Luận văn 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

ấm, mô hình thực hiện việc tích phân cho các thành phần gió ngang. 2.4.2 Hệ các phương trình cơ bản LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 25  Các phương trình chuyển động ngang: 2* * * * * * * / / uf p u p uu m p vu m p u p m mp p v D t x y x x                                 (2.2) 2* * * * * * * / / v v fu p p uv m p vv m p v p m mp p D t x y y y                                   (2.3) trong đó, u và v - các thành phần vận tốc theo hướng đông và bắc;  - độ cao địa thế vị; m - nhân tố bản đồ;     t   ;  - mật độ không khí; f - tham số Coriolis; Du và Dv - biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng; p*=ps - pt.  Phương trình nhiệt động lực học: 2* * * * * * / / T p p up T p T m p vT m p T Q m p p D t x y c c                      (2.4) trong đó, cp = cpd(1+0.8qv) là nhiệt dung của khí ẩm với áp suất cố định, cpd là nhiệt dung của khí khô với áp suất cố định, qv là tỷ số xáo trộn hơi nước, Q là năng lượng đoạn nhiệt, DT biểu diễn hiệu ứng khuếch tán ngang và đứng, dt dp  được tính bằng: * * dp p dt     (2.5) với: * * * *p p p p m u v t t x y              (2.6)  Khí áp bề mặt có thể được tính từ: 2* * * */ /p p u m p v m pm t x y                  (2.7) cùng với sử dụng tích phân theo phương đứng: LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 26 1 2 0 * * */ /p p u m p v m m d t x y              (2.8) Sau khi xác định xu thế khí áp bề mặt t p   * , vận tốc thẳng đứng trong hệ toạ độ sigma (  ) được tính cho mỗi mực từ tích phân theo phương đứng trong phương trình: 2 0 * * * * 1 / / ' p p u m p v m m d p t x y                     (2.9) trong đó,  là biến hình thức của tích phân và  ( =0)=0.  Phương trình thuỷ tĩnh xác định độ cao địa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv: 1 * 1 ln( / ) 1 c r v t c q q RT p p q              (2.10) trong đó, R - hằng số khí khô; Tv=T(1+0.608qv); qc và qr là tỷ số xáo trộn nước mây hoặc băng và nước mưa hoặc tuyết. Đối với động lực học bất thuỷ tĩnh, các biến được phân tích thành tổng của trạng thái nền và nhiễu động như sau:      tzyxpzptzyxp ,,,,,, '0       tzyxTzTtzyxT ,,,,,, '0       tzyxztzyx ,,,,,, '0   trong đó, đặc trưng profile trạng thái nền của nhiệt độ có thể là hàm phân tích được hiệu chỉnh từ profile nhiệt độ trung bình của tầng đối lưu. Trong động lực bất thủy tĩnh, hệ tọa độ thẳng đứng được tính theo áp suất của trạng thái nền: LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 27 ts t pp pp    0 trong đó, ps và pt là khí áp trạng thái nền tại bề mặt và tại đỉnh khí quyển mô hình. Áp suất tổng cộng tại mỗi nút lưới được tính như sau: '* pppp t   (2.11) trong đó, p’ là nhiễu động rối; p*(x,y) = ps(x,y) - pt. Khi đó, hệ phương trình của mô hình MM5 trong hệ toạ độ  chuyển thành:  Các phương trình chuyển động ngang và thẳng đứng: uDvp p x p px pmp uDIV up y mvup x muup m t up f                                * * * * **** '' //2      (2.12) vDp p y p py pmp vDIV vp y mvvp x muvp m t vp fu                                * * * * **** '' //2      (2.13)         Dqqgp Tp pT T Tp p gp DIV p y mvp x mup m t p rc v                            )(* ''' * 1 * // 0 00 2 ****  (2.14)  Phương trình xu thế khí áp: LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 28            gppg v y p mpx muu x p mpx mu ppm DIVp p y mvpp x mupp m t p pp 00 2 2 * // * ' /'/' * * * * '***'*                                             (2.15)  Phương trình xu thế nhiệt độ: T p p p D c Q pDgp Dt Dp p c TDIV Tp y mvTp x mTp m t Tp u                           * **** '0 2 * ' * 1 //     (2.16) trong đó                 *** //2 p y mvp x mup mDIV (2.17) và v y p p m u x p p m p g       * *** *0    (2.18) 2.4.3 Điều kiện biên và điều kiện ban đầu 2.4.3.1 Điều kiện biên xung quanh Để chạy mô hình dự báo khí hậu khu vực yêu cầu phải có điều kiện biên xung quanh. Trong MM5, ở bốn biên xung quanh ta phải xác định các trường của các biến như gió (U, V), nhiệt độ (T), áp suất, độ ẩm và có thể cả các trường vật lý nhỏ khác (như là mây) nếu cần thiết. Do đó, trước khi mô phỏng, giá trị điều kiện biên phải được đưa vào để ban đầu hóa cho các trường này. Các giá trị biên có thể lấy từ phân tích trong tương lai, từ mô phỏng của lưới thô hơn trước đó (tương tác một chiều) hoặc từ các mô hình dự báo khác (trong dự báo thời gian thực). Đối với dự báo thời gian thực, giá trị biên tương ứng phụ thuộc vào mô hình dự báo toàn cầu. Trong trường hợp nghiên cứu các sự kiện trong quá khứ, điều kiện biên có thể lấy từ số liệu phân tích được tăng LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 29 cường từ các thám sát bề mặt và cao không bằng cách tương tự như là điều kiện ban đầu. Trong mô hình MM5, việc sử dụng các dự báo của mô hình toàn cầu làm điều kiện biên cho lưới thô nhất có thể thực hiện theo hai phương pháp: a) Phương pháp Sponge Theo phương pháp này thì các giá trị trên biên được tính như sau:      LCMCn t n t n t                              1 (2.19) trong đó, n= 1, 2, 3, 4 đối với các điểm có dấu nhân (x) và n =1, 2, 3, 4, 5 đối với các điểm có dấu tròn ( ) (dấu nhân và dấu tròn được quy định ở lưới ngang của mô hình (hình 2.4),  là ký hiệu các biến cần tính. MC chỉ xu thế tính toán của mô hình, LC là xu thế quy mô lớn lấy từ mô hình mô phỏng quy mô lớn, n chỉ số nút lưới tính từ biên ngoài cùng (n=1), hàm trọng lượng thực nghiệm w(n) ở các điểm nhân tương ứng là 0.0, 0.4, 0.7, và 0.9, các điểm tròn tương ứng là 0.0, 0.2, 0.55, 0.8 và 0.95. Ở tất cả các nút lưới khác trong miền tính thì w(n)=1 Phương pháp Sponge hiện nay không được sử dụng cho động lực học bất thủy tĩnh của MM5 b) Phương pháp Nudging Theo phương pháp này thì các giá trị trên biên được tính như sau:        MCLSMCLS n FnFFnF t           221 (2.20) Hàm F giảm tuyến tính từ biên xung quanh và có dạng: ) 3 5 ()( n nF   , n=2, 3, 4 (2.21) 0)( nF , n>4 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 30 Trong đó F1 và F2 của phương trình (2.20) được xác định như sau: t F   10 1 1 (2.22) t s F    50 2 1 Trong đó: t : bước thời gian :s độ phân giải của mô hình 2.4.3.2 Điều kiện biên trên bức xạ Thông thường đỉnh của các mô hình thuỷ tĩnh được coi là một vỏ cứng, nơi có tốc độ thẳng đứng mô hình bằng không. Trong thực tế những biên cứng như vậy sẽ phản xạ cơ năng và do đó sinh ra nhiễu khí tượng. Trong những mô hình khí tượng có độ phân giải không gian thô thì những phản xạ biên như vậy có thể chấp nhận. Trong mô hình thường thừa nhận không có sự trao đổi khối lượng giữa vũ trụ và khí quyển cũng như không có thông lượng khí quyển xuyên qua mặt đất. Trong mô hình quy mô vừa MM5, sóng trọng trường nội trở nên quan trọng hơn. Vì vậy ở đây nếu không có những cơ chế nhân tạo làm tiêu tan năng lượng của những sóng trọng trường nội này thì chúng sẽ được phản xạ lại trên đỉnh mô hình và đưa đến phát triển những sóng đứng có kích thước bao trùm cả khí quyển thẳng đứng. Những sóng như vậy sẽ đưa đến tạo ra trường tốc độ thẳng đứng không thực. Để khử loại sóng này trong MM5 sử dụng điều kiện biên trên bức xạ (RUBC), do KLEMP, DURRAN và BOUGEAUL phát triển (1983). Điều kiện biên trên bức xạ được thiết lập trên những căn cứ lí thuyết sau: a) Áp dụng vào khí quyển trên thì các quá trình khí quyển có thể mô tả bằng các phương trình tuyến tính hoá, LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 31 b) Tính ổn định tĩnh và dòng trung bình được coi là hằng số, c) Hiệu ứng Coriolis được bỏ qua, d) Áp dụng được gần đúng thuỷ tĩnh. Việc thiết lập RUBC trong các mô hình phổ là tương đối đơn giản, nhưng phức tạp hơn đối với những mô hình nút lưới. 2.4.3.3 Tham số hoá vật lý Các quá trình quy mô dưới lưới như đối lưu, bức xạ, khuyếch tán rối ngang và thẳng đứng, các quá trình bề mặt đều có vai trò rất quan trọng đối với động lực học khí quyển. Chính vì vậy chúng cần được tham số hoá trong mô hình dự báo. Các sơ đồ tham số hoá vật lý trong mô hình MM5 rất phong phú, tạo điều kiện thuận lợi cho các đối tượng sử dụng khác nhau. Các quá trình vật lý được tham số hoá trong mô hình bao gồm: đối lưu, vi vật lý mây, bức xạ, lớp biên hành tinh, các quá trình bề mặt đất. 2.4.3.4 Tham số hoá đối lưu Quá trình vật lý quan trọng nhất phải được tham số hoá là đối lưu. Quá trình vận chuyển nhiệt thẳng đứng bằng đối lưu là quá trình chủ yếu để duy trì tốc độ giảm nhiệt thẳng đứng trong tầng đối lưu thám sát và phân bố ẩm. Để mô phỏng được hiệu ứng này phải thông qua điều chỉnh đối lưu (convective adjustment). Có nghĩa là độ ẩm tương đối và tốc độ giảm nhiệt độ trong từng cột lưới sẽ được xem xét ở cuối mỗi bước thời gian. Có nhiều phương pháp khác nhau đã được sử dụng để liên kết mây với các trường giải được của độ ẩm, nhiệt độ và gió. Tuy nhiên, chưa có được một phương pháp nào là hoàn thiện nhất, mỗi sơ đồ đưa ra đều có những ưu nhược điểm riêng. Hiện nay có rất nhiều sơ đồ tham số hoá đối lưu như sơ đồ của Betts và Miller, 1986, 1993; Kuo, 1965, 1974; Arakawa và Shubert,1 974; Grell, 1993; LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 32 Frank và Cohen, 1987;...(Emanuel, K.A and D.J. Raymond, 1993). Trong một mô hình khu vực nói chung, vấn đề tham số hoá đối lưu cumulus trong chu kỳ nước có tầm quan trọng đặc biệt, bởi lẽ cả những mô hình khu vực có độ phân giải cao hiện nay vẫn chưa thể mô phỏng được những ổ đối lưu riêng biệt và các quá trình vận chuyển nhiệt ẩm. Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá khác nhau: Anthes-Kuo, Grell, Arakawa-Schubert, Fritsch-Chappell, Kain- Fritsch, Betts-Miller, Kain-Fritsch 2, Shallow Cumulus. 2.4.3.5 Tham số hoá vi vật lý mây - Sơ đồ Kessler (1969): là một sơ đồ mây ấm đơn giản (warm cloud), và nó bao gồm hơi nước, nước mây và mưa. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 33 - Sơ đồ Lin: trong sơ đồ này, có sáu dạng băng tồn tại trong mây bao gồm: hơi nước, nước mây, mưa và băng mây, tuyết và graupel. Đây là một sơ đồ vi vật lí tương đối tinh và nó có thể thích hợp hơn cho việc sử dụng trong các đề tài nghiên cứu. - Sơ đồ băng đơn giản - NCEP: sơ đồ này có tính đến ảnh hưởng của việc đóng băng. Có ba dạng nước (hydrometeos) được tính đến trong sơ đồ gồm: hơi nước, nước mây, băng và mưa tuyết. Băng trong mây và nước mây được tính theo cùng một dạng và chúng được phân biệt qua nhiệt độ, mây dạng băng chỉ có thể tồn tại khi mà nhiệt độ nhỏ hơn hay bằng nhiệt độ đóng băng, nếu không như vậy thì chỉ có tồn tại nước mây. Các điều kiện trên cũng giống đối với mưa và tuyết - Sơ đồ pha xáo trộn - NCEP: Sơ đồ này cũng tương tự như sơ đồ băng đơn giản trên. Tuy nhiên, mưa và tuyết được xem là hai dạng khác nhau. Sơ đồ này cho phép nước chậm đông (supercooled water) tồn tại và tuyết sẽ tan dần dần khi nó rơi. Trong sơ đồ có tính đến cả sự đóng băng. Hình 2.5 Các sơ đồ minh họa quá trính vi vật lý mây. (a) sơ đồ Kessler; (b) sơ đồ Lin; (c) sơ đồ NCEP băng đơn giản; (d) sơ đồ NCEP pha xáo trộn. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 34 - Sơ đồ ETA : Sơ đồ thực chất là dự báo tỉ số xáo trộn của nước/băng mây. Giáng thủy lỏng và giáng thủy đóng băng nhận được theo tỉ số xáo trộn của mây và được giả thiết là rơi xuống mặt đất trong một bước thời gian riêng lẻ. 2.4.3.6 Các sơ đồ tham số hoá bức xạ Các lựa chọn sơ đồ tham số hoá bức xạ trong mô hình MM5 bao gồm: - None: Không tham số hoá bức xạ. - Simple Cooling: Tốc độ giảm nhiệt của khí quyển không chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ, không có sự tác động của mây và chu trình ngày đêm. - Cloud - radiation scheme: Khi không đủ cơ sở để tính đến sự tác động của bức xạ sóng dài và sóng ngắn với bầu trời quang mây và có mây như xu thế của nhiệt độ không khí, đó là dòng bức xạ bề mặt. - CCM2 radiation scheme: Phù hợp với bước lưới rộng và có thể tính chính xác trong thời gian dài cho dòng bức xạ bề mặt. - RRTM Longwave scheme: Là sự phối hợp với sơ đồ bức xạ sóng ngắn của mây khi chọn IFRAD = 4. Đó là mô hình truyền nhanh bức xạ (rapit radiative transfer model) và dùng hệ số tương quan để biểu diễn ảnh hưởng của phổ hấp thụ tính lượng hơi nước, CO2, O3. 2.4.3.7 Các sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh Trong mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ tham số hoá lớp biên hành tinh sau: - None: Không tham số hoá lớp biên. - Bulk PBL: Thích hợp với độ phân giải thô thẳng đứng trong lớp biên, chẳng hạn với kích thước ô lưới thẳng đứng > 250m. Có hai kiểu ổn định. - High-Resolution Blackdar PBL: Thích hợp với độ phân giải cao của lớp biên, ví như 5 lớp thấp nhất, lớp bề mặt có độ dày < 100m, bốn chế độ ổn định, LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 35 bao gồm lớp xáo trộn đối lưu tự do được sử dụng phân tách bước thời gian ổn định. - Bulk-Thompson PBL: Thích hợp đối với cả độ phân giải thô và độ phân giải cao của lớp biên. Động năng xoáy được dùng đối với xáo trộn thẳng đứng, cơ bản là công thức Mellor - Yamada. - ETA PBL: Đó là sơ đồ của Mellor - Yamada dùng trong mô hình ETA dự báo sự xáo trộn thẳng đứng địa phương. - MRF PBL: Thích hợp đối với lớp biên hành tinh phân giải cao (như sơ đồ Blackada). Sơ đồ được Troen - Mahrt biểu diễn bằng các số hạng gradien và profile nhiệt độ (K) trong lớp xáo trộn. - Gayno - Seaman PBL: Cơ bản giống sơ đồ Mellor - Yamada. Nhưng khác biệt là dùng nhiệt độ thế vị nước lỏng như là biến bảo toàn, được tính chính xác trong điều kiện bão hoà. Hiệu quả của sơ đồ có thể so sánh được với sơ đồ Blackada vì nó cũng phân tách bước thời gian. 2.4.3.8 Các sơ đồ đất Mô hình MM5 có các lựa chọn sơ đồ đất sau: - None: Không dự báo nhiệt độ lớp đất bề mặt; - Force - Restone (Blackada) scheme: Dùng cho lớp mỏng đơn thuần ngay trên bề mặt và nhiệt độ của lớp đó; - Five - Layer Soil Model: Dự báo nhiệt độ của 5 lớp: 1, 2, 4, 8, 16m; - OSU/Eta-Suface Model: Mô hình lớp đất bề mặt có thể dự báo nhiệt độ và độ ẩm của 4 lớp: 10, 30, 60, 100 cm. - NoahLSM: Mô hình đất dùng tính nhiệt độ và độ ẩm các lớp đất sâu LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 36 CHƯƠNG 3: ỨNG DỤNG BATS CHO MM5 Nhằm tăng cường thêm lựa chọn về sơ đồ đất cho mô hình MM5 trong việc thử nghiệm mô phỏng khí hậu. Chúng tôi tiến hành sử dụng sơ đồ BATS trong mô hình MM5 3.1 Mô tả sơ đồ BATS Chức năng chính của BATS là: 1) Tính lượng bức xạ mặt trời hấp thụ bởi bề mặt và bức xạ sóng dài thuần, 2) Tính các dòng trao đổi động lượng, hiển nhiệt và ẩm giữa bề mặt và các lớp khí quyển, 3) Xác định các thành phần gió, độ ẩm và nhiệt độ trong khí quyển, trong các tán lá thực vật và tại mực quan trắc bề mặt, 4) Tính giá trị nhiệt độ và lượng ẩm tại bề mặt. Cấu trúc bề mặt trong BATS gồm một lớp phủ thực vật và ba lớp đất. Bề mặt được chia làm 18 loại với các đặc tính vật lý tương ứng khác nhau, như màu đất (được chia thành 8 lớp màu, từ đậm đến nhạt), kết cấu đất (được chia thành 12 cấp, từ rất thô (cát) đến rất mịn (sét)). Ngoài ra, hàm lượng ẩm của đất, lượng nước mưa biến thành dòng chảy và trạng thái bề mặt (có nước hay tuyết phủ không) cũng sẽ được tính đến. [6]. 3.1.1 Albedo bề mặt Albedo đặc trưng cho khả năng phản xạ của bề mặt đối với bức xạ sóng ngắn và phát xạ sóng dài. Albedo bề mặt phụ thuộc vào bước sóng, góc thiên đỉnh mặt trời và trạng thái bề mặt cũng như loại bề mặt. Đối với bề mặt không có tuyết phủ, BATS tính albedo cho ba trường hợp là albedo của thực vật đối với bức xạ mặt trời nhìn thấy ( <0.7m), và bức xạ gần hồng ngoại ( >0.7m), và albedo của đất. Mặc dù albedo của thực vật còn phụ thuộc vào LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 37 nhiều nhân tố khác, như màu lá chẳng hạn, song do số liệu hạn chế, BATS xem thực vật chỉ có màu xanh. Giá trị albedo đối với các loại lớp phủ thực vật khác nhau được cho trước. Albedo của đất trống phụ thuộc vào màu đất và độ ẩm đất. Nó tăng dần theo độ khô của bề mặt đất và được tính bởi ALBG = ALBGO+∆ g(Ssw), trong đó ALBGO là albedo đối với đất bão hòa nước; Ssw là hàm lượng nước đất bề mặt; ∆ g(Ssw) = 0.01(11 - 40Ssw/Zu) > 0, với Zu là độ dày lớp đất trên cùng. Trong trường hợp bề mặt có tuyết phủ, albedo được xem là phụ thuộc vào phổ bước sóng bức xạ, góc thiên đỉnh mặt trời, độ dày tuyết, kích thước hạt tuyết, mức độ bụi bẩn và tuổi của tuyết. 3.1.2 Nhiệt độ đất Nhiệt độ đất là một trong những tham số quan trọng trong các sơ đồ SVAT. Trong BATS nhiệt độ của các lớp đất được tính theo phương pháp tác động phục hồi (force-restore). Nhiệt độ lớp đất bề mặt Tg1 được tính từ phương trình vi phân sau: g1 g1 T C t 2AT B t      (3.1) trong đó A = 0.5vd∆t; B = BCOEF hS +  vd ∆t.Tg2; C =1+FCT1, với vd=2 /86400 là tần số dao động ngày, hS là tác động nhiệt thuần bề mặt đất, ∆t là bước thời gian (s), Tg2 là nhiệt độ lớp đất dưới bề mặt, BCOEF = fSNOWBCOEFS + (1 - FSNOW)BCOEFB, fSNOW là phần diện tích bị tuyết phủ,     d ds d db COEFS COEFB s s sn s s sbs b v tD v tD B ,B c k c k       (chỉ số “s” và “b” cạnh dấu ngoặc đơn ở mẫu số của hai biểu thức tương ứng chỉ tuyết và đất), Dds và Ddb tương ứng là độ sâu thâm nhập ngày đối với tuyết và đất,  s và cs tương ứng là mật độ và nhiệt dung riêng của tầng đất dưới, ksn, ksb là hệ số khuếch tán nhiệt của tuyết và đất đối với dao động ngày của nhiệt độ. LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 38 Khi trên mặt đất có tuyết, nếu tuyết tan sẽ làm giảm nhiệt độ tầng đất mặt và làm tăng một phần dòng chảy mặt. Tốc độ tuyết tan được tính bởi:   g1 m f COEF B C A B T (C A B ).273,16 S L B          (3.2) ở đây, Lf là ẩn nhiệt nóng chảy; B’ là đạo hàm của B theo nhiệt độ. Nhiệt độ lớp đất dưới bề mặt Tg2 được xác định theo sóng nhiệt độ trong năm tính bằng phương pháp tác động phục hồi tương ứng với nhiệt độ ở độ sâu khoảng 1m từ phương trình:   g2 aCT2 2 g2 4 a 3 a d T D 1 F t 2A T c v tT v t t D          với va=vd/365 là tần số dao động năm, c4 là hệ số kết nối đối với đất chưa tính đến sóng năm của nhiệt độ (hiện tại c4=0, ngoại trừ những vùng đóng băng vĩnh cửu thì c4=1), T3=271, a2 4 a d D A c 0.5v t D         , Da và Dd tương ứng là độ sâu thâm nhập năm và ngày. Nếu không có tuyết thì 1/ 2 d a d a v D D v        , trong trường hợp bề mặt bị tuyết phủ thì cả Da và Dd đều được lấy trung bình trọng số theo độ dày tuyết. 3.1.3 Độ ẩm đất và lớp phủ tuyết trong điều kiện không có lớp phủ thực vật Để định rõ độ ẩm đất, lớp phủ tuyết, bề mặt trái đất được chia thành: 1) Những vùng đại dương (có và không có băng biển bao phủ) 2) Những vùng lục địa (có và không có tuyết phủ). Đối với những vùng đại dương không có băng biển bao phủ, nhiệt độ bề mặt Tg1 được quy định bởi số liệu quan trắc từ một mô hình chuẩn. Đối với những vùng khác việc tính Tg1 phụ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 39 thuộc vào điều kiện hiện tại của lớp phủ tuyết, độ ẩm đất, dạng bề mặt và nhiệt độ lớp khí quyển đầu tiên. a) Giáng thủy (mưa và tuyết rơi) Mưa và sự giải phóng ẩn nhiệt (Qc) trong mỗi lớp khí quyển phụ thuộc hết sức phức tạp vào độ ẩm của lớp và giáng thủy từ các lớp bên trên. Tốc độ giáng thủy tại mặt đất (P) nhận được như là tổng giáng thủy thuần từ mỗi lớp. Giáng thủy được giả thiết là tuyết rơi Ps nếu nhiệt độ lớp khí quyển thấp nhất T1 ≤ Tc, hoặc mưa rơi Pr nếu T1 > Tc, trong đó Tc=Tm+2.2, Tm=273.16, tức là: Ps = P, Pr = 0 nếu T1 ≤ Tc Ps = 0, Pr = P nếu T1 > Tc b) Nguồn ẩm của đất Nguồn ẩm tới bề mặt hoặc sẽ thấm vào đất hoặc sẽ chuyển thành dòng chảy mặt. Đối với nước, đất được chia làm 3 lớp, lớp trên cùng chính là mặt phân cách đất - khí quyển, các lớp dưới thấp hơn tăng dần theo độ sâu. Các đại lượng biểu diễn nguồn ẩm trong đất được xét ở đây gồm: Ssw là nước trong lớp đất bề mặt (lớp đất trên cùng) có độ dày Zu (0.1m) (giá trị cực đại là Sswmax); Srw là nước trong tầng rễ có độ sâu Zr (giá trị cực đại là Srwmax); Stw là tổng lượng nước trong đất cho đến độ sâu Zt (cực đại bằng Stwmax). Cả Ssw, Srw và Stw đều nhận được từ cùng một nguồn nước mưa Pr và đều bị mất đi do bốc hơi Fq và dòng chảy mặt Rs vì tất cả các quá trình này đều xảy ra tại lớp đất bề mặt. Dòng giữa các lớp đất tác động đến các nguồn ẩm khác nhau là khác nhau. Trong điều kiện không có lớp phủ thực vật, phương trình bảo toàn đối với các thành phần này có dạng: LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 40 sw s w1 rw s w2 tw s g S G R t S G R t S G R R t                  (3.3) trong đó G = Pr + Sm - Fq = lượng nước thuần áp dụng cho bề mặt; Rs = dòng chảy mặt; Rg = nước thấm xuống các lớp đất phía dưới và bể nước ngầm; Pr = mưa; Sm = tuyết tan;  w1 = nước trao đổi do khuếch tán từ tầng rễ vào tầng mặt;  w2 = nước trao đổi do khuếch tán từ toàn bộ cột đất vào tầng rễ; và Fq = bốc hơi. Nếu Fq âm có nghĩa là sương hình thành. c) Nước rò rỉ và thấm xuống bể nước ngầm Mỗi một loại đất đều có những tính chất nhất định và chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc của đất. Trong các sơ đồ tham số hóa đất hiện nay người ta thường giả thiết rằng các tính chất này không đổi theo độ sâu và được đặc trưng bởi các tham số sau: - Độ rỗng PORSL, là đại lượng mà khi đất bão hòa nước thì 1m 3 đất chứa PORSL m 3 nước - Độ hút nước của đất  - Độ dẫn nước của đất Kw d) Sự bốc hơi nước Số hạng bốc hơi Fq và sự trao đổi nước giữa các lớp đất trên và dưới khó có thể tham số hóa một cách đầy đủ. Hiện nay người ta biểu diễn chúng dựa trên sức chứa khả năng và sự làm khô do biến động ngày đêm của bốc hơi tiềm năng tại bề mặt:  q qp qmF Min F ,F LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 41 trong đó Fqp là bốc hơi tiềm năng và Fqm là thông lượng ẩm cực đại đi qua bề mặt ướt mà đất có thể duy trì được. e) Dòng chảy mặt Trong thời kỳ mưa nhiều hoặc tuyết tan và độ ẩm đất cao, hầu hết nước rơi đến bề mặt không xuyên xuống được bể nước ngầm mà lập tức biến thành dòng chảy mặt đổ về sông, suối. Dòng chảy mặt phụ thuộc vào thông lượng nước thuần (giáng thuỷ trừ bốc hơi) tại bề mặt, độ ẩm đất và nhiệt độ bề mặt đất. Tốc độ dòng chảy mặt được biểu diễn như là hàm của tốc độ giáng thuỷ và mức độ bão hoà của đất. Tuỳ thuộc vào nhiệt độ bề mặt đất Tg1 ta có: 4 0w g1 wsat s 0w g1 wsat G T 0 C R G T 0 C                (3.4) trong đó:  wsat là mật độ đất bão hòa; w =  wsat(s1+s2)/2; s1 = Srw/Srwmax; s2 = Ssw/Sswmax Khi G < 0 thì Rs = 0. Nếu nhiệt độ lớp gần bề mặt thấp hơn điểm băng thì dòng chảy mặt tăng lên f) Lớp phủ tuyết Mô hình chi tiết nhất về cân bằng năng lượng tuyết và các quá trình tan băng tuyết đã được Anderson đề xuất [6]. Ông đã mô hình hóa một cách tỉ mỉ sự truyền nước và năng lượng và sự biến đổi mật độ trong toàn cột tuyết. Ngược lại, ở đây chỉ mô hình hóa các quá trình tuyết bề mặt, không phân biệt một cách rõ ràng giữa tuyết trong lớp đất dưới bề mặt và nhiệt độ đất, tức là về nguyên tắc xem Tg2 như nhiệt độ tuyết trong lớp đất dưới bề mặt sau khi đã tích lũy được vài cm nước lỏng tương đương tuyết. Nước trên bề mặt tuyết được đưa trực tiếp LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN BÌNH PHONG 42 xuống đất, trong khi nước mưa hoặc nước do tuyết tan thì xem là ngấm qua tuyết hoặc đóng băng trở lại. Sự tan tuyết ở đáy của lớp tuyết được bỏ qua. Nếu đang có mưa tuyết hoặc có lớp phủ tuyết, trước hết phải kiểm tra xem nhiệt độ Tg có bằng 0 hay không, nếu Tg = 0 thì tính tốc độ tuyết tan trước khi tính nhiệt độ bề mặt. Lớp phủ tuyết được cập nhật từ phương trình: cv s q m S P F S t      (3.5) trong đó Scv là lượng tuyết phủ được đo bằng lượng nước lỏng; Ps là tốc độ mưa tuyết; Fq bằng tốc độ thăng hoa. 3.1.4 Hệ số cản và các dòng trên đất trống Hệ số cản trên đất là đại lượng rất biến đổi. Do đó trong BATS hệ số cản CD được tính như là hàm của CDN, là