Tài liệu Thử nghiệm kết hợp mô hình toàn cầu cam và khu vực regcm vào mô phỏng các trường khí hậu khu vực việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Đăng Mậu Thử nghiệm kết hợp mô hình khí hậu toàn cầu CAM và khu vực RegCM mô phỏng các trường khí hậu khu vực Việt Nam Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 60 44 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUANG ĐỨC Hà Nội - 2012  ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Nguyễn Đăng Mậu Thử nghiệm kết hợp mô hình khí hậu toàn cầu CAM và khu vực RegCM mô phỏng các trường khí hậu khu vực Việt Nam Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 60 44 87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN QUANG ĐỨC Hà Nội - 2012  LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến TS. Trần Quang Đức, người đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất để tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức quý báu, những lời khuyên chân thành và niềm say mê nghiên cứu khoa học trong quá trình học tập. Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học, phòng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất và tổ chức những hoạt động học tập một cách tận tình. Cuối cùng, luận văn này không thể thực hiện được nếu thiếu nguồn giúp đỡ và động viên vô cùng to lớn từ gia đình, bạn bè và các bạn đồng nghiệp, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành vì những góp ý hữu ích trong chuyên môn cũng như những chia sẻ trong cuộc sống. Tác giả Nguyễn Đăng Mậu i    MỤC LỤC DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................. iii DANH MỤC HÌNH VẼ ....................................................................................... iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ................................................................ viii MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ...................................... 2 1.1. Mô hình hóa khí hậu....................................................................................... 5 1.1.1. Mô hình khí hậu toàn cầu......................................................................... 5 1.1.2. Mô hình khí hậu khu vực ......................................................................... 7 1.2. Các nghiên cứu trên thế giới ........................................................................ 10 1.3. Các nghiên cứu ở trong nước có liên quan .................................................. 14 CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 23 2.1. Tiếp cận nghiên cứu ..................................................................................... 23 2.2. Mô hình CAM 3.0 ........................................................................................ 24 2.3. Mô hình RegCM........................................................................................... 29 2.4. Thiết kế các thí nghiệm ................................................................................ 31 2.5. Nguồn số liệu sử dụng .................................................................................. 34 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ......................................................... 39 3.1. Mô phỏng khí hậu bằng mô hình CAM 3.0 ................................................. 39 3.1.1. Đánh giá kết quả mô phỏng trường gió và độ cao địa thế vị ................. 39 3.1.2. Đánh giá kết quả mô phỏng khí áp mực nước biển ............................... 43 3.1.3. Kết quả mô phỏng nhiệt độ không khí bề mặt ....................................... 44 3.2. Đánh giá kết quả mô phỏng khí hậu bằng mô hình RegCM3...................... 45 3.2.1. Đánh giá kết quả mô phỏng trường gió và độ cao địa thế vị ................. 45 3.2.2. Đánh giá kết quả mô phỏng nhiệt độ ..................................................... 50 3.2.3. Đánh giá kết quả mô phỏng lượng mưa ................................................. 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................. 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 77 PHỤ LỤC ............................................................................................................ 80   ii    DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Mô tả khối số liệu đầu vào mô hình CAM 3.0 ................................... 27 Bảng 2.2. Điều kiện ban đầu của mô hình CAM 3.0.......................................... 27 Bảng 2.3. Mô tả khối mô hình CAM 3.0 ............................................................ 28 Bảng 2.4. Sản phẩm đầu ra mô hình CAM 3.0 ................................................... 28 Bảng 2.5. Danh mục các trạm quan trắc số liệu được lựa chọn ......................... 38 Bảng 3.1. Sai số trung bình (ME) nhiệt độ mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 và M2 với số liệu quan trắc ........................................................ 55 Bảng 3.2. Hệ số tương quan giữa nhiệt độ mô phỏng và số liệu quan trắc trong các thời kỳ ........................................................................................................... 58 Bảng 3.3. Sai số mô phỏng nhiệt độ trung bình thời kỳ El Nino và La Nina trong các thí nghiệm ..................................................................................................... 62 Bảng 3.4. Sai số trung bình mô phỏng lượng mưa (mm) trong các thí nghiệm . 66 Bảng 3.5. Hệ số tương quan giữa lượng mưa mô phỏng trong các thí nghiệm với số liệu quan trắc trong các thời kỳ ...................................................................... 70 Bảng 3.6. Sai số trung bình (ME) lượng mưa (mm) mô phỏng trong các thí nghiệm thời kỳ El Nino và La Nina .................................................................... 73 iii    DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Sơ đồ mô tả tác động của khí hậu đối với các ngành kinh tế xã hội .... 2 Hình 1.2. Sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa người sử dụng với các thông tin khí hậu ......................................................................................................................... 2 Hình 1.3. Sơ đồ mô tả mô hình hóa hệ thống khí hậu .......................................... 4 Hình 1.4. Mô tả lưới ba chiều của GCM .............................................................. 6 Hình 1.5. Minh họa sơ đồ lồng ghép RCM vào GCM ......................................... 8 Hình 1.6. Sơ đồ mô tả lồng ghép hai chiều mô hình khu vực REMO vào mô hình toàn cầu ECHAM4 trong nghiên cứu của Philip Lorenz ............................ 10 Hình 1.7. Minh họa miền tính mô hình MM4 trong nghiên cứu của Dickinson năm 1989 [17] ..................................................................................................... 11 Hình 1.8. Minh họa miền tính mô hình MM4 trong nghiên cứu của Giorgi 1990 [18] ...................................................................................................................... 11 Hình 1.9. Minh họa miền tính mô hình RegCM1 và kết quả đánh giá mô phỏng trong nghiên cứu của Giorgi và Marinucci năm 1991 [19]................................. 11 Hình 1.10. Minh họa miền tính và độ cao địa hình trong nghiên cứu của Rosmeri Forfírio Da Rocha năm 2006 [29] ........................................................ 12 Hình 1.11. Minh họa so sánh kết quả mô phỏng lượng mưa mùa hè năm 1999 với số liệu thực trong nghiên cứu của Noah S. Diffenbaugh năm 2006 [23] ..... 12 Hình 1.12. Minh họa phương pháp tiếp cận nghiên cứu của Deng Weitao trong nghiên cứu dự báo mưa mùa hè trên lãnh thổ Trung Quốc bằng hệ thống mô hình CAM 3.0 kết hợp với RegCM3 [25, 26] ..................................................... 13 Hình 1.13. Minh họa các kết quả đánh giá trong nghiên cứu của Deng Weitao [25, 26] ................................................................................................................ 14 Hình 1.14. Minh họa kết quả thử nghiệm mô phỏng đường dòng và lượng mưa trong nghiên cứu của Kiều Thị Xin năm 2000 [15] ............................................ 15 Hình 1.15. Minh họa nghiên cứu lựa chọn miền tính cho mô hình RegCM3 trong công trình nghiên cứu của Lương Mạnh Thắng [12] ................................ 18 Hình 1.16. Minh họa kết quả thử nghiệm mô phỏng khí áp mực nước biển trong nghiên cứu của Trần Quang Đức [2] ................................................................... 20 Hình 1.17. Minh họa kết quả đánh giá mô hình trong nghiên cứu của Phan Văn Tân năm 2009-2010 [11] ..................................................................................... 21 Hình 2.1. Quy trình thực hiện nghiên cứu .......................................................... 24 iv    Hình 2.2. Minh họa mô hình CAM 3.0 trong hệ thống mô hình CCSM3 [30].. 26 Hình 2.3. Sơ đồ khối cấu trúc mô hình CAM 3.0 .............................................. 26 Hình 2.4. Hệ tọa độ thẳng đứng Lai trong CAM 3.0 ......................................... 29 Hình 2.5. Hệ tọa độ thẳng đứng của mô hình RegCM ....................................... 31 Hình 2.6. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb .......................... 31 Hình 2.7. Diễn biến chuẩn sai nhiệt độ mặt nước biển SSTA tại khu vực Nino 3.4 (Nguồn: CPC/NOAA) ................................................................................... 32 Hình 2.8. Miền tính mô hình RegCM_CAM trong các thí nghiệm M1 và M2 . 33 Hình 2.9. Bản đồ phân bố vị trí trạm quan trắc được lựa chọn .......................... 38 Hình 3.1. Độ cao địa thế vị và trường gió tháng 1 thời kỳ 1997-1999 mực 850mb mô phỏng bằng mô hình CAM (a) và NNRP2 (b) .................................. 40 Hình 3.2. Độ cao địa thế vị và trường gió tháng 7 thời kỳ 1997-1999 mực 850mb mô phỏng bằng mô hình CAM (a) và NNRP2 (b) .................................. 40 Hình 3.3. Chênh lệch độ cao địa thế vị mực 850 giữa mô phỏng bằng CAM 3.0 và NNRP2: a- tháng 1, b-tháng 7 ........................................................................ 41 Hình 3.4. Chênh lệch gió vĩ hướng (a) và kinh hướng (b) tháng 1 mực 850mb mô phỏng bằng CAM 3.0 giữa với số liệu NNRP2 ............................................ 42 Hình 3.5. Chênh lệch gió vĩ hướng (a) và kinh hướng (b) tháng 7 mực 850mb mô phỏng bằng CAM 3.0 giữa với số liệu NNRP2 ............................................ 42 Hình 3.6. Phân bố khí áp mực nước biển (mb) trung bình các tháng mùa đông mô phỏng bằng CAM 3.0 (a), số liệu NNRP2 (b) và độ lệch giữa mô phỏng bằng CAM 3.0 với NNRP2 (c)............................................................................ 43 Hình 3.7. Phân bố khí áp mực nước biển (mb) trung bình các tháng mùa hè mô phỏng bằng CAM 3.0 (a), số liệu NNRP2 (b) và độ lệch giữa mô phỏng bằng CAM 3.0 với NNRP2 (c) .................................................................................... 44 Hình 3.8. Nhiệt độ không khí bề mặt (oC) trung bình các tháng 3, 4, 5 thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng mô hình CAM 3.0 (a) và số liệu NNRP2 (b) .......... 44 Hình 3.9. Nhiệt độ không khí bề mặt (oC) trung bình các tháng 6, 7, 8 thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng mô hình CAM 3.0 (a) và số liệu NNRP2 (b) .......... 44 Hình 3.10. Nhiệt độ không khí bề mặt (oC) trung bình các 9, 10, 11 thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng mô hình CAM 3.0 (a) và số liệu NNRP2 (b) .......... 45 Hình 3.11. Nhiệt độ không khí bề mặt (oC) trung bình các 12, 1, 2 thời kỳ 19971999 mô phỏng bằng mô hình CAM 3.0 (a) và số liệu NNRP2 (b) ................... 45 Hình 3.12. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 1 mực 850mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 46 v    Hình 3.13. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 7 mực 850mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 47 Hình 3.14. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 1 mực 500mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 47 Hình 3.15. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 7 mực 500mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 48 Hình 3.16. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 1 mực 500mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 48 Hình 3.17. Trường gió và độ cao địa thế vị trung bình tháng 7 mực 500mb thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a), thí nghiệm M2 (b) và NNRP2 (c) ............................................................................. 48 Hình 3.18. Profile thẳng đứng độ cao địa thế vị trung bình tháng 1 (a), 4 (b), 7 (c) và 10 (d) (mgh) thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM ............ 49 Hình 3.19. Profile thẳng đứng trung bình gió vĩ hướng (u) (m/s) tháng 1 (a), 4 (b), 7 (c) và 10 (d) thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM.............. 49 Hình 3.20. Profile thẳng đứng trung bình gió kinh hướng (v) (m/s) tháng 1 (a), 4 (b), 7 (c) và 10 (d) thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM.............. 49 Hình 3.21. Nhiệt độ trung bình (oC) tháng 6 (trên), 7 (giữa), 8 (dưới) thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a1, a2, a3), M2 (b1, b2, b3) và CRU (c1, c2, c3) ......................................................................... 51 Hình 3.22. Nhiệt độ trung bình (oC) tháng 12 (trên), 1 (giữa), 2 (dưới) thời kỳ 1997-1999 mô phỏng bằng RegCM_CAM trong thí nghiệm M1 (a1, a2, a3), M2 (b1, b2, b3) và CRU (c1, c2, c3) ......................................................................... 52 Hình 3.23. Profile nhiệt độ độ trung bình (oC) các tháng 3/4/5 (a), 6/7/8 (b), 9/10/11 (c) và 12/1/2 (d) thời kỳ 1997-1999 ....................................................... 53 Hình 3.24. Sai số trung bình nhiệt độ trung bình mô phỏng bằng RegCM_CAM với số liệu quan trắc: mùa xuân (a), hạ (b), thu (c), đông (d) ............................. 54 Hình 3.26. Đồ thị tụ điểm đánh giá sai số mô phỏng nhiệt độ (oC) trên khu vực Tây Bắc (TB), Đông Bắc Bộ (DBB), Đồng Bằng Bắc Bộ (DBBB), Bắc Trung Bộ (BTB), Nam Trung Bộ (NTB), Tây Nguyên (TN) và Nam Bộ (NB) trong hai thí nghiệm M1 và M2 .................................................................................... 56 Hình 3.25. Biến trình nhiệt độ trung bình (oC) mô phỏng bằng RegCM_CAM (M1, M2) và quan trắc (Ob) trong năm thời kỳ 1997-1999 ................................ 57 vi    Hình 3.27. Chênh lệch nhiệt độ trung bình mùa đông (oC) phân bố từ 8oN tới 24oN trung bình cho dải kinh độ 102oE đến 110oE trong thí nghiệm M1 so với thí nghiệm M2 ..................................................................................................... 59 Hình 3.28. Chênh lệch nhiệt độ trung bình mùa hè (oC) phân bố từ 8oN tới 24oN trung bình cho dải kinh độ 102oE đến 110oE trong thí nghiệm M1 so với thí nghiệm M2 .......................................................................................................... 60 Hình 3.29. Chênh lệch nhiệt độ (oC) trung bình mùa đông thời kỳ El Nino (12/1997-2/1998) so với mùa đông thời kỳ La Nina (12/1998-2/1999) trong thí nghiệm M1, M2 và quan trắc (Ob)...................................................................... 61 Hình 3.30. Đồ thị tụ điểm đánh giá sai số mô phỏng nhiệt độ (oC) mùa đông thời kỳ El Nino (trái) và La Nina (phải) trong các thí nghiệm M1 và M2 ................. 62 Hình 3.30. Lượng mưa (mm) tháng 6 (1), 7 (2), 8 (3) trung bình thời kỳ 19971999 mô phỏng bằng mô hình RegCM_CAM (M1, M2) và CRU ..................... 64 Hình 3.31. Lượng mưa (mm) tháng 12 (1), 1 (2), 2 (3) trung bình thời kỳ 19971999 mô phỏng bằng mô hình RegCM_CAM (M1, M2) và CRU ..................... 65 Hình 3.32. Sai số trung bình mô phỏng mưa mùa trong hai thí nghiệm so với số liệu quan trắc, các mùa: mùa xuân (a), hè (b), thu (c) và mùa đông (d) ............. 67 Hình 3.33. Đồ thị tụ điểm đánh giá sai số mô phỏng lượng mưa (mm) trên khu vực TB, DBB, DBBB, BTB, NTB, TN. NB trong hai thí nghiệm M1 và M2 .. 68 Hình 3.35. Biến trình lượng mưa (mm) tháng trong năm mô phỏng bằng RegCM_CAM (M1, M2) và quan trắc (Ob) ....................................................... 69 Hình 3.36. Chênh lệch lượng mưa các tháng mùa đông (mm) phân bố từ 8oN tới 24oN trung bình cho dải kinh độ 102oE đến 110oE trong thí nghiệm M1 so với thí nghiệm M2 ..................................................................................................... 71 Hình 3.37. Chênh lệch lượng mưa các tháng mùa hè (mm) phân bố từ 8oN tới 24oN trung bình cho dải kinh độ 102oE đến 110oE trong thí nghiệm M1 so với thí nghiệm M2 ..................................................................................................... 72 Hình 3.38. Chênh lệch lượng mưa (mm) trung bình các tháng 12/1998-2/1999 (La Nina) so với các tháng 12/1997-2/1998 (El Nino) ....................................... 73 Hình 3.39. Đồ thị tụ điểm đánh giá sai số mô phỏng lượng mưa (mm) các tháng mùa đông trong thời kỳ El Nino (trái) và La Nina (phải) trong các thí nghiệm M1 và M2 ............................................................................................................ 74 vii    DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT   AGCM BTB CLM CAM CCM CCSM CSIM5 DBB DBBB ECHAM4 ECMWF ENSO EOF ERA40 GCM MM4 MM5 M1 M2 NB NCAR NCEP nnk NOAA NTB OGCM POP RCM RegCM RegCM3 RegCM_CAM SOM SST TB TN Mô hình hoàn lưu chung khí quyển Bắc Trung Bộ Mô hình đất cộng đồng Mô hình khí quyển cộng đồng Mô hình khí hậu cộng đồng Mô hình hệ thống khí hậu cộng đồng Mô hình băng biển cộng đồng Đông Bắc Bộ Đồng Bằng Bắc Bộ Mô hình khí hậu toàn cầu của Viện Max Planck, Đức Trung tâm Dự báo Thời tiết hạn vừa châu Âu Dao động Nam về El Niño/La Nina Hàm trực giao tự nhiên Số liệu tái phân tích 40 năm của ECMWF Mô hình khí hậu toàn cầu Mô hình Khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 4 Mô hình Khí tượng động lực quy mô vừa thế hệ thứ 5 Thí nghiệm thứ nhất Thí nghiệm thứ hai Nam Bộ Trung tâm Quốc gia về Nghiên cứu Khí quyển (Hoa Kỳ) Trung tâm Quốc gia Dự báo Môi trường (Hoa Kỳ) Những người khác Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương (Hoa Kỳ) Nam Trung Bộ Mô hình hoàn lưu chung đại dương Mô hình đại dương song song Mô hình khí hậu khu vực Mô hình khí hậu khu vực của NCAR Mô hình khí hậu khu vực của NCAR phiên bản 3 Mô hình RegCM3 được chạy với đầu vào là sản phẩm của mô hình CAM 3.0 Mô hình đại dương lớp mỏng Nhiệt độ mặt nước biển Tây Bắc Tây Nguyên viii    MỞ ĐẦU Mô phỏng khí hậu bằng mô hình khí hậu toàn cầu (GCM) không đủ chi tiết cho khu vực nhỏ. Do vậy mô hình khí hậu khu vực (RCM) là giải pháp được đưa ra để mô phỏng khí hậu chi tiết cho khu vực nhỏ. Ở Việt Nam, mô hình khí hậu khu vực RegCM đã được sử dụng để mô phỏng khí hậu với điều kiện biên và điều kiện ban đầu chủ yếu được cung cấp bởi Trung tâm Vật lý Lý thuyết Quốc tế (ICTP), các bộ số liệu này là số liệu tái phân tích hoặc kết quả mô hình toàn cầu trong quá khứ. Do vậy không thể sử dụng nếu muốn đưa RegCM vào nghiệp vụ dự báo khí hậu. Trước thức tế đó, ý tưởng nghiên cứu chạy mô hình RegCM với số liệu đầu vào là sản phẩm của mô hình CAM đã được thực hiện bởi Phan Văn Tân và nnk (2009). Luận văn trình bày các kết quả thử nghiệm mô phỏng khí hậu bằng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 (REGional Climate Model) với lựa chọn số liệu đầu vào là sản phẩm của mô hình khí quyển cộng đồng CAM 3.0 (Community Atmosphere Model) của Trung tâm Quốc gia Mỹ về Nghiên cứu Khí quyển (NCAR - The National Center for Atmospheric Research). Hệ thống mô hình lồng ghép RegCM3 với CAM 3.0 được viết tắt là RegCM_CAM. Trong đó, CAM 3.0 là AGCM thuộc mô hình hệ thống khí hậu cộng đồng CCSM (Community Climate System Model). Trong nghiên cứu này, CAM 3.0 được chạy để thực hiện các mô phỏng khí hậu thời kỳ 12/1996-12/1999 (1997-1998 là thời kỳ El Nino hoạt động mạnh nhất kể từ khi có quan trắc; 1998-1999 là thời kỳ La Nina hoạt động mạnh, kéo dài và gây ra nhiều thiên tai nghiêm trọng ở nước ta (Đặc điểm khí tượng Thủy văn năm 1997, 1998, 1999)), trong đó 12/1996 là thời gian khởi động mô hình (spin-up). Sản phẩm mô phỏng khí hậu bằng mô hình CAM 3.0 được sử dụng làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình khí hậu khu vực RegCM3. Nội dung chính của luận văn được trình bày trong 3 chương: Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chương 3: Kết quả và nhận xét 1   CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Thông tin khí hậu (bao gồm thông tin khí hậu đã qua và dự báo khí hậu) đóng một vai trò quan trọng đối với các ngành kinh tế - xã hội và công tác phòng tránh thiên tai. Đặc biệt trong bối cảnh biến đổi khí hậu như ngày nay, những biến đổi về thời tiết và khí hậu đã gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến các ngành kinh tế - xã hội như nông nghiệp, tài nguyên nước, đa dạng sinh học, sức khỏe con người, … (Hình 1.1). Do vậy, thông tin khí hậu có độ tin cậy và chi tiết cao sẽ giúp người sử dụng bao gồm các nhà hoạch định chính sách, nhà quản lý và sản xuất, … đưa ra được các giải pháp và kế hoạch sản xuất hợp lý. Thực tế cho thấy, nhu cầu sử dụng các sản phẩm khí hậu có mức độ tin cậy và chi tiết cao đang là một vấn đề cấp bách. Sản phẩm khí hậu ở đây bao gồm thông tin khí hậu đã qua, dự báo, dự tính khí hậu và các khuyến cáo sử dụng (Hình 1.2). Từ đó, bài toán đặt ra là không ngừng nghiên cứu nhằm có được các sản phẩm khí hậu với độ phân giải và tin cậy cao để người sử dụng có thể căn cứ vào đó đưa ra các giải pháp, kế hoạch sản xuất, … và phòng tránh thiên tai hiệu quả. Nhiệt độ,  lượng mưa,  ….  Dự báo khí  hậu  Ảnh hưởng tới  Sức khỏe Nông nghiệp Lâm nghiệp Tài nguyên  Ven biển Đa dạng sinh học Người sử  dụng  Số liệu quan  trắc  Hình 1.1. Sơ đồ mô tả tác động của khí hậu đối với các ngành kinh tế xã hội Khuyến cáo,  đánh giá, ..  Hình 1.2. Sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa người sử dụng với các thông tin khí hậu Để giải quyết các bài toán khí hậu, thông thường có thể ứng dụng mô hình số trị, phương pháp thống kê hoặc có thể kết hợp cả hai phương pháp này để đưa ra sản phẩm khí hậu phù hợp nhất. Trong đó, phương pháp số trị hay còn gọi là 2   mô hình hóa khí hậu (sử dụng các mô hình động lực) là sử dụng các phương trình toán học để biểu diễn các quá trình vật lý, hóa học, sinh học … trong hệ thống khí hậu theo các quy mô khác nhau. Hình 1.3 minh họa các quá trình diễn ra trong khí quyển được mô tả trong mô hình số trị. Như vậy, để biểu diễn được các quá trình này diễn ra trong khí quyển, mô hình số trị phải chứa đầy đủ các chương trình tính toán phức tạp và đòi hỏi máy tính có cấu hình cao. Ưu điểm của các mô hình số trị là đưa ra các sản phẩm có tính khách quan và có thể ở độ phân giải cao. Ngoài ra, sản phẩm của mô hình số trị rất phong phú và có thể sử dụng làm đầu vào cho các mô hình ứng dụng trong các lĩnh vực khác. Đối với cách tiếp cận theo phương pháp thống kê là sử dụng các mối quan hệ thống kê trong quá khứ để dự báo tương lai. Với đặc trưng riêng của mình, hướng tiếp cận theo phương pháp thống kê phải dựa vào số liệu lịch sử, và do đó gặp khó khăn là nguyên nhân hình thành khí hậu tương lai chưa chắc đã là do khí hậu quá khứ hay hiện tại tạo thành. Ngoài ra, cũng có thể kết hợp phương pháp mô hình số trị với thống kê nhằm hiệu chỉnh và đưa ra các sản phẩm tốt hơn thông qua các kỹ thuật chi tiết hóa. Như đã phân tích ở trên, các mô hình số trị có thể đưa ra sản phẩm khí hậu đối với nhiều yếu tố mang tính khách quan hơn và có thể mô tả được các đặc trưng dị thường ở độ phân giải cao. Do vậy, có thể thấy hướng tiếp cận theo phương pháp mô hình số trị được cho là có triển vọng hơn nếu khí hậu hiện tại chịu ảnh hưởng bởi các điều kiện, tác động mới chưa có hoặc khác biệt trong chuỗi số liệu lịch sử. Trên thế giới, các sản phẩm khí hậu đã được cung cấp ở nhiều nước như ở Hoa Kỳ, Nhật Bản, Vương quốc Anh, Úc, … Các sản phẩm khí hậu ở các nước này thường là kết quả của các mô hình toàn cầu đầy đủ (GCM) hoặc là sản phẩm của mô hình khí hậu khu vực (RCM). Tuy nhiên, việc chạy các GCM đòi hỏi cần phải có hệ thống máy tính phức tạp và có cấu hình đủ mạnh. Do vậy, các GCM thường được chạy ở độ phân giải ngang khá thô (khoảng một vài độ kinh vĩ) nên mô hình không thể nắm bắt được các hiện tượng ở quy mô nhỏ. Do đó, các sản phẩm của các GCM thường được dùng làm đầu vào cho RCM độ phân giải cao để tiếp tục chi tiết hóa thông tin cho khu vực. Cho đến nay, hướng tiếp cận chạy các RCM với đầu vào là sản phẩm của GCM đang phát triển mạnh và được sử dụng phổ biến. Đã có nhiều mô hình như RSM (Regional Spectral 3   Model), RegCM (REGional Climate Model), PRECIS (Providing REgional Climates for Impacts Studies), MRI-RCM … được công bố và sử dụng phổ biến. Hình 1.3. Sơ đồ mô tả mô hình hóa hệ thống khí hậu Mặc dù đã có nhiều cơ quan trên thế giới chạy các GCM, song vì nhiều lý do khác nhau mà các sản phẩm này không được cung cấp miễn phí hoặc nếu có thì đã qua xử lý và không thể sử dụng làm đầu vào cho các RCM. Một trong những RCM được cải tiến mạnh mẽ trong thời gian gần đây là RegCM (REGional Climate Model). RegCM có thể được chạy để thực hiện các mô phỏng, dự báo và dự tính khí hậu trong tương lai theo các kịch bản biến đổi khí hậu. Ngày nay, RegCM được biết đến là một mô hình khí hậu khu vực tiên tiến và được ứng dụng rộng rãi trên thế giới. Tuy nhiên, hiện nay nguồn số liệu đầu vào cho RegCM khá hạn chế, thông thường người dùng chỉ sử dụng từ nguồn số liệu được cung cấp bởi Trung tâm Vật lý Lý thuyết Quốc tế (ICTP) tại website http://users.ictp.it/RegCNET/globedat.html#nnrp1. Ở nước ta, các nghiên cứu ứng dụng mô hình RegCM đã được tiến hành từ khoảng hơn chục năm về trước. Các nghiên cứu đã khẳng định khả năng ứng 4   dụng mô hình cho các mục đích mô phỏng và dự báo khí hậu. Tuy nhiên, hầu hết các nghiên cứu này được thực hiện trên các bộ số liệu đầu vào do ICTP cung cấp. Gần đây, mới có một số nghiên cứu ứng dụng sản phẩn của mô hình CFS (NCEP) làm điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho mô hình khu vực nhằm mục đích thử nghiệm dự báo khí hậu. Song song với các nghiên cứu về mô hình RegCM, mô hình khí quyển cộng đồng CAM 3.0 (Community Atmosphere Model) cũng được ứng dụng trong các nghiên cứu của Trần Quang Đức, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên. Các nghiên cứu cũng đã cho thấy khả năng làm chủ mô hình và ứng dụng ở Việt Nam nhằm tạo điều kiện biên và ban đầu cho các mô hình khí hậu khu vực. Nghiên cứu của Phan văn Tân và nnk (2009) cũng đã thử nghiệm thành công mô phỏng khí hậu mùa hè 6-8/1999 bằng mô hình RegCM3 với điều kiện biên và điều kiện ban đầu là sản phẩm của mô hình CAM 3.0. Luận văn tiến hành nghiên cứu thử nghiệm mô phỏng khí hậu thời kỳ 1997-1999 bằng mô hình RegCM3 với điều kiện biên và điều kiện ban đầu là sản phẩm của mô hình CAM 3.0. Nghiên cứu được thực hiện thông qua các thử nghiệm miền tính khác nhau cho mô hình RegCM3 nhằm ứng đánh giá khả năng ứng dụng hai mô hình ở Việt Nam. 1.1. Mô hình hóa khí hậu 1.1.1. Mô hình khí hậu toàn cầu Mô hình khí hậu toàn cầu hoặc mô hình hoàn lưu chung toàn cầu đều được viết tắt là “GCM”. GCM là mô hình toán học mô tả các quá trình vật lý trong khí quyển, đại dương, băng biển và bề mặt đất, dựa trên hệ phương trình NavierStokes trên một quả cầu quay với nhiệt động lực học chính là bức xạ và nhiệt ẩm. Các phương trình này là cơ sở cho các chương trình máy tính phức tạp để thực hiện các mô phỏng không khí hoặc đại dương. Về cơ bản, các mô hình hoàn lưu chung được chia làm hai loại: Mô hình hoàn lưu chung khí quyển (AGCM) và mô hình hoàn lưu chung đại dương (OGCM). Cho đến nay, xu hướng tích hợp các mô hình hoàn lưu này thành một mô hình khí hậu chung đang phát triển mạnh mẽ. Cụ thể là với bộ phận chính là mô hình AGCM, các phần còn lại của hệ thống khí hậu (đại dương, băng biển, các quá trình trao đổi thông lượng bề mặt, chuyển hóa hóa học và tương tác đại dương-khí quyển) sẽ 5   được ghép nối vào AGCM dựa theo các giả thiết thích hợp (Sun và Hansen, 2003). Ngày nay, với các mô hình GCM hiện đại có thể thực hiện các mô phỏng, dự báo và dự tính các quá trình diễn ra trong khí quyển, đại dương cũng như các quá trình tại bề mặt đất. Các GCM mô tả khí hậu bằng cách sử dụng lưới ba chiều trên toàn cầu (Hình 1.4), thường được chạy với độ phân giải khá thô khoảng vài độ kinh vĩ, 10 đến 20 lớp thẳng đứng trong khí quyển và 30 lớp trong đại dương. Do đó, khả năng nắm bắt các hiện tượng thời tiết khí hậu quy mô nhỏ hơn quy mô synop là không thể, nhất là đối với các khu vực có địa hình phức tạp, tại đó những thay đổi ở quy mô dưới lưới mô hình toàn cầu (Sub-GCM) như địa hình, thảm thực vật, bề mặt đất và đường bờ biển đóng một vai trò rất quan trọng ảnh hưởng đến khí hậu. Ngoài ra, với độ phân giải thô, các mô hình GCM thường không mô phỏng được các hiện tượng thời tiết cực đoan như xoáy thuận nhiệt đới, mưa lớn, nếu nắm bắt được thì tính chính xác là không cao. Như vậy, các mô hình hoàn lưu chung hoàn toàn có thể đáp ứng được các nghiên cứu khí hậu quy mô toàn cầu nhưng chưa thỏa mãn được các nghiên cứu khí hậu trên quy mô khu vực.   Hình 1.4. Mô tả lưới ba chiều của GCM Năm 1956, Norman Phillips đã xây dựng và phát triển một mô hình toán học đầu tiên cho phép tính toán mô phỏng hoàn lưu chung hàng tháng và mùa các quá trình diễn ra trong tầng đối lưu, đây được coi là một mô hình khí hậu 6   toàn cầu (GCM) đầu tiên trên thế giới. Đến cuối những năm 1960, mô hình toàn cầu lồng ghép khí quyển và đại dương đầu tiên được xây dựng bởi phòng thí nghiệm động lực học chất lỏng Ðịa Vật lý Hoa Kỳ (GFDL/NOAA). Vào đầu những năm 1980, Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia (National Center for Atmospheric Research – NCAR, Hoa Kỳ) đã phát triển mô hình khí quyển cộng đồng và mô hình này đã được cải tiến liên tục vào những năm 2000. Năm 1996, đã có nhiều nỗ lực nhằm đưa ra các kết quả mô phỏng và dự báo thực tế hơn, bằng việc cải tiến trường khởi tạo, mô hình đất và thảm thực vật. Trong các mô hình GCM, một thành phần rất quan trọng đó là sóng trọng trường (gravity waves) đã bị lãng quên cho tới tận giữa những năm 1980. Và ngày nay, trong các GCM hiện đại, thành phần sóng trọng trường phải được tính đến, mặc dù nó làm cho mô hình trở nên phức tạp hơn rất nhiều. Xu thế mô hình hóa khí hậu toàn cầu trong những năm gần đây là lồng ghép vào GCM đầy đủ các thành phần của hệ thống trái đất, ví dụ như lồng ghép các mô hình băng (Greenland và Nam Cực), một hoặc nhiều mô hình chuyển hóa hóa chất (CTM - chemical transport model). Điều này cho phép các GCM có thể mô phỏng được những thay đổi về nồng độ khí Đioxit Cacbon và các khí nhà kính khác trong khí quyển. Ngoài ra, với việc lồng ghép đầy đủ các thành phần của hệ thống trái đất vào GCM cho phép mô hình thể hiện được những phản hồi khí hậu do thay đổi các thành phần này gây ra. 1.1.2. Mô hình khí hậu khu vực Về mặt lý thuyết, các GCM được coi là công cụ thích hợp nhất để thực hiện các mô phỏng, dự báo và dự tính khí hậu. Tuy nhiên, theo như phân tích ở trên, các GCM rất khó nắm bắt được các hiện tượng khí hậu ở quy mô nhỏ. Trước thực tế đó, một giải pháp được đưa ra, đó là sử dụng các mô hình khu vực (RCM) độ phân giải cao lồng ghép (nesting) vào GCM để thực hiện chi tiết hóa thông tin từ GCM về khu vực nghiên cứu. Dựa trên ý tưởng này, đã có một loạt các mô hình khu vực tiên tiến được phát triển như: RegCM, PRECIS, RSM, MM5, CCAM, REMO, WRF,... Phương pháp lồng ghép một mô hình khu vực với mô hình toàn cầu được thực hiện với điều kiện tiên quyết là RCM phải được điều khiển ở biên xung quanh bởi GCM. Một yêu cầu đối với trường điều khiển ở quy mô lớn đối với 7   RCM là phải bao phủ toàn miền (Kida và nnk, 1991;. Cocke và LaRow, 2000; Storch và nnk, 2000.). Để làm được điều này có 2 phương pháp lồng ghép được thực hiện: lồng ghép 2 chiều (two way nesting - TWN) và lồng ghép một chiều (one way nesting). Sơ đồ Hình 1.5 minh họa cho quá trình lồng ghép RCM vào GCM để thực hiện hạ thấp quy mô từ lưới toàn cầu về khu vực. Một cách đơn giản có thể hiểu kỹ thuật này như sau: Đầu tiên GCM được chạy với độ phân giải thô trên lưới toàn cầu, sau đó sản phẩm mô hình này sẽ được làm đầu vào cho RCM để thực hiện mô phỏng và dự báo khí hậu ở độ phân giải cao hơn. Hình 1.5. Minh họa sơ đồ lồng ghép RCM vào GCM Kỹ thuật lồng ghép một mô hình RCM vào GCM có nguồn gốc từ phương pháp dự báo thời tiết số trị, việc sử dụng các RCM cho ứng dụng mô phỏng khí hậu được khởi xướng bởi Dickinson và nnk (1989), Giorgi (1990). Cơ sở của ý tưởng này là sử dụng kỹ thuật lồng ghép một chiều (one way nesting), các quá trình vật lý quy mô lớn được mô phỏng và dự báo bởi mô hình hoàn lưu chung toàn cầu (GCM) và các trường khí tượng của GCM là điều kiện ban đầu, điều kiện biên của mô hình khí hậu khu vực (RCM). Thông tin trong quá trình mô phỏng RCM không được phản hồi đến GCM. Ngày nay, các RCM được ứng dụng rộng rãi trong các mô phỏng, dự báo và dự tính khí hậu (Hostetler et al, 1994, 2000). Các RCM có thể được chạy với độ phân giải ngang có thế đến 10km hoặc nhỏ hơn. Ngoài ra, nhiều kết quả nghiên cứu gần đây cho thấy RCM cho kết quả mô phỏng khá tốt khí hậu khu vực trong nhiều năm. Trong những 8   năm gần đây, các RCM liên tục được cải tiến, phát triển và bổ sung nhiều sơ đồ thành phần nhằm cải tiến chất lượng mô hình. Tuy nhiên, kỹ thuật lồng ghép này cũng tồn tại những hạn chế, đó là sai số mô phỏng RCM phụ thuộc vào chất lượng trường toàn cầu của GCM và thiếu sự tương tác hai chiều giữa kết quả mô hình RCM và GCM. Ngoài ra, thực tế cho thấy, đối với một ứng dụng mô hình RCM nhất định chất lượng mô phỏng phù thuộc khá nhiều vào các lựa chọn tham số hóa vật lý, độ phân giải và miền tính, phương pháp đồng hóa số liệu, phương pháp xử lý vùng đệm (Giorgi và Mearns, 1991, 1999; Ji và Vernekar 1997). Bên cạnh kỹ thuật lồng ghép một chiều, chúng ta còn biết đến kỹ thuật lồng ghép hai chiều (two way nesting) một RCM vào GCM. Theo Philip Lorenz và Daniela Jacob (2005, 2008), hệ thống mô hình lồng ghép hai chiều bao gồm GCM và RCM được chạy đồng thời song song với nhau trong cùng một hệ thống (Hình 1.6). Chúng ta có thể lồng ghép đồng thời một hoặc nhiều miền tính khu vực vào trong miền tính toàn cầu. GCM cung cấp điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho RCM, sau đó RCM sẽ thực hiện các tính toán và gửi dòng phản hồi (feedback) lại GCM quá trình này cứ tiếp diễn cho đến khi hoàn thành tính toán. Theo các tác giả nêu trên, chất lượng mô phỏng khí hậu của GCM được cải tiến đáng kể khi chạy lồng ghép hai chiều với một RCM mà không cần tăng độ phân giải ngang. Điều kiện tiên quyết khi lồng ghép RCM vào GCM đó là RCM phải được điều khiển ở biên xung quanh bởi GCM. Có thể hiểu đơn giản hai kỹ thuật này như sau: Đối với lồng ghép một chiều, các mô hình được chạy hoàn toàn riêng biệt với nhau, RCM chỉ sử dụng sản phẩm của GCM sau khi đã chạy xong. Với lồng ghép hai chiều, khi đó RCM và GCM sẽ được thiết kế chạy song song với nhau trên cùng một hệ thống và các tính toán giữa hai mô hình được phản hồi lại cho nhau. Do vậy, khi thực hiện lồng ghép hai chiều, chất lượng mô phỏng và dự báo khí hậu của GCM sẽ bị thay đổi. Tuy nhiên, đối với lồng ghép một chiều thì không xảy ra điều này. 9   Hình 1.6. Sơ đồ mô tả lồng ghép hai chiều mô hình khu vực REMO vào mô hình toàn cầu ECHAM4 trong nghiên cứu của Philip Lorenz 1.2. Các nghiên cứu trên thế giới Năm 1989, trong nghiên cứu của Dickinson “Mô hình hóa khí hậu khu vực cho miền Tây nước Mỹ” đã sử dụng phương pháp tiếp cận bằng mô hình số trị để mô phỏng khí hậu khu vực, bằng việc sử dụng mô hình MM4 lồng ghép một chiều với mô hình toàn cầu CCM1. Miền tính cho mô hình MM4 trong nghiên cứu được minh họa trên Hình 1.7. Trong nghiên cứu này, CCM1 được chạy với độ phân giải ngang 500x500km để cung cấp đầu vào cho mô hình MM4 ở độ phân giải 60x60km. Khi sử dụng mô hình MM4 lồng ghép một chiều với mô hình CCM1 cho kết quả cải thiện hơn nhiều đối với mô phỏng mưa, nhiệt và bão so với khi chỉ sử dụng mô hình CCM1 (Chỉ duy nhất kết quả mô phỏng lượng mưa tháng 1 là sai lệch nhiều so với thực tế) [17]. Năm 1990, trong nghiên cứu “Mô phỏng khí hậu khu vực bằng mô hình khí hậu khu vực hạn chế (LAM) lồng ghép với mô hình chung toàn cầu (GCM)” của Giorgi (1990), GCM được sử dụng để mô phỏng các trường khí tượng quy mô lớn và sau đó LAM sẽ mô phỏng ảnh hưởng của khu vực đến các biến khí tượng ở quy mô khu vực, các cưỡng bức quy mô dưới lưới mô hình toàn cầu để mô phỏng khí hậu tháng 1 của nước Mỹ. GCM/CCM1 được chạy với các bộ số liệu 4.5X7.5o (T15) và 2.89X2.89 (T42) để cung cấp điều kiện biên cho mô hình MM4 (Hình 1.8) [18]. 10