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

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.