Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình wrf-Chem vào khu vực Việt Nam

 Bài toán mô hình hóa các thành phần hóa học kết hợp với mô hình dự báo thời tiết hiện nay đang là một hướng nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đặc biệt là việc ứng dụng các mô hình “đồng thời”, để nâng cao hiệu quả nhờ các quá trình tương tác của trường khí tượng và các nhân tố hóa học.  Lần đầu tiên mô hình WRF/Chem được ứng dụng cho khu vực Việt Nam với miền tính có độ phân giải 30 km. Thời gian mô phỏng từ 01 đến 05/01/2006 với 4 tùy chọn hóa học khác nhau được chia thành 2 thí nghiệm.  Kết quả mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa khi có thêm các tùy chọn hóa học (WRF_C300, WRF_C301 và WRF_C011) có sự khác biệt so với khi mô phỏng với WRF thông thường (WRF_NOCHEM). Tuy vậy sự khác biệt không có hệ thống nên cần có thêm các nghiên cứu sâu hơn.

pdf79 trang | Chia sẻ: lylyngoc | Ngày: 27/12/2013 | Lượt xem: 1840 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem nội dung tài liệu Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình wrf-Chem vào khu vực Việt Nam, để tải tài liệu về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
Đơng Nam Á được lựa chọn để mơ hình hĩa. Tác giả lựa chọn 2 trường hợp này dựa trên phân tích số liệu quan trắc chất lượng khơng 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 vượt quá giá trị cho phép 100 ppb (so với tiêu chuẩn chất lượng khơng khí xung quanh của Thái Lan và Việt Nam). Nồng độ ozone mặt đất lớn nhất cho trường 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 0.5 o từ Trung Tâm Nghiên Cứu Mơi Trường Vùng và Tồn Cầu (CGRER) của Đại Học Iowa được sử dụng để cập nhật vào mơ hình. Kết quả mơ phỏng dưới dạng bản đồ ơ nhiễm ozone mặt đất cho thấy nồng độ ozone cao tại các khu vực dưới hướng giĩ của các thành phố lớn như Băng Cốc và thành phố Hồ Chí Minh. Trong trường hợp tháng 03/2004, vệt khĩi khuếch tán ozone di chuyển theo hướng Đơng Bắc do ảnh hưởng của giĩ mùa Tây Nam và chiều rộng của vệt khĩi với nồng độ ozone lớn hơn 100 ppb là 70 km (khu vực Băng Cốc). Đối với thành phố Hồ Chí Minh vệt khĩi khuếch tán ozone di chuyển theo hướng Bắc và chiều rộng của vệt khĩi với nồng độ ozone lớn hơn 50 ppb là 40 km. Trong trường hợp tháng 01/2005, 22 vệt khĩi khuếch tán ozone di chuyển theo hướng Tây Nam do ảnh hưởng của giĩ mùa Đơng Bắc và chiều rộng của vệt khĩi với nồng độ ozone lớn hơn 100 ppb là 50 km cho khu vực Băng Cốc, trong khi đĩ đối với thành phố Hồ Chí Minh vệt khĩi khuếch tán với nồng độ ozone lớn hơn 50 ppb cĩ chiều rộng là 30 km. Tác giả cũng so sánh kết quả mơ phỏng với số liệu ozone đo đạc được tại các trạm quan trắc. Đánh giá cho thấy hệ thống mơ hình cĩ thể mơ phỏng các nồng độ ozone cực đại xảy ra trong các giai đoạn trên cũng như mơ phỏng được tiến trình dao động nồng độ ozone trong những ngày của giai đoạn lựa chọn. Các chỉ số thống kê đánh giá kết quả mơ hình như MNBE, NGE và UPA nằm trong giới hạn cho phép theo hướng dẫn của USEPA và phù hợp với các nghiên cứu khác cho các khu vực khác nhau trên thế giới. Năm 2009, Hồ Thị Minh Hà ccs., [2] đã sử dụng mơ hình RegCM3 để mơ phỏng ảnh hưởng của carbon đen (BC) lên khí hậu khu vực Ðơng Nam Á và Việt Nam. Các tác giả đã thực hiện mơ phỏng cho một năm (từ ngày 01/01/2000 đến 01/01/2001) với miền tích phân bao phủ khu vực Đơng Nam Á (15S-42N và 75E- 135E) cĩ độ phân giải ngang 54km. RegCM3 được chạy với hai thí nghiệm khơng và cĩ tính đến ảnh hưởng của BC. Khả năng truyền bức xạ trong khí quyển, nhiệt độ và lượng mưa mơ phỏng của RegCM3 được phân tích để thấy được tác động của BC lên các yếu tố khí hậu này. Tác giả chỉ ra sự cĩ mặt của BC làm tăng tác động của bức xạ tại đỉnh khí quyển nhưng làm giảm bức xạ tại bề mặt. Hệ quả là nhiệt độ bề mặt tại các khu vực cĩ nồng độ BC cao giảm đi. Kết quả cho thấy tác động của BC lên lượng mưa thể hiện ở hệ số tương quan (HSTQ) âm trên khu vực bán đảo Đơng Dương trong khi trên phía đơng của Ấn Độ và Trung quốc, HSTQ dương. Đây là các khu vực cĩ nồng độ BC cao hơn xung quanh. Khi phân tách ảnh hưởng của BC do đốt sinh khối và BC do hoạt động của con người thì thấy rằng BC do hoạt động con người cĩ xu thế làm ấm nhiệt độ bề mặt so với trường hợp chỉ cĩ BC sinh khối. Bên cạnh đĩ phải nĩi thêm, ở Việt Nam hướng nghiên cứu về các ảnh hưởng của xon khí mới chỉ thực sự bắt đầu năm 2003, khi chúng ta cĩ hai trạm quan trắc 23 xon khí đầu tiên trong mạng trạm AERONET của NASA, đặt tại Bạc Liêu và Bắc Giang. Nguyễn Xuân Anh ccs, (2008) [1] đã đánh giá những kết quả ban đầu thu được từ hoạt động của các trạm này. Như vậy, qua tổng quan các nghiên cứu trong và ngồi nước về bài tốn đánh giá tác động của các thành phần hĩa học (như xon khí) lên hệ thống khí hậu cĩ thể nhận thấy vai trị và nhu cầu cần thiết của hướng nghiên cứu này. Đồng thời, cũng dễ dàng nhận thấy xu thế của việc ứng dụng các mơ hình số trị vào việc mơ hình hĩa các quá trình hĩa học kết hợp với mơ phỏng các trường khí tượng. Trong đĩ nổi bật lên là ứng dụng của mơ hình WRF/Chem, một cơng cụ hiệu quả cho việc mơ phỏng và dự báo các thành phần hĩa học khí quyển. Đặc biệt hơn là việc ứng dụng thử nghiệm mơ hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam cịn rất mới mẻ, nếu khơng muốn nĩi là một bài tốn cịn nguyên sơ. Xuất phát từ thực tế đĩ, luận văn sẽ tiến hành thử nghiệm ứng dụng mơ hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam với những thí nghiệm ban đầu. Chương 2 của luận văn sẽ trình bày chi tiết về mơ hình WRF/Chem cũng như việc cấu hình các thí nghiệm ban đầu. Lưu ý là những điểm mới và đáng quan tâm khi khai thác và làm quen với WRF/Chem cũng được chỉ ra cụ thể trong chương này. 24 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Chương 1 đã trình bày các nghiên cứu trên thế giới và trong nước về bài tốn mơ hình hĩa các thành phần hĩa học kết hợp với mơ hình dự báo các trường khí tượng. Trong đĩ đặc biệt nhấn mạnh đến mơ hình WRF/Chem, một mơ hình cĩ khả năng dự báo và tính tốn các biến khí tượng quy mơ địa phương hay khu vực, đồng thời kết hợp với các mơ hình khuếch tán để tính tốn sự phát thải và vận chuyển của các thành phần hĩa học. Trong chương này, sơ lược về mơ hình WRF/Chem với những chú ý khi thử nghiệm sẽ được đề cập đến. Thiết kế của 2 thí nghiệm sẽ được trình bày chi tiết. 2.1 Sơ lược về mơ hình WRF/Chem 2.1.1 Mơ hình WRF Mơ hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF (Weather Research and Forecast) là mơ hình được phát triển từ những đặc tính ưu việt nhất của mơ hình MM5 với sự cộng tác của nhiều cơ quan tổ chức lớn trên thế giới như Phịng nghiên cứu Khí tượng qui mơ vừa và nhỏ của Trung tâm quốc gia nghiên cứu Khí quyển Hoa Kỳ (NCAR/MMM), Trung tâm quốc gia dự báo mơi trường (NOAA/NCEP), Phịng thí nghiệm phương pháp dự báo (NOAA /FSL), Trung tâm phân tích và dự báo bão của trường đại học Oklahoma (CAPS)… Hiện nay, mơ hình WRF đang được sử dụng rộng rãi trong dự báo thời tiết nghiệp vụ cũng như trong nghiên cứu ở nhiều quốc gia trên thế giới. Tại Mỹ, mơ hình WRF đang được chạy nghiệp vụ ở NCEP (từ năm 2004) và Cơ quan thời tiết hàng khơng Hoa kỳ AFWA (từ tháng 07/2006). Mơ hình này cũng đang được chạy nghiệp vụ tại Cơ quan khí tượng Hàn Quốc KMA (2006), tại Ấn Độ, Đài Loan và Israel (từ năm 2007). Ngồi ra một số nước khác đang sử dụng WRF trong nghiên cứu và dự định sử dụng mơ hình này trong nghiệp vụ như Trung Quốc, New Zealand, Braxin... Đến tháng 04/2012, mơ hình WRF đã ra đời đến phiên bản 4.3 với hệ phương trình động lực học bất thuỷ 25 tĩnh và các sơ đồ vật lý được tích hợp cho những ứng dụng ở quy mơ từ mét đến hàng nghìn km. Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mơ hình WRF Các thành phần chính của mơ hình WRF gồm cĩ:  Hệ thống tiền xử lý của mơ hình WRF (The WRF Pre-processing System, WPS): là chương trình được sử dụng chủ yếu để mơ phỏng các dữ liệu thực, bao gồm: xác định miền mơ phỏng, nội suy các dữ liệu địa hình, loại đất sử dụng, đọc và nội suy các trường khí tượng từ các mơ hình khác (mơ hình tồn cầu, mơ hình khu vực cĩ độ phân giải thấp) về miền mơ phỏng.  Mơđun đồng hĩa số liệu (WRFDA): là chương trình đồng hĩa số liệu quan trắc vào trường phân tích được tạo ra bởi chương trình WPS. Chương trình này cũng cho phép cập nhật điều kiện ban đầu trong trường hợp mơ hình WRF được chạy ở chế độ tuần hồn. Kỹ thuật đồng hĩa số liệu biến phân bao gồm cả biến phân ba chiều 3DVAR và biến phân 4 chiều 4DVAR  Mơđun mơ phỏng (ARW): Đây là mođun chính của hệ thống mơ hình WRF, bao gồm các chương trình khởi tạo đối với trường hợp mơ phỏng lý tưởng, mơ phỏng dữ liệu thực và chương trình tích phân. Các chức năng chính của mơ hình WRF là: 26  Ứng dụng đối với cả miền tính tồn cầu và khu vực  Hệ toạ độ ngang là lưới so le Arakawa C, hệ toạ độ thẳng đứng là hệ toạ độ khối theo địa hình.  Bước thời gian sai phân Runge-Kutta bậc 3 được sử dụng đối với các số sĩng âm thanh và sĩng trọng trường, sai phân bậc 2 đến bậc 6 được sử dụng cho cả phương ngang và phương thẳng đứng.  Lồng ghép miền tính một chiều, 2 chiều và lựa chọn miền tính lồng ghép di dộng.  WRF được thiết kế cho phép ghép nối với các mơ hình khác như mơ hình đại dương, mơ hình đất.  Các lựa chọn tham số hĩa vật lý đầy đủ cho bề mặt đất, lớp biên hành tinh, bức xạ bề mặt và khí quyển, quá trình vi vật lý và quá trình đối lưu.  Mơ hình lớp xáo trộn đại dương một cột  Chương trình đồ họa và xử lý sản phẩm của mơ hình (Post-processing & Visualization tools): bao gồm một số chương trình và phần mềm cho việc khai thác sản phẩm và đồ họa như RIP4, NCL, GrADS và Vis5D. Hệ phương trình cơ bản của WRF là hệ phương trình đầy đủ, bất thủy tĩnh, viết cho chất lỏng nén được, cĩ khả năng mơ phỏng được các quá trình khí quyển trên nhiều quy mơ khác nhau. Về cơ bản các sơ đồ tham số hĩa vật lý của WRF đều dựa trên các mơ hình MM5, ETA và một số mơ hình khác. Các sơ đồ tham số hĩa vật lý trong WRF được chia thành năm loại: các quá trình vi vật lý, các sơ đồ tham số hĩa mây và đối lưu, các quá trình bề mặt đất, lớp biên khí quyển và tham số hĩa bức xạ. Cấu trúc và các hệ phương trình cơ bản của mơ hình WRF đã được trình bày cụ thể và cĩ thể tìm hiểu rõ hơn trong nghiên cứu của Wicker và Skamarock (2002) [23] hay tại trang web và Trong khuơn khổ luận văn này, tác giả tập trung vào nghiên cứu những đặc điểm nổi bật của mơ hình WRF 27 khi cĩ sự kết hợp với mơđun Chem (WRF/Chem). Dưới đây sẽ trình bày rõ hơn về mơđun CHEM. 2.1.2 Mơ đun CHEM Nghiên cứu này sử dụng mơ hình WRF/Chem phiên bản 3.4, với sự kết hợp đầy đủ các mơđun hĩa học bên trong mơ hình khí tượng WRF [7]. Hình 2.2 cho ta cái nhìn tổng quát về cấu trúc của mơ hình WRF/Chem. Mơđun Chem cung cấp nhiều tùy chọn về cơ chế hĩa học như RADM (Cơ chế mơ hình lắng đọng axit khu vực – Regional Acid Deposition Model Mechanism), CBMZ (Cơ chế liên kết Các bon phiên bản Z – Carbon Bond Mechanism version Z) cho các chất hĩa học pha khí và sử dụng mơ hình MOSAIC (Mơ hình tính tốn các chất hĩa học và tương tác xon khí – Model for Simulating Aerosol Interactions and Chemistry), MADE/SORGAM (Mơ hình động lực xon khí chuẩn cho khu vực Châu Âu kết hợp với mơ hình xon khí hữu cơ thứ cấp – Modal Aerosol Dynamics Model for Europe with the Secondary Organic Aerosol Model) cho các cơ chế của xon khí. Bên cạnh đĩ, WRF/Chem cĩ một tùy chọn đơn giản là GOCART (Vận chuyển bức xạ xon khí hĩa học Ozon tồn cầu – Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation Transport), tùy chọn này sử dụng sơ đồ xon khí đơn giản nhất để tập trung vào việc mơ phỏng bụi. Cĩ thể thấy qua hình 2.2, hệ thống mơ hình WRF/Chem cĩ cấu trúc gần giống với cấu trúc mơ hình WRF (Hình 2.1), sự khác biệt giữa mơ hình WRF/Chem với mơ hình WRF thơng thường là phần hĩa học của mơ hình cần được cung cấp số liệu dưới dạng ơ lưới giống với số liệu khí tượng. Số liệu đầu vào này cĩ thể được cung cấp bởi bộ phận tiền xử lý WPS (ví dụ như số liệu bụi) hoặc đọc vào trong quá trình khởi tạo real.exe (ví dụ như đốt sinh khối, phát thải sinh học, các trường hĩa học của GOCART…) hay đọc trong quá trình chạy WRF (ví dụ như phát thải do con người, điều kiện lớp biên, phát thải bụi núi lửa…). Do đĩ, để dễ dàng hơn cho người dùng trong việc tạo bộ số liệu đầu vào, hệ thống mơ hình cĩ kèm theo một số chương trình để chuyển đổi định dạng bộ số liệu bởi khơng phải tất cả các lựa chọn về chất phát thải đều được định dạng sẵn để phù hợp cho tất cả các tùy chọn trong 28 danh sách biến của mơ hình WRF/Chem. Nĩi cách khác, việc tạo ra bộ số liệu phát thải đầu vào để tính tốn các quá trình hĩa học khí quyển là khá phức tạp, đơi khi người dùng cần phải thay đổi các mã lập trình trong quá trình biên dịch mơ hình để cĩ được những sản phẩm đáp ứng đúng với mục tiêu nghiên cứu. Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống mơ hình WRF/Chem phiên bản 3.4. Bên cạnh đĩ, như đã trình bày ở trên, WRF/Chem là một mơ hình đồng thời nên số liệu hĩa học phải được đưa vào tích phân ngay từ những bước đầu tiên cùng với số liệu khí tượng. Bằng cách này, qua từng bước tích phân sự ảnh hưởng của các yếu tố khí tượng lên xon khí và các chất khí khí quyển hay những tác động ngược trở lại các yếu tố thời tiết của các thành phần hĩa học đều được tính đến. Số 29 liệu được cập nhật sau từng bước tích phân sẽ đảm bảo được sự mơ phỏng các thành phần hĩa học trong khí quyển. 2.2 Thiết kế thí nghiệm 2.2.1 Miền tính và thời gian thí nghiệm Trong tất cả các thí nghiệm, miền tính tác giả lựa chọn thống nhất là từ 1.5oS đến 32oN, 88oE đến 124oE. Hình 2.3 mơ tả miền tính lựa chọn cùng với độ cao địa hình. Nhưng để đơn giản cho việc kết xuất hình ảnh, tác giả lựa chọn miền phân tích là 0N - 30oN và 90oE - 120oE. Thời gian tích phân là từ 00h ngày 01/01/2006 đến 00h ngày 05/01/2006. Hình 2.3 Miền tính của WRF trong các thí nghiệm. Độ phân giải ngang 30 km. Bảng 2.1 Cấu hình động lực của mơ hình WRF/Chem Động lực học Độ phân giải ngang Độ phân giải thẳng đứng Miền tích phân Thời gian mơ phỏng Bất thủy tĩnh 30km 27 mực 1.5S-32N; 88E-124E 00h ngày 01/01/2006 đến 00h ngày 05/01/2006 30 2.2.2 Các thí nghiệm Các tùy chọn về cơ chế hĩa học và mơ đun xon khí chiếm phần lớn trong số các tùy chọn danh sách biến hĩa học. Ta cĩ thể lựa chọn cơ chế hĩa học để sử dụng kết hợp với quá trình tính tốn các biến khí tượng bằng cách thay đổi tham số chem_opt trong namelist.inp của mơ hình. Với một người sử dụng mới, những người phát triển và xây dựng mơ hình khuyến khích nên lựa chọn những tham số đã được thử nghiệm và kiểm tra để cĩ thể cho kết quả khả quan hơn. Các chuyên gia khuyến cáo nên tránh lựa chọn những tham số khơng được hỗ trợ đầy đủ vì cĩ thể gặp nhiều lỗi mới mà cĩ thể rất khĩ giải đáp và trong nhiều trường hợp đưa đến cho ta kết quả bất lợi, khơng như mong muốn. Vì vậy, tác giả đã lựa chọn 4 tùy chọn chem_opt đơn giản để thử nghiệm chạy mơ hình cho khu vực Việt Nam. Đây là những tùy chọn đã được thử nghiệm và kiểm tra kĩ càng bởi những chuyên gia phát triển mơ hình WRF/Chem. Ngồi ra, cần phải nĩi thêm rằng với mỗi tùy chọn mà ta sử dụng nghiên cứu đều phải được tiến hành với một vài tùy chọn về vật lý đi kèm, đây được xem là các tùy chọn chức năng bổ sung cho việc mơ phỏng các thành phần hĩa học trong khí quyển nên chúng cĩ vai trị rất quan trọng. Mà khơng phải tất cả các tùy chọn đi kèm đĩ đều đã được kiểm tra trong quá trình phát triển. Do đĩ, người dùng được khuyến khích tự xác định các tùy chọn cần thiết để cĩ được sự kết hợp tốt nhất và cho kết quả khả quan nhất cho mơ phỏng của mình. Dưới đây là mơ tả ngắn gọn về 4 tham số chem_opt tác giả lựa chọn chạy thử nghiệm cho khu vực Việt Nam. 31 Bảng 2.2 Các tùy chọn hĩa học được lựa chọn sử dụng STT chem_opt Mơ tả Yêu cầu đặc biệt 1 401 Chỉ mơ phỏng nồng độ bụi Mơ phỏng 5 kích thước khác nhua của bụi 2 300 Sơ đồ xon khí đơn giản GOCART (khơng cĩ Ơ zơn hĩa học) Số lượng biến: 18, khơng hỗ trợ tính tác động trực tiếp hay gián tiếp của xon khí. Các tùy chọn chức năng cần cĩ là: dmsemis_opt=1, dust_opt=1, seas_opt=1 3 301 GOCART kết hợp với RACM-KPP Mơ phỏng xon khí một cách đơn giản, khơng hỗ trợ tính tác động trực tiếp hay gián tiếp của xon khí. Các tùy chọn chức năng là: dmsemis_opt=1, dust_opt=1, seas_opt=1. 4 =11 Cơ chế hĩa học RADM2 và cơ chế tương tác xon khí MADE/SORGAM. Các tùy chọn sử dụng để tính tốn tác động trực tiếp và gián tiếp của xon khí: phot_opt=2; ra_sw_physics=2; progn=1; mp_physics=2; aer_ra_feedback=1; wetscav_onoff=1; cldchem_onoff=1. Các tùy chọn cho bụi và muối biển: dust_opt=2, seas_opt=2. 32 Với 4 tham số chem_opt để thử nghiệm cho khu vực Việt Nam, tác giả chia chúng thành 02 thí nghiệm để cĩ thể dễ dàng xem xét và đánh giá:  Thí nghiệm 01: Chỉ tính đến nồng độ bụi trong khí quyển (chem_opt =401). Mã nguồn của hệ thống mơ hình WRF/Chem hiện nay cĩ thể cho phép ta tính tốn và dự báo được sự vận chuyển bụi theo các yếu tố khí tượng. Để chạy mơ hình chỉ với yếu tố bụi mà khơng tính đến các yếu tố hĩa học khác cần phải cĩ bộ số liệu đầu vào cho hệ thống tiền xử lý WPS. Sau khi tải các bộ số liệu này và đưa vào đúng thư mục WPS, ta cần chuyển bảng mã GEOGRIB đến thư mục GEOGRIB.TBL_ARW_CHEM (bằng lệnh ln). Sau đĩ ta cĩ thể chạy phần WPS của mơ hình, khi đĩ trường xĩi mịn bụi đã được đi kèm với số liệu khí tượng trong quá trình chạy. Với thí nghiệm này, ta cần chọn tham số chem_opt = 401 và trong khi tính tốn mơ hình sẽ lấy số liệu xĩi mịn bụi trong thư mục số liệu đầu vào. Tuy nhiên, cần lưu ý là phải tắt hết các tùy chọn về hĩa học khác trong danh sách biến (như gaschem_onoff, phot_opt, gas_drydep_opt…) và bật tùy chọn dust_opt gán bằng 1 hoặc 3 (Bảng 2.2). Thí nghiệm này được ký hiệu là WRF_DUST  Thí nghiệm 02: So sánh các tùy chọn khác nhau của WRF/Chem (chem_opt =300,301,11) với WRF khi khơng cĩ Chem. Trong thí nghiệm này, trước hết ta tiến hành chạy WRF thơng thường, khơng cĩ Chem, ký hiệu là WRF_NOCHEM. Sau đĩ lần lượt chạy WRF/Chem với các tùy chọn 300, 301, 11 (chi tiết trong Bảng 2.2). Với cùng miền tính, độ phân giải và thời gian mơ phỏng, các trường đầu ra của 3 kết quả này sẽ cho ta thấy sự khác biệt khi tích hợp mơđun Chem vào WRF. Ngồi ra, với mỗi tùy chọn này, các biến đầu ra về hĩa học cũng khác nhau về phân bố và nồng độ, do sự tương tác với các trường khí tượng mơ phỏng bởi mơ hình. Các kết quả được được ký hiệu là WRF_C300, WRF_C301 và WRF_C011. Những khác biệt chính giữa ba tùy chọn này được liệt kê ra trong bảng 2.3. Các khác biệt đĩ là bước thời gian của các cơ chế hĩa học (chemdt), cập nhật quá trình sinh hĩa và quang hợp (bioemdt, photdt), tùy chọn lắng đọng khơ các chất khí (gas_drydep_opt), cĩ tính đến quá trình hĩa học mây và sự rửa trơi ẩm… 33 Bảng 2.3 Danh sách các thơng số khác biệt cơ bản về hĩa học trong namelist của thí nghiệm 02 (WRF_DUST) WRF_C300 WRF_C301 WRF_C011 bioemdt 0 0 30 photdt 0 0 30 chemdt 60 5 10 phot_opt 0 1 2 gas_drydep_opt 1 1 1 bio_emiss_opt 1 0 3 depo_fact 0.25 wetscav_onoff 0 0 1 cldchem_onoff 0 0 1 conv_tr_wetscav 1 conv_tr_aqchem 1 opt_pars_out 0 0 1 2.2.3 Nguồn số liệu Nguồn số liệu khí tượng cung cấp cho mơ hình WRF bao gồm số liệu về độ cao địa hình, các loại bề mặt và số liệu FNL làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên cập nhật theo thời gian. NCEP FNL (Operational Global Analysis Data) là Số liệu Phân tích Hoạt động Tồn cầu Hồn chỉnh của NCEP với bước lưới 1.0 x 1.0 độ cho từng 6h một, bao gồm 26 mực áp suất từ 1000hPa lên đến 10hPa. Số liệu FNL được lưu trữ dưới dạng fnl_yymmdd_hh_00, với yymmdd_hh là giờ theo hệ giờ quốc tế (UTC, UT, GMT hoặc Z). Kí tự _00 ở đây chỉ ra rằng các tập tin là số liệu phân tích chứ khơng phải số liệu dự báo. Thơng tin chi tiết về số liệu này cĩ thể tìm thấy tại trang web của NCAR ( Như đã nĩi ở trên, để chạy với thí nghiệm bụi, ta cần tải xuống các bộ số liệu cho WPS. Các bộ số liệu này được đính kèm trong thư mục WPS GEOG và bảng 34 mã GEOGRIB.TBL_ARW_CHEM. Hoặc ta cĩ thể tải trực tiếp những bộ số liệu này từ trang web (ftp://aftp.fsl.noaa.gov/divisions/taq/dust_emissions_v3.3). Khi tìm hiểu và ứng dụng WRF/Chem, việc sử dụng bộ số liệu phát thải tồn cầu là một trong những điều được quan tâm nhất. Bộ số liệu phát thải này cĩ thể khai thác từ hai nguồn  Số liệu tái phân tích cho tầng đối lưu (REanalysis of the TROpospheric - RETRO): bao gồm các số liệu về thành phần hĩa học trong 40 của quá khứ, độ phân giải 0.5 x 0.5 độ  Số liệu phát thải cho nghiên cứu khí quyển tồn cầu (Emission Database for Global Atmospheric Research - EDGAR), độ phân giải 1 x 1 độ. Cả RETRO và EDGAR đều cung cấp số liệu phát thải hàng năm cho các loại khí nhà kính (ví dụ như CO2, CH4 và N2O) cũng như một số chất khí khác. Cĩ thể tham khảo chi tiết về 2 bộ số liệu này tại địa chỉ trang mạng:   2.3 Tạo bộ số liệu phát thải cho WRF/Chem Sự khác biệt cơ bản giữa chạy mơ hình cĩ hay khơng tính đến thành phần hĩa học trong khí quyển chính là ở bộ số liệu mơ phỏng về các chất hĩa học và xon khí khí quyển. Cho đến thời điểm này, do sự khác nhau về nguồn số liệu, việc chuẩn bị bộ số liệu hĩa học đầu vào cho mơ hình vẫn tách biệt với quá trình mơ phỏng trong WRF/Chem do vẫn chưa cĩ cơng cụ nào cho phép người dùng cĩ thể xây dựng bộ số liệu phát thải phù hợp cho bất cứ miền tính hay bất cứ sơ đồ hĩa học nào. Cĩ nghĩa là, ta phải chuẩn bị bộ số liệu phát thải phù hợp với miền tính được lựa chọn trước khi đưa số liệu đã xử lý vào chạy mơ hình. Trong khi đĩ, xây dựng bộ số liệu phát thải phù hợp để đưa vào mơ hình là một trong những bước quan trọng và phức tạp nhất trong việc chạy mơ hình WRF/Chem. Sau khi cài đặt và biên dịch mơ hình, ta cĩ thể sử dụng một chương 35 trình chuyển đổi cĩ tên là Prep_chem_sources đã được tích hợp sẵn để xử lý số liệu phát thải do đốt sinh khối và phát thải do con người. Prep_chem_sources là một chương trình chuyển đổi được phát triển tại CPTEC, Braxin để người dùng WRF/Chem cĩ thể tự tạo được bộ số liệu phát thải trên miền tính thích hợp. Những số liệu phát thải tồn cầu được tải trực tiếp từ trên mạng xuống được gọi là số liệu “thơ”, mơ hình WRF lại được cài đặt với mặc định số liệu đầu vào định dạng netCDF do đĩ ta phải sử dụng chương trình Prep_chem_sources để chuyển đổi bộ số liệu đầu vào sang định dạng WRF netCDF. Chương trình này sử dụng các phép chiếu Mercator, phép chiếu cực hoặc Lambert để đưa số liệu phát thải tồn cầu “thơ” nĩi trên về miền tính của mơ hình WRF. Bước cuối cùng trong quá trình tạo ra bộ số liệu phát thải đầu vào netCDF cho WRF/Chem cũng cần phải cĩ đầy đủ các loại số liệu cần thiết cho việc mơ phỏng (như miền tính, thời điểm ban đầu…). Thơng thường các loại số liệu này sẽ được khởi tạo từ các bước trước (người dùng chỉnh sửa trực tiếp trong danh sách biến) nhưng nếu khơng được cung cấp bởi người dùng, mơ hình sẽ đọc lấy các loại số liệu đĩ từ số liệu đầu vào của WRF (ví dụ lấy trong wrfinput_d01). Tên cuối cùng của tập tin dữ liệu netcdf (s) cĩ thể là wrfchemi_ _D hoặc wrfchemi_d _ tùy thuộc người sử dụng. Trước khi chuyển đổi dịnh dạng bộ số liệu phát thải sang dạng netCDF, ta cần phải thay đổi các thơng tin cần thiết (ngày, giờ, miền tính…) trong thư mục namelist.input WRFV3/test/em_real để cài đặt bộ số liệu phát thải. 36 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT Chương 2 đã trình bày chi tiết về mơ hình WRF/Chem cũng như cấu hình các thí nghiệm được tiến hành trong bước đầu thử nghiệm cho khu vực Việt Nam. Trong chương này, kết quả mơ phỏng bằng WRF/Chem sẽ được nhận xét cho các trường khí tượng và một số các chất phát thải, tương ứng với 2 thí nghiệm. 3.1 Đánh giá kết quả của thí nghiệm I 3.1.1 Hồn lưu, nhiệt độ và lượng mưa từ đầu ra của WRF/Chem Trong thí nghiệm đầu tiên này, WRF/Chem được chạy với tùy chọn đơn giản nhất nhằm mơ phỏng sự phân bố của nồng độ bụi trong khí quyển. Do các tùy chọn như quá trình hĩa học mây (cldchem_onoff), quá trình rửa trơi ẩm (wetscav_onoff), quá trình quang hợp (phot_opt), hồi tiếp bức xạ của xon khí (aer_ra_feedback)… đều được tắt đi (gán giá trị bằng 0), nên ảnh hưởng của bụi lên các trường khí tượng trong thí nghiệm này là khơng cĩ. Các hình 3.1 và 3.2 thể hiện cho ta thấy điều này, qua việc so sánh lượng mưa trung bình và trường nhiệt độ mực 2m giữa WRF_DUST và WRF_NOCHEM. So sánh được chỉ ra ở đây là của ngày 02 và 04/01/2006, các ngày cịn lại cũng được so sánh (khơng chỉ ra ở đây) và cho nhận xét tương tự. 37 Hình 3.1 Trường lượng mưa trung bình mực từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của các ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) Cĩ thể nhận thấy sự tương đồng của cả nhiệt độ và lượng mưa từ mơ phỏng của WRF_DUST và WRF_NOCHEM. Mơ phỏng cho phân bố giống nhau và giá trị khơng chênh lệch. Các trường khí tượng khác cũng đã được so sánh và cũng khơng cho thấy sự khác biệt giữa 2 trường hợp này. 38 Hình 3.2 Trường nhiệt độ khơng khí trung bình mực 2m từ đầu ra của WRF_DUST (trái) và WRF_NOCHEM (phải) của ngày 02 và 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) Tuy cĩ sự tương đồng cao với WRF_NOCHEM nhưng điều đáng quan tâm là xem mơ phỏng của WRF_DUST cho chất lượng như thế nào khi so sánh với số liệu quan trắc. Do đĩ, ta tiến hành đánh giá khả năng mơ phỏng của WRF_DUST đối với trường nhiệt độ mực 2m và lượng mưa. Hình 3.3 thể hiện trường nhiệt độ mực 2m trong các ngày từ 01/01/2006 đến 04/01/2006. Kết quả của WRF_DUST (bên trái) được so sánh với số liệu APHRODITE (ở giữa) và hiệu giữa chúng (bên phải) được chỉ ra để làm rõ sự khác biệt. Nhìn chung, WRF_DUST nắm bắt tốt phân bố nhiệt độ mực 2m, đặc biệt là trên khu vực Việt Nam. Qua cả 4 ngày, khu vực cĩ sai số lớn (khoảng 3oC) chủ yếu nằm ở phía đơng Trung Quốc và khu vực Myanmar. Khác biệt về nhiệt độ so với số liệu quan trắc trên khu vực Việt Nam là khá nhỏ, chỉ dao động trong khoảng ±1oC, tuy nhiên sai số này khơng mang tính hệ thống. 39 Hình 3.3 Trường nhiệt độ khơng khí trung bình mực 2m 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 dưới) 40 Với cách biểu diễn tương tự, hình 3.4 cho ta sự so sánh giữa trường lượng mưa trung bình ngày (từ 01 đến 04/01/2006) từ mơ phỏng của WRF_DUST với số liệu APHRODITE. Kết quả mơ phỏng lượng mưa cho sự khác biệt khá lớn giữa mơ hình và số liệu quan trắc, nhìn chung mơ hình mơ phỏng gần chính xác các tâm mưa dù vẫn cĩ sai số về diện mưa và lượng mưa. Xét trên tồn bộ vực Việt Nam, mơ hình mơ phỏng thiên dương so với số liệu quan trắc với sai số trong khoảng ±5 mm. Đáng chú ý, ở khu vực Trung Trung Bộ và Tây Nam Bộ trong hai ngày 01 và 02/01/2006, sai số lên đến ±10 mm. Trong hai ngày tiếp theo, sai số thiên dương là khá nhỏ và khơng cĩ sự khác biệt lớn trên tồn bộ Việt Nam. 41 Hình 3.4 Trường lượng mưa trung bình mực 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 dưới) Trong hình 3.5 và hình P.1, P.2 (phần phụ lục), trường vectơ giĩ và trường độ cao địa thế vị các mực 850, 500, 200mb trung bình ngày từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 từ đầu ra của thí nghiệm (WRF_DUST) được so sánh với số liệu tái phân tích (NNRP). Vectơ giĩ đơn vị mực 200 mb và 500mb là 50 m/s cịn mực 850mb là 20m/s, được thể hiện bằng vectơ màu đen trên nền độ cao địa thế vị thể hiện bằng màu, theo thang bên cạnh. Số liệu tái phân tích đã được nội suy về độ phân giải 30 km tương ứng. So sánh với số liệu tái phân tích, một điều dễ nhận thấy là mơ hình WRF tái tạo rất tốt trường giĩ (cả về tốc độ và hướng giĩ). Trường độ cao địa thế vị cũng được mơ phỏng tốt vị trí các tâm áp nhưng sai số về độ lớn là khá cao (khoảng 10mb ở mực 850 mb và lớn hơn ở 2 mực cịn lại). 42 01/01/2006 02/01/2006 03/01/2006 43 04/01/2006 Hình 3.5 Trường độ cao địa thế vị và trường giĩ 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 3.1.2 Mơ phỏng nồng độ bụi từ WRF/Chem Nồng độ bụi trong WRF_DUST được mơ phỏng đồng thời với các trường khí tượng tại từng bước tích phân cho 5 loại bụi khác nhau (bảng 3.1). Các hình 3.6 và hình P.3, P.4, P.5 thể hiện phân bố bụi DUST_01 tại các mực 1000, 850, 500 và 200 mb cho từng bước thời gian 6h/1 lần từ ngày 02 đến 04/01/2006. Thang màu hiển thị nồng độ bụi được giữ cố định ở các mực để tiện so sánh, riêng vectơ giĩ đơn vị ở mực 200 mb là 50 m/s cịn các mực khác là 20 m/s. Nhìn chung, sự vận chuyển của bụi theo trường giĩ được thể hiện rõ nét. Ở mực 1000 mb và 850 mb, bụi được lan truyền vào từ phía đơng miền tính và chỉ sau 3 ngày đã ảnh hưởng hầu hết các vùng trong miền tính. Riêng mực 500 mb và 200 mb, bụi được đẩy ra bên ngồi khu vực áp cao (theo dịng thổi ra) nhưng với tốc độ lớn (đặc biệt là dịng xiết mực 200 mb) đến ngày 04/01/2006 nồng độ bụi cũng đã tăng cao trên tồn bộ miền. Cĩ thể nhận thấy sự chênh lệch về nồng độ bụi, ở các mực trên cao nồng độ bụi là lớn hơn hẳn (khoảng từ 10 đến 12 x 10e12 μg/kg). Xét cho khu vực Việt Nam, ở hầu hết các mực các tỉnh từ Nam Trung Bộ trở vào miền Nam là nơi chịu ảnh hưởng nhiều nhất của dịng vận chuyển bụi DUST_01. Ở mực 1000 mb, chỉ khu vực Nam Bộ là chịu ảnh hưởng nhiều nhưng từ mực 850 mb trở lên dịng bụi đã ảnh 44 hưởng lan rộng đến khu vực trung bộ. Cịn miền Bắc Việt Nam (Bắc Trung Bộ, đồng bằng Bắc Bộ, đơng và tây Bắc) do ở mực 850 mb nằm trong khu vực giao tranh giữa hai dịng khí cịn lên cao (500 và 200 mb) lại nằm trong tâm của áp cao nên ảnh hưởng của bụi nhỏ hơn hẳn (khoảng từ 1-2 x 10e12 μg/kg). Bảng 3.1 Ký hiệu 5 loại bụi và kích thước bán kính tương ứng trong sản phẩm của WRF_DUST Ký hiệu Kích thước bán kính (hiệu dụng) DUST_1 0.5µm DUST_2 1.4 µm DUST_3 2.4 µm DUST_4 4.5 µm DUST_5 8.0 µm 00h ngày 02/01/2006 06h ngày 02/01/2006 45 12h ngày 02/01/2006 18h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 06h ngày 03/01/2006 12h ngày 03/01/2006 18h ngày 03/01/2006 46 00h ngày 04/01/2006 06h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 18h ngày 04/01/2006 Hình 3.6 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường giĩ tại mực 850 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ 02/01/2006 đến 04/01/2006 mơ phỏng bởi WRF/Chem Để thấy rõ hơn phân bố bụi theo khơng gian, hình 3.7 và hình P.6 thể hiện mặt cắt kinh (vĩ) hướng của phân bố bụi loại 1 nhân với giĩ kinh (vĩ) hướng vào lúc 00 và 12h từ ngày 01/01/2006 đến ngày 04/01/2006. Trong mặt cắt kinh hướng các trường được lấy trung bình từ 102E đến 110E cịn trong mặt cắt vĩ hướng các trường được tính trung bình từ 8 đến 24N, tức là bao quanh khu vực Việt Nam. Nhìn vào mặt cắt kinh hướng, cĩ thể trong ngày đầu tiên khi mà giĩ bề mặt chủ yếu là hướng nam, nồng độ bụi tại các mực rất nhỏ. Chỉ đến 12h ngày 02/01/2006, một 47 lượng bụi cĩ nồng độ cao hơn (7-8 x 10e12 μg/kg) mới ảnh hưởng từ mực 200 mb trở lên tại dải vĩ độ 8-10N. Trong 2 ngày sau, khi dịng giĩ bề mặt chuyển dần sang hướng bắc là chủ yếu, nồng độ bụi ảnh hưởng đã lan rộng ở tất cả các mực trải ra trên vĩ độ từ 0N đến 18N. Đến ngày 04/01/2006 thì chỉ cịn một “ổ” từ mực 800 đến 400 mb và từ 18 đến 22N là ít bị ảnh hưởng bởi bụi. Đáng lưu ý là trường giĩ kinh hướng trung bình ở đây cũng rất nhỏ (khoảng 0 m/s, gần như lặng giĩ). Cần phải xem xét thêm tốc độ thẳng đứng mơ phỏng bởi mơ hình mới cĩ thể kết luận nhưng dường như cĩ sự lan xuống của bụi từ các mực trên cao. Trên mặt cắt vĩ hướng lại cho thấy sự xâm lấn của bụi đồng đều hơn ở tất cả các mực. Ngày 02/01/2006 cịn chưa thấy rõ ảnh hưởng của bụi thì đến ngày 03 và 04, tồn bộ mặt cắt dường như đã phủ kín với nồng đọ bụi khoảng 5-6 x 10e12 μg/kg. Điều này cĩ thể do từ mực 300 mb trở xuống trường giĩ hướng tây thống trị hầu hết các ngày nên thuận lợi cho việc vận chuyển lượng bụi vào. Từ mực 200 trở lên, dịng giĩ chủ yếu là hướng đơng tuy vậy nếu kết hợp với mặt cắt kinh hướng thì cũng cĩ thể hiểu lượng bụi được đưa vào đáng kể là từ dịng vận chuyển hướng bắc-nam. Qua các cách hiển thị khác nhau về khơng gian, ta cĩ thể thấy sản phẩm của WRF_DUST cho mơ phỏng nồng độ bụi rất hữu ích và dễ ứng dụng, nhờ mơ phỏng gắn liền với các trường khí tượng (đặc biệt là trường giĩ). Bên cạnh đĩ, sai số của mơ hình trong việc mơ phỏng lượng mưa cũng cần được chú ý, do ảnh hưởng của lượng mưa đến phân bố bụi cũng là một nhân tố đáng quan tâm. 00h ngày 01/01/2006 12h ngày 01/01/2006 48 00h ngày 02/01/2006 12h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 12h ngày 03/01/2006 00h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 Hình 3.7 Mặt cắt kinh hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với giĩ kinh hướng (trung bình từ 102E đến 110E) lúc 00, 12h từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 49 3.2 Đánh giá kết quả của thí nghiệm II 3.2.1 Trường nhiệt độ và lượng mưa với các tùy chọn của WRF/Chem Cũng như ở thí nghiệm trước, sản phẩm đầu ra của WRF/Chem sẽ được so sánh với WRF_NOCHEM để đánh giá sự khác biệt. Hình 3.8 và 3.9 lần lượt thể hiện trường nhiệt độ mực 2m và lượng mưa trung bình từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006. 50 Hình 3.8 Trường nhiệt độ mực 2m từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hĩa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) Một điểm nhận thấy ngay mơ phỏng thiên thấp của WRF/Chem ở tất cả các tùy chọn đối với khu vực miền Bắc Việt Nam, trong tất cả các ngày. Giá trị thấp hơn khoảng 3oC. Đối với khu vực miền Trung và miền Nam, WRF_C300 và WRF_C011 cũng cho mơ phỏng thấp hơn so với WRF_NOCHEM. Nhưng sai khác chỉ khoảng 1oC. Riêng đặc biệt, WRF_C301 cho một phân bố chênh lệch khác biệt rõ giữa miền phía Tây và phía Đơng miền tính. Khiến cho kết quả mơ phỏng cho 51 miền Nam của Việt Nam cao hơn so với WRF_NOCHEM, khoảng 1-2oC. Trường lượng mưa (hình 3.9) lại cho sự mơ phỏng lớn hơn rõ rệt ở nửa phía nam miền tính, lên đến khoảng 40 mm. Ngồi ra, khu vực miền Trung Việt Nam cũng tồn tại sai số thiên dương cao giữa WRF/Chem và WRF_NOCHEM. Sai khác cĩ xu thế giảm các ngày về sau so với ngày đầu tiên. Nhìn chung, nếu chỉ tập trung cho khu vực Việt Nam thì ngồi khu vực miền Trung trong mơ phỏng của WRF_C011, các mơ phỏng của WRF/Chem cho sai khác khơng lớn so với WRF_NOCHEM (chỉ khoảng 5 mm). 52 Hình 3.9 Trường lượng mưa từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hĩa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) Tiếp theo, chúng ta sẽ đánh giá xem mơ phỏng của WRF/Chem so sánh với quan trắc cĩ những điểm gì đáng lưu ý. Để dễ dàng cho việc so sánh và đánh giá kết quả mơ hình, tác giả đã hiển thị hiệu trung bình lượng mưa ngày giữa các thí nghiệm WRF_C300 (bên trái), WRF_C301 (ở giữa) và WRF_C011 (bên phải) với số liệu APHRODITE, trong các ngày từ 01/01/2006 đến 04/01/2006. Xét trên tồn bộ khu vực Việt Nam, sự khác biệt về lượng mưa dự báo của các thí nghiệm so với số liệu quan trắc là khá lớn và sai số chủ yếu là thiên dương, đặc biệt là khu vực miền Trung và miền Nam cho sai số khá lớn. Qua cả 4 ngày thử nghiệm, khu vực 53 Bắc Bộ luơn cho khác biệt nhỏ hơn so với các khu vực cịn lại (chỉ khoảng +5 mm). Điểm đáng chú ý hơn là sai số này giảm dần theo từng ngày thử nghiệm, đặc biệt là ở hai thí nghiệm WRF_C300 và WRF_C301, cho đến ngày 04/01/2006, hầu như trên tồn bộ khu vực Việt Nam dự báo chỉ cao hơn quan trắc khoảng 5 mm. 54 Hình 3.10 Trường lượng mưa trung bình mực 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 dưới) Tương tự như vậy, hình 3.11 so sánh về nhiệt độ mực 2m của các thí nghiệm từ đầu ra của mơ hình trừ đi số liệu quan trắc APHRODITE trong giai đoạn thử nghiệm (từ 01/01/2006 đến 04/01/2006). Sự mơ phỏng nhiệt độ của thí nghiệm WRF_C300 và thí nghiệm WRF_C11 là khá tương đồng. Mơ phỏng cho sai số thiên âm ở miền Bắc và miền Trung Việt Nam trong cả 3 trường hợp và tất cả các ngày. Riêng trường hợp WRF_C301, mơ hình cho mơ phỏng thiên dương rõ nét ở khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ. Độ lớn sai số nằm trong khoảng ±1oC. 55 56 Hình 3.11 Trường nhiệt độ mực 2m 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 dưới) Xem xét nhiệt độ theo phân bố thẳng đứng, hình 3.12 cho ta profile nhiệt độ từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006. Profile được lấy trung bình cho miền 8N - 24oN và 102oE - 110oE, miền bao quanh khu vực Việt Nam. Cĩ thể nhận thấy WRF/Chem cho giá trị nhiệt độ thấp hơn ở các mực dưới 500 mb, đặc biệt là WRF_C011 (thấp hơn khoảng 2oC). Profile của của WRF_C300 và WRF_C301 cĩ 57 sự tương đồng cao, ngồi sai khác nhận thấy ở dưới mực 900 mb. WRF_C011 như đã nhận xét, cĩ nhiệt độ thấp hơn đặc biệt là ở mực 900 mb và càng lên cao càng tiệm cận với 2 trường hợp cịn lại. Hình 3.12 Profile nhiệt độ từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 Khác với profile nhiệt độ, profile của tỉ số xáo trộn hơi nước (hình 3.13) cho ta thấy sự khác biệt rõ hơn khi chạy WRF với các tùy chọn hĩa học. WRF_C011 cĩ tỉ số xáo trộn hơi nước thấp hơn cả trong các trường hợp (đường đứt nét đánh dấu hình tam giác). WRF_NOCHEM cĩ tỉ số xáo trộn cao hơn cả cịn WRF_C300 và WRF_C301 thấp hơn đơi chút. Khác biệt lớn từ mực 1000 đến 800 mb. 58 Hình 3.13 Profile của tỉ số xáo trộn hơi nước từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 so sánh với WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 3.2.2 Mơ phỏng các chất phát thải từ WRF/Chem Các hình từ 3.14, 3.15 và 3.16 thể hiện profile thẳng đứng của các chất phát thải PM2.5, PM10 và SO2 cho các ngày từ 01 đến 04/01/2006. Nồng độ các chất được lấy trung bình cho miền 8N - 24oN và 102oE - 110oE. Đối với bụi PM2.5 cĩ thể nhận thấy ngay giá trị nồng độ bụi lớn hơn hẳn trong thí nghiệm WRF_C011 ở dưới mực 800 mb. Bên cạnh đĩ, điều đặc biệt là nồng độ bụi cũng giảm nhanh nhất và tĩnh lại gần như khơng đổi từ mực 800 mb trở lên trong thí nghiệm WRF_C011. Cịn 2 trường hợp WRF_C300 và WRF_C301 cĩ profile khá tương đồng với nồng 59 độ của WRF_C301 cao hơn ở mực dưới 750 mb và thấp hơn ở các mực phía trên. Sau 4 ngày, nồng độ bụi của các thí nghiệm thay đổi khơng đáng kể theo chiều thẳng đứng. Profile của nồng độ bụi PM10 cũng cho phân bố tương tự như đối với bụi PM2.5 nhưng với nồng độ cao hơn (khoảng 1 x 10e12 μg/kg). Hình 3.14 Profile của bụi PM2.5 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 60 Hình 3.15 Profile của bụi PM10 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 Profile nồng độ SO2 cho sự đồng nhất ở cả 3 trường hợp. Nồng độ SO2 gần như khơng đổi từ mặt đất đến khoảng 950 mb sau đĩ giảm mạnh từ 900 mb đến 750 mb và gần như khơng đổi ở các mực trên. Đúng hơn là cĩ sự tang nhẹ theo độ cao ở các mực trên cao nhưng đến ngày 04/01/2006 mới rõ rệt. Nồng độ SO2 của WRF_C300 cao hơn hẳn 2 thí nghiệm cịn lại ở mực thấp dưới 800 mb nhưng lại thấp hơn ở các mực trên cao (nơi mà WRF_C011 và WRF_C301 gần như xấp xỉ nhau). 61 Hình 3.16 Profile của nồng độ SO2 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 Xem xét trên mặt cắt ngang, các hình từ 3.17, 3.18 và 3.19 thể hiện phân bố của các chất phát thải PM2.5, PM10 và SO2 ở các mực tương ứng cho các ngày từ 01 đến 04/01/2006. Hình 3.13 và 3.14 xem xét trên mực 1000 mb và 850 mb cịn hình 3.15 thể hiện ở mực 850 và 500 mb. Một lần nữa cĩ thể nhận thấy nồng độ bụi lớn hơn hẳn của WRF_C011 ở mực thấp (đối với cả 2 loại bụi PM2.5 và PM10). WRF_C300 cho nồng độ bụi thấp hơn cả. Nhưng một điều đáng lưu ý là dường như trường giĩ trong trường hợp này ít ảnh hưởng tới phân bố bụi hơn (so với trong thí nghiệm I). Tuy nhiên cần tìm hiểu kĩ hơn trước khi kết luận. Xét cho SO2, ở mực 850 mb sự phân bố ở cả 3 thí nghiệm dường như là như nhau nhưng khi lên đến 62 mực 500 mb thì WRF_C300 cĩ nồng độ thấp hơn hẳn. WRF_C301 và WRF_C011 cho nồng độ bụi rất lớn ở phía bắc miền tính nơi giĩ cĩ tốc độ lớn. C301 C300 C011 Hình 3.17 Phân bố của nồng độ PM2.5 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000mb (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 Như vậy, qua đánh giá kết quả thí nghiệm 2 cĩ thể nhận thấy sự khác biệt lớn khi tính đến các tùy chọn hĩa học trong việc mơ phỏng với WRF. Điều này thể hiện rõ qua trường nhiệt độ và lượng mưa. Tuy vậy, ở trường hợp thí nghiệm này, kết quả mơ phỏng vẫn chưa tốt (khi so sánh với số liệu APHRODITE). Các mơ phỏng về nồng độ bụi và SO2 cũng cho sự khác biệt giữa các thí nghiệm. Nếu cĩ số liệu quan trắc để so sánh sẽ thấy được tùy chọn nào cho mơ phỏng tốt hơn. 63 C301 C300 C011 Hình 3.18 Phân bố của nồng độ PM10 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000mb (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 64 C301 C300 C011 Hình 3.19 Phân bố của nồng độ SO2 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 850mb (trên) và 500 mb (dưới) ngày 04/01/2006 65 KẾT LUẬN Luận văn đã hồn thành nghiên cứu khả năng ứng dụng mơ hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam. Mục tiêu chính là tìm hiểu cách chạy mơ phỏng WRF/Chem với miền tính bao quanh khu vực Việt Nam và khai thác các tùy chọn khác nhau. Qua 3 chương chính của luận văn cĩ thể rút ra các kết luận như sau:  Bài tốn mơ hình hĩa các thành phần hĩa học kết hợp với mơ hình dự báo thời tiết hiện nay đang là một hướng nghiên cứu cĩ ý nghĩa khoa học và thực tiễn cao. Đặc biệt là việc ứng dụng các mơ hình “đồng thời”, để nâng cao hiệu quả nhờ các quá trình tương tác của trường khí tượng và các nhân tố hĩa học.  Lần đầu tiên mơ hình WRF/Chem được ứng dụng cho khu vực Việt Nam với miền tính cĩ độ phân giải 30 km. Thời gian mơ phỏng từ 01 đến 05/01/2006 với 4 tùy chọn hĩa học khác nhau được chia thành 2 thí nghiệm.  Kết quả mơ phỏng nhiệt độ và lượng mưa khi cĩ thêm các tùy chọn hĩa học (WRF_C300, WRF_C301 và WRF_C011) cĩ sự khác biệt so với khi mơ phỏng với WRF thơng thường (WRF_NOCHEM). Tuy vậy sự khác biệt khơng cĩ hệ thống nên cần cĩ thêm các nghiên cứu sâu hơn.  Mơ phỏng các chất phát thải (bụi PM2.5, PM10, SO2, dust_01) cho kết quả khả dụng, đặc biệt là khi xem xét bên cạnh các trường khí tượng (trường giĩ, ẩm). Mơ phỏng trực quan theo khơng gian và thời gian cho phép ứng dụng cho nhiều bài tốn khác nhau. Đây mới chỉ là những thử nghiệm bước đầu, tuy cịn hạn chế về kết quả cũng như cách phân tích nhưng đồng thời cũng mở ra nhiều hướng nghiên cứu mới. 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Nguyễn Xuân Anh, Lê Việt Huy(2008), “Nghiên cứu aerosol qua trạm Bắc Giang và Bạc Liêu”, Tuyển tập các cơng trình nghiên cứu vật lý địa cầu 2008, trang 307-320. 2. Hồ Thị Minh Hà, Phan Văn Tân (1999), “Mơ phỏng số trị ảnh hưởng của son khí carbon đen lên khí hậu khu vực Đơng Nam Á và Việt Nam”, Hội thảo giĩ mùa châu Á lần 2, 185-197 3. Lê Hồng Nghiêm (2009), “ Mơ hình hĩa chất lượng khơng khí nồng độ Ơzơn mặt đất cho khu vực lục địa Đơng Nam Á”, Tạp chí phát triển khoa học và cơng nghệ, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, tập 12, số 2, tr 111 – 120. Tiếng Anh 4. Chen, Y. S., Sheen, P. C., Chen, E. R., Liu, Y. K., Wu, T. N., Yang, C. Y. (2004), Effects of Asian dust storm events on daily mortality in Taipei, Taiwan, Environ. Res., 95, 151-155. 5. Chung C.E., Ramanathan V., Kim D., Podgorny I.A., 2005: Global anthropogenic aerosol direct forcing derived from satellite and ground-based observations. Journal of Geophyical Research, Vol.110, D24207, doi:10.1029/2005JD006356, 2005. 6. Claiborn, C. S., Finn, D., Larson, T. V., Koening, J. Q. (2000), Windblown dust contribution to high PM2.5 concentrations, J. Air & Waste Manage. Assoc., 50, 1440-1455. 7. Grell, G. A., S. E. Peckham, R. Schmitz, S. A. McKeen, G. Frost, W. C. Skamarock, and B. Eder (2005), Fully coupled on-line chemistry within the WRF model, Atmos. Environ., 39, 6957– 6975. 8. Hajime Akimoto (2003), Global Air Quality and Pollution, Science 302, 1716 – 1719. 9. Janusz Cofala, Markus Amann, Zbigniew Klimont, Kaarle Kupiainen, Lena Hưglund-Isaksson (2007), Scenarios of Global Anthropogenic Emissions of Air Pollutants and Methane Until 2030, Atmospheric Environment, vol 41, 8486 – 8499 10. Jung‐Yoon Kang, Soon‐Chang Yoon, Yaping Shao và Sang‐Woo Kim (2011), “Comparison of vertical dust flux by implementing three dust emission schemes in WRF/Chem”, Journal of Geophysical Research, VOL. 116. 18 pages. 67 11. Kwon, H.J., Cho, S.H., Chun, Y., Lagarde, .F, Pershagen, G., 2002. Effects of the Asian dust events on daily mortality in Seoul, Korea. Environmental Research 90, 1-5 12. Langmann, B. (2000), “Numerical modeling of regional scale transport and photochemistry directly together with meteorological processes”, Atmos. Environ., 34, 3585–3598. 13. Lau K.-M., et al, 2008: The joint Aerosol - Monsoon Experiment: A New Challenge for Monsoon Climate Research. Bulletin of the American Meteorological Society, Vol 89, 369-383. 14. Mark Z. Jacobson (2001) Strong radiative heating due to the mixing state of black carbon in atmospheric aerosols, Nature vol 409, 695 – 697 15. Martilli, A., P. Thunis, F. Muller, A. G. Russell, and A. Clappier (2002), An optimised method to couple meteorological and photochemical models, Environmental Modelling & Software, 17 (2), 169-178. 16. Paolo Tuccella, Gabriele Curci, Guido Visconti (2012), Aerosol Simulation with Fully Coupled “Online” Meteorology-Chemistry Model WRF/Chem over Europe: Preliminary Results, Air Pollution Modeling and its Application XXI, NATO Science for Peace and Security Series C: Environmental Security Volume 4, 2012, pp 559-563 17. Ramanathan V., et al, 2005: Atmospheric brown clouds: Impact on South Asian climate and hydrologic cycle. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 102, 5326-5333. 18. Saha A. and Moorthy K.K., 2004: Impact of Precipitation on Aerosol Spectral Optical Depth and Retrieved SizeDistributions: A Case Study. Journal of Applied Meteorology, Vol 43, 902-914. 19. Stohl A., Hittenberger, M., and Wotawa, G.: Validation of the Lagrangian particle dispersion model FLEXPART against large scale tracer experiments. Atmos. Environ. 32, 4245-4264, 1998. 20. Stohl, A., Forster, C., Frank, A., Seibert, P., and Wotawa, G.: Technical Note : The Lagrangian particle dispersion model FLEXPART version 6.2., Atmos. Chem. Phys., 5, 2461-2474, 2005. 21. Subari Menon, James Hansen, Larissa Nazarenko, Yunfeng Luo (2002), Climate Effects of Black Carbon Aerosols in China and India, Science vol 297, 2250-2253 22. Tie, Xuexi, Fuhai Geng, Li Peng, Wei Gao, and Chunsheng Zhao (2009), Measurement and modeling of O3 variability in Shanghai, China: Application of the WRF-Chem model, Atmosphere Environment, 43(28), 4289. 23. Wicker, L.J., Skamarock, W.C., 2002. Time splitting methods for elastic models using forward time schemes. Monthly Weather Review130, 2088–2097. 68 24. Xiaoming Hu (2008), Incorporation of the Model of Aerosol Dynamics, Reaction, Ionization, and Disxonution (MADRID) into the Weather Research and Forecasting Model with Chemistry (WRF/Chem): Model Development and Retrospective Applications. 25. Xueyuan Wang, Xin-Zhong Liang, Weimei Jiang, Zhining Tao, Julian X.L. Wang, Hongnian Liu, Zhiwei Han, Shuyan Liu, Yuyan Zhang, Georg A. Grell, Steven E. Peckham (2010), “WRF-Chem simulation of East Asian air quality: Sensitivity to temporal and vertical emissions distributions”, Atmos. Environ., vol 44, 660 – 669. 26. Y. Zhang, M. K. Dubey, S. C. Olsen, J. Zheng, and R. Zhang (2009), “Atmospheric Chemistry and Physics Comparisons of WRF/Chem simulations in Mexico City with ground-based RAMA measurements during the 2006-MILAGRO”, Atmos. Chem. Phys., 9, 3777–3798. 27. Yegorova, E. A., D. J. Allen, C. P. Loughner, K. E. Pickering, and R. R. Dickerson (2011), Characterization of an eastern U.S. severe air pollution episode using WRF/Chem, J. Geophys. Res., 116, D17306 28. Zhang Y., et al, 2009: Impact of biomass burning aerosol on the monsoon circulation transition over Amazonia. Geophyical Research Letters, Vol.36, L10814, doi:10.1029/2009GL037180, 2009. 29. Zhang, Y. (2008), Online coupled meteorology and chemistry models: history, current status, and outlook, Atmos. Chem. Phys. Discuss., 8, 1833-1912. 69 PHỤ LỤC 01/01/2006 02/01/2006 03/01/2006 70 04/01/2006 Hình P.1 Trường độ cao địa thế vị và trường giĩ 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 01/01/2006 02/01/2006 71 03/01/2006 04/01/2006 Hình P.2 Trường độ cao địa thế vị và trường giĩ 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 72 00h ngày 02/01/2006 06h ngày 02/01/2006 12h ngày 02/01/2006 18h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 06h ngày 03/01/2006 73 12h ngày 03/01/2006 18h ngày 03/01/2006 00h ngày 04/01/2006 06h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 18h ngày 04/01/2006 74 Hình P.3 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường giĩ tại mực 1000 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 00h ngày 02/01/2006 06h ngày 02/01/2006 12h ngày 02/01/2006 18h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 06h ngày 03/01/2006 75 12h ngày 03/01/2006 18h ngày 03/01/2006 00h ngày 04/01/2006 06h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 18h ngày 04/01/2006 Hình P.4 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường giĩ tại mực 500 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 76 00h ngày 02/01/2006 06h ngày 02/01/2006 12h ngày 02/01/2006 18h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 06h ngày 03/01/2006 77 12h ngày 03/01/2006 18h ngày 03/01/2006 00h ngày 04/01/2006 06h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 18h ngày 04/01/2006 Hình P.5 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường giĩ tại mực 200 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 78 00h ngày 01/01/2006 12h ngày 01/01/2006 00h ngày 02/01/2006 12h ngày 02/01/2006 00h ngày 03/01/2006 12h ngày 03/01/2006 79 00h ngày 04/01/2006 12h ngày 04/01/2006 Hình P.6 Mặt cắt vĩ hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với giĩ vĩ hướng (trung bình từ 8 đến 24N) lúc 00, 12h từ ngày 01/01/2006 đến ngày 04/01/2006

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfvan_4777.pdf
Luận văn liên quan