Nghiên cứu độ nhạy của tham số hóa đối lưu trong mô phỏng khí khí hậu hạn mùa bằng mô hình RSM
NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI
NGHIÊN CỨU ĐỘ NHẠY CỦA THAM SỐ HÓA ĐỐI LƯU
TRONG MÔ PHỎNG KHÍ KHÍ HẬU HẠN MÙA BẰNG
MÔ HÌNH RSM
Hà Trường Minh, Mai Văn Khiêm, Nguyễn Đăng Mậu
Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu
ài báo trình bày kết quả đánh giá khả năng mô phỏng khí hậu ở khu vực Việt Nam
thời kỳ 1986 -1995 bằng mô hình RSM (Regional Spectral Model) với các lựa chọn
B
sơ đồ tham số hóa đối lưu SAS (Simplified Arakawa-Schubert) và RAS (Relaxed
Arakawa-Schubert). Kết quả nghiên cứu cho thấy, có sự tương đồng trong mô phỏng khí hậu
bằng mô hình RSM với lựa chọn SAS và RAS. Tuy nhiên, với lựa chọn sơ đồ SAS, mô hình RSM
cho kết quả mô phỏng lượng mưa gần với thực tế hơn. Nhìn chung, RSM mô phỏng trường độ
cao địa thế vị (HGT) và hoàn lưu gió các mực khí quyển khá phù hợp với thực tế. Trong đó, RSM
có thiên hướng mô phỏng HGT cao hơn thực tế; sai số mô phỏng HGT và gió lớn hơn ở mực
thấp so với mực trên cao. Các kết quả mô phỏng cũng cho thấy, RSM nắm bắt khá tốt biến động
của nhiệt độ; nhiệt độ mô phỏng có thiên hướng cao hơn thực tế từ 0 đến 2oC. Mặc dù vậy, mô
hình RSM mô phỏng rất kém đối với lượng mưa, đặc biệt là lượng mưa mùa hè.
Từ khóa: Mô hình RSM, tham số hóa đối lưu, dự báo hạn mùa.
1. Giới thiệu chung
Do đó vấn đề tích hợp mô hình toàn cầu-khu vực
trong quá trình chi tiết hóa động lực trở nên đồng
bộ cả về góc độ công nghệ và vật lí. Với các ưu
điểm kể trên, RSM hiện nay đang được sử dụng
trong dự báo thời tiết và khí hậu ở một số nước
như Hồng Kông, Đài Loan, Mỹ, Nhật Bản,…
Trong các mô hình khí hậu khu vực RCM
(Regional Climate Model), tham số hóa vật lí
đóng vai trò hết sức quan trọng, với cùng một
cấu hình và cùng điều kiện biên, khi chạy với các
sơ đồ tham số hóa vật lý khác nhau RCM vẫn có
thể dẫn đến những kết quả rất khác nhau. Vì vậy,
để có thể áp dụng mô hình RSM trong dự báo
khí hậu ở Việt Nam, cần có những đánh giá lựa
chọn các sơ đồ tham số hóa thích hợp. Các sơ đồ
vật lý trong mô hình RSM về cơ bản là được kế
thừa từ mô hình CFS, chi tiết về vật lý của mô
hình CFS có thể tham khảo khảo trong nghiên
cứu của Saha và cs (2014). Trong số các sơ đồ
tham số hóa vật lí, nói chung các mô hình khu
vực thường nhạy cảm nhất với tham số hóa đối
lưu (TSHĐL) (Gochis và CS, 2002; Ratnam và
CS, 2005). Trong bài báo này sẽ tiến hành đánh
giá, so sánh kết quả mô phỏng khí hậu cho khu
vực Việt Nam với 2 sơ đồ tham số Simplified
Arakawa-Schubert (SAS) và sơ đồ Relaxed
Arakawa-Schubert (RAS) để lựa chọn sơ đồ phù
hợp áp dụng cho nghiên cứu dự báo khí hậu Việt
Nam bằng mô hình RSM.
Mô hình RSM (Regional Spectral Model) của
NCEP là một dạng mô hình khí hậu khu vực hạn
chế, được phát triển bởi Juang and Kanamitsu
dựa trên cấu trúc của mô hình phổ khí hậu toàn
cầu (Global Spectral Model - GSM) của Trung
tâm Quốc gia về Dự báo Môi trường Mỹ
(NCEP). Về mặt lý thuyết, mô hình RSM có cấu
trúc, động lực và vật lý tương tự như mô hình
phổ toàn cầu của NCEP. Các phương trình dự
báo của RSM đối với quá trình phân kỳ, xoáy,
nhiệt độ thế, độ ẩm tuyệt đối, khí áp bề mặt và
thông lượng được xác định trong cùng hệ thống
thủy tĩnh theo hệ tọa độ sigma. Để đáp ứng yêu
cầu lưu các biến ở dạng phổ, các phương trình
phân kỳ và xoáy được thay thế bởi các phương
trình chuyển động ngang; và thông lượng hình
thành được thay thế bởi quá trình bình lưu. Các
kỹ thuật tính toán xử lý nhiễu phổ của mô hình
phổ khí hậu khu vực đều được ứng dụng trong
RSM. Chi tiết về phương pháp này được trình
bày trong nghiên cứu của Juang và Kanamitsu
(1994), Juang và cs (1997).
So với các mô hình điểm lưới đã được nghiên
cứu ở Việt Nam, RSM có 3 ưu điểm so với các
mô hình điểm lưới khác: (1) Tăng tính chính xác
và hiệu suất của mô hình, giảm được sai số cắt
xén và sai số pha; (2) Cho phép thời gian tích
phân dài hơn mà không làm giảm đáng kể tính
chính xác, phù hợp với các ứng dụng về khí hậu;
(3) Mô hình xây dựng theo phương pháp tương
tự như ở mô hình toàn cầu (đều là mô hình phổ).
2. Phương pháp nghiên cứu
2.1. Mô hình và số liệu
Mô hình RSM được sử dụng trong nghiên
TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
Số tháng 12 - 2016
27
NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI
cứu này là phiên bản phi thủy tĩnh được cài đặt có độ phân giải 0,25 độ kinh vĩ.
lần đầu năm 2011 trên hệ thống máy tính hiệu
năng cao của Viện Khoa học Khí tượng Thủy phân bố khá đều trên lãnh thổ Việt Nam (Hình 1)
văn và Biến đổi khí hậu. Đối với phiên bản này
của mô hình RSM, hiện chỉ được tích hợp 2 sơ
đồ tham số hóa đối lưu là RAS và SAS.
- Số liệu quan trắc của 55 trạm khí tượng
Cả hai sơ đồ SAS và RAS, đều được phát
triển dựa trên sơ đồ Arakawa-Schubert (AS)
(1974). Các sơ đồ tham số mây dựa trên thông
lượng khối lượng kiểu AS hiện được sử dụng
trong rất nhiều mô hình dự báo toàn cầu (GCM).
Một trong những giả thiết cơ bản của sơ đồ AS
là dòng thăng xảy ra trong một vung nhỏ của ô
lưới. Sơ đồ SAS (Pan và Wu, 1995) sử dụng
ꢀ
cùng giả thiết dòng thăng trong khu vực nhỏ
Hình 1. Vị trí 55 trạm lấy số liệu quan trắc để
đánh giá.
nhưng đơn giản hóa so với sơ đồ AS gốc ở một
vài điểm, việc sử dụng cùng một loại mây thay
cho tập hợp nhiều loại mây và sự thêm vào một
phần dựa trên hàm kích hoạt đối lưu là hai trong
số những điểm quan trọng nhất. Sơ đồ RAS cũng
2.2. Thiết kế thí nghiệm
Mô hình RSM được thiết kế để chạy lần lượt
là một biến thể của sơ đồ AS. Sơ đồ này khác với với 2 sơ đồ tham số hóa đối lưu với điều kiện
sơ đồ gốc ở 2 khía cạnh: 1 - thông lượng chuẩn biên và điều kiện ban đầu từ số liệu tái phân tích
của khối lượng từ một hàm mũ của độ cao được R2, thời gian mô phỏng của mỗi trường hợp là
thay thế bằng một hàm tuyến tính của chiều cao; 10 năm, từ năm 1986 - 1995. Độ rộng miền tính,
2 - sơ đồ RAS giả định rằng tương tác giữa các độ phân giải thời gian, không gian và các sơ đồ
đám mây và môi trường xảy ra trong một khoảng tham số vật lý (trừ sơ đồ đối lưu) cho cả 2 thí
thời gian ngắn và hữu hạn để khí quyển quy mô nghiệm là tương tự nhau.
lớn được nới lỏng (relaxed) gần đến bán cân
bằng thay vì giả thiết tương tác tức thời như nên trong thí nghiệm này, mô hình RSM trước
trong phiên bản gốc. tiên được chạy với một miền mẹ có độ phân giải
Do số liệu R2 có độ phân giải tương đối thô,
Số liệu dùng làm điều kiện biên và điều kiện 100 km, sau đó tiếp tục chạy cho miền con bao
ban đầu cho mô hình RSM trong các thí nghiệm gồm 144 x 144 điểm lưới có độ phân giải 26 km,
là bộ số liệu tái phân tích thế hệ 2 NCEP/DOE giới hạn miền được quan tâm từ 5oS - 30oN; 95 -
AMIP-II Reanalysis (R2) của NCEP/NCAR với 130oE (Hình 2).
độ phân giải là 2,5x2,5 độ kinh vĩ.
Các nguồn số liệu quan trắc dùng để đánh giá trung bình năm, trung bình từ tháng 5 -10, trung
kết quả mô phỏng của mô hình bao gồm: bình từ tháng 11- 4 trong giai đoạn 1986 - 1995,
- Số liệu tái phân tích CFSR với độ phân giải để tiện lợi cho phần nhận xét phía sau, trong bài
Kết quả mô phỏng sẽ được đánh giá theo
0,5 độ kinh vĩ của NCEP.
báo này sẽ kí hiệu “mùa hè” ứng với tháng 5 -10
- Bộ số liệu quan trắc nội suy độ phân giải cao và “mùa đông” ứng với tháng 11- 4.
APHRODITE, bao gồm các biến nhiệt và mưa
a,
b
Hình 2. Miền tính thí nghiệm (a, miền mẹ; b, miền con)
TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
Số tháng 12 - 2016
28
NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI
3. Kết quả và nhận xét
3.1. Mô phỏng hoàn lưu
triển mạnh hơn ở khu vực Nam Trung Bộ, Tây
Nguyên và Nam Bộ. Mặc dù vậy, sự khác nhau
Ở mực 850 hPa, các mô phỏng bằng mô hình về mô phỏng đới gió tây mực 850 hPa ở phía
RSM tái tạo khá tốt hình thế phân bố theo không Nam này cũng không nhiều. Trong các tháng
gian của HGT và hoàn lưu gió theo mùa so với mùa đông, cả hai phương án mô phỏng bằng mô
số liệu tái phân tích CFSR. Trong đó, kết quả phù hình RSM đã tái tạo hình thế hoàn lưu gió và
hợp hơn vào các tháng mùa đông; kém phù hợp trường HGT 850 hPa rất phù hợp với CFSR.
hơn vào các tháng mùa hè. Xu thế chung là, Mặc dù vậy, trường HGT trong các mô phỏng
trường HGT mực 850 hPa trong các mô phỏng vẫn có tính thiên cao hơn so với CFSR vào
đều có thiên hướng cao hơn so với CFSR. Trong khoảng 10 - 20 m
các tháng mùa hè, RSM có thiên hướng mô
Ở mực 500 hPa, theo số liệu CFSR, trong các
phỏng trường HGT cao hơn so với CFSR khoảng tháng mùa hè, hình thế cơ bản là sự phát triển của
từ 0 đến 30m. So sánh giữa hai phương án mô đới gió đông mạnh mẽ từ rìa phía Nam của áp cao
phỏng, sơ đồ RAS có xu thế thiên cao nhiều hơn cận nhiệt Tây Bắc Thái Bình Dương. Trục của
so với SAS ở khu vực Tây Nguyên và Nam sống áp cao này có hướng Đông - Tây, đi qua khu
Trung Bộ. Về hoàn lưu gió, theo số liệu CFSR, vực Bắc Biển Đông, mở rộng đến vùng biển phía
đới gió tây phát triển rất mạnh ở phía Nam, mở Nam vịnh Bắc Bộ. Trong các tháng mùa đông,
rộng đến tận Philippine. Ở khu vực giữa miền sống áp cao cận nhiệt Tây Bắc Thái Bình Dương
phân tích, đới gió tây phát triển đến khoảng giữa dịch chuyển xuống phía Nam, có trục đi qua khu
Biển Đông và đổi hướng mở rộng lên phía Bắc. vực giữa Biển Đông. Trong thời gian này, phát
Ở khu vực Bắc Bộ, đới gió tây chỉ phát triển ở triển đới gió đông ở phía Nam của sống; ở phía
khu vực Tây Bắc; các khu vực còn lại phát triển Bắc phát triển mạnh mẽ đới gió tây. So sánh các
chủ yếu đới gió Nam (phát triển hoàn lưu kinh kết quả mô phỏng với CFSR cho thấy, về cơ bản,
hướng) từ đới gió tây nhiệt đới mở rộng lên phía RSM đã tái tạo lại trường HGT và hoàn lưu gió
Bắc. Tuy nhiên, cả hai phương án mô phỏng mực 500 hPa khá phù hợp với CFSR về hình thế
băǹ g mô hình RSM lại cho thấy đới gió Tây phát phân bố theo không gian. Trong đó, kết quả phù
triển rất yếu ở phía Nam và Biển Đông. Đới gió hợp hơn vào các tháng mùa đông; sai khác rõ
Tây ở phía Nam trong cả hai phương án mô ràng hơn về giá trị trong các tháng mùa hè. Trong
phỏng chỉ phát triển đến khu vực Nam Bộ và các tháng mùa hè, mô hình RSM mô phỏng đới
chuyển hướng mở rộng lên phía Bắc. Trên khu gió đông mực 500 hPa phát triển rất yếu so với
vực Biển Đông, đới gió Tây gần như không hoạt CFSR. Trong hai phương án mô phỏng, phương
động ở hầu hết diện tích. So sánh giữa hai án RSM với sơ đồ đối lưu SAS cho kết quả mô
phương án mô phỏng cho thấy, phương án mô phỏng phù hợp hơn với phương án sử dụng sơ đồ
phỏng với sơ đồ đối lưu SAS cho đới gió Tây RAS. Trong các tháng mùa đông, cả hai phương
mực 850hPa phát triển mạnh hơn ở vùng biển án mô phỏng RSM đều tái tạo hình thế HGT và
phía Nam (dưới 10oN), trong khi phương án mô hoàn lưu gió mực 850 hPa là tương đồng nhau và
phỏng với sơ đồ RAS lại cho đới gió Tây phát tương đồng với CFSR.
Hình 3. Trường vectơ gió và
độ cao địa thế vị mực 850 mb
mùa hè (trên), mùa đông
(dưới) trong giai đoạn 1986 -
1995 của 2 sơ đồ đối lưu RAS
và SAS so với số liệu CFSR.
TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN
Số tháng 12- 2016
29