Xem mẫu

  1. Nghiên cứu ẢNH HƯỞNG CỦA BỀ MẶT ĐẾN CHU TRÌNH NGÀY NHIỆT ĐỘ MÔ PHỎNG CỦA MÔ HÌNH WRF Trần Đình Linh; Chu Thị Thu Hường Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội Tóm tắt Với mục tiêu xem xét ảnh hưởng của số liệu bề mặt đến chu trình ngày của nhiệt độ mô phỏng, nghiên cứu đã thiết lập chạy mô hình WRF cho khu vực thành phố Hồ Chí Minh và lân cận trong 09 đợt với cùng lựa chọn về các tham số vật lý và sơ đồ tham số hóa nhưng khác nhau về số liệu sử dụng đất. Kết quả cho thấy, sự thay đổi điều kiện bề mặt làm thay đổi kết quả mô phỏng của mô hình. Mức độ khác nhau của điều kiện bề mặt được phản ánh ở hai nguồn số liệu đất quyết định mức độ khác nhau của kết quả mô phỏng. Nghiên cứu cũng cho thấy, độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ thuộc vào mức nhiệt độ thực tế trên khu vực nghiên cứu và thời gian trong ngày. Ngoài ra, sự biến đổi của cán cân bức xạ và thông nhiệt nhiệt từ bề mặt khi điều kiện sử dụng đất thay đổi là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự thay đổi của kết quả mô hình. Từ khóa: Ảnh hưởng của bề mặt, chu trình ngày của nhiệt độ, mô hình WRF, WRF_USGS, WRF_MODIS Abstract Effect of Land-use Data on Daily Temperature Cycle Simulated from WRF Model To examine effects of land-use data on the daily temperature cycle simulated from numerical model, study has used the WRF model for Ho Chi Minh city and nearby areas. Total of 09 simulations with the same physical options and parametric functions using different land-use data have been run. The results show that the surface conditions have effects on the simulation results of model. Differences of surface conditions reflected on two surface resources data determine the differencesof simulation results. The study also shows that the accuracy of simulation results depends on the actual temperature in the study area and the day time. In addition, the variation of radiation balance and heat flux from surface is one of the reasons leading to the change of model results. Keywords: Effect of land-use, daily temperature cycle, WRF_USGS, WRF_MODIS. 1. Mở đầu nhiệt qua lại với khí quyển cũng như sự Bề mặt Trái Đất là một thành phần tương tác giữa địa hình với hoàn lưu khí có vai trò quan trọng trong sự hình thành quyển cũng thay đổi tùy thuộc vào loại bề thời tiết và khí hậu.Các loại bề mặt khác mặt. Sự biến đổi của bề mặt đất, đặc biệt nhau có độ phản xạ, độ phát xạ khác nhau, là độ ẩm đất và độ ghồ ghề của bề mặt có từ đó cán cân bức xạ và cân bằng năng ảnh hưởng lớn đến điều kiện khí hậu của lượng tại bề mặt cũng khác nhau. Hơn một khu vực nhất định [6]. nữa, mỗi loại bề mặt cũng có đặc trưng Đối với mô phỏng hay dự báo thời nhiệt, độ ghồ ghề riêng. Do đó, sự trao đổi tiết (khí hậu) bằng mô hình số trị, việc 57 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  2. Nghiên cứu lựa chọn nguồn số liệu bề mặt cũng ảnh độ cao hơn vùng ngoại ô, hình thành hưởng rất lớn đến kết quả của mô hình. nên hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Sự dịch Nhiều nghiên cứu chỉ ra rằng kết quả mô chuyển của các vùng nhiệt cao (thấp) phỏng mô hình số phụ thuộc nhiều vào giữa ngày và đêm phụ thuộc vào mức độ nguồn số liệu bề mặt được sử dụng. Kết tập trung dân cư và loại bề mặt, mức độ quả mô phỏng mưa, kể cả cường độ và phủ thực vật và khả năng trao đổi nhiệt phân bố không gian của lượng mưa thay giữa bề mặt và khí quyển [7]. đổi đáng kể khi điều kiện bề mặt thay Ở Việt Nam, những nghiên cứu về đổi [8]. Các khu vực nhiệt độ cao (hay ảnh hưởng của bề mặt đến đặc điểm thời thấp), lượng mưa lớn (hay nhỏ) theo kết tiết, khí hậu nói chung và ảnh hưởng quả của mô hình phụ thuộc vào điều kiện bề mặt trong mỗi nguồn số liệu đất, đến kết quả mô hình số nói riêng chủ độ chính xác của kết quả mô phỏng phụ yếu mới xem xét đến khía cạnh phân thuộc vào sự sai lệch của nguồn số liệu bố không gian của kết quả mô phỏng đất được sử dụng so với điều kiện thực [1, 2, 3, 4]. Chính vì vậy, trong nghiên tế [5]. Sự thay đổi của điều kiện bề mặt cứu này, tác giả sẽ tập trung xem xét sự do quá trình đô thị hóa cũng làm thay thay đổi đặc điểm chu trình ngày của đổi điều kiện thời tiết của các khu vực, nhiệt độ mô phỏng từ mô hình trên các đặc biệt là chế độ nhiệt. Các vùng lõi đô khu vực có điều kiện bề mặt khác nhau thị, do tập trung dân cư cao và tỉ lệ bề (hoặc giống nhau) từ hai nguồn số liệu mặt bị bê tông hóa lớn thường có nhiệt đất USGS và MODIS. : Đất đô thị và xây dựng : Cây bụi; : Xa van : Đất nông nghiệp khô cằn : Đồng cỏ; : Cây xanh : Đất nông nghiệp : Rừng; : Bề mặt nước : Đất nông nghiệp/thực vật tự nhiên Hình 1: Bản đồ điều kiện sử dụng đất MODIS (trái) và USGS (phải) 2. Số liệu và phương pháp Số liệu quan trắc của ba trạm trong khu nghiên cứu vực nghiên cứu gồm Tân Sơn Nhất, Vũng Tàu và Biên Hòa được sử dụng 2.1. Số liệu để xem xét, lựa chọn các đợt mô phỏng Số liệu được sử dụng trong nghiên và đánh giá kết quả mô phỏng của mô cứu gồm số liệu quan trắc, số tái phân hình. Số liệu NCEP-FNL được dùng làm tích NCEP-FNL và số liệu bề mặt đất. điều kiện biên và điều kiện ban đầu cho 58 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  3. Nghiên cứu việc thiết lập chạy mô hình. Số liệu đất liệu đất khác nhau như đã nêu. được sử dụng là số liệu vệ tinh của cơ Ảnh hưởng của bề mặt đến kết quả quan khảo sát địa chất Hoa Kỳ USGS mô phỏng của mô hình được đánh giá (USGS - U.S. Geological Survey) và bằng cách xem xét chu trình ngày nhiệt vệ tinh MODIS của hải quân Hoa Kỳ độ mô phỏng của miền tính trong cùng (MODIS - Moderate Resolution Imaging khi sử dụng nguồn số liệu đất khác nhau Spectroradiometer). Cả hai nguồn số liệu trên 04 khu vực, gồm: này được cung cấp cho người dùng đi - Khu vực U-1: Khu vực đất đô thị kèm mô hình WRF. Hai nguồn số liệu theo số liệu MODIS; này có sự thể hiện khác nhau về điều kiện bề mặt trên khu vực nghiên cứu, trong - Khu vực U-2: Khu vực đất đô thị đó số liệu đất MODIS phản ánh gần với theo số liệu USGS; thực tế hơn so với số liệu USGS (hình 1). - Khu vực W: Khu vực diện tích bề 2.2. Phương pháp nghiên cứu mặt nước theo số liệu MODIS; Mô hình WRF phiên bản 3.6.1 - Khu vực C: Khu vực đất trồng trọt được sử dụng và thiết lập chạy cho trên theo cả hai nguồn số liệu đất. khu vực Tp. Hồ Chí Minh và lân cận. Nghiên cứu cũng tiến hành so sánh Mô hình được thiết lập chạy với 04 miền chu trình ngày của nhiệt độ mô phỏng tính lồng nhau với độ phân giải lần lượt với chu trình ngày tại 03 trạm trên khu là 27km, 9km, 3km và 1km (hình 2). Có vực nghiên cứu. Cả ba trạm này (Tân tất cả 09 đợt được chạy mô phỏng, trong Sơn Nhất, Vũng Tàu và Biên Hòa) đều đó có 03 đợt trên khu vực có mức nhiệt nằm trong khu vực có loại bề mặt khác cao, 03 đợt có mức nhiệt trung bình và nhau từ hai nguồn. Vùng đất đô thị - xây 03 đợt có mức nhiệt thấp. Với mỗi đợt, dựng theo số liệu MODIS và vùng đất mô hình được chạy với hai tùy chọn số nông nghiệp theo số liệu USGS. Hình 2: Miền tính mô hình 3. Kết quả và thảo luận vực trong 03 đợt đại diện gồm đợt có 3.1. Chu trình ngày của nhiệt độ mức nhiệt thấp (từ 26 đến 28/01/2010), mô phỏng trung bình các khu vực đợt có mức nhiệt trung bình và đợt có Sự biến đổi theo thời gian của nhiệt mức nhiệt cao (01 đến 03/4/2010 và 17 độ mô phỏng trung bình trên các khu đến 20/5/2010) được thể hiện ở hình 3. 59 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  4. Nghiên cứu Hình 3: Biến đổi theo thời gian của nhiệt độ mô phỏng trung bình các khu vực (Urban (Nonurban): Đất đô thị (không đô thị); Cropland: Đất nông nghiệp; Mixedland: Đất hỗn hợp) Kết quả cho thấy sự thay đổi đáng 30C (ngày 27, 28, 29/01/2010). kể trong tương quan nhiệt độ mô phỏng Khu vực U-2 (hàng trên, bên phải) của mô hình khi loại bề mặt thay đổi. Ở thì có tương quan ngược lại, nhiệt độ mô khu vực mà hai nguồn số liệu sử dụng phỏng của WRF_USGS lại cao hơn so đất khác nhau thì kết quả mô phỏng với WRF_MODIS.Tuy nhiên chênh lệch khác nhau đáng kể, còn ở khu vực mà giữa hai mô phỏng không lớn như ở khu số liệu đất khá đồng nhất thì kết quả là vực U-1. Đến khu vực bề mặt nước trong khá tương đồng. Cụ thể, ở khu vực đô thị theo số liệu MODIS(khu vực W: hàng theo số liệu MODIS (khu vực U-1: hàng dưới, bên trái) thì chênh lệch giữa hai trên, bên trái) nhiệt độ mô phỏng của mô phỏng là rất lớn. Đây là khu vực mà sản phẩm WRF_MODIS cao hơn so với hai nguồn số liệu sử dụng đất thể hiện sự của sản phẩm WRF_USGS. Cả những tương phản của bề mặt lớn, theo số liệu ngày có mức nhiệt thấp, những ngày có MODIS thì khu vực này là vùng diện tích mức nhiệt vừa và những ngày mức nhiệt bề mặt nước còn theo số liệu USGS thì cao thì ở tất cả các bước đầu ra mô hình đây là khu vực đất trồng trọt. Vào ban (01h, 07h, 13h và 19h) sản phẩm WRF_ ngày (lúc 13h), mô phỏng WRF_USGS MODIS đều cho thấy nhiệt độ cao hơn ở khu vực này cao hơn WRF_MODIS WRF_USGS. Chênh lệch giữa hai mô từ 3 đến 40C, có ngày đến 50C. Ngược phỏng nhỏ vào ban ngày và chập tối (13h lại, vào lúc nửa đêm và sáng sớm (01h và 19h) và lớn hơn vào lúc giữa đêm hoặc và 07h) thì mô phỏng của WRF_MODIS sáng sớm (01h và 07h). Vào lúc 01h hoặc lại cao hơn từ 1 đến 20C. Cuối cùng đến 07h thì chênh lệch giữa hai mô phỏng là khu vực mà hai nguồn số liệu thể hiện gần 10C, có thời điểm có thể lên tới 2 đến gần giống nhau về số liệu đất (khu vực 60 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  5. Nghiên cứu C: hàng dưới, bên phải) thì hai mô phỏng phỏng WRF_USGS là gần với quan trắc cho thấy kết quả gần tương đương nhau hơn. Vào các mốc thời gian khác (19h, trong tất cả các bước thời gian. 01h và 07h) thì mô phỏng lại thấp hơn thực tế quan trắc.Ở các mốc thời gian này, 3.2. So sánh nhiệt độ tại các trạm mô phỏng WRF_MODIS lại phù hợp với quan trắc thực tế hơn.Tại trạm Vũng Tàu, trong cả Trong những ngày có mức nhiệt bốn mốc thời gian, cả hai mô phỏng đều thấp (hình 4), tại trạm Biên Hòa và trạm cho kết quả thấp hơn quan trắc khá lớn, Tân Sơn Nhất, vào lúc 13h thì cả hai mô trong đó mô phỏng WRF_MODIS có sai phỏng thường cao hơn thực tế, và mô số nhỏ hơn so với WRF_USGS. Hình 4: So sánh nhiệt độ mô phỏng và quan trắc tại các trạm trong các ngày có mức nhiệt thấp Tương tự, trong những ngày có Như vậy, tại trạm Biên Hòa và mức nhiệt vừa phải (hình 5), tại cả ba trạm Tân Sơn Nhất mô phỏng WRF_ trạm đều có đặc điểm tương tự như MODIS tốt hơn so với WRF_USGS trong những ngày có mức nhiệt thấp. tại các mốc thời gian 19h, 01h và 07h Trong những ngày có nhiệt độ cao đối với cả ba trường hợp. Còn tại thời (hình 6), tại trạm Biên Hòa và trạm Tân Sơn Nhất, ta thấy cả hai mô phỏng đều điểm 13h, mô phỏng WRF_USGS thấp hơn quan trắc trong cả bốn obs quan gần với quan trắc hơn trong các ngày trắc (sự thống nhất về thời gian quan sát có nhiệt độ thấp và nhiệt độ vừa phải, trên toàn thế giới, hay chuyên ngành gọi ngược lại lệch với quan trắc nhiều hơn là obs quan trắc), trong đó mô phỏng của trong những ngày có nhiệt độ cao. Tại WRF_MODIS gần với quan trắc hơn so với mô phỏng của WRF_USGS.Còn trạm Vũng Tàu, cả hai mô phỏng đều tại trạm Vũng Tàu thì cũng có quan hệ thấp hơn quan trắc, trong đó mô phỏng tương tự như trong hai trường hợp đã xét. WRF_MODIS là tốt hơn. 61 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  6. Nghiên cứu Hình 5: So sánh nhiệt độ mô phỏng và quan trắc tại các trạm trong các ngày có mức nhiệt vừa phải Hình 6: So sánh nhiệt độ mô phỏng và quan trắc tại các trạm trong các ngày có mức nhiệt cao 62 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  7. Nghiên cứu 3.3. Chu trình ngày của cán cân 300 W/m2 trở lên, có ngày đạt gần 400 bức xạ các dòng thông lượng nhiệt từ W/m2. Còn đối với mô phỏng WRF_ bề mặt USGS, giá trị chênh lệch này không Để giải thích sự khác nhau trong đến 100 W/m2, có ngày hai giá trị gần kết quả mô phỏng WRF_MODIS và tương đương nhau, thậm chí LH còn lớn hơn.Ở khu vực đô thị U-2 (hình 8), WRF_USGS, nghiên cứu xem xét sự mối tương quan ngược lại. biến đổi của cán cân bức xạ và các dòng thông lượng nhiệt từ bề mặt, những yếu Hình 9 cho thấy cán cân bức xạ tố có ảnh hưởng trực tiếp đến nhiệt độ. trên khu vực bề mặt nước của mô phỏng WRF_MODIS cao hơn so với WRF_ Trên khu vực đô thị U-1 được thể USGS. Với SH thì mô phỏng WRF_ hiện trên hình 7, là khu vực mà nhiệt độ USGS lại cao hơn hẳn, còn với LH thì mô mô phỏng của WRF_MODIS luôn cao phỏng WRF_MODIS lại cho thấy giá trị hơn WRF_USGS ở các mốc thời gian. cao hơn nhưng lại có sự biến đổi rất phức Kết quả về sự biến đổi ở trên hình 3.19 tạp. Trên khu vực đất trồng trọt (hình 10) cũng cho thấy cán cân bức xạ và thông cho thấy cả cán cân bức xạ, SH và LH lượng hiển nhiệt (SH) lúc 13h theo mô đều có giá trị gần tương đương nhau giữa phỏng WRF_MODIS cũng luôn cao hai mô phỏng ở tất cả các mốc thời gian. hơn so với WRF_USGS. Về thông Chỉ ở mốc thời gian 13h, với cán cân bức lượng ẩn nhiệt (LH), mô phỏng WRF_ xạ và SH thì mô phỏng WRF_MODIS có USGS cho thấy LH lớn hơn nhiều so nhỉnh hơn một ít. Kết quả này góp phần với WRF_MODIS. Chênh lệch giữa giải thích tại sao nhiệt độ mô phỏng của SH và LH của WRF_MODIS lớn, giá hai sản phẩm ở khu vực này cũng bằng trị này ở mốc thời gian 13h thường từ hoặc xấp xỉ nhau. Hình 7: Sự biến đổi theo thời gian của cán cân bức xạ (Net Radiation) và thông lượng nhiệt (Heat Flux) từ bề mặt trung bình ở khu vực đô thị U-1 63 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  8. Nghiên cứu Hình 8: Tương tự hình 7 nhưng ở khu vực đô thị U-2 Hình 9: Tương tự hình 7 nhưng ở khu vực bề mặt nước W 64 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  9. Nghiên cứu Hình 10: Tương tự hình 7 nhưng ở khu vực đất trồng trọt C Như vậy, sự biến đổi theo thời gian là sự khác nhau về đặc điểm bề mặt và của cán cân bức xạ và các dòng thông độ ẩm đất, dẫn đến sự khác nhau của độ lượng nhiệt, đặc biệt đối với cán cân bức phản chiếu, của độ phát xạ, rồi của cán xạ và SH có sự phù hợp với sự biến đổi cân bức xạ, SH và LH. của nhiệt độ, chênh lệch của cán cân bức 4. Kết luận xạ và SH giữa hai mô phỏng trên các khu vực cũng rất phù hợp với chênh lệch Nghiên cứu đã thiết lập chạy mô nhiệt độ. Từ đây chúng ta có thể kết luận hình WRF mô phỏng nhiệt độ trên khu rằng chính sự thay đổi của cán cân bức vực thành phố Hồ Chí Minh trong 09 xạ và SH là nguyên nhân chính dẫn đến đợt với cùng điều kiện về các tùy chọn sự thay đổi của nhiệt độ mô phỏng. Cụ vật lý và sơ đồ tham số hóa nhưng khác thể, trên những khu vực có cán cân bức nhau về số liệu sử dụng đất. Với mỗi xạ và SH của mô phỏng WRF_MODIS trường hợp, mô hình được chạy với hai lớn hơn so với WRF_USGS thì ở khu lựa chọn số liệu đất khác nhau là số liệu vực đó nhiệt độ mô phỏng của WRF_ đất USGS và số liệu đất MODIS. Kết MODIS là lớn hơn. Và ngược lại, khu quả cho thấy, sự thay đổi điều kiện bề vực có cán cân bức xạ và SH của mô mặt làm thay đổi kết quả mô hình. Qua phỏng WRF_MODIS nhỏ hơn thì ở khu phân tích các kết quả thu được, nghiên vực đó nhiệt độ mô phỏng của WRF_ cứu đi đến một số kết luận sau: MODIS là nhỏ hơn. Còn ở những khu - Kết quả mô phỏng của mô hình vực mà hai mô phỏng cho kết quả tương phụ thuộc vào điều kiện bề mặt được đương nhau về cán cân bức xạ và SH phản ảnh trong mỗi nguồn số liệu đất thì nhiệt độ mô phỏng cũng gần tương được sử dụng. Mức độ khác nhau của đương nhau. Nguyên nhân sâu xa chính điều kiện bề mặt giữa hai nguồn số 65 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
  10. Nghiên cứu liệu quyết định mức độ khác nhau giữa đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh”, Tạp chí hai mô phỏng WRF_USGS và WRF_ Phát triển Khoa học và Công nghệ, 11 (04- MODIS. 2008), tr. 79-92. - Độ chính xác của kết quả mô [4]. Lương Văn Việt (2010). “Mô phỏng phỏng phụ thuộc vào mức nhiệt độ sự thay đổi nhiệt độ thành phố Hồ Chí Minh thực tế trên khu vực nghiên cứu. Trong theo qui hoạch đô thị đến năm 2020”, Tạp chí những ngày có nhiệt độ cao, mô phỏng Phát triển Khoa học và Công nghệ, 13 (M1- WRF_MODIS tốt hơn mô phỏng của 2010), tr. 5-13. WRF_USGS ở cả bốn obs quan trắc [5]. Fang-Yi Cheng, Yu-Ching Hsu, trong ngày. Trong khi những ngày có and Pay-Liam Lin (2012). “Investigation mức nhiệt độ vừa phải và thấp, mô of the effects of different land use and land phỏng WRF_USGS cho thấy kết quả tốt cover patterms on mesoscale meteorological hơn ở obs 13h. simulations in the Taiwan area”, Journal of - Sự biến đổi của cán cân bức xạ applied Meteorology and Climatology, 52, và thông lượng nhiệt từ bề mặt là một pp. 570-587. trong những nguyên nhân dẫn đến sự [6]. Katherine Klink, Cort J. Willmott khác giữa hai mô phỏng WRF_USGS (1994). “Influence of soil moisture and và WRF_MODIS. surface roughness heterogeneity on modeled climate”, Climate Research, (1994) Vol. 4: TÀI LIỆU THAM KHẢO 105-118. [1]. Phan Văn Tân, Dư Đức Tiến [7]. Steve Kardinal Jusuf, Nyuk Hien (2005). “Ảnh hưởng của tính bất đồng nhất Wong, Emlyn Hagen, Roni Anggoro, bề mặt đệm đến các trường nhiệt độ và and Yan Hong (2007). “The influence lượng mưa mô phỏng bằng mô hình RegCM of land use on the urban heat island in trên khu vực Đông Dương và Việt Nam”, Singapore”, Habitat International, 32(2), Tạp chí khoa học, Đại học Quốc gia Hà pp. 232-242. Nội, T.XXI, số 4, tr. 57-68. [8]. W. Moufouma-Okia, and D. P. [2]. Phan Văn Tân (2005). “Đánh giá Rowell (2009). “Impact of soil moisture vai trò của địa hình và điều kiện mặt đệm initialisation and lateral boundary trong mô hình số mô phỏng và dự báo khí conditions on regional climate model hậu khu vực Việt Nam  -  Đông Dương”, simulations of the West African Monsoon”, Báo cáo tổng kết dề tài NCKH Đặc biệt cấp Climate Dynamic,DOI 10.1007/s00382- 009-0638-0. ĐHQG Hà Nội, mã số QG.04.13. [3]. Lương Văn Việt (2008). “Một số kết quả bước đầu về ứng dụng mô hình MM5 trong nghiên cứu hiệu ứng đảo nhiệt BBT nhận bài: Ngày 2/5/2017; Phản biện xong: Ngày 25/5/2017 66 Tạp chí Khoa học Tài nguyên và Môi trường - Số 16 - năm 2017
nguon tai.lieu . vn