Luận văn Sol khí và mô hình RegCM

h vật lí trong đất đóng băng, ngược lại ở miền khí hậu Bắc Cực thì có thể không phụ thuộc vào nhiều loại thực vật hay các điều kiện đất. Do đó hiểu biết về khí hậu của từng khu vực để rồi đi đến cải tiến chính xác các tham số vật lí cho khu vực đó là một nhiệm vụ cực kì khó khăn và quan trọng trong nghiên cứu khí hậu khu vực. Mô hình khí hậu khu vực là công cụ nghiên cứu khí hậu rất quan trọng đối với các nhà khoa học. Nhóm vật lí hệ trái đất (ESP) thuộc Trung tâm Vật lí Lý thuyết quốc tế Adus Salam (ICTP) đã và đang phát triển mô hình khí hậu gọi là RegCM3. Mô hình hiện nay đang được sử dụng rộng rãi cho nhiều mục đích nghiên cứu liên quan đến khí hậu. Mô hình RegCM3 sẽ là một công cụ hữu ích cho nghiên cứu khí hậu ở vùng nhiệt đới. Cuộc sống của chúng ta phụ thuộc rất lớn vào khí hậu (như nông nghiệp, tài nguyên nước, năng lượng, công nghiệp). Việc thay đổi bề mặt đất và tăng lượng phát thải khí nhà kính trong khí quyển có thể thay đổi nhiều đến khí hậu khu vực (lượng mưa) (IPCC, 2001), ảnh hưởng đến sự phát triển kinh tế xã hội của khu vực và cuộc sống của người dân. Do đó dự báo chính xác khí hậu từ qui mô mùa đến qui mô nhiều thập kỷ là có lợi ích rất lớn cho khu vực. Các mô hình khí hậu, cả các mô hình toàn cầu và khu vực là những công cụ chính có thể hỗ trợ chúng ta hiểu biết về nhiều quá trình chi phối hệ thống Trái đất. Do bản chất phức tạp của hệ thống Trái đất, các mô hình nói chung đòi hỏi khả năng tính toán lớn về cả việc xử lý và lưu trữ. Như vậy sẽ khó khăn đối với các nước có nền kinh tế đang phát triển. Tuy nhiên trong những năm gần đây với sự phát triển của công nghệ máy tính, nên việc chạy mô hình khí hậu đã được thực hiện dễ dàng. Ngày nay các nhà khoa học khí hậu đang có nhiều chiều hướng về việc ứng dụng các mô hình khí hậu khu vực (RCM)s hơn là các mô hình hoàn lưu chung (GCM)s. Phiên bản mới nhất của mô hình khí hậu khu vực thế hệ thứ 3 có tên là 28 RegCM3 và đưa ra các kết quả ban đầu ứng dụng mô hình này trong nghiên cứu khí hậu ở khu vực Việt Nam. Mô hình khí hậu khu vực ban đầu được phát triển bởi Dickinson (1989); Giorgi và Bates (1989) với phiên bản (RegCM1) và sau đó được phát triển theo mong muốn của Giorgi (1993b,c) với phiên bản là (RegCM3) và phiên bản RegCM3.5 bởi Giorgi và Mearn năm (1999). Trong phiên bản mới nhất này RegCM3, thì nhiều các sơ đồ vật lí đã được cải tiến. Hơn nữa mô hình đã được thay đổi để thỏa mãn nhu cầu của nhiều lĩnh vực nghiên cứu. Việc phát triển RegCM3 là sự hợp tác của nhiều nhà khoa học trên khắp thế giới. Dưới đây là tóm tắt lịch sử của mô hình khí hậu khu vực (RegCM) và trình bày chi tiết về mô hình RegCM3. 1.2.2. Lịch sử của RegCM Ý tưởng về các mô hình hạn chế có thể được sử dụng cho nghiên cứu khu vực ban đầu được đề xuất bởi Dickinson (1989) và Giorgi (1990b). Ý tưởng này là dựa vào khái niệm nồng một chiều, ở đó các trường khí tượng qui mô lớn từ việc chạy mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian (LCB) cho các mô phỏng của mô hình khí hậu khu vực phân giải cao (RCM). Phiên bản đầu tiên của RegCM được hoàn thành bởi Dickinson (1989); Giorgi và Bates (1989); Giorgi (1990) tại Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu Khí quyển (NCAR). Phiên bản này được xây dựng là dựa trên mô hình qui mô vừa (MM4) với khí quyển nén được, sai phân hữu hạn với cân bằng thủy tĩnh và tọa độ xích ma  thẳng đứng. Sau đó sử dụng sơ đồ tích phân thời gian nửa hiện . Tuy nhiên để sử dụng cho mô phỏng khí hậu hạn dài, một số các sơ đồ tham số hóa vật lí đã được thay thế chủ yếu là về vật lí của vận chuyển bức xạ và đất bề mặt đã được đưa vào: Kiehl (1987) và sơ đồ vận chuyển sinh quyển-khí quyển (BATS) phiên bản của (Dickinson 1986). Ngoài ra các sơ đồ giáng thủy đối lưu (Anthes, 1987) và lớp biên hành tinh (PBL)(Deardorff, 1972) cũng đã được sửa đổi. 29 Phiên bản thứ hai của RegCM là được phát triển bởi Giorgi (1993b,c). Trong đó động lực học đã được thay đổi theo mô hình quy mô vừa phiên bản 5 (MM5). Sơ đồ vận chuyển bức xạ cũng được thay đổi theo mô hình khí hậu cộng đồng phiên bản 2 (CCM2) Briegleb (1992). Sơ đồ giáng thủy đối lưu Grell (1993) được đưa vào và sơ đồ mây và giáng thủy của Hsie (1984) cũng được sử dụng. BATS được nâng cấp từ phiên bản 1a sang 1e (Dickinson 1993) và sơ đồ giáng thủy PBL phi địa phương của Holtslag (1990) đã được đưa vào. Trong vài năm qua, một vài sơ đồ vật lí mới sử dụng trong RegCM chủ yếu dựa vào các sơ đồ vật lí của phiên bản mới nhất CCM, CCM3. Đầu tiên là sơ đồ vận chuyển bức xạ CCM2 đã được thay bởi CCM3. Trong CCM2 thì các ảnh hưởng của H2O, O3, O2, CO2 và mây được tính toán. Vận chuyển bức xạ mặt trời được tính theo phương pháp của Eddingson- và bức xạ của mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ che phủ, hàm lượng nước trong mây, bán kính hạt nước của mây. Sơ đồ CCM3 giữ lại cấu trúc như của CCM2 nhưng cũng có đưa vào một số đặc điểm mới như ảnh hưởng của khí nhà kính (NO2, CH4, CFCs), các sol khí khí quyển và băng trong mây. Thay đổi chủ yếu về các quá trình mây và giáng thủy, định dạng lưới, kết hợp với mô hình hồ. Một phiên bản trung gian, RegCM3.5 đã được phát triển bởi Giorgi và Mearn năm (1999). Nó đưa vào các sơ đồ đối lưu Zhang và McFarlane (1995), sơ đồ vận chuyển bức xạ Kiehl (1996) từ mô hình CCM3, một phiên bản đơn giản của sơ đồ mây và giáng thủy (SIMEX) Hsie (1984) (Giorgi và Shields, 1999), và một mô hình sol khí tương tác đơn giản (Qian và Giorgi, 1999). RegCM3 là một sự tổng hợp của những cải tiến chính mà đã được làm trong RegCM3.5 do Giorgi và Mearn năm (1999) phát triển. Những cải tiến này chủ yếu về vật lí giáng thủy, vật lí bề mặt như một sơ đồ mây và giáng thủy qui mô lớn mới trong đó có tính đến sự biến đổi của mây ở qui mô dưới lưới (Pal 2000), sơ đồ tham số hóa mới cho thông lượng bề mặt đại dương (Zeng 1998) và một sơ đồ đối lưu 30 cumulus (Betts 1986), hóa học khí quyển và aerosols, số liệu đầu vào của mô hình và tương tác với người sử dụng. Ngoài ra lõi động lực cũng đã được thay đổi cho tính toán song song. Một khía cạnh quan trọng trong RegCM3 là có thể chạy trên nhiều nền máy tính. Ngoài ra, RegCM3 có thể chạy với nhiều dạng số liệu phân tích lại và các điều kiện biên GCM. Toàn bộ hệ thống mô hình RegCM được bao gồm bốn thành phần: Terrain, ICBC, RegCM và PostProc. Terrain và ICBC là hai thành phần của tiền xử lý. Các biến địa hình như độ cao, sử dụng đất và nhiệt độ bề mặt biển và số liệu khí tượng đẳng áp ba chiều được nội suy theo phương ngang từ một lưới kinh - vĩ sang một khu vực phân giải cao trên các phép chiếu. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất sang hệ tọa độ  của RegCM cũng được thực hiện. Mực  gần mặt đất là gần với địa hình và mặt  ở mực cao hơn có xu hướng gần với bề mực đẳng áp. Hình 1.8. Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM (Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1) 31 Thật là hữu ích nếu như đầu tiên chúng ta biết định dạng lưới của mô hình. Hệ thống mô hình thường nhận và phân tích số liệu trên các mực áp suất, nhưng các số liệu này phải được nội suy sang tọa độ thẳng đứng của mô hình trước khi làm số liệu đầu vào của mô hình. Tọa độ thẳng đứng là theo địa hình có nghĩa là các mực lưới thấp hơn thì theo địa hình còn các mực càng trên cao hơn thì càng bằng phẳng hơn. Hệ tọa độ  (sigma) chiều A được sử dụng để xác định các mực của mô hình: ts t pp pp    (1.1) trong đó p là áp không khí, ps là khí áp mặt đất, pt là khí áp tại đỉnh khí quyển. Như vậy  = 0 tại đỉnh và  = 1 tại bề mặt và mỗi mực của mô hình được xác định bởi một giá trị của . Độ phân giải thẳng đứng của mô hình được xác định bởi các giá trị giữa 0 và 1. Nói chung là độ phân giải trong lớp biên là tinh hơn ở lớp bên trên và số mực thay đổi phụ thuộc vào yêu cầu của người sử dụng. Hình 1.9. có thể nhìn thấy là các biến vô hướng (T, q, p, vv…) được xác định tại trung tâm của ô lưới. Trong khi đó các thành phần tốc độ gió hướng đông (u) và hướng tây (v) được đặt theo thứ tự tại các góc. Sai phân hữu hạn phụ thuộc chủ yếu vào lưới xen kẽ. Các phép chiếu bản đồ Hệ thống mô hình có một lựa chọn trong bốn phép chiếu bản đồ. Lambert Conformal là phép chiếu phù hợp cho vùng vĩ độ trung bình, Polar Stereographic cho vĩ độ cao, Normal Mercator cho vĩ độ thấp và Rotated Mercator cho các lựa chọn khác. Số nhân bản đồ m được xác định bởi: m = (khoảng cách trên lưới) / (khoảng cách thực trên trái đất) và giái trị này thường thay đổi theo vĩ độ. Nhân tố m cần thiết được tính toán trong các phương trình của mô hình bất kì ở đâu mà gradien theo phương ngang được sử dụng. 32 Hình 1.2.9. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình (Hướng dẫn sử dụng RegCM, phiên bản 3.1) 1.2.3. Động lực học Các phương trình động lực học của mô hình và rời rạc hóa số được mô tả bởi (Grell 1994a), phương trình động lực của RegCM3 dựa vào phiên bản thủy tĩnh của mô hình qui mô vừa MM5 với phương trình nguyên thủy, thủy tĩnh, nén được, mô hình tọa độ thẳng đứng sigma. 1.2.3.1. Phương trình động lượng phương ngang uFuFvfp xx p pp RT mp up y mvup x muup m t up vH t v                               * * * * . *** 2 *    vFvFufp yy p pp RT mp vp y mvvp x muvp m t vp vH t v                               * * * * . *** 2 *    (1.2) (1.3) trong đó: u, v là các thành phần hướng đông và bắc của vận tốc tương ứng Tv là nhiệt độ ảo,  là độ cao địa thế vị, f là tham số Coriolis, R là hằng số khí vạn năng cho không khí khô, m là nhân tố quy mô bản đồ phụ thuộc từng phép chiếu (RegCM cho phép dùng các phép chiếu như: phép chiếu Cực, phép chiếu Lambert Conformal hoặc phép chiếu Mercator) t     . , FH và FV là các thành phần đặc 33 trưng cho ảnh hưởng của rối theo phương ngang và thẳng đứng tương ứng và p* = ps – pt 1.2.3.2. Phương trình liên tục và phương trình .  Phương trình liên tục:                   . *** 2 * p y mvp x mup m t p (1.4) Tích phân thẳng đứng phương trình (1.4) được sử dụng để tính sự biến đổi tạm thời của khí áp bề mặt trong mô hình: d y mvp x mup m t p                1 0 ** 2 * (1.5) Sau khi tính xu thế khí áp bề mặt t p   * , tốc độ thẳng đứng trong tọa độ sigma .  được tính tại từng mực trong mô hình từ tích phân phương trình (1.4) ' 0 ** 2 * * . 1   d y mvp x mup m t p p                      (1.6) trong đó ' là biến giả của phép tích phân và .  ( = 0) = 0 1.2.3.3. Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega() Phương trình nhiệt động lực:   TFTFc Qp ppc RTTp y mvTp x uTp m t Tp VH pmtpm v                    * * . *** 2 *     (1.7) ở đây: cpm là nhiệt dung đẳng áp cho không khí ẩm, Q là phi đoạn nhiệt, FHT là đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của khuyếch tán ngang, FVT là đại lượng đặc trưng cho ảnh hưởng của xáo trộn thẳng đứng và điều chỉnh đối lưu khô và  là: 34 dt dp p *. *   (1.8) với:                y p v x p um t p dt dp **** (1.9) và biểu thức cho cpm là: cpm = cp (1 + 0.8qv) cp là nhiệt dung đẳng áp cho không khí khô và qv là tỷ số xáo trộn hơi nước. 1.2.3.4. Phương trình thủy tĩnh Phương trình thủy tĩnh được sử dụng để tính độ cao địa thế vị từ nhiệt độ ảo Tv   1 * 1 1 ln             v rc V t q qq RT pp  (1.10) với Tv được cho bởi công thức: Tv = T (1 + 0.608qv) (1.11) qv, qc và qr là hơi nước, nước trong mây hoặc băng và nước mưa hoặc tuyết, tỉ số xáo trộn. 1.2.4. Các sơ đồ vật lí Nhiều sơ đồ vật lí trong RegCM3 đã được cải tiến bổ xung từ phiên bản RegCM3.5. 1.2.4.1. Sơ đồ bức xạ RegCM3 sử dụng sơ đồ bức xạ của NCAR CCM3 được mô tả bởi Kiehl (1996). Trong sơ đồ này các quá trình bức xạ mặt trời được sử dụng xấp xỉ Eddington-delta trên 18 vạch phổ riêng biệt từ 0,2 đến 5 m (Briegleb, 1992). Vận 35 chuyển sóng dài được thể hiện theo công thức của Ramanathan và Downey (1986). Tham số hóa sự hấp thụ và tán xạ của mây là theo Slingo (1989) nhờ đó mà các đặc điểm quang học của các hạt mây (độ dài quang học, albedo tán xạ và tham số phi đối xứng trên bốn khoảng phổ) được biểu diễn trong số hạng về hàm lượng nước trong mây và một bán kính của hạt nước. Độ dầy của tầng mây được giả thiết là bằng với độ dầy của tầng mô hình và lượng nước trong mây khác nhau là được xác định cho mây tầng trung và mây tầng thấp. 1.2.4.2. Mô hình bề mặt đất Các quá trình vật lí bề mặt được thực hiện bằng cách sử dụng BATS1E (sơ đồ vận chuyển sinh-khí quyển) được miêu tả chi tiết theo (Dickinson 1993). BATS được xây dựng để mô tả vai trò của thực vật và độ ẩm đất trong việc thay đổi các quá trình trao đổi giữa bề mặt và khí quyển về thông lượng, năng lượng và hơi nước. Mô hình này có một lớp thực vật, một lớp tuyết, một lớp đất bề mặt dày 10 cm và một lớp đất sâu thứ ba dày 3 m. Các phương trình cảnh báo được giải đối với các lớp nhiệt độ đất dùng phương pháp của Deardoff (1978). Nhiệt độ của cannopy được tính toán thông qua công thức cân bằng năng lượng bao gồm các thông lượng hiển nhiệt, bức xạ và ẩn nhiệt. Các tính toán thủy văn trong đất bao gồm các phương trình dự báo về hàm lượng nước của các lớp đất. Các phương trình này giải thích nguyên nhân gây ra giáng thủy, tan tuyết, sự bốc thoát hơi nước, dòng chảy bề mặt, trao đổi khuếch tán nước giữa các lớp đất. Sự hình thành việc chuyển động nước trong đất là nhận được từ một mô hình đất phân giải cao (Climate Processes and Clmate Sensitivity 1984) và tốc độ dòng chảy mặt được biểu diễn như là hàm của tốc độ giáng thủy và độ bão hòa nước trong đất. Độ sâu của tuyết là được tính toán cảnh báo từ lượng tuyết rơi, tuyết tan, và sự thăng hoa. Giáng thủy được giả định là rơi xuống để tạo thành tuyết nếu như nhiệt độ của mực mô hình thấp nhất là nhỏ hơn 271 K. Hiển nhiệt, hơi nước, các thông lượng động lượng tại bề mặt được tính toán bằng sử dụng một công thức hệ số nhớt bề mặt chuẩn dựa vào lí thuyết tương tự lớp 36 bề mặt. Các hệ số nhớt phụ thuộc vào chiều dài độ nhám bề mặt và vào sự ổn định của khí quyển trong lớp bề mặt. Tốc độ bốc thoát hơi bề mặt phụ thuộc vào nước trong đất. BATS có 20 dạng thực vật . Điều này được mô tả trong (Dickinson 1996). 1.2.4.3. Lớp biên hành tinh Sơ đồ lớp biên hành tinh được phát triển bởi Holtslag (1990) là dựa trên khái niệm khuếch tán phi địa phương để tính toán các thông lượng gradien ngược, các thông lượng này nhận được từ các xoáy qui mô lớn trong khí quyển bất ổn định xáo trộn. Thông lượng xoáy thẳng đứng trong lớp biên (PBL) được tính theo công thức sau: )( ccc z C KF     (1.12) Trong đó c là vận chuyển gradient ngược nó thể hiện sự vận chuyển phi địa phương do đối lưu sâu khô. Khuếch tán rối theo công thức sau: )1( 2 h z zkK tc   (1.13) Trong đó k là hằng số von Karman; t là vận tốc đối lưu rối nó phụ thuộc vào vận tốc ma sát, độ cao và độ dài Monin-Obhukov; h là độ cao PBL. Gradient ngược đối với nhiệt độ và hơi nước được cho theo công thức: h C t c c    0  (1.14) Trong đó C là hằng số và C=8,5 và 0 c là thông lượng nhiệt độ bề mặt hoặc hơi nước. Công thức này được áp dụng giữa đỉnh của lớp PBL và đỉnh của lớp bề mặt với lớp bề mặt được coi là bằng 0,1h. Ngoài khu vực này thì c được coi là bằng 0. 37 Để tình toán số hạng khuếch tán rối và gradient ngược thì độ cao lớp PBL được tính toán cảnh báo từ:    svs c hg hvhurRi h     )()/( )()( 22 (1.15) Trong đó u(h), v(h) và v là các thành phần tốc độ gió và nhiệt độ địa thế vị ảo tại độ cao PBL, g là gia tốc trọng trường, Ricr là số Richardson tới hạn v là nhiệt độ gần bề mặt. chi tiết được mô tả bởi Holtslag (1990), Holtslag và Boville (1993). 1.2.4.4. Sơ đồ giáng thủy đối lưu Giáng thủy đối lưu được tính toán bằng cách sử dụng một trong các sơ đồ sau: (1) Grell; (2) Anthes-Kuo; (3) Betts-Miller; (4) Emanuel. Ngoài ra trong sơ đồ Grell có hai sơ đồ khép kín rối: Arakawa&Schubert, Frisch&Chappell. Các sơ đồ đối lưu vẫn là một trong số các lỗi quan trọng nhất trong các mô hình khí hậu. Sơ đồ Anthes-Kuo thừa nhận một sự gần đúng hội tụ ẩm, được sử dụng chính trong RegCM1. Sơ đồ này đã cho thấy kết quả tốt hơn so với sơ đồ Grell trong các mô phỏng lượng mưa gió mùa trên khu vực Đông Á (Giorgi 1999; Lee and Suh 2000). Trong RegCM3, thì sơ đồ Grell đã trở thành sự lựa chọn chủ yếu cho việc mô tả đối lưu. Đây là một sơ đồ thông lượng khối lượng dựa trên việc tham số hóa Arakawa và Schubert (1974). 1.2.4.5. Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn Trong RegCM3 giáng thủy qui mô lớn được thể hiện bằng sử dụng sơ đồ ẩm hiện dưới lưới (SUBEX) (Pal 2000) được sử dụng để nghiên cứu mây không đối lưu và giáng thủy được phân tích bởi mô hình. Đây là một trong những thành phần mới của mô hình. SUBEX giải thích về khả năng biến đổi dưới lưới trong mây và bao gồm cả công thức chuyển đổi tự động của nước mây sang nước mưa và sự bốc hơi 38 của hạt mưa khi rơi xuống. Độ che phủ của mây được tính toán từ độ ẩm tương đối và mây hình thành khi độ ẩm tương đối lớn hơn một ngưỡng nào đấy nhỏ hơn bão hòa ô lưới. Sơ đồ này đã mô phỏng rất tốt giáng thủy trên lục địa nước Mỹ (Pal 2000). 1.2.4.6. Tham số hóa thông lượng đại dương Sơ đồ Zeng: các thông lượng hiển nhiệt (SH), ẩn nhiệt (LH) và động lượng () giữa bề mặt biển và tầng khí quyển mực thấp được tính theo thuật toán sau: uuuu yxa /)( 2/1222 *   (1.16) **a-SH  uCpa **quLLH ea (1.17) (1.18) Trong đó ux và uy là các thành phần gió trung bình, u* là tốc độ gió ma sát, * là tham số qui mô nhiệt độ, q* là tham số qui mô độ ẩm riêng, a là mật độ không khí, Cpa là nhiệt riêng của không khí và Le là ẩn nhiệt. 1.2.4.7. Sơ đồ Gradient khí áp Hai lựa chọn đã được sử dụng cho tính toán lực gradient khí áp 1.2.4.8. Mô hình hồ Mô hình hồ được phát triển bởi Hosteler 1993 và có thể kết hợp với mô hình khí quyển. Trong mô hình hồ, các thông lượng nhiệt, độ ẩm và động lượng được tính toán dựa vào số liệu khí tượng đầu vào và nhiệt độ bề mặt hồ và albedo. Nhiệt được vận chuyển thẳng đứng giữa các lớp mô hình hồ bởi rối và xáo trộn đối lưu. Băng và tuyết cũng có thể bao phủ một phần hoặc toàn bộ mặt hồ. Trong mô hình hồ thì phương trình cảnh báo đối với nhiệt độ là: 2 2 )( z T kk t T me      (1.19) 39 trong đó T là nhiệt độ của lớp hồ, và ke và km là khuyếch tán rối và khuyếch tán phân tử tương ứng. Tham số hóa của Henderson-Sellers 1986 được sử dụng để tính toán ke và km là cho bằng một hằng số không đổi bằng 39x10-7 m2 s-1 ngoại trừ bên dưới băng và các điểm sâu nhất trong hồ. Các thông lượng hiển nhiệt và ẩn nhiệt từ hồ là được tính toán bằng việc sử dụng tham số hóa BATS. Các công thức cho thông lượng ẩn nhiệt (Fq) và hiển nhiệt (Fs): Fq=aCDVa(qs-qa) Fs=aCpCDVa(Ts-Ta) (1.20) (1.21) Trong đó các chỉ số s và a liên quan đến bề mặt và không khí tương ứng; a là mật độ không khí, Va là tốc độ gió, Cp, q là độ ẩm riêng và T là nhiệt độ. Hệ số nhớt động lượng CD phụ thuộc vào chiều dài độ nhám và số Richardson bề mặt. Bức xạ sóng dài phát xạ từ hồ được tính toán theo định luật Stefan-Boltzmann. 1.2.4.9. Sinh quyển Kể từ phiên bản RegCM3, các tính toán vật lí bề mặt đã được thực hiện bằng việc sử dụng BATS 1e. BATS miêu tả vận chuyển năng lượng, khối lượng, động lượng giữa khí quyển và sinh quyển. Nó gồm ba lớp đất: 10cm, 1-2m, 3m, một lớp thực vật và một lớp tuyết. Trong RegCM3 thì đã có một vài thay đổi đối với BATS để giải thích cho khả năng biến đổi dưới lưới của địa hình và sử dụng đất. Hiện nay RegCM3 đang được phát triển để kết hợp với mô hình đất cộng đồng phiên bản 3 (CLM3). CLM3 là một mô hình 10 lớp đất chi tiết, một sự phát triển chủ yếu đối với phiên bản này là CLM3 có công thức của dòng chảy mặt mới, thực vật động lực. 40 1.2.4.10. Thể nước Trong RegCM3 thể nước có thể phân loại thành đại dương và hồ. Các thông lượng năng lượng từ đại dương được tính toán từ nhiệt độ bề mặt biển theo qui định với đại dương ảnh hưởng đến khí quyển nhưng khí quyển không ảnh hưởng tới đại dương. Trong RegCM có hai lựa chọn cho tham số hóa đối với tính toán thông lượng từ đại dương: theo công thức BATS và sơ đồ mới Zng (Zeng 1998). Các thử nghiệm của francisco (2005) cho thấy RegCM3 kết hợp với sơ đồ Zeng cho kết quả tốt trong việc tính thông lượng bốc hơi trên Nam Thái Bình Dương. RegCM3 cũng bao gồm cả mô hình hồ một chiều để mô phỏng thay đổi mùa của nhiệt độ hồ, bốc hơi, và độ che phủ băng. Trong tương lai thì RegCM3 sẽ có kề hoạch kết hợp với một mô hình đại dương khu vực. 1.2.4.11. Sol khí và hóa học khí quyển Nét riêng biệt chủ yếu của mô hình RegCM là đưa hai module tác động sol khí: mô đun sol khí bao gồm oxit sulfua, sulfat, cacbon đen thấm và không thấm nước, cacbon hữu cơ. Mô đun bụi bao gồm các hạt bụi. Mô đun sol khí tính các tác động sol khí – bức xạ, sol khí – mây tới khí hậu. Trong mô hình cài đặt ba mô phỏng, một là không có tác động của sol khí, hai trường hợp còn lại là sol khí tác động dạng kết hợp và không kết hợp. Sol khí trong khí quyển có tác động quan trọng lên hệ thống khí hậu, đặc biệt là qui mô khu vực. RegCM3 và sulfat, cacbon hữu cơ và sol khí cacbon đen được nghiên cứu chi tiết bởi Quian (2001); Solmon (2005). Sơ đồ này giải thích cho việc gây ra bình lưu khí quyển, khuếch tán do rối, vận chuyển thẳng đứng bởi đối lưu sâu. Cả ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp của sol khí đều được đưa vào trong RegCM3. Các nghiên cứu về sol khí và hóa học cho khu vực Đông Á bởi Giorgi (1993a) cho khu vực Châu Âu-Châu Phi bởi Solmon (2005). 41 Ngoài ra kết hợp giữa tham số hóa bụi và RegCM3 gần đây đã được thực hiện bằng sử dụng một sơ đồ dựa chủ yếu vào công trình của Marticorena và Bergameti (1995); Alfaro và Gomes (2001). Sơ đồ này hiện nay đang trong giai đoạn thử nghiệm và sẽ cho ra phiên bản chuẩn trong tương lai gần. 1.2.4.12. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên RegCM3 yêu cầu các điều kiện ban đầu và các điều kiện biên phụ thuộc vào thời gian đối với các thành phần tốc độ gió, nhiệt độ, áp suất bề mặt và hơi nước. Ngoài ra SSTs phải được xác định trên đại dương. Mô hình hiện nay có thể chạy với nhiều nguồn số liệu phân tích lại khác nhau và các điều kiện biên GCM. Sự thật là đến bây giờ thì có các nguồn số liệu sau có thể chạy với RegCM3 bao gồm NCEP/NCAR (NNRP), ECMWF phân tích lại 40 năm (ERA40), CCM3, ECHAM, HadAM3H và CAM. 1.3. MỤC TIÊU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN Xem xét tác động trực tiếp của sol khí gây ra bởi con người lên giáng thủy ở khu vực Đông Nam Á. Với mô hình kết hợp đầy đủ (mô hình khí hậu – hóa học – sol khí) có khả năng cho thấy mối liên hệ giữa trạng thái nhiễu của sol khí và biến đổi khí hậu. Module về sol khí bao gồm 6 phương trình dự báo cho SO2, SO4 2-, cacbon đen (BC) thấm nước và không thấm nước, cacbon hữu cơ (OC), bao gồm sự phát tán, bình lưu, sự lắng đọng khô và ẩm, sản phẩm hóa học và sự chuyển đổi. Luận án mô phỏng 4 trường hợp tác động của sol khí tới khí quyển. Tác động trực tiếp của SOx, BC thấm và không thấm nước, OC thấm và không thấm nước và tác động của cả SOx, BC và OC lên khí hậu khu vực Đông Nam Á. Trong trường hợp này, tác động âm làm tăng cường sự ổn định của khí quyển và có xu hướng kiềm chế giáng thủy. Kết quả cho thấy giữa mô hình sol khí và mô hình khí hậu cho thấy có sự giảm không nhất quán giữa mô hình mô phỏng và quan trắc giáng thủy trên khu vực nghiên cứu. 42 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 2.1. SOL KHÍ SULFAT VÀ CACBON TRONG MÔ HÌNH RegCM3 2.1.1. Phương trình tỉ lệ xáo trộn Các đo lường ở khu vực nông thôn và thành thị trên khu vực Đông Á như cường độ các giai đoạn của bão bụi, thành phần cấu tạo và tác động của bức xạ lên các phần tử cho thấy 2 thành phần tác động lớn bởi con người là sol khí SO4 và Cacbon. Để mô phỏng sự phân bố của 2 loại sol khí này, mô hình kết hợp hóa học và khí hậu được phát triển để giải tỉ lệ xáo trộn (χ với đơn vị kg kg-1 không khí) của 6 loại hóa học: khí SO2, SO4 2- , BC (thấm nước và không thấm nước), OC (thấm nước và không thấm nước), được mô tả theo phương trình dự báo: (2.1) Trong đó i ngầm hiểu là chỉ số các loại sol khí. Thành phần thứ nhất của phương trình trên là bình lưu ngang và thẳng đứng, FH,i và FV,i là nhiễu ngang và thẳng đứng, Si là thàn