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
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

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

Trần Đình Linh

ẢNH HƢỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
NHIỆT ĐỘ VÀ LƢỢNG MƢA CỦA MÔ HÌNH WRF

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội – Năm 2016


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

---------------Trần Đình Linh

ẢNH HƢỞNG CỦA BỀ MẶT ĐỆM ĐẾN KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
NHIỆT ĐỘ VÀ LƢỢNG MƢA CỦA MÔ HÌNH WRF

Chun ngành: Khí tƣợng và Khí hậu học
Mã số: 60440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƢỜI HƢỚNG 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,
ngƣời đã định hƣớng, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tơi trong suốt q trình học tập và
hồn thành luận văn.
Tiếp theo, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô, các cán bộ trong Khoa Khí
tƣợng Thủy văn và Hải dƣơng 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 - Trƣờng Đại học Khoa học Tự
nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi hồn thành khóa học của mình.
Tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tƣợng Thủy văn - Trƣờng Đại học
Tài nguyên và Môi trƣờng 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, ngƣời thân và bạn bè, những
ngƣời đã luôn dõi theo, động viên tôi trong q trình học tập và hồn thành luận văn
của mình.

Trần Đình Linh


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ......................................................................................................... 3
DANH MỤC BẢNG ........................................................................................................ 5
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT........................................................................................ 6
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 7
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................... 8
1.1. Vai trò của bề mặt đến các q trình khí quyển .................................................... 8

1.2. Tổng quan về tình hình nghiên cứu ..................................................................... 10
1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới ......................................................................... 10
1.2.2 Các nghiên cứu trong nước ............................................................................ 18
CHƢƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................... 21
2.1. Nguồn số liệu ....................................................................................................... 21
2.1.1. Số liệu quan trắc............................................................................................ 21
2.1.2. Số liệu NCEP-FNL ........................................................................................ 22
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu ..................................................................................... 22
2.2.1. Mơ hình WRF ................................................................................................ 23
2.2.2. Thiết kế thí nghiệm ........................................................................................ 24
2.2.3. Lựa chọn thời gian mô phỏng ....................................................................... 31
2.2.4. Chiết xuất đầu ra mô hình ............................................................................. 34
2.2.5. Đánh giá kết quả mơ phỏng .......................................................................... 34
CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ................................................................. 36
3.1. Ảnh hƣởng của bề mặt đến phân bố không gian của nhiệt độ mô phỏng ........... 37
3.1.1. Phân bố không gian của nhiệt độ trong những ngày có nhiệt độ cao .......... 37
3.1.2. Phân bố không gian của nhiệt độ trong những ngày có nhiệt độ vừa phải .. 43
1


3.1.3. Phân bố khơng gian trong những ngày có nhiệt độ thấp .............................. 47
3.2. Ảnh hƣởng của bề mặt đến chu trình ngày của nhiệt độ ..................................... 52
3.2.1. Chu trình ngày của nhiệt độ trung bình các khu vực .................................... 52
3.2.2. Sự biến đổi của nhiệt độ tại các trạm quan trắc ........................................... 54
3.3. Ảnh hƣởng của bề mặt đệm đến mô phỏng của lƣợng mƣa ................................ 56
3.3.1. Phân bố lượng mưa mô phỏng trong những ngày mưa to ............................ 57
3.3.2. Phân bố lượng mưa mô phỏng trong những ngày mưa vừa ......................... 60
3.3.3. Phân bố lượng mưa mô phỏng trong những ngày mưa nhỏ ......................... 62
3.4. Thảo luận nguyên nhân ........................................................................................ 68
3.4.1. Phân bố của cán cân bức xạ và các dịng thơng lượng nhiệt từ bề mặt ....... 68

3.4.2. Sự biến đổi theo thờ gian của thông lượng nhiệt từ bề mặt .......................... 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ........................................................................................ 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................. 80

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 2.1: Miền tính mơ hình .......................................................................................... 25
Hình 2.2: Sơ đồ chạy mơ hình WRF với số liệu thực .................................................... 26
Hình 2.3: Bản đồ điều kiện sử dụng đất MODIS (trái) và USGS (phải) ....................... 29
Hình 3.1: Phân bố khơng gian của nhiệt độ trung bình trong các ngày nhiệt cao: lúc
13h (cột bên trái); lúc 01h (cột bên phải) của sản phẩm WRF_MODIS (hàng
trên), WRF_USGS (hàng giữa) và MODIS-USGS (hàng dƣới) ........................... 39
Hình 3.2: Phân bố khơng gian của nhiệt độ ở các thời điểm điển hình: lúc 13h ngày
7/5/2010 (cột bên trái); lúc 01h ngày 5/6/2010 (cột bên phải) của sản phẩm
WRF_MODIS (hàng trên), WRF_USGS (hàng giữa) và MODIS-USGS (hàng
dƣới) ...................................................................................................................... 42
Hình 3.3: Phân bố khơng gian của nhiệt độ trung bình trong các ngày nhiệt vừa
phải: lúc 13h (cột bên trái); lúc 01h (cột bên phải) của sản phẩm
WRF_MODIS (hàng trên), WRF_USGS (hàng giữa) và MODIS-USGS (hàng
dƣới) ...................................................................................................................... 45
Hình 3.4: Phân bố khơng gian của nhiệt độ trung bình trong các ngày có nhiệt độ
thấp: lúc 13h (cột bên trái); lúc 01h (cột bên phải) của sản phẩm
WRF_MODIS (hàng trên), WRF_USGS (hàng giữa) và MODIS-USGS (hàng
dƣới) ...................................................................................................................... 49
Hình 3.5: Phân bố nhiệt độ trung bình trong tồn bộ thời gian mơ phỏng: trung bình
lúc 13h (cột bên trái) và trung bình lúc 01h (cột bên phải) ................................... 50
Hình 3.6: Biến đổi theo thời gian của nhiệt độ trung bình các khu vực ........................ 53
Hình 3.7: Sự biến đổi theo thời gian của nhiệt độ mô phỏng và quan trắc tại trạm

trong các ngày có nhiệt độ thấp ............................................................................. 54
Hình 3.8: Sự biến đổi theo thời gian của nhiệt độ mô phỏng và quan trắc tại trạm
trong các ngày có nhiệt độ vừa phải ...................................................................... 55
Hình 3.9: Sự biến đổi theo thời gian của nhiệt độ mơ phỏng và quan trắc tại trạm
trong các ngày có nhiệt độ cao .............................................................................. 56
Hình 3.10: Phân bố khơng gian của lƣợng mƣa trong những ngày mƣa to ................... 60
Hình 3.11: Phân bố không gian của lƣợng mƣa trong những ngày mƣa vừa ................ 62
3


Hình 3.12: Phân bố khơng gian của lƣợng mƣa mơ phỏng trong đợt mƣa nhỏ thứ
nhất ........................................................................................................................ 65
Hình 3.13: Phân bố không gian của lƣợng mƣa mô phỏng trong đợt mƣa nhỏ thứ hai 66
Hình 3.14: Phân bố khơng gian của lƣợng mƣa mô phỏng trong đợt mƣa nhỏ thứ ba.. 67
Hình 3.15: Phân bố của albedo và độ phát xạ của bề mặt.............................................. 69
Hình 3.16: Cán cân bức xạ trung bình ngày/đêm (W/m2) theo mơ phỏng
WRF_MODIS (bên trái) và WRF_USGS (bên phải)............................................ 70
Hình 3. 17: Thơng lƣợng hiển nhiệt (SH) và thơng lƣợng ẩn nhiệt (LH) trung bình
tích lũy từ 07h đến 13h (×106 J/m2) theo mơ phỏng WRF_MODIS và
WRF_USGS .......................................................................................................... 71
Hình 3.18: Thơng lƣợng hiển nhiệt (SH) và thơng lƣợng ẩn nhiệt (LH) trung bình
tích lũy từ 19h đến 01h (×106 J/m2) theo mơ phỏng WRF_MODIS và
WRF_USGS .......................................................................................................... 72
Hình 3.19: Sự biến đổi theo thời gian của cán cân bức xạ và thông lƣợng nhiệt từ bề
mặt trung bình ở khu vực đơ thị U-1 ..................................................................... 74
Hình 3. 20: Sự biến đổi theo thời gian của cán cân bức xạ và thơng lƣợng nhiệt từ
bề mặt trung bình ở khu vực đơ thị U-2 ................................................................ 75
Hình 3.21: Sự biến đổi theo thời gian của cán cân bức xạ và thơng lƣợng nhiệt từ bề
mặt trung bình ở khu vực bề mặt nƣớc W ............................................................. 76
Hình 3. 22: Sự biến đổi theo thời gian của cán cân bức xạ và thơng lƣợng nhiệt từ

bề mặt trung bình ở khu vực đất trồng trọt C ........................................................ 77

4


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Giá trị albedo của các loại bề mặt khác nhau ..................................................... 9
Bảng 2: Các loại đất trong bộ số liệu sử dụng đất USGS và MODIS ........................... 27
Bảng 3: Các đợt chạy đánh giá khả năng mơ phỏng nhiệt độ của mơ hình ................... 31
Bảng 4: Các đợt chạy đánh giá khả năng mô phỏng lƣợng mƣa của mơ hình .............. 33

5


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
LH

Latent Heat: thông lƣợng 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
mơi trƣờng Hịa Kỳ

NCEP-

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

FNL/FNL
SH

Sensible Heat: Thông lƣợng 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 mơ hình WRF

WRF

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

WSF

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

WRF_

Mơ hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất MODIS

MODIS
WRF_

Mơ hình WRF chạy với số liệu sử dụng đất USGS

USGS

6


MỞ ĐẦU
Bề mặt trái đất là một thành phần của hệ thống khí hậu, nó có vai trị quan
trọng trong q 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 lƣợng tại bề mặt cũng thay đổi tùy thuộc vào đặc điểm của bề mặt. Hơn
nữa, mỗi loại bề mặt cũng có đặc trƣng nhiệt, độ ghồ ghề riêng. Do đó, sự trao đổi
nhiệt giữa bề mặt và khí quyển cũng nhƣ sự tƣơng tác của nó với chế độ hồn lƣu
cũng thay đổi tùy thuộc vào loại bề mặt.
Trên thế giới, việc nghiên cứu ảnh hƣởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu
nói chung và ảnh hƣởng của bề mặt đến kết quả của mơ hình số trị đã đƣợc nhiều
nhà khoa học thực hiện và đạt đƣợc những kết quả quan trọng. Ở Việt Nam, vấn đề
này cũng rất đƣợc quan tâm nghiên cứu. Trong thời gian gần đây, một số nhà khoa
học đã công bố những kết quả bƣớc đầu có ý nghĩa. Tuy nhiên, để trả lời câu hỏi về
ảnh hƣởng của bề mặt đến kết quả mô phỏng của mơ hình số trị nhƣ thế nào thì vẫn
còn nhiều vấn đề cần đƣợc tháo gỡ. Do vậy, nhằm góp thêm bằng chứng để trả lời
cho câu hỏi trên thì chúng tơi đã lựa chọn đề tài luận văn “Ảnh hƣởng của bề mặt

đệm đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và lƣợng mƣa của mơ hình WRF”. Mục đích
của luận văn là chỉ ra những thay đổi trong kết quả mơ phỏng khi mơ hình đƣợc
thiết lập chạy với các nguồn số liệu đất khác nhau. Về nội dung, ngoài phần mở đầu
và kết luận, luận văn đƣợc bố cục trong 3 chƣơng.
Chƣơng 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu
Chƣơng 2: Số liệu và phƣơng pháp nghiên cứu
Chƣơng 3: Kết quả và thảo luận.

7


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Vai trị của bề mặt đến các q trình khí quyển
Bề mặt trái đất có vai trị quan trọng trong sự hình thành khí hậu, đặc điểm
của bề mặt quyết định đến kết quả tƣơng tác giữa bề mặt với bức xạ và hồn lƣu khí
quyển. Cùng một khối khơng khí nhƣng khi tƣơng tác với điều kiện địa hình khác
nhau có thể tạo ra hệ quả thời tiết hồn tồn trái ngƣợc. Ví dụ nhƣ một dãy núi có
thể gây chuyển động đối lƣu cƣỡng bức hình thành thời tiết xấu bên sƣờn đón gió,
nhƣng phía bên sƣờn khuất gió lại có thời tiết khơ nóng hơn do khối khơng khí di
chuyển đoạn nhiệt khơ xuống theo sƣờn núi. Hay chúng ta cũng biết đến vai trị
điều hịa khí hậu của biển sơng, hồ, … Có đƣợc tác dụng nhƣ vậy là do nƣớc có
qn tính nhiệt lớn hơn, do đó mà nhiệt độ nƣớc 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 khơng 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 hồn lƣu khí quyển.
Bề mặt đất khác nhau có tƣơng tác với bức xạ khác nhau. Ngồi ảnh hƣởng
khác nhau của đặc điểm địa hình mà chúng ta có thể hình dung đƣợc 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 khơ albedo có thể đến 40%, trong khi
albedo của cát biến đổi trong khoảng từ 15 đến 40%. Các loại bề mặt khác cịn 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 nƣớc và tuyết có sự thay đổi rất
lớn. Tùy vào góc thiên đỉnh mặt trời mà độ phản xạ của bề mặt nƣớc khác nhau, từ
khoảng 3-10% khi góc thiên đỉnh mặt trời nhỏ đến khoảng 10-100% khi góc thiên
8


đỉnh mặt trời lớn. Điều này cho thấy rằng tuy cùng là bề mặt nƣớc nhƣng 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 đƣợc 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%.
Ngồi ảnh hƣởng đến thời tiết, khí hậu thơng qua tƣơng tác với hồn lƣu và
bức xạ, bề mặt cịn là nguồn nhiệt chủ yếu cung cấp cho khí quyển, góp phần hình
thành các quá trình thời tiết. Bức xạ dƣ thừa tại bề mặt phần lớn đƣợc chuyển hóa
thành nhiệt cung cấp ngƣợc lại cho khí quyển bằng dẫn nhiệt phân tử, rối và đối lƣu
(hiển nhiệt - SH) hoặc thông qua quá trình bốc hơi và ngƣng kết (ẩn nhiệt - LH). Tỉ
lệ phân bổ bức xạ dƣ 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 ƣu thế hơn, cịn bề mặt khơ khi khả
năng bốc hơi kém thì SH là cách thức truyền nhiệt chủ yếu.
Tỉ số giữa SH và LH đƣợc gọi tỉ số Bowen, chỉ số này thƣờng đƣợc dùng
trong phân tích khí hậu. Giá trị của chỉ số Bowen > 1 thì dịng SH chiếm ƣu thế,
trong khi tỉ số Bowen < 1 thì LH chiếm ƣu thế hơn. Giá trị của tỉ số Bowen biến đổi
phụ thuộc vào loại bề mặt: bề mặt đại dƣơng nhiệt đới 0,1; rừng nhiệt đới ẩm
0,1÷0,3; sa mạc bán khơ hạn 2÷6; sa mạc >10 (Gregor, 1998 [8]). Do vậy, tỉ số

Bowen cũng có thể đƣợc dùng để đánh giá tính chất khơ/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

9


Rụng lá

15-20

Lá kim

5-15

Góc thiên đỉnh nhỏ

3-10

Góc thiên đỉnh lớn

10-100

Rừng

Bề mặt nƣớc

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 hƣởng của bề mặt đến thời tiết, khí hậu nói chung và đến
kết quả mơ phỏng của mơ hình số trị nói riêng đã đƣợc 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 đƣợc tổng quan lần lƣợt từ các nghiên cứu trên thế giới
đến các nghiên cứu ở trong nƣớc.
1.2.1. Các nghiên cứu trên thế giới
Từ khoảng những năm 90 của thế kỷ trƣớc, vấn đề nghiên cứu về ảnh hƣởng
của bề mặt đất đến kết quả mơ phỏng của mơ hình số đã đƣợc đề cập và triển khai
thực hiện. Năm 1994, Klink và Willmott đã nghiên cứu ảnh hƣởng 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 mơ hình bề mặt-khí quyển qui mơ vừa
10


với độ phân giải 1×1 độ kinh vĩ làm cơng cụ, nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi
độ che phủ và địa hình với 2 loại đất: đất trồng trọt và đất trống. Kết quả cho thấy
rằng, việc tăng tỷ lệ diện tích đất trống làm nhiệt độ trung bình ngày tăng lên gần
tuyến tính, cịn thơng lƣợng ẩn nhiệt lại giảm xuống. Ảnh hƣởng là lớn nhất khi
diện tích đất trống đan xen với đất sản xuất. Các tác giả cũng đã đề cập đến vấn đề
là cần tính đến sự phân bố khơng gian của thảm thực vật trong qui mô 1 ô lƣới.
Gần đây hơn, Hong và ccs (2009) trong nghiên cứu “Ảnh hƣởng của thảm
thực vật và độ ẩm đất đến mô phỏng các quá trình bề mặt trong mơ hình kết hợp
WRF-Noah” [9]. Nghiên cứu sử dụng mơ hình kết hợp giữa WRF và mơ hình bề
mặt đất của Noah (Noah-LSM) để đánh giá độ nhạy và những cải tiến của mơ hình
thơng qua sự biến đổi của thảm thực vật và độ ẩm đất. Tiến hành so sánh những
biến đổi theo thời gian của các biến bề mặt nhƣ: nhiệt độ bề mặt, thông lƣợng hiển
nhiệt, thông lƣợng nhiệt bề mặt và thông lƣợng ẩn nhiệt với số liệu quan trắc trong
dự án về nƣớc quốc tế, 2002. Những kết quả đã đƣợc kiểm nghiệm thống kê về hệ
số tƣơng quan và sai số bình phƣơng trung bình. Kết quả cho thấy mơ hình kết hợp
có độ nhạy cao với những biến đổi của thảm thực vật, kết quả mô phỏng cao đối với
bốc hơi và biến đổi rất ít của thơng lƣợng bề mặt ở những vùng có độ che phủ cao.
Cũng trong năm 2009, Okia và Rowell trong nghiên cứu “Tác động của độ
ẩm đất và điều kiện biên lên mô phỏng gió mùa ở Tây Phi của mơ hình khí hậu khu
vực” đã sử dụng mơ hình khí hậu khu vực của trung tâm Hadley (HadRM3P) để
điều tra ảnh hƣởng của độ ẩm đất và điều kiện biên lên mô phỏng gió mùa ở tây phi
[15]. Kết quả cho thấy, độ ẩm đất chỉ ảnh hƣởng nhỏ đến tổng lƣợng giáng thủy
mùa, sự biến đổi trong mùa và biến đổi khơng gian. Trong khi đó, điều kiện biên thì
có ảnh hƣởng rõ rệt hơn về cả cƣờng độ và phân bố không gian của lƣợng mƣa.
Năm 2012, để xem xét ảnh hƣởng của sự thay đổi độ che phủ đất đến các
hiện tƣợng cực đoan khí hậu [16], Pitman và ccs đã tiến hành chạy 4 mơ hình khí

hậu (ARPEGE, ECHAM5, ECEARTH và IPSL) với số liệu bề mặt đầu vào từ hai
nguồn số liệu độ che phủ bề mặt năm 1870 và 1992. Nồng độ khí nhà kính cũng
11


đƣợc thay đổi với các lựa chọn là 280 ppmv cho thời kỳ tiền công nghiệp và 375
ppmv cho thời gian gần đây. Ứng với mỗi nguồn số liệu (độ che phủ đất hoặc nồng
độ CO2 trong khí quyển) thì mỗi mơ hình có thể đƣợc thiết lập chạy với một trong
hai lựa chọn của nguồn số liệu còn lại (nồng độ CO2 hoặc độ che phủ đất). Trong
nghiên cứu này, mỗi mơ hình sẽ đƣợc chạy cho 5 trƣờng hợp, sau đó các kết quả mơ
phỏng đƣợc kết hợp thành một kết quả mô phỏng tổ hợp của mô hình đó và kết quả
cuối cùng của mỗi mơ hình đƣợc nội suy về một cùng lƣới chung trƣớc khi tính tốn
chỉ số của các hiện tƣợng cực đoạn khí hậu và so sánh giữa các mơ hình trên các
khu vực (Bắc Mỹ, Châu Âu và Đông Nam Châu Á). Trong nghiên cứu này, các chỉ
số cực đoan đƣợc sử dụng theo khuyến cáo của nhóm chuyên gia về biến đổi khí
hậu (ETCCDI), bao gồm: (I) các chỉ số hiện tƣợng cực đoan liên quan đến nhiệt độ:
về cƣờng độ có các chỉ số (1) cực tiểu của nhiệt độ tối cao ngày (min Tmax – TXn),
(2) cực tiểu của nhiệt độ tối thấp ngày (min Tmin – TNn), (3) cực đại của nhiệt độ
tối cao ngày (max Tmax – TXx) và (4) cực đại của nhiệt độ tối thấp ngày (max
Tmin – TNx); về thời gian có các chỉ số (5) số đợt lạnh (CSDI – số đợt mà ít nhất 6
ngày liên tục có Tmin nhỏ hơn phân vị 10%), (6) số đợt nóng (WSDI – số đợt mà ít
nhất 6 ngày liên tục có Tmax lớn hơn phân vị 90%); về tần suất (7) số ngày lạnh
(TX10p – số ngày có Tmax nhỏ hơn phân vị 10%), (8) số đêm lạnh (TN10p – số
ngày có Tmin nhỏ hơn phân vị 10%), (9) số ngày nóng (TX90p – số ngày có Tmax
lớn hơn phân vị 90%), (10) số đêm nóng (TN90p – số ngày có Tmin lớn hơn phân
vị 90%). (II) các chỉ số cực đoan liên quan đến lƣợng mƣa: (11) RX1day – cực đại
lƣợng mƣa ngày và (12) RX5day – cực đại tổng lƣợng mƣa 5 ngày liên tục. Kết quả
của nghiên cứu cho thấy, trong cả bốn mơ hình tác động của sự gia tăng nồng độ
CO2 trong khí quyển đến các chỉ số cực đoan khí hậu nhiều hơn về diện tích khơng
gian nhƣng có độ lớn tƣơng tự ảnh hƣởng của sự thay đổi độ phủ đất. Tuy nhiên,

ảnh hƣởng của sự thay đổi của độ phủ đất đến mô phỏng của các mơ hình là khác
nhau, thậm chí ngƣợc nhau.
Tiếp sau đó, những nghiên cứu sâu hơn tiếp tục đƣợc triển khai. Với mục
đích đánh giá mơ phỏng của mơ hình khi chạy với các nguồn số liệu đất khác nhau,
12


Cheng và ccs (2012) trong bài báo “Xem xét những ảnh hƣởng của sự khác nhau
trong việc sử dụng đất và độ che phủ bề mặt lên mơ phỏng khí tƣợng qui mô vừa
trên khu vực Đài Loan” [6]. Nghiên cứu đã tiến hành so sánh kết quả mô phỏng của
mơ hình WRF với ba bộ số liệu sử dụng đất khác nhau: một là số liệu sử dụng đất
USGS, hai là số liệu sử dụng đất MODIS và ba là số liệu sử dụng đất của đại học
quốc gia Đài Loan (NCU). Số liệu đất USGS thể hiện kém chính xác nhất, Số liệu
MODIS mơ tả khá chính xác các loại bề mặt, ngoại trừ ở khu vực phía tây Đài Loan
nơi mà đƣợc đánh giá quá cao về tốc độ đơ thị hóa; NCU mơ tả chính xác các đô thị
lớn và các loại đất khác. Do sự đánh giá quá cao ở khu vực đô thị nên kết quả mơ
phỏng của WRF-MODIS có nhiệt độ ban ngày dự báo cao hơn thực tế ở khu vực
phía tây. Ngƣợc lại, WRF-USGS dự báo thấp hơn. Còn các ƣớc lƣợng của WRFNCU rơi vào giữa hai giá trị kia. Trên đại dƣơng, WRF-MODIS mơ tả hồn lƣu gió
đất biển mạnh nhất do sự chênh lệch lớn của nhiệt độ đất và biển, tƣơng tụ WRFUSGS mô phỏng tốc độ gió nhỏ nhất, cịn WRF-NCU có mơ phỏng ở giữa hai mô
phỏng trên. Ở Đài Loan, độ ghồ ghề bề mặt là thông số quan trọng ảnh hƣởng tới
tốc độ gió. Mơ phỏng tốc độ gió của WRF-USGS thấp hơn quan trắc, trong khi
WRF-NCU và WRF-MODIS là tốt hơn và phù hợp với quan trắc.
Năm 2013, Tao và ccs đã sử dụng mơ hình NU-WRF để nghiên cứu ảnh
hƣởng của độ phủ đất đến các q trình khí quyển và chất lƣợng khơng khí [17].
Nghiên cứu đƣợc tiến hành cho lãnh thổ Hoa Kỳ và vùng lân cận với kích thƣớc
miền tính gồm 245×163 điểm lƣới theo phƣơng ngang với độ phân giải 20km, 40
mực độ cao từ bề mặt đến mực 50mb. Điều kiện biên và điều kiện ban đầu đƣợc sử
dụng là số liệu NCEP-FNL, cùng với đó mơ hình đƣợc chạy với ba bộ số liệu sử
dụng đất khác nhau, bao gồm USGS, UMD và MODIS. Ba nguồn số liệu này có sự
khác nhau lớn, trong 8 loại đất mà cả ba nguồn số liệu đều sử dụng thì có sự khác

nhau cũng khá lớn, tỉ lệ giống nhau giữa Modis và USGS là 55,8%, Modis và UMD
là 53,7% còn giữa USGS và UMD chỉ 47,8%. Bài tốn đƣợc tiến hành xử lý trong 2
bƣớc chính, thứ nhất các số liệu bề mặt đƣợc đƣa vào mô hình LIS (Land
Information System) để thu đƣợc những thơng tin bề mặt làm điều kiện biên cho mô
13


hình NU-WRF, sau đó là chạy mơ phỏng NU-WRF. Kết quả từ LIS cho thấy sự
khác nhau lớn tƣơng ứng với các nguồn số liệu đất khác nhau, lên đến 30-50%. Sự
khác nhau của độ ẩm đất này cũng là ngun nhân chính dẫn đến sự khác nhau của
thơng lƣợng hiển nhiệt, thông lƣợng ẩn nhiệt cũng nhƣ sự khác nhau trong kết quả
mơ phỏng của lƣợng mƣa. Trung bình, mỗi ô lƣới trên đất liền, lƣợng mƣa mô
phỏng khi sử dụng số liệu đất UMD và Modis cao hơn lƣợng mƣa mô phỏng khi sử
dụng số liệu đất USGS là 0,25mm và 0,05mm.
Trƣớc đó, năm 2008 cũng với mục đích nghiên cứu ảnh hƣởng của sự thay
đổi sử dụng đất đến chất lƣợng khơng khí, trong bài báo “Dự báo ảnh hƣởng của
biến đổi khí hậu và biến đổi sử dụng đất đến ôzôn bề mặt ở vùng Houston, Texas”,
Jiang và ccs đã sử dụng mơ hình WRF-Chem để mô phỏng và đánh giá sự thay đổi
của ôzôn gần bề mặt trong tháng tám ở hai giai đoạn hiện tại (2001-2003) và tƣơng
lai (2051-2053) [10]. Nghiên cứu sử dụng đầu ra của mơ hình tồn cầu CCSM phiên
bản thứ ba làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu của mơ hình. Số liệu sử dụng đất
cho hai trƣờng hợp hiện tại và tƣơng lai cũng đƣợc cập nhật vào mơ hình. Mơ hình
đƣợc thiết lập chạy với kịch bản phát thải A1B cho khu vực Houston, Texas, Hoa
Kỳ và lựa chọn phân tích đầu ra ở hai vùng: vùng đô thị (đƣợc gọi là vùng A) và
cùng ngoại ô (đƣợc gọi là vùng B). Kết quả cho thấy, nhiệt độ khơng khí gần bề mặt
tăng lên khoảng 20C trên phần lớn diện tích miền tính. Về nồng độ ôzôn gần bề mặt,
trên vùng đô thị, tính riêng ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu làm tăng nồng độ ôzôn
tích lũy trong 8h lên 2,6 ppb. Ảnh hƣởng của sự thay đổi sử dụng đất lớn hơn ảnh
hƣởng của biến đổi khí hậu 62%, kết hợp ảnh hƣởng của cả hai yếu tố làm tăng
nồng độ ôzôn lên 6,2 ppb. Nghiên cứu cũng chỉ ra ảnh hƣởng của biến đổi khí hậu

và sự thay đổi sử dụng đất là khác nhau ở các khu vực. Trong khi ở khu vực đô thị,
ảnh hƣởng của sự thay đổi sử dụng đất là lớn hơn thì ở khu vực ngoại ơ thì ngƣợc
lại.
Sự thay đổi sử dụng đất cũng là nguyên nhân quan trọng trong sự phân hóa
nhiệt độ giữa các khu vực, đặc biệt giữa khu vực thành thị và vùng ngoại ô. Những

14


năm gần đầy, nghiên cứu ảnh hƣởng của sự thay đổi sử dụng đất đến hiệu ứng đảo
nhiệt đô thị cũng đã đƣợc tập trung nghiên cứu. Năm 2007, Jusuf đã tiến hành
nghiên cứu cho Singapore [11]. Nghiên cứu sử dụng kết hợp phƣơng pháp phân tích
định tính và phân tích định lƣợng, bằng cách chồng các bản đồ sử dụng đất và bản
đồ nhiệt, đồng thời tập trung vào những khu vực muốn xem xét trong cả thời gian
ban ngày và ban đêm để đánh giá sự thay đổi của phân bố nhiệt độ trong ban ngày
cũng nhƣ ban đêm. Kết quả cho thấy nhiệt độ ban ngày hoặc ban đêm cao hay thấp
phụ thuộc vào loại đất. Vào ban ngày nhiệt độ cao nhất ở các khu công nghiệp, khu
thƣơng mại, sân bay, khu dân cƣ và thấp nhất ở khu cây xanh, công viên. Ban đêm
thứ tự nhiệt độ từ cao đến thấp lần lƣợt là khu thƣơng mại, khu dân cƣ, công viên,
khu công nghiệp và sân bay. Kết quả này cho thấy sự dịch chuyển của vùng nhiệt
khá rõ nét trong ngày đêm.
Mới đây, các nhà khoa học cũng đã nghiên cứu về ảnh hƣởng của bề mặt đến
biến đổi khí hậu bằng việc thực hiện những mơ phỏng khí hậu trong tƣơng lai theo
các kịch bản sử dụng đất khác nhau. Năm 2014, Ke và ccs đã xem xét ảnh hƣởng
của sự thay đổi số liệu sử dụng đất đến nhiệt độ ở khu vực có tốc độ đơ thị hóa
nhanh. Nghiên cứu đƣợc tiến hành cho khu vực phía nam tỉnh Giang Tơ, Trung
Quốc, một vùng trên khu vực châu thổ sông Trƣờng Giang [12]. Trong nghiên cứu
này, các tác giả đã sử dụng mơ hình WRF với hai kịch bản thay đổi sử dụng đất
khác nhau trong giai đoạn 2010-2050 là kịch bản thay đổi sử dụng đất với giả thiết
kinh tế phát triển nhanh (REG) và kịch bản với sự phát triển kinh tế kết hợp bảo vệ

môi trƣờng (CES). Sự thay đổi sử dụng đất theo REG là sự mở rộng của đất đô thị
với tốc độ nhanh, đất đô thị mở rộng chủ yếu ở quanh các đô thị trung tâm, lấn
chiếm đất rừng và đất trồng trọt. Theo CES, sự mở rộng của đất đô thị diễn ra trên
tồn vùng nghiên cứu và sự mở rộng đất đơ thị ở quanh các đô thị trung tâm bị hạn
chế. Nghiên cứu tiến hành đánh giá kết quả mô phỏng nhiệt độ trên khu vực nghiên
cứu của mơ hình với các kịch bản thay đổi sử dụng đất khác nhau, bao gồm so sánh
nhiệt độ trung bình tháng và phân bố khơng gian của nhiệt độ. Bên cạnh đó, cán cân
bức xạ và thông lƣợng hiển nhiệt, ẩn nhiệt từ bề mặt đƣợc tính tốn để giải thích sự
15


khác nhau trong kết quả mô phỏng. Kết quả cho thấy, nhiệt độ trung bình tháng trên
khu vực nghiên cứu phù hợp với những thay đổi số liệu đất trong các kịch bản, tuy
nhiên sự chênh lệch nhiệt độ cho thấy sự khác nhau đáng kể. Nhiệt độ trung bình
tháng cao nhất trong tháng 7 và thấp nhất trong tháng 1 ở cả hai kịch bản. Hơn nữa,
nhiệt độ trung bình tháng mơ phỏng theo REG cao hơn so với CES và sự chênh lệch
giữa hai mô phỏng trong mùa hè lớn hơn trong mùa đông. Các kết quả cũng cho
thấy ảnh hƣởng quan trọng của bề mặt đến phân bố khơng gian của nhiệt độ, cụ thể
diện tích các vùng có nhiệt độ cao mơ phỏng bởi REG rộng hơn nhiều so với diện
tích mơ phỏng trong CES, đặt biệt ở các thành phố lớn. Ảnh hƣởng của sự thay đổi
bề mặt đến nhiệt độ trên khu vực thông qua sự khác nhau của cán cân bức xạ và
thông lƣợng ẩn nhiệt từ bề mặt đi vào khí quyển, nghiên cứu cũng đã cho thấy sự
khác nhau của cán cân bức xạ và thông lƣợng ẩn nhiệt ứng với các kịch bản thay đổi
đất khác nhau.
Cũng nhằm mục đích đánh giá những ảnh hƣởng của việc thay đổi sử dụng
đất trong tƣơng lai đến khí hậu khu vực, trƣớc đó, năm 2013, Trail và ccs đã tiến
hành nghiên cứu trên khu vực đông nam Hoa Kỳ [18]. Trong nghiên cứu này, các
tác giả sử dụng mơ hình WRF phiên bản 3.4 với điều kiện ban đầu và điều kiện biên
đƣợc lấy từ mơ hình tồn cầu GISS ModelE2. Mơ hình đƣợc thiết lập chạy trên khu
vực bao gồm phía nam Canada, tồn bộ lãnh thổ Hoa Kỳ và phía bắc Mexico với

trung tâm miền tính ở 400N, 970W, miền tích có kích thƣớc 164×138 ơ lƣới với độ
phân giải 36km. Kịch bản biến đổi tƣơng lai đƣợc sử dụng là RCP4.5 với giả thiết
cán cân bức xạ tại đỉnh khí quyển là +4,5 w/m2 vào năm 2100, số liệu đất trên khu
vực Đông Nam Hoa Kỳ trong tƣơng lai đƣợc điều chỉnh theo hai giả thiết về sử
dụng đất trong tƣơng lai. (1) toàn bộ đất trồng trọt đƣợc thay thế bằng rừng lá kim
(SE_for) và (2) tất cả đất rừng đƣợc thay thế bằng đất trồng trọt và đồng cỏ
(SE_crop), cùng với đó là những thay đổi về độ ghồ ghề của bề mặt (Z0), albedo, độ
che phủ (LAI), độ phát xạ và bốc thoát hơi từ bề mặt và thảm thực vật (RS) cũng có
những thay đổi. Kết quả cho thấy, khí hậu trong tƣơng lai nóng hơn khi số liệu đất
là SE_for, sự nóng lên thể hiện cả bốn mùa trong năm 2050. Trong khi đó khi sử
16


dụng số liệu đất SE_crop thì khí hậu tƣơng lai lạnh hơn khi sử dụng kịch bản biến
đổi khí hậu mà khơng có sự điều chỉnh số liệu đất. Sự nóng lên của khí hậu trong
WRF-SE_for đƣợc giải thích do sự tăng lên của RS và giảm xuống của albedo còn
sự lạnh đi trong WRF_SE_crop là do sự tăng lên của albedo, LAI và sự giảm xuống
của RS.
Để xem xét sự thay đổi của thông lƣợng nhiệt từ bề mặt, năm 2014, trong
nghiên cứu “Sự thay đổi không gian của các dịng thơng lƣợng năng lƣợng bề mặt
do sự thay đổi sử dụng đất ở Trung Quốc” [7], Enjunma và ccs đã chạy mơ hình
WRF với kịch bản phát thải RCP6.0 với số liệu sử dụng đất trong tƣơng lai đƣợc
mơ phỏng từ mơ hình động lực học của hệ thống đất (DLS). Nghiên cứu tiến hành
xem xét sự biến đổi các dịng thơng lƣợng bề mặt trên bốn khu vực có sự biến đổi
sử dụng đất tiêu biểu, bao gồm: (1) khu vực có sự tăng diện tích đất nơng nghiệp,
(2) khu vực giảm diện tích đồng cỏ do đơ thị hóa, (3) khu vực đƣợc trồng rừng và
(4) khu vực đơ thị hóa nhanh. Kết quả cho thấy sự thay đổi khác nhau của các dịng
thơng lƣợng năng lƣợng bề mặt trong 40 năm (2010-2050) trên các khu vực bề mặt
thay đổi khác nhau. Cụ thể, thông lƣợng ẩn nhiệt tăng lên ở khu vực 1 và 3 với mức
tăng lần lƣợt là 2 và 21 w/m2, giảm xuống ở khu vực 2 và 4 (giảm 5 và 36 w/m2).

Với thơng lƣợng hiển nhiệt, chỉ có khu vực 4 là tăng lên với mức tăng là 40 w/m2
còn giảm xuống ở ba khu vực còn lại. Đối với cán cân bức xạ cũng có sự biến đổi
khác nhau, khu vực 3 và 4 có cán cân bức xạ tăng lên (tăng 6 và 3 w/m2) còn khu
vực 1 và 2 có cán cân bức xạ giảm xuống (giảm 4 và 7 w/m2). Nghiên cứu cũng cho
thấy ảnh hƣởng của sự thay đổi sử dụng đất khác nhau theo từng mùa. Sự thay đổi
rõ rệt nhất của thông lƣợng ẩn nhiệt, hiển nhiệt và cán cân bức xạ thể hiện trong
mùa đông và mùa xuân, đặc biệt là giữa khu vực 3 và khu vực 4. Hơn nữa, sự thay
đổi của sử dụng đất cũng ảnh hƣởng khác nhau đến sự biến đổi theo tháng của các
dòng năng lƣợng.

17


1.2.2 Các nghiên cứu trong nước
Ở Việt Nam, vấn đề nghiên cứu về ảnh hƣởng của bề mặt nói chung đến kết
quả mơ phỏng của mơ hình cũng đƣợc thực hiện trong những năm gần đây. Các kết
quả bƣớc đầu cho thấy vai trò của bề mặt khi sự thay đổi của bề mặt làm thay đổi
kết quả mô phỏng của mơ hình.
Năm 2008, khi nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt đô thị tại Tp. HCM, Lƣơng
Văn Việt đã chạy mơ hình MM5 với hai đầu vào của số liệu sử dụng đất khác nhau
là số liệu sử dụng đất USGS và số liệu sử dụng đất sau khi điều chỉnh loại bề mặt và
độ ghồ ghề từ số liệu sử dụng đất, số liệu địa hình của vệ tinh MODIS và SRTM
cho khu vực Tp. HCM [3]. Trong nghiên cứu này, tác giả đã chạy mơ hình MM5
với 4 miền tính lồng nhau có độ phân giải lần lƣợt là 27km, 9km, 3km và 1km.
Miền tính trong cùng với 100×100 điểm lƣới bao phủ Tp. HCM. Thời gian mơ
phỏng trong nghiên cứu là vào tháng 2 của ba năm 2004 - 2006, chất lƣợng mô
phỏng trƣờng nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ gió đƣợc đánh giá khi so sánh với giá trị
quan trắc ở trạm Tân Sơn Hòa thông qua hai đại lƣợng thống kê: hệ số tƣơng quan
giữa dự báo – quan trắc (thực chất là hệ số tƣơng quan giữa chuỗi dự báo và quan
trắc sau khi chuẩn hóa) và sai số trung bình. Ảnh hƣởng của việc điều chỉnh số liệu

bề mặt đến kết quả mô phỏng đƣợc xem xét khi so sánh giá trị của hai đại lƣợng
thống kê đã nêu cho hai trƣờng hợp trƣớc và sau điều chỉnh. Kết quả cho thấy, chất
lƣợng mô phỏng tăng lên sau khi điều chỉnh số liệu bề mặt. Cụ thể, đối với nhiệt độ
thì chất lƣợng dự báo tăng rõ rệt khi sai số trung bình giảm cịn hệ số tƣơng quan
tăng lên. Đối với độ ẩm, mặc dù hệ số tƣơng quan không tăng lên nhƣng sai số giảm
đáng kể, cả độ ẩm và tốc độ gió có sự suy giảm rõ rệt trên khu vực đơ thị. Bên cạnh
đó, hiệu ứng đảo nhiệt đô thị cũng đƣợc thể hiện rõ nét hơn sau khi điều chỉnh số
liệu bề mặt, khi nhiệt độ ở khu vực trung tâm Tp. HCM có thể cao hơn khu vực
ngoại ô từ 10C đến 20C trong những ngày có tốc độ gió yếu.
Tiếp theo đó, cũng với mục đích đánh giá sự thay đổi của bề mặt đến kết quả
mơ phỏng của mơ hình MM5, Lƣơng Văn Việt và Vũ Thanh Ca (2010) [4] đã sử
18


dụng mơ hình MM5 với hai lựa chọn số liệu sử dụng đất (số liệu sử dụng đất thực tế
năm 2006 và số liệu đất theo qui hoạch của thành phố đến năm 2020) để mô phỏng
lại trƣờng nhiệt ở khu vực Tp. HCM năm 2006. Các thông số về miền tính, có lựa
chọn sơ đồ tham số hóa vật lý và điều kiện biên, điều kiện ban đầu tƣơng tự nhƣ
trong [3]. Sau khi chạy thành cơng mơ hình, các tác giả đã tiến hành so sánh kết quả
mô phỏng với hai tùy chọn sử dụng đất khác nhau từ đó đánh giá sự thay đổi trong
kết quả mơ phỏng. Việc so sánh đƣợc thực hiện theo từng khu vực: (1) toàn Tp.
HCM, (2) khu vực nội thành mới, (3) khu vực nội thành cũ và (4) khu vực ít có sự
biến động sử dụng đất đến năm 2020. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự gia tăng nhiệt
độ khi sử dụng số liệu đất 2020, cụ thể: mức tăng nhiệt lớn ở khu vực đô thị mới
(0,190C) và ít hơn trên khu vực ít có sự biến động sử dụng đất (0,140C); sự gia tăng
nhiệt độ cũng phụ thuộc vào từng mùa, các tháng mùa khô sự gia tăng nhiệt thƣờng
lớn hơn các tháng mùa mƣa (trong tháng 4, ở khu vực đơ thị mới có mức tăng nhiệt
tới 0,230C); sự gia tăng nhiệt độ cũng phụ thuộc vào khoảng thời gian trong ngày,
thời gian từ 11 giờ đến 17 giờ có mức tăng nhiệt lớn nhất (nội thành mới là 0,350C,
nội thành cũ là 0,270C).

Trƣớc đó, năm 2006 trong bài báo “Ứng dụng viễn thám nhiệt khảo sát đặc
trƣng nhiệt độ bề mặt đô thị với sự phân bố các kiểu thảm phủ ở thành phố Hồ Chí
Minh”, Trần Thị Vân đã sử dụng ảnh vệ tinh Landsat ETM+ để chỉ ra những sự
khác nhau về nhiệt độ ở khu vực đô thị và so sánh mối quan hệ giữa nhiệt độ bề mặt
đô thị với các kiểu thảm phủ [2]. Kết quả phân tích ảnh vệ tinh trên khu vực nghiên
cứu cho thấy sự thay đổi nhiệt độ bề mặt tƣơng ứng với sự khác nhau của loại bề
mặt. Cụ thể, ở các khu công nghiệp, khu dân cƣ có nhiệt độ bề mặt cao nhất, khu
vực có thảm thực vật hay bề mặt nƣớc có nhiệt độ thấp hơn.
Nguyễn Bình Phong (2009) đã nghiên cứu tác động của tham số hóa các q
trình bề mặt trong việc mơ phỏng khí hậu khu vực bằng mơ hình MM5 [1]. Trong
nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành chạy mơ hình MM5 trong thời gian khoảng hai
tháng với hai sơ đồ đất khác nhau là NOAH và sơ đồ sinh-khí quyển BATS. Kết

19


quả cho thấy độ ẩm đất cũng nhƣ nhiệt độ đất mơ phỏng từ mơ hình tƣơng ứng với
hai tùy chọn sơ đồ đất khác nhau có sự khác nhau, trong đó sự khác nhau của
trƣờng độ ẩm là khơng rõ nét, trong khi trƣờng nhiệt độ có sự nhau lớn hơn và khi
thời gian chạy càng dài thì sự sai khác giảm đi.
Các nghiên cứu trên đã chỉ ra đƣợc ảnh hƣởng của bề mặt (độ ẩm đất, độ che
phủ và đồ ghồ ghề của bề mặt) đến kết quả mơ phỏng của mơ hình. Bên cạnh đó
cũng đã cho thấy sự khác nhau của kết quả mô phỏng mơ hình với các nguồn số liệu
đất khác nhau và đã giải thích đƣợc nguyên nhân dẫn tới sự khác nhau đó. Tuy
nhiên, các nghiên cứu mới chỉ ra đƣợc ảnh hƣởng của bề mặt đến các dịng thơng
lƣợng năng lƣợng và nhiệt độ bề mặt mà chƣa đề cập đến hoặc chƣa lý giải đƣợc sự
thay đổi của các biến khí quyển (nhiệt độ khơng khí, lƣợng mƣa) dƣới ảnh hƣởng
của các số liệu bề mặt khác nhau.

20

CHƢƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong chƣơng 1 đã trình bày về vai trị của bề mặt đến sự hình thành khí hậu
cũng nhƣ các nghiên cứu trong nƣớc và trên thế giới về ảnh hƣởng của bề mặt đến
thời tiết khí hậu nói chung và đến kết quả mơ phỏng của mơ hình số trị nói riêng.
Trong chƣơng này sẽ trình bày nguồn số liệu và phƣơng pháp sử dụng trong luận
văn.
2.1. Nguồn số liệu
Nguồn số liệu sử dụng trong luận văn gồm số liệu quan trắc tại trạm và số
liệu tái phân tích NCEP-FNL. Trong đó số liệu quan trắc tại trạm bao gồm số liệu
quan trắc nhiệt độ và lƣợng mƣa, nguồn số liệu này đƣợc sử dụng để xác định
khoảng thời gian mô phỏng (các đợt có thời tiết điển hình) và đánh giá kết quả mơ
phỏng. Số liệu tái phân tích NCEP-FNL đƣợc sử dụng làm điều kiện biên và điều
kiện ban đầu trong việc thiết lập chạy mơ hình WRF.
2.1.1. Số liệu quan trắc
Tƣơng ứng với mục đích của luận văn là đánh giá khả năng mô phỏng nhiệt
độ, lƣợng mƣa của mơ hình WRF, số liệu quan trắc đƣợc sử dụng cũng bao gồm số
liệu quan trắc của nhiệt độ và lƣợng mƣa tại các trạm Khí tƣợng. Số liệu quan trắc
nhiệt độ bao gồm nhiệt độ trung bình ngày T2m, nhiệt độ tối cao ngày Tx và nhiệt
độ tối thấp ngày Tm tại ba trạm Khí tƣợng bề mặt gồm Tân Sơn Nhất, Biên Hòa và
Vũng Tàu trong năm 2010. Đây là 3 trạm nằm trong khu vùng có tốc độ đơ thị hóa
cao là Tp. HCM, thành phố Biên Hòa - tỉnh Đồng Nai và thành phố Vũng Tàu - tỉnh
Bà Rịa Vũng Tàu. Về số liệu mƣa, luận văn chỉ sử dụng số liệu mƣa tại trạm Tân
Sơn Nhất. Do nhiều thời điểm bị khuyết số liệu nên số liệu mƣa đƣợc xem xét trong
giai đoạn 5 năm từ 2008-2012. Số liệu quan trắc bề mặt đƣợc rà sốt để lựa chọn
các khoảng thời gian mơ phỏng của mơ hình (đƣợc trình bày trong mục 2.2.3) và
sau đó để đánh giá kết quả mơ phỏng của mơ hình.

21

2.1.2. Số liệu NCEP-FNL
Số liệu NCEP-FNL là số liệu phân tích tồn cầu với độ phân giải 1×1 độ
kinh vĩ. Là sản phẩm thu đƣợc từ hệ thống đồng hóa số liệu toàn cầu GDAS, đƣợc
thu thập từ hệ thống viễn thám GTS và các nguồn khác. NCEP-FNL đƣợc tạo ra từ
cùng một mơ hình mà NCEP sử dụng trong hệ thống dự báo toàn cầu GFS. Tuy
nhiên NCEP-FNL đƣợc tạo ra chậm hơn khoảng một giờ hoặc lâu hơn sau khi có
sản phẩm GFS, khoảng thời gian để các nguồn số liệu quan trắc đƣợc cập nhật. GFS
trong trƣờng hợp này cũng đƣợc chạy với đầu vào là FNL ở thời điểm trƣớc đó 6h.
Số liệu FNL trên qui mơ tồn cầu tƣơng ứng với 27 mực là bề mặt và 26 mực
khí áp từ mực 1000mb đến 10mb, bao gồm các biến khí áp bề mặt, khí áp mực biển,
độ cao địa thế vị, nhiệt độ, nhiệt độ bề mặt nƣớc biển, độ phủ băng, độ ẩm tƣơng
đối, các thành phần u, v, w của tốc độ gió, độ xốy và ozon. Số liệu FNL gồm có
định dạng Grib (Grib1 và Grib2) và Netcdf đƣợc thiết lập trong giai đoạn từ năm
1999 đến một ngày gầy thời điểm hiện tại, riêng số liệu định dạng Grib2 chỉ có từ
tháng 12 năm 2007.
Số

liệu

NCEP-FNL

đƣợc

cung

cấp

tại

địa

chỉ:

cho phép ngƣời dùng tải miễn phí. Để
tải số liệu về hệ thống, ngƣời dùng cần đăng ký sử dụng bằng địa chỉ email, truy cập
vào đƣờng link dữ liệu ở trên, lựa chọn số liệu sử dụng sau đó copy script và chạy
script này trên hệ thống để tải số liệu.
2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu
Để xem xét ảnh hƣởng của bề mặt đệm đến kết quả mơ phỏng nhiệt độ và
lƣợng mƣa của mơ hình WRF, trong luận văn này tác giả thiết lập chạy mơ hình
WRF với hai bộ số liệu sử dụng đất khác nhau: số liệu sử dụng đất USGS và số liệu
sử dụng đất MODIS. Trong mục này sẽ trình bày phƣơng pháp nghiên cứu sử dụng
trong luận văn, bao gồm mơ tả khái qt về mơ hình WRF; cách thiết lập chạy mơ
hình với việc lựa chọn số liệu sử dụng đất khác nhau; lựa chọn thời gian mô phỏng;

22