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

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Đào Thị Hồng Vân NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF-CHEM VÀO KHU VỰC VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS. TS. Phan Văn Tân Hà Nội - 2013 2 LỜI CẢM ƠN Trong thời gian qua, việc nghiên cứu các nội dung luận văn luôn được thuận lợi và đúng hướng ngoài sự nỗ lực của cá nhân, học viên còn nhận được sự chỉ bảo, giúp đỡ nhiệt tình và sâu sắc của thầy cô, bạn bè và đồng nghiệp. Học viên xin gửi lời cảm ơn đến thầy giáo hướng dẫn, GS.TS. Phan Văn Tân đã có những chỉ bảo, định hướng quan trọng trong toàn bộ quá trình thực hiện. Học viên xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy, người đã hết lòng quan tâm cũng như kiên trì giúp đỡ từng bước nghiên cứu của học viên. Học viên cũng xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trong Bộ môn khí tượng nói riêng và Khoa Khí tượng Thủy Văn và Hải dương học nói chung đã truyền đạt các kiến thức bổ ích cho học viên trong toàn bộ khóa học. Ngoài ra, học viên cũng xin chân thành cảm ơn tập thể Trung tâm Nghiên cứu Quan trắc và Mô hình hóa Môi trường đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện để học viên hoàn thành luận văn, hơn thế nữa còn mang lại một môi trường làm việc hiếm có cho học viên. Học viên Đào Thị Hồng Vân 3 MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... 4 Chương 1 TỔNG QUAN .......................................................................................... 10 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới ............................................................................... 10 1.2 Các nghiên cứu trong nước ................................................................................. 21 Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........................................................... 24 2.1 Sơ lược về mô hình WRF/Chem ......................................................................... 24 2.1.1 Mô hình WRF .................................................................................................. 24 2.1.2 Mô đun CHEM ................................................................................................ 27 2.2 Thiết kế thí nghiệm ............................................................................................. 29 2.2.1 Miền tính và thời gian thí nghiệm .................................................................... 29 2.2.2 Các thí nghiệm ................................................................................................. 30 2.2.3 Nguồn số liệu ................................................................................................... 33 2.4 Tạo bộ số liệu phát thải cho WRF/Chem ............................................................ 34 Chương 3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT .................................................................... 36 3.1 Đánh giá kết quả của thí nghiệm I ...................................................................... 36 3.1.1 Hoàn lưu, nhiệt độ và lượng mưa từ đầu ra của WRF/Chem .......................... 36 3.1.2 Mô phỏng nồng độ bụi từ WRF/Chem ............................................................ 43 3.2 Đánh giá kết quả của thí nghiệm II ..................................................................... 49 3.2.1 Trường nhiệt độ và lượng mưa với các tùy chọn của WRF/Chem .................. 49 3.2.2 Mô phỏng các chất phát thải từ WRF/Chem ................................................... 58 KẾT LUẬN ............................................................................................................... 65 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 66 PHỤ LỤC .................................................................................................................. 69 4 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 So sánh sự thay đổi lượng mưa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hưởng của BC và thí nghiệm B (hình dưới) khi không tính đến ảnh hưởng của BC (Menon ccs., 2002) ........................................... 12 Hình 1.2 Sự thay đổi lượng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) ............................................................................... 13 Hình 2.1. Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF ..................................................... 25 Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống mô hình WRF/Chem phiên bản 3.4. ................................ 28 Hình 2.3 Miền tính của WRF trong các thí nghiệm. Độ phân giải ngang 30 km ..... 29 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) ...... 37 Hình 3.2 Trường nhiệt độ không 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) 38 Hình 3.3 Trường nhiệt độ không 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) ............................................................................... 39 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) ............................................................................... 41 Hình 3.5 Trường độ cao địa thế vị và trường gió tại mực 850 mb từ đầu ra của WRF/Chem (bên trái) so sánh với NNRP (bên phải) từ 01 đến 04/01/2006 ............ 43 Hình 3.6 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 850 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ 02/01/2006 đến 04/01/2006 mô phỏng bởi WRF/Chem ......................... 46 Hình 3.7 Mặt cắt kinh hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với gió kinh hướng (trung bình từ 102 đến 110E) lúc 00, 12h từ 01/01/2006 đến 04/01/2006 .... 48 Hình 3.8 Trường nhiệt độ mực 2m từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) ............................................................................... 50 5 Hình 3.9 Trường lượng mưa từ đầu ra của WRF với các tùy chọn hóa học 300, 301, 11 (từ trái qua phải) trừ đi WRF_NOCHEM của các ngày từ 01 đến 04/01/2006 (từ trên xuống dưới) ........................................................................................................ 52 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) ...................................................... 54 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) ............................................................................... 56 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 ............................... 57 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 ................................................................................................................ 58 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 ...................................................... 59 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 ...................................................... 60 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 ...................................................... 61 Hình 3.17 Phân bố của nồng độ PM2.5 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000 (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 ... 62 Hình 3.18 Phân bố của nồng độ PM10 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 1000 (trên) và 850 mb (dưới) ngày 04/01/2006 ... 63 Hình 3.19 Phân bố của nồng độ SO2 từ đầu ra của WRF_C300, WRF_C301, WRF_C011 (trái qua phải) mực 850 (trên) và 500 mb (dưới) ngày 04/01/2006 ..... 64 Hình P.1 Trường độ cao địa thế vị và trường gió 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 ..................... 70 6 Hình P.2 Trường độ cao địa thế vị và trường gió 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 ..................... 71 Hình P.3 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 1000 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ................................................... 74 Hình P.4 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 500 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ................................................... 75 Hình P.5 Phân bố bụi loại 1 (DUST_01) và trường gió tại mực 200 mb lúc 00, 06, 12, 18h từ ngày 02/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ................................................... 77 Hình P.6 Mặt cắt vĩ hướng phân bố bụi loại 1 (DUST_01) nhân với gió vĩ hướng (trung bình từ 8 đến 24N) lúc 00, 12h từ ngày 01/01/2006 đến ngày 04/01/2006 ... 79 7 DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. So sánh hai loại mô hình “đồng thời” và “không đồng thời” ................... 15 Bảng 2.1 Cấu hình động lực của mô hình WRF/Chem ............................................ 29 Bảng 2.2 Các tùy chọn hóa học được lựa chọn sử dụng ........................................... 31 Bảng 2.3 Danh sách các thông số khác biệt cơ bản về hóa họctrong namelist của thí nghiệm 02 (WRF_DUST) ......................................................................................... 33 Bảng 3.1 Ký hiệu 5 loại bụi và kích thước bán kính tương ứng trong sản phẩm của WRF_DUST ............................................................................................................. 44 8 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VIẾT TẮT AOD Độ dày quang học của khí quyển (Aerosol Optical Depth) BC Các bon đen (Black Carbon ) EDGAR Số liệu phát thải cho nghiên cứu khí quyển toàn cầu (Emission Database for Global Atmospheric Research) GOCART Vận chuyển bức xạ xon khí hóa học Ozon toàn cầu (Global Ozone Chemistry Aerosol Radiation Transport) MADE/SORGAM Mô hình động lực xon khí chuẩn cho khu vực Châu Âu kết hợp với mô hình xon khí hữu cơ thứ cấp (Modal Aerosol Dynamics Model for Europe with the Secondary Organic Aerosol Model) MAPS Đo đạc ô nhiễm không khí từ vệ tinh RADM Cơ chế mô hình lắng đọng axit khu vực (Regional Acid Deposition Model Mechanism) RETRO Số liệu tái phân tích cho tầng đối lưu (REanalysis of the TROpospheric) WRF/Chem Mô hình Nghiên cứu và dự báo thời tiết với môđun hóa học (The Weather Research and Forecasting – Chemistry) 9 MỞ ĐẦU Hiện nay, nghiên cứu các nhân tố ảnh hưởng tới khí hậu nói chung và biến đổi khí hậu nói riêng, đang là một trong những vấn đề quan trọng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Trong đó, nhiều nghiên cứu đã đề cập đến sự thay đổi của các thành phần hóa học trong khí quyển cùng với mối liên hệ trực tiếp và gián tiếp tới các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu và khu vực. Xon khí là một trong những tác nhân quan trọng gây nên biến đổi hóa học khí quyển, chúng tác động tới quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu. Từ đó, chúng gián tiếp ảnh hưởng tới các lĩnh vực khác trong đời sống như kinh tế, xã hội, môi truờng, sức khỏe con người... Một trong những hướng nghiên cứu để tìm hiểu và đánh giá rõ ràng hơn các tác động của xon khí là kết hợp mô phỏng các quá trình hóa học vào các mô hình thời tiết, khí hậu. Được phát triển từ năm 2005, mô hình WRF/Chem (The Weather Research and Forecasting - Chemistry) là một trong những mô hình thời tiết có khả năng mô phỏng một cách hiệu quả sự phát thải, vận chuyển, xáo trộn và chuyển hóa các chất khí đồng thời với các quá trình khí tượng. Trong luận văn này, học viên đã lựa chọn đề tài “Nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF/Chem vào khu vực Việt Nam” để nghiên cứu. Bố cục của luận văn (ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục) gồm 3 chương với các nội dung chính như sau: Chương 1: Tổng quan Trong chương này, tác giả trình bày những nghiên cứu trong nước và ngoài nước về việc ứng dụng mô hình số trong giải quyết bài toán tác động hồi tiếp giữa các chất hóa học khí quyển và các yếu tố khí hậu. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chi tiết về mô hình được chọn để ứng dụng chạy thử nghiệm, thiết kế thi nghiệm và các phương pháp đánh giá. Chương 3: Kết quả và nhận xét Trình bày tóm tắt các kết quả chủ yếu của luận văn, những điểm mới đã đạt được và kiến nghị về hướng nghiên cứu trong tương lai. 10 Chương 1 TỔNG QUAN Chương này sẽ đề cập đến ảnh hưởng của các thành phần hóa học (xon khí) tới hệ thống khí hậu đồng thời chỉ ra những biến đổi của chúng trong thập kỷ gần đây. Bên cạnh đó, những ứng dụng (trên thế giới và trong nước) của mô hình hóa trong bài toán mô phỏng các thành phần hóa học khí quyển cũng được chỉ ra, đặc biệt nhấn mạnh tới các ứng dụng của mô hình WRF/Chem. Bức tranh tổng quan ban đầu đó sẽ cho ta thấy sự cần thiết và ý nghĩa của việc ứng dụng mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam. 1.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ô nhiễm không khí và sự biến đổi các thành phần hóa học khí quyển có ảnh hưởng lớn đến hệ thống khí hậu và môi trường đang là một trọng tâm mới trong khoa học khí quyển hiện nay. Sự vận chuyển xuyên lục địa của các chất ô nhiễm không khí đang gây nguy hiểm cho hệ sinh thái trên toàn thế giới và có tác động mạnh đến toàn bộ hệ thống khí hậu [8]. Xon khí trong khí quyển là các hạt rắn hoặc lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo. Loại có nguồn gốc tự nhiên bao gồm: các hạt muối (từ đại dương), các bụi khoáng do gió đưa lên, từ núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi,…), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí. Xon khí có ảnh hưởng lớn tới môi trường nói chung, chất lượng không khí nói riêng và cả sức khỏe con người [4],[11]. Xon khí đã và đang lan ra trên quy mô toàn cầu nhưng sự bất đồng nhất về mức độ tập trung giữa các khu vực là khá lớn, nó góp phần gây biến đổi khí hậu toàn cầu qua các tác động lên bức xạ một cách trực tiếp, bán trực tiếp và cả gián tiếp [13]. Theo Lau K.M, [13] các phần tử xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi (ảnh hưởng trực tiếp). Khi bề mặt trái đất lạnh hơn khí quyển phía trên, khí quyển trở nên ổn định (ảnh hưởng bán trực tiếp). Các phần tử xon khí làm tăng số hạt nhân ngưng kết nên hình thành nhiều hạt nước hơn nhưng lại có 11 kích thước nhỏ hơn, dẫn đến tăng tán xạ và phản xạ của mây. Các hạt nuớc nhỏ làm hạn chế sự va chạm và liên kết, kéo dài thời gian tồn tại của mây và ngăn cản sự lớn lên của hạt nước trong mây để tạo mưa (ảnh hưởng gián tiếp). Chung C.E. ccs., (2005) [5] đã chỉ ra rằng ảnh hưởng trực tiếp của xon khí có thể làm giảm năng lượng bức xạ trung bình toàn cầu, giảm 0.35 W/m2 tại giới hạn trên của khí quyển, tăng khoảng 3.0 W/m2 trong lớp khí quyển và giảm 3.4 W/m2 tại bề mặt trái đất. Trong khu vực gió mùa châu Á, trung bình năm, năng lượng bức xạ trong khí quyển (mặt đất) có thể tăng (giảm) 10-20W/m2. Hơn thế nữa, nghiên cứu của Mark Z. Jacobson [14] cho thấy trạng thái tồn tại của các loại xon khí cũng có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Nếu tính riêng tác động của các loại sun phát hữu cơ (Sulfate Organics) và cácbon đen (BC) thì chúng chỉ làm lượng bức xạ trung bình giảm đi 0,31 W/m 2 nhưng nếu chúng tồn tại dưới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lượng bức xạ giảm đi 0,62 W/m2. Theo Ramanathan ccs., (2005) [17] mây nâu ABCs (Atmospheric Brown Clouds) được cấu thành từ các chất ô nhiễm như cácbon đen, cácbon hữu cơ, tro, bụi và các chất hấp thụ như sun fat, ngăn cản bức xạ mặt trời tới mặt đất có thể làm giảm 50% sự nóng lên toàn cầu do tăng các khí nhà kính. Nhìn chung, xon khí làm thay đổi phân bố năng lượng của khí quyển và bề mặt, thay đổi gradient khí áp theo phương ngang, tác động tới hoàn lưu gió mùa và làm thay đổi lượng mưa của một số nơi trên Trái Ðất [13],[17],[28]. Ngược lại, dị thường hoàn lưu quy mô lớn có tác động đến sự thay đổi vận chuyển xon khí, điều chỉnh quá trình sa lắng, thay đổi môi trường vật lý và hoá học của hỗn hợp xon khí. Bụi có thể được hoàn lưu quy mô lớn vận chuyển từ vùng sa mạc lân cận tới Ấn Ðộ [13]. Những trận mưa rào mạnh trong mùa khô ảnh hưởng tới phổ độ dày quang học và đặc trưng kích thước của xon khí [18]. Menon ccs., (2002) [21] đã đánh giá được tác động của cácbon đen (BC) lên các yếu tố khí tượng. Trong đó, sự ảnh hưởng của BC lên sự biến đổi lượng mưa là khá rõ rệt (Hình 1.1), đặc biệt khi chú ý tới khu vực Đông Nam Á. Nếu xét riêng cho khu vực Việt Nam, phía Bắc có lượng mưa 12 tăng khoảng 1 – 4mm/ngày còn ở phía Nam lượng mưa lại giảm đi (cũng khoảng 1 – 4mm/ngày). Hình 1.1 So sánh sự thay đổi lượng mưa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hưởng của BC và thí nghiệm B (hình dưới) khi không tính đến ảnh hưởng của BC (Menon ccs., 2002) [21] Một điểm đáng lưu ý là trong những thập kỷ gần đây, mức độ phát thải các chất ô nhiễm vào khí quyển ngày càng tăng do quá trình phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Đồng thời, nguồn phát thải rất khác nhau và việc định lượng chúng cũng khá khó khăn. Năm 1981, sự xuất hiện của MAPS cho phép chúng ta có được những số liệu đầu tiên về nồng độ đáng báo động của CO trên vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi và Nam Mỹ [8] khiến các nhà khoa học nhận thức rõ hơn rằng ô nhiễm môi trường không khí đã trở thành một vấn đề quốc tế. Quan trắc này cũng cho thấy chất lượng không khí của các khu vực và toàn cầu bị ô nhiễm không chỉ bởi đốt nhiên liệu hóa thạch trong công nghiệp mà còn do phát thải 13 từ đốt sinh khối (cháy rừng, đốt chất thải nông nghiệp, và đốt nhiên liệu thực vật). Những năm 1990 trở lại đây, lượng phát thải NO2 ở Châu Á đã vượt qua cả Bắc Mỹ, Châu Âu và được dự đoán là sẽ tiếp tục tăng trong những thập kỷ tới[8]. Hình 1.2 minh chứng cho sự gia tăng không ngừng của phát thải NOx do con người, đặc biệt là khu vực Châu Á, nơi tập trung nhiều nước đang phát triển. Theo đó, phát thải NOx ở hai khu vực Châu Mỹ và Châu Âu gần như giữ nguyên không đổi ở mức cao trong những năm 1980 (khoảng 25 - 28 Tg/năm). Từ sau năm 1990, do áp dụng các biện pháp kiểm soát phát thải nên nồng độ NOx ở Châu Âu có xu hướng giảm nhẹ ngược lại với tốc độ phát thải NOx tăng chóng mặt ở khu vực Châu Á. Z. Janusz Cofala ccs. (2007) [9] cũng chỉ ra rằng xu thế này có thể sẽ tiếp tục giữ như vậy trong ít nhất hai thập kỉ tiếp theo. Đến đây, có thể nhận thấy yêu cầu cần thiết của việc nghiên cứu, xem xét tác động của các thành phần hóa học, các chất xon khí lên hệ thống thời tiết, khí hậu. Hình 1.2 Sự thay đổi lượng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) [8] Để giải quyết bài toán trên, mô hình hóa các quá trình hóa học trong khí quyển hiện nay đang là một trong những công cụ hiệu quả và mở ra nhiều tiềm năng ứng dụng. Về chức năng, có thể chia các mô hình vậ