Tài liệu Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF-CHEM vào khu vực Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đào Thị Hồng Vân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF-CHEM VÀO KHU VỰC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tƣợng và khí hậu học Mã số: 60.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Phan Văn Tân Hà Nội - 2013 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ................................................................................................ 3 DANH MỤC BẢNG ............................................................................................... 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT ............................................................... 7 MỞ ĐẦU ................................................................................................................ 8 Chƣơng 1 TỔNG QUAN ........................................................................................ 9 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới .............................................................................. 9 1.2 Các nghiên cứu trong nƣớc .............................................................................. 20 Chƣơng 2 PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ......................................................... 23 2.1 Sơ lƣợc về mô hình WRF/Chem ...................................................................... 23 2.1.1 Mô hình WRF .............................................................................................. 23 2.1.2 Mô đun CHEM ............................................................................................. 26 2.2 Thiết kế thí nghiệm ......................................................................................... 28 2.2.1 Miền tính và thời gian thí nghiệm ................................................................. 28 2.2.2 Các thí nghiệm ............................................................................................. 29 2.2.3 Nguồn số liệu ............................................................................................... 32 2.3 Tạo bộ số liệu phát thải cho WRF/Chem ......................................................... 33 Chƣơng 3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ................................................................. 35 3.1 Đánh giá kết quả của thí nghiệm I ................................................................... 35 3.1.1 Hoàn lƣu, nhiệt độ và lƣợng mƣa từ đầu ra của WRF/Chem ......................... 35 3.1.2 Mô phỏng nồng độ bụi từ WRF/Chem .......................................................... 42 3.2 Đánh giá kết quả của thí nghiệm II .................................................................. 47 3.2.1 Trƣờng nhiệt độ và lƣợng mƣa với các tùy chọn của WRF/Chem ................. 47 3.2.2 Mô phỏng các chất phát thải từ WRF/Chem ................................................. 57 KẾT LUẬN .......................................................................................................... 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 65 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 68 2 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 So sánh sự thay đổi lƣợng mƣa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hƣởng của BC và thí nghiệm B (hình dƣới) khi không tính đến ảnh hƣởng của BC (Menon ccs., 2002) ......................... 11 Hình 1.2 Sự thay đổi lƣợng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) ................................................................. 12 Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF ................................................... 24 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống mô hình WRF/Chem phiên bản 3.4. .............................. 27 Hình 2.3 Miền tính của WRF trong các thí nghiệm. Độ phân giải ngang 30 km .... 28 Hình 3.1 Trƣờng lƣợng mƣa (mm/ngày) từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của các ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) ................................................................................................................... 36 Hình 3.2 Trƣờng nhiệt độ không khí mực 2m (oC) từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) ................................................................................................................... 37 Hình 3.3 Trƣờng nhiệt độ không khí mực 2m (oC) từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải) của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) .......................................................... 38 Hình 3.4 Lƣợng mƣa (mm/ngày) từ đầu ra của WRF_DUST (trái), số liệu APHRODITE (giữa) và hiệu giữa chúng (phải) của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) ................................................................. 40 Hình 3.5 Trƣờng độ cao địa thế vị (hPa) và trƣờng gió (m/s) tại mực 850 mb từ đầu ra của WRF/Chem (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 ................................................................................................. 41 Hình 3.6 Phân bố bụi loại 1 (10^12 ug/kg) và trƣờng gió(m/s) tại mực 850 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ 02/01/2006 đến 04/01/2006 mô phỏng bởi WRF/Chem.. 45 3 Hình 3.7 Mặt cắt kinh hƣớng phân bố bụi loại 1 (10^12 ug/kg*m/s) nhân với gió kinh hƣớng (trung bình từ 102E đến 110E) lúc 00, 12h từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 ................................................................................................. 47 Hình 3.8 Trƣờng nhiệt độ mực 2m (oC) từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) .......................................................... 49 Hình 3.9 Trƣờng lƣợng mƣa từ đầu ra của WRF (mm/ngày) với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) ..................................................... 51 Hình 3.10 Trƣờng lƣợng mƣa (mm/ngày) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (từ trái qua phải) trừ đi số liệu APHRODITE của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) .......................................................... 53 Hình 3.11 Trƣờng nhiệt độ mực 2m (oC) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (từ trái qua phải) trừ đi số liệu APHRODITE của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dƣới) .......................................................... 55 Hình 3.12 Profile nhiệt độ (oC) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 .............. 56 Hình 3.13 Profile của tỉ số xáo trộn hơi nƣớc (kg/kg) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 ........................................................................................... 57 Hình 3.14 Profile của bụi PM2.5 (ug/m3) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 ......................................... 58 Hình 3.15 Profile của bụi PM10 (ug/m3) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 ......................................... 59 Hình 3.16 Profile của nồng độ SO2 (10^3 ppmv) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006..................... 60 Hình 3.17 Phân bố của nồng độ PM2.5 (ug/m3) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000mb (trên) và 850 mb (dƣới) ngày 04/01/2006 .............................................................................. 61 4 Hình 3.18 Phân bố của nồng độ PM10 (ug/m3) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000mb (trên) và 850 mb (dƣới) ngày 04/01/2006 .............................................................................. 62 Hình 3.19 Phân bố của nồng độ SO2 (10^3 ug/m3) từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 850mb (trên) và 500 mb (dƣới) ngày 04/01/2006 ......................................................................................... 63 Hình P.1 Trƣờng độ cao địa thế vị (hPa) và trƣờng gió (m/s) tại mực 500 mb từ đầu ra của WRF (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 ................................................................................................. 69 Hình P.2 Trƣờng độ cao địa thế vị (hPa) và trƣờng gió (m/s) tại mực 200 mb từ đầu ra của WRF (bên trái) so sánh với số liệu NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 ................................................................................................. 70 Hình P.3 Phân bố bụi loại 1 (10^12 ug/kg) và trƣờng gió (m/s) tại mực 1000 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ........................... 73 Hình P.4 Phân bố bụi loại 1 (10^12 ug/kg) và trƣờng gió (m/s) tại mực 500 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ........................... 74 Hình P.5 Phân bố bụi loại 1 (10^12 ug/kg ) và trƣờng gió (m/s) tại mực 200 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ........................... 76 Hình P.6 Mặt cắt vĩ hƣớng phân bố bụi loại 1 nhân với gió vĩ hƣớng (10^12 ug/kg*m/s) trung bình từ 8 đến 24N lúc 00, 12h từ ngày 01/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ......................................................................................... 78 5 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hai loại mô hình “đồng thời” và “không đồng thời” .................. 14 Bảng 2.1 Cấu hình động lực của mô hình WRF/Chem .......................................... 29 Bảng 2.2 Các tùy chọn hóa học đƣợc lựa chọn sử dụng ......................................... 30 Bảng 2.3 Danh sách các thông số khác biệt cơ bản về hóa họctrong namelist của thí nghiệm 02 (WRF_DUST) ..................................................................................... 32 Bảng 3.1 Ký hiệu 5 loại bụi và kích thƣớc bán kính tƣơng ứng trong sản phẩm của WRF_DUST ......................................................................................................... 42 6 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AOD Độ dày quang học của khí quyển (Aerosol Optical Depth) BC Các bon đen (Black Carbon ) EDGAR Số liệu phát thải cho nghiên cứu khí quyển toàn cầu (Emission Database for Global Atmospheric Research) GOCART Vận chuyển bức xạ xon khí hóa học Ozon toàn cầu (Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation Transport) MADE/SORGAM Mô hình động lực xon khí chuẩn cho khu vực Châu Âu kết hợp với mô hình xon khí hữu cơ thứ cấp (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe with the Secondary Organic Aerosol Model) MAPS Đo đạc ô nhiễm không khí từ vệ tinh RADM Cơ chế mô hình lắng đọng axit khu vực (Regional Acid Deposition Model Mechanism) RETRO Số liệu tái phân tích cho tầng đối lƣu (REanalysis of the TROpospheric) WRF/Chem Mô hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết với môđun hóa học (The Weather Research and Forecasting – Chemistry) 7 MỞ ĐẦU Hiện nay, nghiên cứu các nhân tố ảnh hƣởng tới khí hậu nói chung và biến đổi khí hậu nói riêng, đang là một trong những vấn đề quan trọng và ngày càng đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong đó, nhiều nghiên cứu đã đề cập đến sự thay đổi của các thành phần hóa học trong khí quyển cùng với mối liên hệ trực tiếp và gián tiếp tới các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu và khu vực. Xon khí là một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi hóa học khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lƣợng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu. Từ đó, chúng gián tiếp ảnh hƣởng tới các lĩnh vực khác trong đời sống nhƣ kinh tế, xã hội, môi truờng, sức khỏe con ngƣời... Một trong những hƣớng nghiên cứu để tìm hiểu và đánh giá rõ ràng hơn các tác động của xon khí là kết hợp mô phỏng các quá trình hóa học vào các mô hình thời tiết, khí hậu. Đƣợc phát triển từ năm 2005, mô hình WRF/Chem (The Weather Research and Forecasting - Chemistry) là một trong những mô hình thời tiết có khả năng mô phỏng một cách hiệu quả sự phát thải, vận chuyển, xáo trộn và chuyển hóa các chất khí đồng thời với các quá trình khí tƣợng. Trong luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF/Chem vào khu vực Việt Nam” để nghiên cứu. Bố cục của luận văn (ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục) gồm 3 chƣơng với các nội dung chính nhƣ sau: Chương 1: Tổng quan Trong chƣơng này, tác giả trình bày những nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc về việc ứng dụng mô hình số trong giải quyết bài toán tác động hồi tiếp giữa các chất hóa học khí quyển và các yếu tố khí hậu. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chi tiết về mô hình đƣợc chọn để ứng dụng chạy thử nghiệm, thiết kế thi nghiệm và các phƣơng pháp đánh giá. Chương 3: Kết quả và nhận xét Trình bày tóm tắt các kết quả chủ yếu của luận văn, những điểm mới đã đạt đƣợc và kiến nghị về hƣớng 8 nghiên cứu trong tƣơng lai. Chƣơng 1 TỔNG QUAN Chƣơng này sẽ đề cập đến ảnh hƣởng của các thành phần hóa học (xon khí) tới hệ thống khí hậu đồng thời chỉ ra những biến đổi của chúng trong thập kỷ gần đây. Bên cạnh đó, những ứng dụng (trên thế giới và trong nƣớc) của mô hình hóa trong bài toán mô phỏng các thành phần hóa học khí quyển cũng đƣợc chỉ ra, đặc biệt nhấn mạnh tới các ứng dụng của mô hình WRF/Chem. Bức tranh tổng quan ban đầu đó sẽ cho ta thấy sự cần thiết và ý nghĩa của việc ứng dụng mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam. 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ô nhiễm không khí và sự biến đổi các thành phần hóa học khí quyển có ảnh hƣởng lớn đến hệ thống khí hậu và môi trƣờng đang là một trọng tâm mới trong khoa học khí quyển hiện nay. Sự vận chuyển xuyên lục địa của các chất ô nhiễm không khí đang gây nguy hiểm cho hệ sinh thái trên toàn thế giới và có tác động mạnh đến toàn bộ hệ thống khí hậu [8]. Xon khí trong khí quyển là các hạt rắn hoặc lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có nguồn gốc tự nhiên bao gồm: các hạt muối (từ đại dƣơng), các bụi khoáng do gió đƣa lên, từ núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi,…), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí. Xon khí có ảnh hƣởng lớn tới môi trƣờng nói chung, chất lƣợng không khí nói riêng và cả sức khỏe con ngƣời [4],[11]. Xon khí đã và đang lan ra trên quy mô toàn cầu nhƣng sự bất đồng nhất về mức độ tập trung giữa các khu vực là khá lớn, nó góp phần gây biến đổi khí hậu toàn cầu qua các tác động lên bức xạ một cách trực tiếp, bán trực tiếp và cả gián tiếp [13]. Theo Lau K.M, [13] các phần tử xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi (ảnh hƣởng trực tiếp). Khi bề mặt trái đất lạnh hơn khí quyển phía trên, khí quyển trở nên ổn định (ảnh hƣởng bán trực tiếp). Các phần tử xon khí 9 làm tăng số hạt nhân ngƣng kết nên hình thành nhiều hạt nƣớc hơn nhƣng lại có kích thƣớc nhỏ hơn, dẫn đến tăng tán xạ và phản xạ của mây. Các hạt nuớc nhỏ làm hạn chế sự va chạm và liên kết, kéo dài thời gian tồn tại của mây và ngăn cản sự lớn lên của hạt nƣớc trong mây để tạo mƣa (ảnh hƣởng gián tiếp). Chung C.E. ccs., (2005) [5] đã chỉ ra rằng ảnh hƣởng trực tiếp của xon khí có thể làm giảm năng lƣợng bức xạ trung bình toàn cầu, giảm 0.35 W/m2 tại giới hạn trên của khí quyển, tăng khoảng 3.0 W/m2 trong lớp khí quyển và giảm 3.4 W/m2 tại bề mặt trái đất. Trong khu vực gió mùa châu Á, trung bình năm, năng lƣợng bức xạ trong khí quyển (mặt đất) có thể tăng (giảm) 10-20W/m2. Hơn thế nữa, nghiên cứu của Mark Z. Jacobson [14] cho thấy trạng thái tồn tại của các loại xon khí cũng có mức độ ảnh hƣởng khác nhau. Nếu tính riêng tác động của các loại sun phát hữu cơ (Sulfate Organics) và cácbon đen (BC) thì chúng chỉ làm lƣợng bức xạ trung bình giảm đi 0,31 W/m2 nhƣng nếu chúng tồn tại dƣới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lƣợng bức xạ giảm đi 0,62 W/m2. Theo Ramanathan ccs., (2005) [17] mây nâu ABCs (Atmospheric Brown Clouds) đƣợc cấu thành từ các chất ô nhiễm nhƣ cácbon đen, cácbon hữu cơ, tro, bụi và các chất hấp thụ nhƣ sun fat, ngăn cản bức xạ mặt trời tới mặt đất có thể làm giảm 50% sự nóng lên toàn cầu do tăng các khí nhà kính. Nhìn chung, xon khí làm thay đổi phân bố năng lƣợng của khí quyển và bề mặt, thay đổi gradient khí áp theo phƣơng ngang, tác động tới hoàn lƣu gió mùa và làm thay đổi lƣợng mƣa của một số nơi trên Trái Ðất [13],[17],[28]. Ngƣợc lại, dị thƣờng hoàn lƣu quy mô lớn có tác động đến sự thay đổi vận chuyển xon khí, điều chỉnh quá trình sa lắng, thay đổi môi trƣờng vật lý và hoá học của hỗn hợp xon khí. Bụi có thể đƣợc hoàn lƣu quy mô lớn vận chuyển từ vùng sa mạc lân cận tới Ấn Ðộ [13]. Những trận mƣa rào mạnh trong mùa khô ảnh hƣởng tới phổ độ dày quang học và đặc trƣng kích thƣớc của xon khí [18]. Menon ccs., (2002) [21] đã đánh giá đƣợc tác động của cácbon đen (BC) lên các yếu tố khí tƣợng. Trong đó, sự ảnh hƣởng của BC lên sự biến đổi lƣợng mƣa là khá rõ rệt (Hình 1.1), đặc biệt khi chú ý tới khu vực Đông Nam Á. Nếu xét riêng cho khu vực Việt Nam, phía Bắc có lƣợng mƣa 10 tăng khoảng 1 – 4mm/ngày còn ở phía Nam lƣợng mƣa lại giảm đi (cũng khoảng 1 – 4mm/ngày). Hình 1.1 So sánh sự thay đổi lượng mưa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hưởng của BC và thí nghiệm B (hình dưới) khi không tính đến ảnh hưởng của BC (Menon ccs., 2002) [21] Một điểm đáng lƣu ý là trong những thập kỷ gần đây, mức độ phát thải các chất ô nhiễm vào khí quyển ngày càng tăng do quá trình phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Đồng thời, nguồn phát thải rất khác nhau và việc định lƣợng chúng cũng khá khó khăn. Năm 1981, sự xuất hiện của MAPS cho phép chúng ta có đƣợc những số liệu đầu tiên về nồng độ đáng báo động của CO trên vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi và Nam Mỹ [8] khiến các nhà khoa học nhận thức rõ hơn rằng ô nhiễm môi trƣờng không khí đã trở thành một vấn đề quốc tế. Quan trắc này cũng cho thấy chất lƣợng không khí của các khu vực và toàn cầu bị ô nhiễm không chỉ bởi đốt nhiên liệu hóa thạch trong công nghiệp mà còn do phát thải 11 từ đốt sinh khối (cháy rừng, đốt chất thải nông nghiệp, và đốt nhiên liệu thực vật). Những năm 1990 trở lại đây, lƣợng phát thải NO2 ở Châu Á đã vƣợt qua cả Bắc Mỹ, Châu Âu và đƣợc dự đoán là sẽ tiếp tục tăng trong những thập kỷ tới[8]. Hình 1.2 minh chứng cho sự gia tăng không ngừng của phát thải NOx do con ngƣời, đặc biệt là khu vực Châu Á, nơi tập trung nhiều nƣớc đang phát triển. Theo đó, phát thải NOx ở hai khu vực Châu Mỹ và Châu Âu gần nhƣ giữ nguyên không đổi ở mức cao trong những năm 1980 (khoảng 25 - 28 Tg/năm). Từ sau năm 1990, do áp dụng các biện pháp kiểm soát phát thải nên nồng độ NOx ở Châu Âu có xu hƣớng giảm nhẹ ngƣợc lại với tốc độ phát thải NOx tăng chóng mặt ở khu vực Châu Á. Z. Janusz Cofala ccs. (2007) [9] cũng chỉ ra rằng xu thế này có thể sẽ tiếp tục giữ nhƣ vậy trong ít nhất hai thập kỉ tiếp theo. Đến đây, có thể nhận thấy yêu cầu cần thiết của việc nghiên cứu, xem xét tác động của các thành phần hóa học, các chất xon khí lên hệ thống thời tiết, khí hậu. Hình 1.2 Sự thay đổi lượng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) [8] Để giải quyết bài toán trên, mô hình hóa các quá trình hóa học trong khí quyển hiện nay đang là một trong những công cụ hiệu quả và mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng. Về chức năng, có thể chia các mô hình vận chuyển hóa học động lực thành hai loại: mô hình “đồng thời” (online) và mô hình “không đồng thời” 12 (offline), cách phân chia này phụ thuộc vào bƣớc tích phân kết hợp với mô hình khí tƣợng [20]. Trong các mô hình “không đồng thời”, việc mô phỏng các yếu tố khí tƣợng đƣợc tiến hành trƣớc việc mô phỏng các chất hóa học. Tại mỗi bƣớc thời gian xác định (ví dụ từng giờ), mô hình “không đồng thời” sử dụng các trƣờng khí tƣợng đƣợc lấy từ quan trắc hoặc mô hình để làm đầu vào cho mô hình hóa học. Các mô hình “không đồng thời” thƣờng tích hợp gió vào vận chuyển, đôi khi các mô hình này cũng đƣa các trƣờng nhƣ độ cao lớp biên và năng lƣợng rối động lực vào tính toán để mô phỏng các quá trình qui mô vừa và nhỏ [19][20]. Các trƣờng khí tƣợng đƣợc nội suy sao cho phù hợp với đầu vào của thành phần mô phỏng hóa học trong mô hình, cả về không gian và thời gian. Mô hình “không đồng thời” thƣờng có hiệu quả tính toán cao, tuy nhiên hạn chế của các mô hình này là chỉ cho ta thấy các ảnh hƣởng một chiều nên không thể tính toán đầy đủ những tác động ngƣợc trở lại hệ thống khí hậu của các chất hóa học (ví dụ nhƣ lƣợng bức xạ bị hấp thụ bởi xon khí hay ẩn nhiệt giải phóng từ các chất hóa học). Thực tế trong khí quyển thực, các quá trình khí tƣợng và hóa học tƣơng tác với nhau rất chặt chẽ thông qua các tác động hồi tiếp giữa khí hậu - hóa học - xon khí – mây- bức xạ [28]. Trong khi đó, các mô hình “đồng thời” tuy yêu cầu khoảng thời gian tích phân dài hơn nhƣng lại giải quyết đƣợc bài toán hồi tiếp của xon khí tới hệ thống khí hậu. Chúng có thể mô phỏng đồng thời thành phần hóa học và thành phần khí tƣợng trên cùng một quy mô không gian, thời gian, do đó ta có thể bỏ qua các bƣớc nội suy phức tạp (Bảng 1.1). Martilli ccs., (2002) [15] đã chỉ ra rằng nếu mô hình khí tƣợng và mô hình hóa học không đƣợc tích phân đồng thời với nhau, sẽ dễ đƣa đến những sai số lớn do bƣớc cập nhật đầu vào khí tƣợng thấp nên mô hình có thể không nắm bắt đƣợc những quá trình khí tƣợng xảy ra trong quy mô thời gian nhỏ. Mô hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết có tích hợp môđun hóa học WRF/Chem (The Weather Research and Forecasting Model with Chemistry) [7] là một trong những mô hình “đồng thời”, tính toán đến những tác động hồi tiếp giữa bức xạ và hóa học tại bƣớc tích phân. WRF/Chem có sự kết hợp của các môđun tham số hóa động lực và vật lý giống nhƣ trong mô hình WRF. Hiện nay, WRF/Chem đã và đang đƣợc phát triển, ứng dụng trong cả nghiệp vụ dự báo và nghiên cứu [7]. Với nhiều ƣu điểm, WRF/Chem đã đƣợc các tác giả ứng dụng trong những nghiên cứu đa dạng trên thế giới [6], [24]. 13 Bảng 1.1. So sánh hai loại mô hình “đồng thời” và “không đồng thời” [7],[12],[29]. Mô hình “không đồng thời” Mô hình “đồng thời”  Hiệu quả tính toán cao (một bộ số  Quá trình hóa học đƣợc mô liệu khí tƣợng có thể dùng cho phỏng đồng thời với các thành phần nhiều mô phỏng hóa học) khí tƣợng  Việc đánh giá độ nhạy của mô  Mô phỏng đƣợc các tác động hình đối với các sơ đồ hóa học có ngƣợc trở lại hệ thống khí hậu của thể tách biệt một cách dễ dàng và xon khí Ƣu điểm thuận lợi (do các điều kiện của  Các tác động hồi tiếp có thể đƣợc trƣờng khí tƣợng là cố định) chi tiết thậm chí đến từng phút (do đầu vào khí tƣợng đƣợc cập nhật liên tục)  Có thể bỏ qua các bƣớc nội suy (do các thành phần hóa học và khí tƣợng đƣợc mô phỏng trên cùng một lƣới tính)  Không nắm bắt đƣợc các quá  Yêu cầu khối lƣợng tính toán lớn trình khí tƣợng với quy mô thời hơn do mô hình cần phải tính toán gian ngắn (nhƣ rối hay đối lƣu ẩm) đồng thời cả các thành phần động  Việc nội suy từ lƣới của mô hình lực và thành phần hóa học Nhƣợc điểm khí tƣợng về lƣới của mô hình hóa học có thể gây ra sai số lớn  Không mô phỏng đƣợc các tác động ngƣợc lại hệ thống khí hậu của các thành phần hóa học  Chiếm dung lƣợng bộ nhớ lớn để lƣu trữ số liệu khí tƣợng 14 Xueyuan Wang ccs., (2010) [25] đã sử dụng WRF/Chem phiên bản 2.2 để nghiên cứu mô phỏng chất lƣợng không khí cho khu vực Đông Á. Tác giả đề cập đến 2 đặc điểm còn tồn tại của công cụ kiểm kê phát thải để mô hình hóa chất lƣợng không khí là tổng lƣợng phát thải ô nhiễm thực và sự phân bố của chúng theo thời gian và không gian. Một số nghiên cứu mô hình hóa cho khu vực Mỹ, Châu Âu và Mexico đã cho thấy vai trò nhạy cảm của sự phân bố theo thời gian của phát thải, tác động đáng kể đến dự đoán chất lƣợng không khí. Ở khu vực Đông Á, REAS v1.1 (Kiểm kê phát thải khu vực phiên bản 1.1) và TRACE-P (Kiểm kê sự vận chuyển và phát triển các chất hóa học ở khu vực Thái Bình Dƣơng) hiện tại là 2 công cụ chính cho kiểm kê phát thải. Theo tác giả, REAS không thích hợp để sử dụng cho khu vực này vì chỉ tính đến tổng lƣợng phát thải từng năm mà không tính đến sự biến đổi theo thời gian cho từng nguồn loại riêng biệt. Bên cạnh đó, TRACE-P chú ý đến sự phụ thuộc theo mùa của các nguồn loại phát thải tuy vậy vẫn còn những thiếu sót về sự phân bố theo thời gian ở quy mô nhỏ (ngày, trong ngày). Từ đó, nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu với độ phân giải tốt hơn theo thời gian (mùa, ngày và trong ngày) và sự phân bố thẳng đứng đặc trƣng theo nguồn loại và các chất hóa học cho kiểm kê TRACE-P để đánh giá các hiệu ứng riêng lẻ và tổng hợp đến kết quả dự báo. Sau đó, WRF/Chem đƣợc chạy với 6 giả định độ nhạy cho tháng 07/2001 và so sánh kết quả với quan trắc NO2, SO2 và O3 để đánh giá sự phân bố tƣơng đối theo thời gian và không gian của phát thải do con ngƣời. Mô hình cũng cho dự báo sự biến đổi đồng thời các yếu tố khí tƣợng (gió, nhiệt độ, độ ẩm, giáng thủy, …), bình lƣu, đối lƣu và sự vận chuyển khuếch tán, bức xạ và tỉ lệ quang phân, phát thải nguồn gốc sinh vật, tái phân bố ẩm và khô, cũng nhƣ là các pha khí và hóa tính xon khí. Thành phần hóa học của WRF/Chem sử dụng sơ đồ quang phân Fast-J, tổng hợp các loại băng ngƣng, xon khí và mây để tính toán 24 phản ứng quang hóa. Tác giả lựa chọn miền tính 232 x 172 ô lƣới với độ phân giải ngang 30 km (lƣới Lambert) có tâm tại 35.18oN; 111oE. Mô hình có 28 mực thẳng đứng với đỉnh ở 50 hPa. Số liệu quan trắc từ Mạng lƣới theo dõi phân bố Axit ở Đông Á (EANET) và Trung tâm quản lý môi trƣờng quốc gia của Trung Quốc 15 (NEMCC) đƣợc sử dụng để so sánh, với chỉ số đánh giá nhƣ hệ số tƣơng quan, sai số trung bình, sai số trung bình tuyệt đối, dị thƣờng tuyệt đối. Trong đó, kiểm kê phát thải đƣợc chia thành 4 loại nguồn khác biệt: do con ngƣời, đốt sinh khối, nguồn gốc sinh vật và phát thải núi lửa. Vì lấy tổng theo tháng và theo cột thẳng đứng, tổng lƣợng phát thải cho từng loại là đồng nhất cho tất cả các giả định trong từng ô lƣới. Do vậy, kết quả khác biệt giữa các giả định là do sự tái phân bố theo chiều thẳng đứng và theo thời gian của phát thải. Kết quả của nghiên cứu cho thấy sự tập trung ô nhiễm ở bề mặt phụ thuộc lớn vào phát thải ở mực đầu tiên của mô hình. Ở mực này, sự tổng hợp của phát thải từng ngày, trong mỗi ngày và phân bố theo chiều thẳng đứng kết hợp phát thải trung bình thời gian trong ngày thấp hơn 41% với SO2 nhƣng cao hơn 11% với NOx. Mặt khác, phát thải trung bình ban đêm đều giảm, với 70% cho SO2 và 44% cho NOx. Sự tái phân bố thẳng đứng riêng lẻ làm giảm phát thải SO2 và NOx xuống 56% và 19% tƣơng ứng. Đối với các chất ô nhiễm cơ bản NO2 và SO2, sự tái cấu trúc theo chiều thẳng đứng và theo thời gian trong ngày đóng vai trò quan trọng, trong khi dao động quy mô tuần ít quan trọng hơn. Đặc biệt với O3, đặc tính theo không thời gian của mức độ tập trung ở bề mặt đƣợc mô phỏng sát thực ở khu vực Nhật Bản. Sự phát triển của mức độ tập trung cực đại 1h O3 hàng ngày ở Bắc Kinh cũng đƣợc mô phỏng tốt, với mức độ phát triển nhẹ vì bao gồm các phân bố phát thải mới. Cùng mối quan tâm đến sự biến đổi của nồng độ O3 trong không khí, Xuexi Tie ccs., (2009) [22] đã sử dụng mô hình WRF/Chem để mô phỏng cho giai đoạn 10 ngày từ 01/08 đến 10/08/2007. Quan trắc của cục khí tƣợng Thƣợng Hải đã phát hiện sự thay đổi khá nhanh của O3 trong khoảng thời gian này, tính vào thời gian buổi trƣa lƣợng O3 cực đại giảm từ 100 – 300 ppbv xuống còn 20 - 30ppbv. Mô hình đƣợc tác giả đặt chạy với độ phân giải 6 x 6 km, miền tính 600 x 600 km với tâm là Thƣợng Hải. Điều kiện biên hóa học đƣợc lấy từ Mô hình vận chuyển hóa học toàn cầu MOZART. Số liệu phát thải theo giờ của khu vực Thƣợng Hải với độ phân giải là 0,16o đƣợc đo đạc và phân tích với các chất O3, NOx, CO và xon khí. Mật độ O3 đƣợc đo tại 5 điểm chịu ảnh hƣởng của phát thải khí ô nhiễm khác nhau 16 nhƣ trung tâm thành phố, công viên lớn nhất của thành phố và ngoại ô thành phố. Kết quả cho thấy các tính toán sự thay đổi về lƣợng và dao động ngày của O 3 cho giá trị khá gần với quan trắc ở khu vực nội thành nhƣng bị thấp hơn thực tế ở các vùng nông thôn ven khu công nghiệp dầu mỏ. Qua đó có thể thấy rằng sự phát thải của các nhà máy dầu mỏ trong khu vực đã bị đánh giá thấp rõ rệt và cần phải cải thiện. Kết quả tính toán cho thấy rằng mô hình khá phù hợp để mô phỏng sự biến động lớn về mật độ của O3 và xon khí. Mật độ O3 khá cao trong giai đoạn đầu 0205/08/2007 (trung bình khoảng 80 ppbv) và giảm rõ rệt trong giai đoạn sau 0611/08/2007 (chỉ còn khoảng 30 ppbv). Sự suy giảm này xảy ra ở cả 5 điểm quan trắc cho thấy đây là hiện tƣợng có quy mô khu vực, không phải chỉ ở quy mô địa phƣơng. Một điểm đáng lƣu ý khác, phân tích mô hình cho thấy điều kiện thời tiết đóng vai trò khá quan trọng đối với O3 bề mặt ở khu vực Thƣợng Hải. Vào mùa hè, hệ thống áp cao cận nhiệt đới tồn tại trên khu vực biển Thái Bình Dƣơng, phía Đông Nam Thƣợng Hải. Trong những ngày đầu (02-05/08/2007), hệ thống áp cao chƣa phát triển mạnh nên gió bề mặt yếu, gió từ biển vào đất liền khá yếu vào ban ngày, làm cho lƣợng O3 tĩnh lại trong khu vực Thƣợng Hải (100 – 130 ppbv). Nhƣng đến giai đoạn từ 06-11/08/2007, áp cao mạnh lên, làm cho gió bề mặt cũng tăng lên. Lƣợng O3 tập trung trong nội thành nhanh chóng bị vận chuyển và lan truyền theo hƣớng gió, làm giảm đáng kể lƣợng O3 trong không khí. Nghiên cứu này đã cho thấy mô hình WRF/Chem là một công cụ hữu ích trong việc xem xét sự biến động lớn về mật độ của O3 ở Thƣợng Hải, làm tiền đề quan trọng cho việc dự báo mức độ tập trung O3 trong thành phố. Ở một nghiên cứu khác, Y. Zhang ccs., (2009) [26] đã so sánh kết quả mô phỏng bằng WRF/Chem cho thành phố Mexico với số liệu quan trắc tại bề mặt RAMA (thuộc dự án MCMA-2006/MILAGRO). WRF/Chem đƣợc cấu hình với độ phân giải ngang 3km để tính toán các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, gió và một số chất khí (CO, O3, NO, NO2 và NOy). Tác giả đã chỉ ra tƣơng quan khá tốt giữa mô hình và quan trắc với hệ số tƣơng quan cao (với nhiệt độ là 0,94 và với độ ẩm tƣơng đối là 0,82) và sai số trung bình thấp. Mặt khác, tác giả đánh giá kết quả theo hƣớng so 17 sánh khác biệt mô phỏng ngày và đêm, so sánh cho thấy mô hình có xu hƣớng mô phỏng thấp hơn quan trắc vào ban ngày (cả nhiệt độ và độ ẩm) và kết quả độ ẩm tƣơng đối bề mặt cao hơn quan trắc vào ban đêm. Theo tác giả, hệ số tƣơng quan của các yếu tố khí tƣợng và cả các chất hóa học có giá trị thấp hơn vào ban đêm là do dao động của các biến khí tƣợng và nồng độ các chất hóa học khá nhỏ. Kang ccs., (2011) [10] đã sử dụng WRF/Chem để tham số hóa thông lƣợng bụi thẳng đứng đánh giá với 3 sơ đồ phát thải bụi khác nhau (MB, LS và S04). Miền tính cho thí nghiệm bao gồm sa mạc Gobi và Mông Cổ với độ phân giải ngang 30 km, cập nhật điều kiện biên và ban đầu từ số liệu FNL (NCEP). Nghiên cứu đƣợc thực hiện cho hiện tƣợng bụi khắc nghiệt ở Châu Á xảy ra từ 30/03 đến 01/04/2007. Kết quả cho thấy sự phân tán của các thông lƣợng bụi thẳng đứng từ các tham số hóa khác nhau, mặc dù cùng điều kiện về dòng cát theo phƣơng ngang. Sơ đồ MB nhìn chung sản sinh ra lƣợng phát thải bụi cao hơn LS và S04 và sự khác biệt lớn nhất là đối với đất sét bởi vì MB có xét đến thành phần đất sét trong thông lƣợng bụi thẳng đứng, trong khi LS và S04 lại coi nó tỉ lệ nghịch với độ rắn của bề mặt. Kết quả mô phỏng tái tạo lại sự bùng nổ và chuyển biến hình thế của cột bụi khá tốt. Tuy nhiên, tổng lƣợng phát thải bụi định lƣợng trong mỗi sơ đồ lại khác biệt lớn, cụ thể là trong đất mùn. Tổng lƣợng bụi phát thải trung bình cho khu vực nguồn bụi chính trong hiện tƣợng bụi ở Châu Á trong 5 ngày liên tục là 84 Tg, 149 Tg và 532 Tg tƣơng ứng với LS, S04 và MB. Yegorova ccs., (2011) [27] đã mô phỏng giai đoạn từ 08/07 đến 11/07/2007 ở miền đông nƣớc Mỹ bằng mô hình WRF/Chem (với RADM2) và so sánh với quan trắc. Đây là giai đoạn xảy ra đợt nóng khắc nghiệt và hiện tƣợng khói mù với nhiệt độ cực đại lên đến 38oC, tỉ lệ ozone trung bình 8h tối đa lên đến 125 ppbv. Sự di chuyển của front lạnh đƣợc mô phỏng tốt trong mô hình tuy vậy, WRF/Chem dự báo thiên thấp lƣợng ozone tối đa (khoảng 5-8 ppbv) nơi chất lƣợng không khí thấp (phía đông bắc) và dự báo thiên dƣơng (lên đến 16 ppbv) nơi tổng lƣợng ozone thấp (phía đông nam). Profile thẳng đứng của O3 ở Beltsville, Maryland cho thấy sự tƣơng đồng của mô phỏng với quan trắc nhƣng lớp biên của mô hình quá dày vào 18 ngày 09/07 đã góp phần cho sai lệch nhỏ trên khu vực này. Tác giả chỉ ra rằng sự tồn tại của NOx trong RADM2 có thể dẫn đến định lƣợng thiên thấp của thời gian tồn tại NOx và dƣờng nhƣ cụ thể có tác động đến sai số O3 thấp ở những vùng ô nhiễm nhất phía đông bắc. Để mô phỏng tác động cực đại của sự mất đi ban đêm của NOy nhiều pha, tác giả để N2O5 phản ứng bằng không, làm tăng rõ rệt O3 và NOy trên hầu hết miền, đặc biệt là vùng khói mù nhƣ ngoại ô. Cũng với bƣớc đầu thử nghiệm ứng dụng WRF/Chem vào nghiên cứu tác động của xon khí lên hệ thống khí hậu, Paolo Tuccella ccs., (2012) [16] đã mô phỏng cho khu vực Châu Âu và so sánh với số liệu quan trắc trên bề mặt. Số liệu phát thải đƣợc lấy từ cơ sở dữ liệu EMEP. Tác giả đã nghiên cứu độ nhạy của hai sơ đồ bức xạ sóng ngắn Dudhia và Goddard trong giai đoạn tháng 06/2007 trên miền tính từ 15oW đến 27oE, độ phân giải ngang 30km và độ phân giải thẳng đứng 28 mực (lên tới gần 20km). Điều kiện ban đầu và điều kiện biên đƣợc lấy từ số liệu tái phân tích ECMWF, cập nhật 6h/1lần với độ phân giải 0.5o. Tác giả đã đánh giá các kết quả về trƣờng khí tƣợng (nhiệt độ giờ, tốc độ gió, hƣớng gió và độ ẩm tƣơng đối) và số liệu hóa học (O3 theo giờ và trung bình ngày của NO2, PM10, PM2.5). Mô hình mô phỏng tốt trƣờng khí tƣợng, đặc biệt với sơ đồ Goddard. Cả hai thí nghiệm đều cho hệ số tƣơng quan nhiệt độ là 0,86 và cho độ lệch thiên âm. Thí nghiệm sử dụng sơ đồ Goddard cho sai số quân phƣơng RMSE nhỏ hơn (khoảng 3oC). Dự báo tốc độ gió lớn hơn so với quan trắc (khoảng xấp xỉ 50%). Hệ số tƣơng quan cao nhất là 0.55 (sơ đồ Goddard) và RMSE lớn nhất là 2.17 m/s (sơ đồ Dudhia). Dự báo độ ẩm tƣơng đối cho giá trị độ lệch dƣơng. Đối với biến hóa học, khác biệt giữa hai sơ đồ là không đáng kể. Hệ số tƣơng quan và sai số quân phƣơng của nồng độ O3 ngày tối đa là 0,81 và 23 μg/m3. Mô hình cho mô phỏng NO2 cao hơn so với quan trắc với hệ số tƣơng quan là 0,47. Hệ số tƣơng quan của các loại bụi tổng số giữa mô hình và quan trắc là khá thấp, tuy nhiên mô hình nắm bắt đƣợc những khu vực có nồng độ PM2.5 cao (RMSE=7 μg/m3). Việc mô phỏng PM10 khá phức tạp vì bị ảnh hƣởng bởi các nguồn thải bụi địa phƣơng mạnh trên các khu vực khô. 19 1.2 Các nghiên cứu trong nước Mục trƣớc đã chỉ ra vai trò của việc nghiên cứu ảnh hƣởng của các thành phần hóa học đến hệ thống khí hậu, cũng nhƣ sự phát triển ứng dụng của việc mô hình hóa các quá trình hóa học. Trong đó, đặc biệt là sự kết hợp mô phỏng các trƣờng khí tƣợng với các biến hóa học trong loại mô hình “đồng thời”. Các nghiên cứu trên thế giới đã đƣợc chỉ ra, chú ý xoay quanh ứng dụng của mô hình WRF/Chem, một công cụ hiệu quả hiện nay. Trong mục này, những nghiên cứu trong nƣớc sẽ đƣợc đề cập đến. Lê Hoàng Nghiêm ccs., (2009) [3] đã ứng dụng hệ thống mô hình CMAQ MM5 để mô hình hóa chất lƣợng không khí (nồng độ ozone mặt đất) cho khu vực lục địa Đông Nam Á (bao gồm Thái Lan, Miến Điện, Campuchia, Lào và Việt Nam). Miền tính đƣợc tác giả lựa chọn từ 91oE đến 111oE và từ 5oN đến 25oN. Hai trƣờng hợp ô nhiễm ozone nồng độ cao từ 24/03 đến 26/03/2004 và từ 02/01 đến 05/01/2005 với điều kiện khí tƣợng điển hình của khu vực Đông Nam Á đƣợc lựa chọn để mô hình hóa. Tác giả lựa chọn 2 trƣờng hợp này dựa trên phân tích số liệu quan trắc chất lƣợng không khí từ 10 trạm ở Băng Cốc và 4 trạm ở Hồ Chí Minh. Nồng độ ozone trung bình giờ ở các trạm quan trắc của 2 giai đoạn này vƣợt quá giá trị cho phép 100 ppb (so với tiêu chuẩn chất lƣợng không khí xung quanh của Thái Lan và Việt Nam). Nồng độ ozone mặt đất lớn nhất cho trƣờng hợp tháng 03/2004 là 173 ppb và cho tháng 01/2005 là 157 ppb. Số liệu phát thải với độ phân giải 0.5o x 0.5o từ Trung Tâm Nghiên Cứu Môi Trƣờng Vùng và Toàn Cầu (CGRER) của Đại Học Iowa đƣợc sử dụng để cập nhật vào mô hình. Kết quả mô phỏng dƣới dạng bản đồ ô nhiễm ozone mặt đất cho thấy nồng độ ozone cao tại các khu vực dƣới hƣớng gió của các thành phố lớn nhƣ Băng Cốc và thành phố Hồ Chí Minh. Trong trƣờng hợp tháng 03/2004, vệt khói khuếch tán ozone di chuyển theo hƣớng Đông Bắc do ảnh hƣởng của gió mùa Tây Nam và chiều rộng của vệt khói với nồng độ ozone lớn hơn 100 ppb là 70 km (khu vực Băng Cốc). Đối với thành phố Hồ Chí Minh vệt khói khuếch tán ozone di chuyển theo hƣớng Bắc và chiều rộng của vệt khói với nồng độ ozone lớn hơn 50 ppb là 40 km. Trong trƣờng hợp tháng 01/2005, 20