Nghiên cứu tác động của tham số hoá các quá trình bề mặt trong việc mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình mm5

Nh107 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Bình Phong NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2009 i Nghiên cứu phát triển sơ đồ phân tích và ban đầu hóa xoáy thuận nhiệt đới 3 chiều cho mục đích dự báo quĩ đạo bão ở Việt Nam. ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN Nguyễn Bình Phong NGHIÊN CỨU TÁC ĐỘNG CỦA THAM SỐ HOÁ CÁC QUÁ TRÌNH BỀ MẶT TRONG VIỆC MÔ PHỎNG KHÍ HẬU KHU VỰC BẰNG MÔ HÌNH MM5 Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học Mã số: 60.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. Phan Văn Tân Hà Nội – 2009 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 3 Lời cảm ơn Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến PGS. TS. Phan Văn Tân đã tận tình chỉ bảo, định hướng khoa học và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, những lời khuyên hữu ích và hơn hết là niềm say mê nghiên cứu khoa học. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học trường Đại học Khoa học tự nhiên vì đã tạo điều kiện giúp đỡ và tổ chức những hoạt động học tập và nghiên cứu một cách tận tình. Cuối cùng, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên vô cùng to lớn từ gia đình, bạn bè và các bạn đồng nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành vì những góp ý hữu ích trong chuyên môn c ũng như những chia sẻ trong cuộc sống. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 4 MôC LôC Trang Lêi nãi ®Çu 3 Ch­¬ng 1 TỔNG QUAN 5 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5 1.2 Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình khí hậu 5 1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển 9 1.4 Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển 11 Ch­¬ng 2 MÔ HÌNH MM5 VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ MẶT ĐẤT 16 2.1 Giới thiệu về mô hình MM5 16 2.2 Cấu trúc mô hình MM5 17 2.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ bề mặt trong MM5 20 2.4 Động lực học của mô hình 21 Ch­¬ng 3 ỨNG DỤNG BATS CHO MM5 34 3.1 Mô tả sơ đồ BATS 34 3.2 Áp dụng BATS cho MM5 47 Ch­¬ng 4 KẾT QUẢ THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ 50 4.1 Cơ sở số liệu 50 4.2 Phạm vi nghiên cứu 51 4.3 Kết quả nghiên cứu 52 Kết luận và kiến nghị 65 Phụ lục 66 Tài liệu tham khảo 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 5 LỜI NÓI ĐẦU Trong các mô hình khí hậu, việc đưa vào điều kiện biên dưới trong đó có tham số hóa các quá trình vật lý bề mặt đóng vai trò rất quan trọng. Sự bến đổi của mặt đệm gây nên sự biến đổi của Albedo cũng như khả năng hấp thụ và phát xạ bức xạ mặt trời và bức xạ sóng dài. Mặt đệm cũng ảnh hưởng đến các quá trình trao đổi năng lượng giữa bề mặt và khí quyển thông qua sự vận chuyển rối, bốc thoát hơi từ bề mặt, ngưng kết trong khí quyển…Chính vì vậy, trong các mô hình dự báo khí hậu, vai trò của địa hình và lớp phủ bề mặt có ảnh hưởng lớn đến quá trình tương tác giữa mặt đệm và khí quyển. Các quá trình này được tham số hóa và đưa vào mô hình bằng các sơ đồ gọi là sơ đồ đất (LSM: Land Surface Model). Các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển được quan tâm nghiên cứu bao gồm: Các dòng trao đổi bức xạ, động lượng, các nguồn năng lượng và nước trong lớp đất gần bề mặt và các quá trình hình thành, tan tuyết Các nghiên cứu đã chỉ ra, sơ đồ sinh - khí quyển BATS (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme) có nhiều ưu điểm trong việc tính toán tác động của các quá trình vật lý bề mặt và đã được nhiều tác giả sử dụng trong các mô hình khí hậu trong đó có mô hình khí hậu khu vực RegCM (mô hình thuỷ tĩnh). Một số nhà nghiên cứu khí hậu cũng đã bước đầu sử dụng sơ đồ BATS trong mô hình MM5 (mô hình phi thủy tĩnh). Để đưa vào được ảnh hưởng của các quá trình bề mặt qui mô dưới lưới vào mô phỏng khí hậu, chúng tôi thử nghiệm áp dụng sơ đồ BATS vào mô hình MM5 nhằm phát triển mô hình và mô phỏng ảnh hưởng của các quá trình vật lý bề mặt đến khí hậu. Chính vì những nguyên nhân trên chúng tôi lựa chọn đề tài “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”. Luận văn tập trung vào việc nghiên cứu tác động của bề mặt đất đến hệ thống khí hậu bằng việc áp dụng sơ đồ BATS (Biosphere LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 6 Atmosphere Tranfer Scheme) vào mô hình MM5. Mục tiêu chính của luận văn là thay thế sơ đồ đất của MM5 (Noahlsm) bởi sơ đồ BATS, việc nghiên cứu tương tác giữa bề mặt và khí quyển đã được nhiều tác giả nghiên cứu nên sẽ không được trình bày kỹ ở đây. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Trên thế giới, đã có rất nhiều nghiên cứu về tham số hoá các quá trình bề mặt trong mô hình khí hậu. Điển hình là Avissar & Pielke và Koster & Suarez đã đưa ra phương pháp khảm để biểu diễn ảnh hưởng của sự bất đồng nhất bề mặt, Trung tâm nghiên cứu khí quyển của Colorado đã nghiên cứu về sự trao đổi bức xạ và lớp biên trong phát triển RegCM2, Dyi-Huey Chang, Le Jiang và Shafiqul Islam đã nghiên cứu lồng độ ẩm đất vào mô hình MM5. Robert E.Dickinson và Muhammad Shaikh trong nghiên cứu của mình đã chỉ ra sự bốc thoát hơi nước từ lá của thực vật có tác động lớn đến mô hình khí hậu và đã đưa ra sơ đồ trao đổi sinh quyển - khí quyển để mô phỏng khí hậu… Ở Việt Nam, việc nghiên cứu tác động của lớp biên phía dưới đối với khí hậu đang được quan tâm. Phan Văn Tân và các cộng sự đã nghiên cứu ảnh hưởng của tính bất đồng nhất mặt đệm đến các trường nhiệt độ và lượng mưa mô phỏng bằng mô hình RegCM trên khu vực Đông Dương và Việt Nam đã chỉ ra vai trò của các quá trình vật lý bề mặt và những vấn đề cần được triển khai nghiên cứu tiếp trong các mô hình khí hậu. 1.2 Vai trò của sơ đồ tham số hóa bề mặt đối với mô hình khí hậu Khí hậu chịu tác động bởi bề mặt đất ở mọi qui mô thời gian và không gian. Trước tiên, khí quyển chịu tác động trực tiếp bởi mặt đệm, bề mặt là nguồn tích trữ nhiệt và ẩm cho khí quyển thông qua dòng hiển nhiệt và bốc hơi. Thứ hai, các điều kiện bề mặt đóng vai trò điều chỉnh chu trình tác động hồi tiếp trong hệ thống khí hậu. Thứ ba, các thành phần bức xạ mặt trời tại bề mặt (thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt) là nhân tố chính quyết định lượng nước và nhiệt trong đất. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 8 Cuối cùng, các dòng năng lượng bề mặt tác động mạnh đến trị số các yếu tố như độ ẩm, tốc độ gió, nhiệt độ mực 2 mét, lớp mây thấp và giảng thuỷ. Hoạt động của con người phần lớn diễn ra ở lớp khí quyển này và chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi các điều kiện khí quyển tại gần bề mặt. Việc tham số hoá các quá trình tại bề mặt đất trong mô hình dự báo thời tiết cũng như các mô hình khí hậu có một vai trò rất quan trọng do những nguyên nhân sau: - Các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt tại bề mặt là điều kiện biên dưới cho các phương trình năng lượng và ẩm trong khí quyển. - Các sơ đồ bề mặt có tác động rất lớn đến các tham số bề mặt như nhiệt độ, điểm sương và lớp mây thấp. - Các điều kiện bề mặt qui định cơ chế tác động hồi tiếp (feedback mechanims) đối với các quá trình vật lý trong khí quyển: mây mực thấp ảnh hưởng đến cân bằng bức xạ tại bề mặt, các dòng thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt tác động đến sự trao đổi lớp biên và các quá trình đối lưu ẩm. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 9 Hình 1.1 Tương tác giữa các quá trình trong khí quyển và bề mặt Ngoài ra, do lượng nước có thể được giữ lại trong lớp đất bề mặt nên độ ẩm đất còn được xem là một trong những nhân tố có tính ỳ giống như loại bề mặt nước, bề mặt tuyết hoặc băng, có quy mô tương tác với khí quyển từ vài ngày đến mùa. Ví dụ như bề mặt nước tích trữ nhiệt vào mùa hè vào giải phóng nhiệt vào mùa đông. Để rõ hơn, ta xét một thời kỳ có hai giai đoạn khô và ướt. Giai đoạn khô xảy ra sau thời kỳ có mưa và giai đoạn ướt xảy ra lúc bắt đầu thời kỳ mưa. Sau thời kỳ mưa, với chế độ ẩm dư thừa trong đất, khả năng bốc hơi từ bề mặt quy định bởi chế độ khí tượng lớp sát bề mặt - giai đoạn khí quyển thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung AB và CD). Trong thời kỳ này bốc hơi từ bề mặt đạt giá trị cực đại và còn gọi là bốc hơi khả năng. Sau khi bốc hơi diễn ra nhiều, độ ẩm đất giảm và khả năng cung cấp ẩm do bốc hơi từ bề mặt đất không còn rõ. Bốc hơi bề mặt lúc này phụ thuộc vào lượng thoát hơi do thực vật gây ra. Khả năng hút nước của thực vật chịu sự chi phối bởi độ ẩm thích hợp trong đất và lúc này khả năng cung cấp ẩm cho khí quyển từ bề mặt phụ thuộc LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 10 vào khả năng giữ ẩm trong lớp đất bề mặt (không bị ngấm xuống sâu) và độ ẩm thích hợp trong lớp đất rễ cho sự hút nước của rễ cây, giai đoạn này được gọi là giai đoạn độ ẩm đất thống trị trong sự trao đổi giữa khí quyển và bề mặt (cung BC và AD). Khi thời kỳ ướt bắt đầu, bề mặt xảy ra quá trình thấm nước xuống sâu và độ ẩm đất lại chịu ảnh hưởng của những điều kiện khí quyển bên trên nó (nhiệt, giáng thuỷ). Các quá trình tiếp diễn tạo nên vòng tuần hoàn thay phiên thống trị giữa độ ẩm đất và khí quyển trong việc luân chuyển vật chất (nhiệt, ẩm) của hệ thống khí hậu. Hình 1.2 Sơ đồ biểu diễn sự tương tác giữa nước trong đất và khí quyển, trong đó E, Ep, I và P lần lượt là bốc hơi, bốc hơi khả năng, lượng thẩm thấu và mưa Những nhân tố quan trọng khác góp phần ảnh hưởng của bề mặt tới khí quyển là con người và thế giới sinh vật trên bề mặt Trái đất. Sự phát thải các chất khí độc hại do hoạt động sản xuất của con người sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến thành phần của khí quyển (các chất xol khí) và hệ quả là các quá trình truyền và Đất thống trị Đất thống trị Khí quyển thống trị Khí quyển thống trị E<Ep E=Ep I=P I<P C B D A LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 11 hấp thụ bức xạ bị thay đổi, các quá trình hình thành và tạo mưa thay đổi. Tuy rằng năng lượng giành cho các phản ứng sinh hoá trong lớp sát bề mặt là rất nhỏ nhưng về lâu dài hay trong việc mô phỏng khí hậu hoặc mô phỏng khí quyển với quy mô không gian lớn (toàn cầu) thì không thể không xét tới các quá trình này. Sự trao đổi năng lượng của lớp sinh vật sát bề mặt được coi là đóng vai trò quan trọng trong các chu kỳ tuần hoàn hoá-địa-sinh trên trái đất [1]. Ví dụ, lượng carbon mà toàn bộ thực vật trên Trái đất trao đổi với khí quyển trong một ngày gấp khoảng 6 lần tổng lượng carbon sinh ra do khí thải công nghiệp của con người [5]. Nhấn mạnh thêm rằng quá trình trao đổi giữa thế giới sinh vật với môi trường là liên tục, trong khi sự phát thải của con người gần như là một chiều. Hệ quả của chúng vẫn liên quan tới sự thay đổi thành phần của khí quyển và tất nhiên sẽ ảnh hưởng đến sự thay đổi trong hệ thống khí hậu. Tóm lại ta thấy rằng để tính toán được chính xác các thông lượng trao đổi giữa bề mặt và khí quyển phải miêu tả được các quá trình trao đổi năng lượng xảy ra tại bề mặt Trái đất và biến trình của độ ẩm đất theo thời gian. 1.3 Lịch sử phát triển các sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển Trong một mô hình khí hậu bao gồm mô hình khí quyển, mô hình đại dương, mô hình thuỷ văn, mô hình bề mặt [2], bộ phận bề mặt sẽ đóng vai trò cung cấp (trả lại) cho mô hình khí quyển các dòng năng lượng phi bức xạ. Các dòng năng lượng phi bức xạ bao gồm dòng ẩn nhiệt (bốc thoát hơi) và dòng hiển nhiệt (dòng nhiệt rối). Nói cách khác, bề mặt cung cấp điều kiện biên dưới cho mô hình khí quyển. Để miêu tả chính xác được các dòng năng lượng này, ta phải xem xét đến tất cả các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm và động lượng giữa đất, thực vật và khí quyển xảy ra tại bề mặt Trái đất. Sơ đồ miêu tả quá trình tương tác giữa bề mặt và khí quyển (hình 1.3) được gọi là sơ đồ trao đổi năng lượng giữa LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 12 đất - thực vật và khí quyển, viết tắt là SVAT (Soil-Vegetation-Atmosphere Transfers). Trong một sơ đồ SVAT phải tính được đến ba quá trình cơ bản sau: 1. Cân bằng năng lượng bức xạ tại bề mặt 2. Trao đổi nhiệt, động lượng và ẩm giữa bề mặt và khí quyển 3. Sự tích trữ năng lượng tại bề mặt Sơ đồ SVAT nhận đầu vào từ mô hình khí quyển (tại mực thấp nhất) bao gồm bức xạ sóng ngắn từ mặt trời; sóng dài từ khí quyển và mây; giáng thuỷ dạng rắn hoặc dạng lỏng; chế độ gió, nhiệt và ẩm sát bề mặt. Các sơ đồ SVAT sẽ tính toán cân bằng nhiệt, ẩm cho lớp bề mặt hoặt động. Bề dày của lớp này được lựa chọn tuỳ thuộc vào điều kiện địa phương và quy mô thời gian cần tính toán (thời tiết, khí hậu). Hình 1.3 miêu tả quan hệ qua lại giữa sơ đồ SVAT và mô hình khí quyển trong một mô hình khí hậu. Để tính toán sự trao đổi năng lượng, động lượng và khối lượng giữa bề mặt và khí quyển, các sơ đồ SVAT đã được phát triển rất sớm, từ các sơ đồ đất-thuỷ văn đơn giản ban đầu của Budyko (1963), Manabe (1969) [6] cho đến các sơ đồ tán lá lớn (big leaf) phức tạp hơn của Deardroff (1978) [6], bao gồm việc tính Hình 1.3 Quan hệ gắn kết giữa bề mặt và khí quyển trong mô hình hệ thống khí hậu. P là giáng thuỷ, R là bức xạ, T, q, u là nhiệt độ, độ ẩm không khí và vận tốc gió; SH, LE,  là dòng hiển nhiệt, ẩn nhiệt và ứng suất bề mặt LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 13 toán các phương trình trao đổi nhiệt, ẩm cho một vài tầng đất sâu và một vài tầng thực vật (loại thực vật cao và thấp). Trong sơ đồ đất-thuỷ văn, lớp đất bề mặt được xem xét như một "chiếc thùng" có thể được lấp đầy bởi giáng thuỷ nếu có và sẽ bị khô đi do bốc hơi và dòng chảy mặt. Dòng chảy mặt xảy ra khi chiếc thùng hết khả năng chứa nước, còn tốc độ bốc hơi được xem như là hàm tuyến tính của lượng nước trong thùng (độ ẩm đất). Trong các sơ đồ SVAT gần đây về cơ bản gồm ba bộ phận chính là bộ phận đất, bộ phận tuyết và bộ phận thực vật. Bộ phận đất có vai trò cung cấp các profin nhiệt và ẩm của cột đất tính từ bề mặt trở xuống (bộ phận đất là sơ đồ tối thiểu nhất cho một sơ đồ SVAT), bộ phận thực vật cung cấp tốc độ bốc thoát hơi của lá cây và bộ phận tuyết miêu tả quá trình thành tạo và tan đi của tuyết trên bề mặt. Một số sơ đồ SVAT đã đưa vào quá trình cân bằng carbon trong lớp thực vật với các quá trình trao đổi 2CO của thực vật với mục đích nghiên cứu hệ sinh thái. Đã có rất nhiều các mô hình dạng SVAT được phát triển trong những năm vừa qua nhưng đa số chúng dựa trên hai mô hình là BATS của Dickinson (1984) và SiB của Sellers (1986) [6]. Hai mô hình này được coi như là mở đầu trong việc đưa vào hầu hết các quá trình xảy ra tại bề mặt vào trong các sơ đồ SVAT áp dụng cho các mô hình khí tượng và khí hậu. 1.4 Các phương trình cơ bản cho sơ đồ trao đổi đất - thực vật - khí quyển Năng lượng bức xạ thuần nR hấp thụ tại bề mặt tính bởi: 4(1 )   n w gR S L T  (1.1) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 14 trong đó S là độ chiếu nắng hay năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt,  là albedo bề mặt, wL là thông lượng sóng dài tới bề mặt (của khí quyển, mây),  là hằng số Stefan-Boltzmann và gT là nhiệt độ bề mặt. Phương trình cân bằng nhiệt tại bề mặt:   nR G SH LE (1.2) trong đó G là thông lượng nhiệt truyền xuống lớp đất dưới bề mặt, SH là thông lượng hiển nhiệt, E là tốc độ bốc thoát hơi nước và L là ẩn nhiệt hoá hơi. Trong phương trình (1.2) ta đã bỏ qua năng lượng dành cho các phản ứng sinh hoá. Coi các quá trình truyền nhiệt rối ( )SH , bốc thoát hơi ( )E và truyền động lượng (ứng suất bề mặt  ) là tựa khuếch tán. Theo lý thuyết tương tự của Monin- Obukhov, thông lượng khuếch tán F của một lượng  từ bề mặt vào khí quyển có thể tính theo công thức xấp xỉ: ( ) D s aF C u    (1.3) H×nh 1.4: Sù ph©n bè l¹i n¨ng l­îng mÆt trêi t¹i bÒ mÆt (tr¸i) vµ c¸c dßng Èn nhiÖt vµ hiÓn nhiÖt truyÒn vµo trong líp biªn khÝ quyÓn (ph¶i) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 15 trong đó  là mật độ không khí, u là độ lớn của vận tốc gió, s và a tương ứng là  tại bề mặt và trong không khí, và DC là hệ số trao đổi không thứ nguyên. Nếu ta ký hiệu kháng trở khí động học (độ chống chịu) bề mặt: 1 a D r C u (1.4) thì thông lượng F được viết lại dưới dạng: ( )  s a a F r     (1.5) Theo công thức (1.5) ta thấy thông lượng  truyền từ bề mặt vào trong khí quyển do sự chênh lệch lượng  giữa bề mặt và khí quyển, và quá trình truyền này chịu một độ cản ra. Áp dụng cách tính các thông lượng như trên, xét sự chênh lêch giữa nhiệt độ không khí tại bề mặt đang xét cT và nhiệt độ không khí của khí quyển aT , chênh lệch giữa độ ẩm riêng c aq q , vận tốc ru tại độ cao r ta có thể viết lại công thức cho thông lượng hiển nhiệt (SH), tốc độ bốc hơi (E) và ứng suất bề mặt ():      m a c a c r p a a a T T q q u SH c E r r r     (1.6) ở đây ma r là kháng trở khí động học đối với trao đổi mômen động lượng, vận tốc tại độ cao 0z (hệ số gồ ghề) là bằng không và xem hai quá trình truyền nhiệt và khuếch tán ẩm có sự tương tự hoàn toàn. Phương trình truyền nhiệt xuống các lớp đất sâu: ( ) [ ]         s s s s s s T c T k S t z z  (1.7) LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 16 trong đó sT là nhiệt độ của lớp đất, sk là hệ số khuếch tán nhiệt của đất, s sc tương ứng là mật độ, nhiệt dung riêng của đất, sS là nguồn nhiệt phát sinh hoặc tiêu hao do chuyển pha của nước hoặc do trao đổi rối. Phương trình nhập lượng nước (budget) tại bề mặt:      ,Gi¸ng thuû-Bèc tho¸t h¬i Dßng ch¶y bÒ mÆt i w w S t (1.8) trong đó w là lượng nước tại bề mặt, tính bằng m hoặc kg tuỳ thuộc theo đổi thứ nguyên bên vế phải. ,i wS là lượng nước sinh ra hoặc mất đi do tan hoặc đóng băng. Phương trình truyền nước xuống sâu do lắng đọng trọng lực:        r q S t z  (1.9) trong đó  là lượng nước trong đất 3 3( )m m , q là thông lượng nước truyền xuống và rS là nguồn sinh hoặc tiêu hao nước dưới đất do rễ thực vật. Thông lượng nước có thể tính theo công thức của Darcy: ( ) ( )      h z q K h z (1.10) trong đó ( )K h h tương ứng là hệ số dẫn thuỷ lực và độ cao cột nước trong đất. Đối với các vùng đất trống, các kháng trở hay nghịch đảo của hệ số trao đổi rối có thể được tính theo lý thuyết rối tại lớp biên hành tinh khí quyển [5]. Khi bề mặt là thực vật, do lá cây thoát hơi nước thông qua các lỗ khí khổng nên vấn đề quan trọng cho việc tham số hoá quá trình bốc thoát hơi chính là tham số hoá kháng trở khí khổng sr của lá cây. Kháng trở khí khổng đặc trưng cho khả năng thích hợp trao đổi giữa thực vật và môi trường bên ngoài, khi sr đạt giá trị LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 17 nhỏ nhất nghĩa là khả năng bốc thoát hơi là tốt nhất. Một công thức tính sr hay được sử dụng là của Jarvis (1976) [6], trong đó sr có thể được phân tách thành tích các hàm phụ thuộc từng yếu tố nhiệt độ T không khí tại bề mặt, chênh lệch giữa sức trương hơi nước của không khí trong vòm phủ thực vật và sức trương hơi nước trong các tế bào của lá cây e , bức xạ quang hợp PAR , nồng độ 2CO trong không khí 2CO C , chênh lệch thế năng nước trong đất và rễ cây cùng một số yếu tố khác (thuộc về thực vật học). 2 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( )     s CO s s s s COr T e PAR C r T r e r PAR r C  (1.11) Độ chống chịu của tán lá lớn cr được tính bởi:  sc r r LAI (1.12) trong đó LAI là chỉ số diện tích lá cây tương đối so với diện tích bề mặt. Khi đó lượng bốc hơi sẽ tính theo công thức:    a c a c q q E r r  (1.13) Trong các sơ đồ SVAT phức tạp hơn sẽ thêm hai phương trình nhập lượng nước và nhiệt trong vòm phủ thực vật với giả thiết rằng không khí trong tán lá thực vật không có khả năng tích trữ nhiệt và ẩm. Ngoài ra phải tính đến sự ngăn chặn giáng thủy, sự suy yếu bức xạ và suy yếu động lượng (gió) do tán lá của thực vật mà sẽ liên hệ trực tiếp tới các tham số albedo và độ gồ ghề của bề mặt và quá trình bốc thoát hơi của thực vật. Hiện nay, với những hiểu biết về các cơ chế sinh lý của thực vật và đặc tính vật lý của đất cho phép chúng ta nghiên cứu và mô phỏng các quá trình trao đổi nhiệt, ẩm tại bề mặt một cách khá chính xác và đã được kiểm chứng bởi một số quan trắc riêng biệt [10]. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH MM5 VÀ SƠ ĐỒ THAM SỐ HÓA BỀ MẶT ĐẤT 2.1 Giới thiệu về mô hình MM5 Mô hình khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 (MM5) của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR) và Trường Đại học Tổng hợp Pennsylvania Hoa Kỳ (PSU), là thế hệ mới nhất trong một loạt các mô hình dự báo được Anthes phát triển từ những năm 1970. Qua quá trình thử nghiệm, mô hình đã được điều chỉnh và cải tiến nhiều lần nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý quy mô vừa và có thể áp dụng đối với nhiều đối tượng sử dụng khác nhau. Phiên bản 3.5 (MM5V3.5) của mô hình ra đời năm 2001 đã được điều chỉnh, cải tiến thêm so với các phiên bản trước trong các mảng: + Kỹ thuật lồng ghép nhiều mực + Động lực học bất thuỷ tĩnh + Đồng hoá số liệu 4 chiều + Bổ xung lựa chọn các sơ đồ tham hoá vật lý + Kỹ thuật tính toán Mô hình MM5 sử dụng hệ thống lưới lồng (nesting grid) nhằm mô phỏng tốt hơn các quá trình vật lý có quy mô nhỏ hơn bước lưới của miền tính ban đầu. Về lý thuyết, MM5 cho phép lồng tối đa 9 khu vực. Tỷ lệ của độ phân giải theo phương ngang của miền tính trong với miền tính ngoài luôn là 3:1 MM5 là mô hình số trị tương đối phức tạp và đòi hỏi khối lượng tính toán lớn nên hiện nay chương trình nguồn chỉ chạy trên hệ các máy tính mạnh như: SUN, IBM, CRAY, DEC (Alpha), hay PC-cluster với hệ điều hành Linux. Kèm LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 19 theo phần mềm mô hình còn có các phần mềm hỗ trợ khác như phần mềm biên dịch Porland Group Fortran (PGI) hay phần mềm đồ hoạ của NCAR (NCAR Graphics). 2.2 Cấu trúc mô hình MM5 Sơ đồ trong hình 2.1 biểu diễn hệ thống các modul chính của mô hình MM5. Có thể chia mô hình thành hai bộ phận chính: + Bộ phận xử lý và bộ phận mô phỏng Đầu tiên, số liệu địa hình, các thông số của miền tính và số liệu khí tượng được nội suy theo phương ngang, phương thẳng đứng thông qua các modul thuộc bộ phận xử lý TERRAIN, REGRID và INTERPF. Bộ phận mô phỏng MM5 nhập dữ liệu đã được xử lý từ các modul trên, mô phỏng các quá trình vật lý và đưa ra dự báo số của mô hình. Sản phẩm dự báo của MM5 được chuyển đến bộ phận xử lý cuối cùng là modul đồ hoạ (GRAPH/RIP, GRADS) và phân tích dữ liệu (Output Analyis). TERAIN REGRID INTERPF MM5 Output Analysis GRAPH/RIP Bộ phận tiền xử lý Bộ phận mô phỏng Bộ phận hậu xử lý LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 20 Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc các modul chính của mô hình MM5. Do phép nội suy theo sơ đồ hình 2.1 không thể mô tả chi tiết về địa hình khu vực và các trường khí tượng khu vực cần dự báo cho nên quá trình nội suy có thể được tăng cường trong modul RAWINS/Litter_r, đây là modul xử lý các nguồn số liệu quan trọng được cung cấp từ mạng lưới trạm quan trắc bề mặt tiêu chuẩn và các trạm thám không địa phương. Trong trường hợp lồng ghép nhiều mực đối với các khu vực khác nhau, mô hình bổ xung modul NESTDOWN với mục đích làm trơn hơn lưới thô ở miền ngoài. Modul INTERPB có chức năng chuyển các trường khí tượng từ mực sigma của mô hình về mực khí áp (hình 2.2) Hình 2.2: Sơ đố cấu trúc đầy đủ các modul của mô hình MM5. Sau đây, chúng tôi trình bày một cách sơ lược một số vấn đề liên quan đến các modul chính của mô hình MM5 2.2.1 Modul TERRAIN NESTDOWN TERAIN REGRID INTERPF MM5 RAWINS/Little_R GRAPH/RIP Output Analysis INTERPB LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 21 Là modul đầu tiên của hệ thống mô hình dự báo MM5, dùng để nội suy theo phương ngang các dữ liệu về độ cao địa hình và thảm thực vật, loại hình bề mặt, ranh giới đất-nước,…cho các miền tính. Trường số liệu đưa vào ở đây bao gồm: + Độ cao địa hình + Thảm thực vật hay loại hình sử dụng + Nhiệt độ các lớp sát mặt + Độ nhám bề mặt đất Tất cả các số liệu ở đây được chia thành 6 bộ với các bậc và độ phân giải tương ứng là: 1º, 30’, 10’, 5’, 2’ và 30”. Quá trình tính toán trong chương trình của modul TERRAIN được thực hiện theo hai bước sau: + Thiết lập trường địa hình khu vực cho miền dự báo ở dạng lưới thô và lưới dự báo. + Truy xuất sản phẩm là file số liệu địa hình cho khu vực lựa chọn 2.2.2 Modul REGRID Modul REGRID dùng để đọc và phân tích số liệu khí tượng ở các mực khí áp theo phương ngang đồng thời nội suy các giá trị phân tích được từ lưới thô ban đầu vào lưới tính của mô hình dựa vào các phép chiếu bản đồ đã được