Để mỏ phỏng khi hậu trong quá khứ trong các nghiên cứu kiểm nghiệm
kỹ nâng của RCM, điều kiện ban đầu và điều kiện biên xung quanh được lẩy từ
số liệu tải phân tích các số liệu quan trắc. Khi đó, giả thiết dự báo tồn cầu là
"hồn hảo”. Vứi điều khiển thực như vậy, động thái của RCM sẽ mơ phỏng gần
nhất có thể so với trạng thái thực của khí quyển. Do đó, có thể đánh giá được sai số
hệ thống chù yếu do động lực và vật lý nội tại của mơ hình. Xem Phụ lục A 1 và
Phụ lục A 2 về các mơ hình RCM nhận điều kiện ban đầu và điều kiện biên từ số
liệu tái phân tích và từ sản phẩm của các GCM. Như dã thấy, rõ ràng là các thử
nghiệm dự báo khí hậu ít hơn hẳn so với nghiên cứu mơ phỏng khí hậu bởi vì đối
với từng khu vực khác nhau, trong các mùa khác nhau, mỗi mô hình RCM đêu có
điểm mạnh và điểm yếu nhất định nên cần khảo sát chi tiết để chọn được mô hình
thích hợp nhất. Những nghiên cứu ứng dụng RCM được trình bày dưới đây đều
hướng tới mục đích dự báo khí hậu nhưng hầu hểt vần là những thừ nghiệm mơ
phỏng khí hậu hạn mùa và nhiều năm.
1.1.2. Những nghiên cứu ứng dụng RCM vào dự báo khí hậu khu vực
I liện tại, các RCM có thể chạy mơ phỏng và dự báo nhiều tháng, nhiều mùa
thậm chí nhiều năm, không như trước đây vào những năm 1980, LAMs chi có thể
26
