S ơ Đ ồ BATS VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC TÍNH CÁC DÒNG TRAO

TAP CHỈ KHOA HOC DHQGHN, KHTN & CN, T.xx, s ố 1, 2004

S ơ Đ ồ BATS VÀ ỨNG DỤNG TRONG VIỆC TÍNH CÁC DÒNG TRAO

Đ Ổ I N Ả N G L Ư Ợ N G V À N Ư Ớ C G I Ử A B Ể m ặ t D A T - K H Í Q U Y E N

P h a n V ă n T â n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ i ề n , D ư Đ ứ c T i ế n Khoa K h í tượng - T h uỳ văn & H ải dương học

Trường Đ ại học Khoa học T ự N hiên, Đại học Quốc g ia H à N ội

1. Mở đ ầ u

T rên q u a n điểm vậ t lý, hệ thông khí h ậ u bao gồm 5 t h à n h p h ầ n cơ b ả n (5 hệ con) là Khí quyển, T h ủ y quyển, Băng quyển, Sinh quyể n và T h ạc h qu yể n [1]. Trong hệ thông khí hậu, bể m ặ t tr ái đ ấ t đóng vai trò p h â n bô' lại n ă n g lượng bức xạ m ặ t trời mà nó hấp t h ụ được. Bề m ặ t hấ p t h ụ n ă n g lượng bức xạ m ặ t trời và t r ả lại cho hệ thống khí h ậ u các dòng p h á t xạ sóng dài và các dòng phi bức xạ. Các dòng n ă n g lượng phi bức xạ bao gồm ẩn nhiệt, hiển nhiệt, dòng n h i ệ t t r u y ề n xuồng lớp đấ t sâu, năn g lượng n hi ệt d à n h cho quá t r ì n h chuyển ph a của nước và n h ữ n g p h ả n ứng sinh hoá xảy ra tại bể m ặ t [1, 2].

Khả n ă n g p h â n bô lại n ă n g lượng của bề m ặ t p h ụ thuộc vào loại bề m ậ t đệm (land use) và t r ạ n g t h á i th u ỷ vă n của nó. Đối với vù ng đ ấ t khô và tr ố n g (không có thực vật), n ă ng lượng m ặ t trời chủ yếu d ù n g để đốt nóng bề mặt. Khi đó các dòng nhi ệt rối (hiển nhiệt) và dòng n h iệ t t r u y ề n xuống đ ấ t là lớn và h ầ u n h ư không xảy ra bốc hơi tại bê mặt. Ngược lại, đối với bê m ặ t ướt (sau khi mưa, hoặc đ ấ t nông nghiệp sau khi tưới), n ă ng lượng h ầ u nh ư được sử d ụ n g cho quá t r ì n h bốc t h o á t hơi của bê mặt. Trong trườn g hợp này dòng hiển n h i ệ t và dòng n h i ệ t t r u y ề n xuống đất sâu thường nhỏ hơn n h i ều so với dòng ẩ n nhiệt. Đôi vối bề m ặ t có thực v ậ t bao phủ dày, nước trong lớp đ ấ t rễ được h ú t bởi rễ cây tro ng quá t r ì n h t h o á t hơi của thực vật. Vì vậy, tr ong điều kiện m ặ t đ ấ t ít được cung cấp nước thì k h ả n ă n g bốíc hơi của bê m ặ t vẫn lốn nếu tro ng đ ấ t có đủ lượng nước cùng các điều kiện thời tiết thích hợp cho việq t ho át hơi của thực vật. Với loại bề m ặ t t h à n h phô, loại bề m ặ t gần n h ư không thấm , sê h ạ n c h ế việc bốíc hơi của nước tro ng đất. Khi bị đốt nóng m ạn h , vùng nội t h à n h có điều k i ệ n gần giông với vù ng đ ấ t khô và t r ô ng [2, 3].

Sự tương tác giữa bề m ặ t t r á i đ ấ t và kh í qu y ển diễn r a t r o n g mọi quy mô không gian và thời gian. Bề m ặ t t r á i đ ấ t bao gồm h a i t h à n h p h ầ n ch ín h là lốp phủ thực vậ t và lớp p h ủ thổ nhưỡng (đất). Bề m ặ t chịu sự điều k h i ển (driving forces) của khí quyển th ô ng q u a sự tươrg- tác với lớp ph ủ thực vật. Lớp đ ấ t p h í a dưới đóng vai trò tích t r ữ vậ t chất. Xét về độ lỏn của các dòng n h i ệ t phi bức xạ, t h ô n g lượng n hi ệt t r u y ền xuống các lốp đ ấ t s â u chiến; k ho ả ng 10% và n ă n g lượng gi àn h cho các p hả n ứng sinh hoá chiếm dưới 1% lượng n ă n g lượng do bề m ặ t h ấ p thụ . N h ư vậy, bề m ặ t sẽ đóng vai trò trực tiếp cung cấp n ă n g lượng cho khí quyể n th ôn g q u a các dòng ẩm

40

'

và n h i ệ t rối. Các dòng n ă n g lượng ẩn nhiệt, hiển n h i ệ t t r u y ề n t ừ bề m ặ t liên quan trực tiếp đến t r ạ n g t h á i n h i ệ t ẩm và p hâ n t ầ n g của khí quyển. Bể m ặ t cung cấp nhiệt, ẩ m cho khí quyể n và góp p h ầ n vào quá t r ì n h hì n h t h à n h , p h á t tr iể n mây và giáng th uỷ. Sự p h á t t r i ể n của mây và giáng th uỷ lại q u a n hệ c h ặ t chẽ với kh ả năn g t r u y ề n bức xạ m ặt tròi trong khí quyển và gián tiếp liên q u a n tới các cơ chê động lực khác đôi vối n hữ ng chu yển động tr ong khí quyển từ quy mô vi mô, quy mô vừa cho đến quy mô lớn.

Tr o n g các mô hì nh mô phỏng khí quyển và hệ thô ng khí h ậ u hiện n ay (gọi t ắ t là mô h ì n h khí hậu), bê m ặ t đóng vai trò cung cấp điểu kiện biên dưới cho mô hình khí quyển, bao gồm thôn g lượng ẩn nhiệt, hiển nhi ệt và động lượng. Sơ đồ mô tả quá tr ìn h tương tác giữa bề m ặ t và khí quyển được gọi là so’ đồ t r ao đổi n ă n g ỉượng giữa đất, thực vậ t và khí quyển, viết t ắ t là SVAT (Soil-Vegetation- Atmosphere Transf er s). Các sơ đồ SVAT đã được p h á t tr iển r ấ t sớm, t ừ sơ đồ đ ấ t - t h u ỷ văn đơn giản b a n đầ u của Budyko (1963), M an abe (1969) đến các sơ đồ t á n lá lớn (big leaf) phức t ạ p hơn của De ardroff (1978) [2, 3, 4, 5], và ch ú n g liên tục được nghi ên cứu cải tiến. G á n đây hơn người t a thương sử d ụ n g hai sơ đồ là BATS (Biosphere A tm o sp he re T r a n s f e r Scheme) của Dickinson (1984) và SiB (Simple Biosphere) của Sellers (1986). Hai sơ dồ này là nh ữ n g mô hì n h đầu tiên đưa vào h ầ u hế t các quá t r ì n h xảy ra tại bê m ặ t áp d ụ n g cho mô hình khí hậu. Trong bài này, để khả o s á t vai trò của bê m ặ t đôi vói các qu á t r ì n h tương tác đ ấ t - khí quyển, ch ú n g tôi sẽ sử dụng so’ đồ BATS. Sơ lược vê BATS sẽ được t rìn h bày trong mục 2. Mục 3 tiếp theo sẽ dẫn ra một số’ kế t quả nghi ên cứu ả n h hưởng của bê m ặ t đến các dòng n h i ệ t ẩm đi vào khí quyển. Các loại bê m ặ t được khảo sát là n h ữ n g loại x u ấ t h iệ n k h á phổ biến ở Việt Na m . Một sô" kế t l u ậ n sẽ được t rìn h bày trong mục 4.

2. Sơ dồ t ư ơ n g t á c đ â t - k h í q u y ế n BATS

Chức năn g chính của BATS là 1) Tính lượng bức xạ m ặ t trời h ấ p t h ụ bởi bề m ặ t và bức xạ sóng dài t h u ầ n , 2) T ín h các dòng tr a o đổi động lượng, hiển n h i ệ t và ẩ m giữa bể m ặ t và các lớp khí quyển, 3) Xác định các t h à n h p h ầ n gió, độ ẩm và n h i ệ t độ tr ong khí quyển, tr on g các t á n lá thực v ậ t và tại mực q u a n t rắc bê mặt, và 4) Tính giá trị n h i ệ t độ và lượng ẩm tại bề mặt. Mô tả chi tiết về BATS có th ể tìm thấy, c h ẳ n g hạn, tr ong [6 ]. Cấu t r úc bề m ặt tr ong BATS gồm một lớp p h ủ thực vạt và ba lớp đất. Bề m ặ t được chia làm 18 loại với các đặc tí n h v ậ t lý tương ứng khác nhau, n h ư màu đ ấ t (được chia t h à n h 8 lốp màu, từ đ ậ m đến nhạ t), k ế t cấu đ ấ t (được chia t h à n h 12 cấp, từ r ấ t thô (cát) đến r ấ t mịn (sét)). Ngoài ra, h à m lượng ẩ m của đất, lượng nước mưa biến t h à n h dòng chảy và t r ạ n g t h á i bề m ặ t (có nùỏc hay tuy êt ph ủ không) cũng sẽ được t í n h đến [6 J.

2.1 A lb ed o be m a t

Albedo đặc t r ư n g chp k h ả n ă n g p h ả n xạ của bê m ặ t đôi vói bức xạ sóng ngắn và p h á t xạ sóng dài. Albedo bổ m ặ t ph ụ thuộc vào bưóc sóng, góc t hi ê n đỉ nh m ặ t tròi và t r ạ n g t h ả i bề m ặ t cũng n h ư loại bề mặt. Đôì vối bề m ặ t kh ôn g có t u y ế t phủ, BATS t í n h albedo cho ba trườ ng hợp là albedo của thực v ậ t đôi vối bức xạ m ặ t tròi Sơ đổ B a t s và ứng d ụ n g tro n g viẻc tín h các d ò n g trao đôi... 41

42 P h a n V ă n T ả n, N g u y ễ n H ư ớ n g Đ i ê n, D ư Đ ứ c T iế n nhì n t h ấ y (^<0.7|im), và bức xạ gần hồng ngoại (A>0.7|im), và albedo của đất. Mặc dù albedo của thực vậ t còn p h ụ thuộc vào nh i ều n h â n tô' k há c, n h ư m à u lá ch ẳng hạn , song do sô liệu h ạ n chế, BATS xem thực vậ t chỉ có m à u x a n h . Giá trị albedo đối với các loại lớp p h ủ thực v ậ t kh ác n h a u được cho trước. Albedo c ủa đ ấ t tr ông ph ụ thuộc vào m à u đ ấ t và độ ẩ m đất. Nó t ă n g d ầ n theo độ kh ô c ủa b ề m ặ t đ ấ t và được t ín h bởi Albg = ALBGO+Aocg(Ssw), t r o n g đó ALBG0 là albedo đối với đ ấ t bão hòa nước; Ssw là h à m lượng nưốc đ ấ t bề mặt; Aag(Ssw) = 0.01(1 l - 4 0 S sw/Zu) > 0, với Zu là độ dày lớp đ ấ t t r ê n cùng.

Trong tr ư ờ n g hợp bề m ặ t có t u y ế t phủ, albedo được xe m là p h ụ thuộc vào phổ bước sóng bức xạ, góc t h i ê n đ ỉ n h m ặ t trời, độ dày t uy ết, kích t hưố c h ạ t tuyết, mức độ bụi b ẩ n và tuổi c ủ a tuyết.

2.2 N h i ệ t đ ộ đ ấ t

N h i ệ t độ đ ấ t là một tr o n g n h ữ n g t h a m sô' q u a n t r ọ n g t r o n g các sơ đồ SVAT.

Trong BATS n h i ệ t độ của các lớp đ ấ t được t í n h theo p h ư ơ n g p h á p tác động phục hồi (force-restore). N h i ệ t độ lớp đ ấ t bề m ặ t T gl được tí n h t ừ p h ư ơ n g t r ì n h vi p h â n sau:

ỔTI ể

CAt — i L + 2 A T . = B (1 )

d i 8

tro ng đó A=0.5vdAt; B = BC0EFh s + v dAt.Tg2 ; c =(1+FCT1), với vd=27ĩ/86400 là t ầ n số dao động ngày, h s là tác động n h i ệ t t h u ầ n bề m ặ t đất, At là bước thòi gian (s), Tg2 là n h iệt độ lớp đất dưới bề mặt, B C₀EF= fsNowBcoEFS ■*“ (1 Fsnow)Bcoefb> fsNow là phân d i ệ n t í c h b ị t u y ế t p h ủ , B s = , bC0EFB = v<|A*Pdb ( c h ỉ s ố “s ” v à “b ” c ạ n h d ấ u

(p sO sksn (PsCs)bksb

ngoặc đơn ở m ẫ u sô' của h a i biểu th ức tương ứng chỉ t u y ế t và đất), Dds và Ddb tương ứng là độ sâu th â m n hập ngày đối vói tu y ết và đất, Ps và cs tương ứng là m ật độ và n h i ệ t d u n g ri ên g c ủ a t ầ n g đ ấ t dưới, k sn, k sb là hệ sô" k h u ế c h t á n n h i ệ t của t u y ế t và đ ấ t đôi với dao động n gà y của n h i ệ t độ.

Khi t r ê n m ặ t đ ấ t có tuyết, n ế u t u y ế t t a n sẽ l àm g i ả m n h i ệ t độ t ầ n g đ ấ t m ặ t và làm t ă n g một p h ầ n dòng chảy mặt. Tốc độ t u y ế t t a n được t í n h bởi:

[b + (C - A - B ')T gl - (C + A - B ').2 7 3 . ự>]

s = --- ——--- VW

LfBC0EF

ở đây, Lf là ẩ n n h i ệ t nóng chảy; B’ là đạo h à m của B t h eo n h i ệ t độ.

N h i ệ t độ lớp đ ấ t dưới bề m ặ t T g2 được xác đị nh t h e o són g n h i ệ t độ tr o n g n ă m t í n h b ằ n g phươ ng p h á p tác động p hụ c hồi tương ứng vối n h i ệ t độ ở độ s â u k hoả ng

l m [3, 8] t ừ ph ư ơ ng trình:

/ V Ơ T 2 D

(l + FCT2) A t - ^ - + 2 A2Tg 2 = c4v „A tT3 +-5 ^ 3^ (3)

S ơ đồ B a ts và ứ n g d ụ n g tr o n g viêc tín h các d ò n g trao đôi.. 43 với va=vd/365 là t ầ n sô" da o động nă m, c4 là hệ sô" k ế t nối đối với đ ấ t chưa t í n h đến sóng n ă m của n h i ệ t độ (h iện t ạ i c4 = 0 , ngoại t r ừ n h ữ n g v ù n g đóng b ă n g vĩnh cửu thì

( D 'ì

c4= l) , Tq=271, a , = Ca + —- 0 5v At, Dt và D d tương ứng là đô sâu th âm nhâp năm và

n a

V á

( y /2

ngày. Nếu k h ô ng có t u y ế t th ì D = -Ế- Dd, t r on g tr ư ờ n g hợp bề m ặ t bị t u y ế t p h ủ

K J

thì cả Da và Dd đề u được lấy t r u n g bình tr ọn g số theo độ dày tuyết.

2.3 Đ ô ấ m đ ấ t v à lớ p p h ủ tu y ế t tr o n g đ iê u k iê n k h ô n g có lớp p h ủ th ư c v ậ t Để đ ị n h rõ đ ộ ẩ m đ ấ t - lốp p h ủ tuyết, bề m ặ t t r á i đ ấ t được chia t h à n h : 1) N h ữ n g v ù n g đại d ư ơ n g (có và k h ôn g có b â ng biển bao phủ ) và 2) N h ữ n g vù n g lục địa (có và k h ô ng có t u y ế t ph ủ) . Đối với n h ữ n g vù ng đại dương k h ô ng có b ă n g biển bao phủ, n h i ệ t độ bề m ặ t T gl được quy đ ị n h bởi sô' liệu q u a n t r ắ c t ừ một mô h ì n h chuẩn . Đôi vối n h ữ n g v ù n g k h á c việc t í n h Tgl p h ụ thuộc vào điều k iệ n h i ệ n tạ i của lớp p h ủ tuyết, độ ẩ m đất, d ạ n g bề m ặ t và n h i ệ t độ lớp k hí qu y ể n đ ầ u tiên.

a) G iá n g th ủ y (m ư a và tu y ế t rơi)

Mư a và sự giải p h ó n g ẩ n n h i ệ t (Qc) t r on g mỗi lớp k hí qu y ển p h ụ thuộc h ế t sức phức tạp vào độ ẩ m c ủ a lớp và giáng t h ủ y từ các lớp bên t r ê n . Tốc độ giáng t h ủ y tại m ặ t đ ấ t (P) n h ậ n được ríhư là tổng giáng t h ủ y t h u ầ n t ừ mỗi lớp. Gi án g t h ủ y được giả t h i ế t là t u y ế t rơi P s n ế u n h i ệ t độ lớp khí qu y ển t h ấ p n h ấ t T ị < T c, hoặc m ưa rơi P r nếu Tị > Tc, t r o n g đó T c= T m+2.2, T m= 273.16, tức là

p8 = p, pr = 0 nếu Ti < Tc P s = 0, P r = p nế u T ! > Tc

b) N g u ồ n ả m củ a đ ã t

Nguồn ẩ m tới bề m ặ t hoặc sẽ t h ấ m vào đ ấ t hoặc sẽ c h u y ể n t h à n h dòng chảy mặt. Đối với nước, đ ấ t được c h ia làm 3 lớp, lớp t r ê n c ù n g ch ín h là m ặ t p h â n cách đ ấ t - khí quyển, các lớp dưối t h ấ p hơn t ă n g d ầ n theo độ sâu. Các đạ i lượng biểu diễn ng uồn ẩ m t r o ng đ ấ t được x é t ở đây gồm: Ssw là nưóc t r o n g lớp đ ấ t bề m ặ t (lớp đấ t t r ê n cùng) có độ d à y Zu (O.lm) (giá t rị cực đại là Sswmax); S rw là nước tr o n g t ầ n g rễ có độ sâu Zr (giá trị cực đạ i là Srwmax); s tw là tổng lượng nước tr o n g đ ấ t cho đến độ sâ u z t (cực đạ i b ằ n g s twmax). c ả S sw, Srw và S tw đều n h ậ n được t ừ c ù n g một ng uồ n nước m ưa P r và đều bị m ấ t đi do bốc hơi F q và dòng chảy m ặ t R s vì t ấ t cả các q u á t r ì n h nà y đều xảy r a t ạ i lớp đ ấ t b ề m ặt . Dòng giữa các lớp đ ấ t tác động đê n các nguồn ẩm khác n h a u là k h á c n h a u . T r o n g điều kiện kh ôn g có lớp p h ủ thực vật, phươ ng t r ì n h bảo toàn đối với các t h à n h p h ầ n n ày có dạng:

ỔS' " ' = G - R s+ y wl (4)

a t

ỠSnv = r R + v

+ Yw2 ổ t

(5)

44 P h a n V ă n T â n, N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iề n , D ư Đ ứ c T iế n

^ = G - R s - R g (6)

trong đó G = P r + Sm - Fq = lượng nước t h u ầ n áp d ụ n g cho bề mặt; R s = dòng chảy mặt; Rg = nước t h ấ m xuống các lóp đ ấ t ph ía dưới và bể nưốc ngầ m; P r = mưa; Sm = tu y ế t tan; ywl = nước t r a o đổi do k hu ế ch t á n t ừ t ầ n g rễ vào t ầ n g mặt; yw2 = nước t r a o đổi do k h u ế c h t á n t ừ t o à n bộ cột đ ấ t vào t ầ n g rễ; và F q = bốc hơi. Nế u F q â m có ng hĩ a là sương h ì n h t h à n h .

c) Nước rò rỉ và th ấ m xu ố n g b ể nước ngầm

Mỗi một loại đ ấ t đều có n h ữ n g t í n h c h ấ t n h ấ t đ ị nh và ch ủ yếu p h ụ thuộc vào cấu trúc của đất. Tr on g các sơ đồ t h a m sô" hóa đ ấ t h i ệ n n a y người ta th ư ờ n g giả t h i ế t rằng các tính ch ất này không đổi theo độ sâu và đ ư ợ c đặc trưng bởi các th am s ố sau:

- Độ rỗng p^{O R S L ’} là đại lượng mà khi đ ấ t bão hòa nưốc thì 1 m 3 đ ấ t chứa ^{P o r s l} m3 nước

- Độ h ú t nưốc của đ ấ t (ị) - Độ d ẫ n nước của đ ấ t Kw d) S ự bốc hơi

Sô' h ạ n g bốc hơi F q và sự t r a o đổi nước giữa các lớp đ ấ t t r ê n và dưới khó có t h ể t h a m sô" hóa một cách đầy đủ. Hiện na y người ta bi ểu diễn c h ú n g dự a t r ê n sức chứa k h ả n ă n g và sự là m khô do biến động ngày đêm c ủa bốc hơi tiềm n ă n g t ạ i bề mặt:

F q = Min{Fqp, F qm} (7)

trong đó F qp là bốc hơi tiề m n ă n g và F qm là t hôn g lượng ẩ m cực đại đi q u a bề m ặ t ướt mà đ ấ t có t h ể duy tr ì được.

e) D òng chảy m ặ t

Trong thời kỳ m ư a n h i ề u hoặc t u y ế t t a n và độ ẩ m đ ấ t cao, h ầ u h ế t nước rơi đến bề m ặ t không xu yê n xuống được bể nước n g ầ m m à lập tức bi ến t h à n h dòng chảy m ặ t đổ về sông, suối. Dòng ch ảy m ặ t p h ụ thuộc vào th ô n g lượng nước t h u ầ n (giáng t h u ỷ t r ừ bốc hơi) t ạ i bề mặt , độ ẩ m đ ấ t và n h i ệ t độ bề m ặ t đất. Tốc độ dòng chảy m ặ t được biểu diễn n h ư là h à m của tốc độ giáng t h u ỷ và mức độ bão hoà củ a đất.

Tuỳ thuộc vào n h i ệ t độ bề m ặ t đ ấ t T gl ta có:

Rs = Pw \4

V r vvsat /

Pw

V ^ vvsat J

Tgl > 0°c

Tg, < 0°c,

(8⁾

trong đó: pwsat là m ậ t độ đ ấ t bão hòa; pw = pwsat(s1+s2)/2 ; Si = Srw/Srwmax; s 2 = G /c

Ưsw' kJswmax*

Khi G<0 thì Rs=0. Nế u n h i ệ t độ lớp gần bề m ặ t t h ấ p hơn điểm b ă n g thì dòng chảy m ặ t t ă n g lên.

Sơ đồ B a ts và ứ n g d u n g tro n g vỉêc tín h các d ò n g tra o đ ô i... 45 f) Lớp p h ủ tuyết

Mô hình chi tiết n h ấ t về cân bằ n g n ă n g lượng t u y ế t và các quá t r ì n h t an băng tuy ết đã được Ande rson để xu ấ t [6]. Ông đã mô h ìn h hóa một cách tỉ mỉ sự tru y ền nước và n ă n g lượng và sự biến đổi m ậ t độ tr ong to àn cột tuyết. Ngược lại, ở đây chỉ mô hình hóa các quá t r ì n h t u y ế t bề mặt, không p h â n biệt một cách rõ r à n g giữa t u y ế t tr ong lớp đ ấ t dưối bề m ậ t và nh iệ t độ đất, tức là về nguy ên tắc xem T g2 như nhiệt độ tu y ết trong lớp đất dưới bê mặt sau khi đã tích lũy được vài cm nước lỏng tương đương tuyết. Nước t r ê n bề m ặ t tu yế t được đưa trực tiếp xuống đất, trong khi nước mưa hoặc nước do t u y ế t t a n thì xem là n g ấ m qua t u y ế t hoặc đóng bă ng trở lại.

Sự tan t u y ế t ở đáy của lốp t u y ế t được bỏ qua.

Nếu đ a n g có mưa t u y ế t hoặc có lớp p hủ tuyết, trưốc h ế t ph ải kiểm t r a xem nh iệ t độ Tg có bằ n g 0 h a y không, nế u Tg = 0 thì t ín h tóc độ t u y ế t t a n trước khi tính nh iệ t độ bề mặt. Lớp p h ủ tu yế t được cập n h ậ t từ phương trình:

Trong đó Scv là lượng t u y ế t phủ được đo bằ n g lượng nước lỏng; Pg là tốc độ mưa tuyết; Fq bằ n g tốc độ t h ă n g hoa.

2.4 Hệ sô cản và các d ò n g trê n đ ấ t trô n g

Hệ sô' cản t r ê n đ ấ t là đại lượng r ấ t biến đổi. Do đó trong BATS hệ sô' cản CD được tính n h ư là h à m của CDN, là hệ số’ cản tr ong điều kiện ph iế m định, và sô"

Richardson tổ hợp cho bề m ặ t RiB:

Trong đó: Va2 = + v [ + u ^ ; T gl là nh iệ t độ bề m ặ t đ ấ t (hoặc tuyết, băng), Ta,

U|, Vj l ầ n lượt l à n h i ệ t độ k h ô n g k h í n h â n vớ i ( p s/ p i ) k v à các t h à n h p h ầ n g i ó t ạ i đ ộ

cao của mực t h ấ p n h ấ t của mô hình khí quyển Zị'9 g là gia tốc tr ọng trường; Ps và Pj tương ứng là áp s u ấ t không khí tại bê m ặ t và tại mực t h ấ p n h ấ t của mô hình; k l à

h ằ n g sô K a r m a n ; và

(9)

(10a)

( 1 0 b )

u =_c

o .lm /s , 1.0m/s,

(11⁾

Khi đó h ệ thức để t ín h hệ số cản sẽ là

46 P h a n V ă n T ả n , N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iên , D ư Đ ứ c T iế n Hệ sô" cản p h i ế m đị n h C DN n h ậ n được t ừ lý t h u y ế t lớp biên xáo t r ộ n và được xác đị nh bởi

Cdn

ln (z | / z 0 )

(13) ở đây k = 0.4 và z0 là độ gồ ghề.

Các dòng h iể n n hi ệt, ẩ n n h i ệ t t r ê n các bề m ặ t nước, băng, t u y ế t hoặc đ ất t r ô n g n h ậ n được khi sử d ụ n g hệ số c ản động lượng đã đị nh n gh ĩ a ở t r ê n q u a hệ thức sau:

Fs = PaCpCDVa(Tgl- T a) (14)

tr ong đó pa là m ậ t độ k h ô n g kh í bề m ặt , CD là hệ sô' cản k hí động học đối với nhiệt, Cp là n h i ệ t d u n g r i ê n g của k h ô n g k hí và Va là tốc độ gió. Tương tự, dò n g ẩm t ừ bề m ặ t vào k hí quyể n đư ợ c cho bởi:

F q = paCDVafg(qg- q a) (15)

tr ong đó qg là độ ẩ m r i ê n g bão hoà tạ i n h i ệ t độ bề m ặ t ( m ặ t đất, tu y ết , băn g hoặc nước); qa là độ ẩ m r i ê n g tạ i mực t h ấ p n h ấ t của mô hình; fg là đại lượng đậc t r ư n g cho trạng thái ẩm, n h ậ n giá trị bằng 1, trừ trường hợp đối vói quá trình khuếch tán (các bề m ậ t bị h ạ n chế) khi đó fg được xác đ ịn h b ằ n g tỷ sô" giữa bốc hơi t h ự c tế và bốíc hơi k h ả n ă n g của đất: fg = Fg/Fqp.

2.5 C ác d ò n g n ă n g lư ợ n g tr o n g tr ư ờ n g h ợ p bê m ặ t có lớp p h ủ th ự c v ậ t Khi có lớp p h ủ thực vật, BATS xem xét tác h biệt các phươ ng t r ì n h n ă n g lượng đôi với đ ấ t và các k h á n g trở t r u y ề n n ă n g lượng t ừ p h í a t r ê n t á n cây đ ế n không khí trong t á n cây và t ừ k h ôn g k h í tr o n g t á n cây đến các bê m ặ t lá và có c h ú ý đến t ừ n g

b ộ p h ậ n ướt của t á n cây.

a) T h a m s ố hóa các biến của lá cây

H ai đặc t r ư n g q u a n tr ọ n g của thực v ậ t là chỉ số diện tích lá (LAI) v à chỉ sô' diện tích t h â n (SAI). LAI liên q u a n đ ến q u á t r ì n h t h o á t hơi nưóc t ừ thực vật. SAI là k h ô n g đổi đối với mỗi loại đất, tr o n g khi LAI lại biến động theo mù a. Tổng c ủ a c h ú n g được ký hiệu bởi LSA1: Lsai = LAI + S AI. Để t í n h đến sự bốc hơi t ừ gác c à n h cây và lá bị ướt người ta đưa vào đ ị n h n g h ĩ a tỷ lệ diện tích của lá bị ướt (bị p h ủ nước) n h ư sau:

L w - ^ ' 2/3

V ^ D M A X )

(16) tr ong đó Wdew là tổng lượng nưốc bị c h ặ n giữ bởi t á n cây và W DMAX là lượng nước cực đại mà t á n cây có t h ể c h ặ n giữ. Biểu thức tương tự cũ ng được sử d ụ n g cho t h â n cây.

Khi đó p h ầ n bề m ặ t lá t h o á t hơi tự do được xác đị n h bởi:

Ld = ( l . 0 - L w ) i^ L

L SA1

(17)

Sơ đồ B a ts và ứ n g d ụ n g tro n g việc tín h các d ò n g trao đôi.. 47 Tốc độ gió bê n tr o n g lớp lá được tính theo công thức:

(18) b) S ự tích lũ y g iá n g th ủ y và sương bị ch ặ n g iữ của thự c vật

Khi có m ư a bề m ặ t thực v ậ t bị p h ủ một lớp nước mỏng trước khi nhỏ giọt và chảy theo t h â n cây xuống đất. Lượng nước n à y s a u đó có t h ể tá i bốc hơi vào không khí đồng thời t r ê n các bề m ặ t lá ướt quá t r ì n h t h o á t hơi bị ngừ n g lại. Tương tự, sự hì n h t h à n h sươ ng vào b a n đêm có t h ể giữ m á t cho lá cây vào buổi s á n g và t h o á t hơi t ừ lá n g ừ n g lại. Nói c h u n g sự tá i bốíc hơi c ủa nước m ư a bị c h ặ n giữ bởi thực vật chiếm k h o ả n g 10-50% lượng nước mưa, p h ụ .thuộc c hủ yếu vào cường độ mưa. Sự ngừng t h o á t hơi do các lá bị ướt hã y còn ít được n g h i ê n cứu, n h ư n g có t h ể đóng vai trò đ á n g kể. G i á n g t h ủ y t u y ế t cũ ng bị lá cây c h ặ n giữ và sự h ì n h t h à n h sương giá t r ê n lá cây nói c h u n g th ường xảy ra. N h ư n g ở mức độ nào đó c h ú n g k é m q u a n trọng hơn vì sự bôc t h o á t hơi nhỏ hơn ở n h i ệ t độ t h ấ p hơn. Vì thế, sẽ có lý kh i giả th iê t r ằ n g thực v ậ t tíc h lũy nước t h ể r ắ n giông n h ư th ể lỏng. Giả t h i ế t r ằ n g lượng nước tích lũy cực đại b ằ n g 0.0001m ^X LSAI. Lượng nước được tích lũy t r ê n một đơn vị diện tích bề m ặ t đ ấ t được t í n h từ lượng giáng t h ủ y đến và h iệ u giữa t h o á t hơi và thông lượng nưốc đến bề m ặ t thực vật:

trong đó W tlew là lượng nước tổng cộng được lưu giữ bởi t á n cây t r ê n một đơn vị diện tích đất; p - g i á n g thủy; ơf - độ p h ủ của lá cây; E f - th ôn g lượng nước đến t á n lá cây t r ê n một đơn vị di ện tích đất; E tr là lượng t h o á t hơi.

Nếu Wdew > WDMAX = 0.000l m ^X ơfLSAI thì Wdew được đ ặ t bằ ng WDMAX và lượng ẩm dư thừa t r ên lá cây được cộng vào lượng giáng t h ủ y (nước hoặc tuyết) rơi đến đất.

c) Các d ò n g từ tá n lá

Trước h ế t xé t sự bốc hơi t ừ lá ướt, còn dòng nước t ừ t á n lá khô (không bị p h ủ nước) được xét tươn g tự n h ư n g cần xét t h ê m k h á n g trở k h í khổng. Lượng bôc hơi t r ê n một đơn vị diện tích t á n lá ướt (cả lá và c à n h cây) được xác đị n h bởi:

trong đó q^AT là độ ẩ m r i ê n g bão hòa ở n h i ệ t độ của t á n lá T f; qaf là độ ẩ m ri ên g của không k h í bên t r o n g t á n cây; r la là k h á n g trở k hí động học đôi vối dòng n h i ệ t và ẩm của các p h â n t ử lá lốp biên t r ê n một đơn vị h ì n h chiếu diện tích lá.

Tương tự, dòng n h i ệ t t ừ t á n lá H f được t í n h bởi:

dw dl

ôt^{^} = ơ f P - E f - E tr (19)

(20⁾

H f - ơ fLSAỊrỊa paCp(Tf Taf)

Dòng ẩm t ừ bê m ặ t p h ầ n t á n cây bị ướt Ef được xác đ ị n h bởi:

(2 1)

Ef = r NE ^ ET (22)

48 P h a n V ă n T ả n, N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iê n , D ư Đ ứ c T iế n tro n g đó

N = 1 - ô(e f^{W E T} .0 - L.„ - L

v r ia + r s y

(23) với r s là k h á n g trở k hí khổng; L và L d xác đ ị n h t ừ (16) và (17); ỗ là h à m bậc than g, n h ậ n giá trị b ằ n g 1 khi đối sô" dương và b ằ n g 0 k h i đối sô" âm.

Sự t h o á t hơi chỉ xảy r a t r ê n n h ữ n g bề m ặ t lá khô và được xác đị n h bởi:

r,„ 4- r„

E fWET (2 4 )

l a ^ ễs y

ở đây ta đã bỏ qua sự khác b iệt nhỏ giữa n h iệ t độ lá khô và lá ướt cũ n g n h ư một s ố yếu t ó b ấ t đồng n h ấ t khác.

d) K h á n g trở k h í k h ổ n g

K h á n g trở k h í k h ổ n g ở đây được hiểu là sức chông chịu cơ học tổng cộng chông lại sự k h u ế ch t á n t ừ t r o n g r a ngoài của lá. T h à n h p h ầ n nà y đôi khi còn được xem là k h á n g trỏ lá để p h â n b iệt với k h á n g trở chỉ do k h í k h ổ ng của lá. Hơi nước b ê n trong lá được duy t rì ở giá t rị bão hòa hoặc gầ n bão hòa. K h á n g trở t h u ầ n r s đối với nước t h o á t từ t r on g r a ngoài lá p h ụ thuộc m ạ n h vào kích thước, sự p h â n bô" và mức độ mở của khí khổng. Tu y n hi ên , sự kh u ế ch t á n nước cũn g có t h ể xảy r a q u a b iể u bì lá, đó là đường t h o á t hơi nước c hủ yếu khi k hí k h ổ ng bị đóng lại. K h á n g trở k h í khổng được xác đị nh bởi:

r s = r sminx RfX S fx M f x V f (2 5 )

tr ong đó r smin là giá trị cực tiể u của k h á n g trở k hí khổng; M f, R f,

s f

và Vf tươn g ứng là các n h â n tcí đặc t r ư n g cho sự p h ụ thuộc của k h á n g trở k h í k h ổ ng vào độ ẩm đất, bức xạ m ặ t trời, n h i ệ t độ và độ h ụ t bão hòa hơi nước.

e) K h á n g trở rễ

Tốc độ th o á t hơi tín h theo phương trình (24) cần phải phù hợp với tốc độ thoát hơi cực đại mà thực v ậ t có t h ể duy trì được. N ế u E tr t í n h được vượt q u á tô'c độ t h o á t hơi cực đại E trmx thì r s được xác đị nh lại sao cho E tr= E trmx. Sự h ú t nưốc c ủ a thực vậ t trong mỗi lớp đ ấ t bị h ạ n c h ế bởi h iệ u giữa t h ế n ă n g của đ ấ t và lá chia cho k h á n g trở h ữu hiệu, h a y còn gọi là k h á n g trở rễ. K h á n g trở h ữ u hi ệu n à y p h ụ thuộc vào tổng độ dài của rễ t r ê n một đơn vị diện tích và k h á n g trở nội của cây t r ê n một đơn vị độ dài rễ.

f) C ân b ă n g n ă n g lượng của tá n thự c v ậ t và đ ấ t

Không k h í bê n tr o n g t á n cây có n h i ệ t d u n g k h ô ng đ á n g kể và do đó dòng n h i ệ t t ừ t á n lá H f và t ừ đ ấ t H g cầ n p h ả i được c ân b ằ n g bởi dòng n h i ệ t đi vào k h í q u y ể n Ha:

H a = H f + H g (26)

ở đây, dòng n h i ệ t đi vào k h í q u y ể n được t í n h bởi:

H a - Paơ fCpCDV a(Taf- T a) (27)

Sơ đ ồ B a ts và ủ n g d u n g tro n g việc tín h các d ò n g trao đôi.. 49 Dòng n h i ệ t t ừ đ ấ t dưối t á n cây được giả t h i ế t bằng:

Hg = PaCp(CS0ILCơf u af) (Tgl - T af) (28)

Trong các công thức (27) và (28), pa là mật độ không khí bề mặt; Csoilc là hệ sô"

truyền giữa không khí trong t á n cây và đất phía dưới, được giả thiết bằn g 0.004; Taf là nhiệt độ bên trong t á n lá. Từ các phương trình (26)-(28) có thể tính được nhiệt độ Taf:

T af = (cATa+cFTf+cGT gl)/ (cA+cF+cG) (29)

trong đó CA = ơ fCDVa; CF = ơfLsAI rj“l ; CG = CSoiLc<*fUaf. Tương tự, không khí trong tán cây được giả t h iế t là không có khả năng tích lũy hơi nưộc sao cho dòng nước từ không khí t r o n g t á n cây E a cân b ằ n g với dòng t ừ t á n lá E f và từ đ ấ t E g:

E a = Ef + E g (30)

Ea = pacA(*qaf - q«) (31)

Eg = PaCcfgfag.s - q af) (3 2 )

tron g đó q g s là nồng độ hơi nước tro ng đ ấ t bão hòa; fg là n h â n t ố xác đ ị n h t r ạ n g t h á i ẩm, được đ ị n h n g h ĩ a b ằ n g tỷ sô' giữa bốc hơi th ực t ế và bốc hơi tiề m n ă n g của đất; qaf là độ ẩm r i ê n g c ủa k hôn g k h í bên trong t á n lá. Giải các ph ươ n g t r ì n h (30)-(32) ta n h ậ n được qaf.

g) N h iệ t độ lá

P h ư ơn g t r ì n h cân b ằ n g cuối cù ng để n h ậ n được sự t h o á t hơi t ừ thực v ậ t là phương t r ì n h bảo t o à n n ă n g lượng của t á n lá:

R n(Tf) = L E f(Tf) + Hf(Tf) (33)

tr o n g đó R n là bức xạ t h u ầ n mà t á n lá hấ p t h ụ được. Giải ph ư ơ n g t r ì n h nà y t a n h ậ n được n h i ệ t độ t á n lá Tf.

h) Các d ò n g n ă n g lượ ng từ đ ấ t kh ô n g có lớp p h ủ thự c vật

Các dòng h iể n n h iệ t F BARE và ẩn n h iệt Qbare từ đất không bị thực v ậ t bao phủ được cho bởi:

F B A R E = WG(Tgl - ^{T s )} (34)

Qbare = WG(qg - qs) (35)

WG = CD(l-ơ f){ (l-ơ f)V a Hh ơf[XBU af + (1 -X B)V J} (36) XB = Min {1, Rough)

2.6 Đ ộ ẩ m đ ấ t k h i có lớp p h ủ th ự c v ậ t

Tr o n g tr ư ờ n g hợp có t h ự c vật, các phươ ng t r ì n h xác đ ị n h n g u ồ n ẩ m đ ấ t và ỉớp t u y ế t p h ủ (4)-(6) và (9) trở t h à n h :

^ 2 L = PrỢ - ơ f ) - R , -Yw, -[3 E tr - F q + s m + D W (37)

Ỡt

50 P h a n V ă n T â n, N g u y ễ n H ư ớ n g Đ iê n , D ư Đ ứ c T iế n

^ỡs = Pr ( l - ơ f ) - R s - y w2- E t r + Sm + Dw (38) ơt

^ÔS = Pr ( l - a f ) - R w - E l r - F q + S m + D w (39)

ơt

^ - = P r ( l - ơ f ) - F q - S m + D s ( 4 0 )

trong đó p là p h ầ n t h o á t hơi t ừ lớp đ ấ t t r ê n cùng; Dw là tốc độ rơi t ừ lá c ủa lượng nước vượt qu á k h ả n ă n g lưu giữ (của lá) t r ê n một đơn vị diện tích đất; Ds tươn g tự như Dw n h ư n g đối với tuyết; và Rw = Rs+Rg là dòng chảy m ặ t tổng cộng.

3. V a i tr ò c ủ a b ề m ặ t đ ô i v ớ i c á c d ò n g n ă n g

lượng

n h i ệ t ẩ m

N h ằ m đ á n h giá ả n h hưởng của các loại bê m ặ t đến các dòng n h i ệ t ẩ m tr on g mô h ì n h khí h ậ u c h ú n g tôi sử d ụ n g sơ đồ BATS mô t ả t r ê n đây cho một sô" loại bề m ặ t điển hì n h ở Việt N a m , bao gồm đ ấ t nông nghiệp (crop - S l ) , cây lá n h ọ n th ường xanh (evergreen n e e d le le a f tree - S2), cây lá rộng thường xanh (evergreen b ro ad l e af tree - S3) và cỏ t ố t (tall g r a s s - S4). Một sô' đặc t í n h của các loại bề m ặ t này được d ẫ n r a tr o n g b ả n g 1.

B ả n g 1. Đặc t r ư ng của một sô" loại bề m ặt điển hì nh [3]

Ký hiệu loại bề m ặ t SI S2 S3 S4

Độ che p h ủ cực đại - ơ f max 0.85 0.80 0.90 0.80

Hiệu giữa độ che p h ủ cực đại và độ che p h ủ ở n h i ệ t 0.6 0.1 0.5 0.3 độ 269K

Độ gồ ghề (m) 0.06 1.0 2.0 0.1

Độ sâ u lớp đ ấ t có rễ - Zr (m) 1.0 1.5 1.5 1.0

Độ sâ u lớp đ ấ t t r ê n c ù ng -

z„

(m)

0.1 0.1 0.1 0.1

Độ dày cột đ ấ t tổng cộng -

z t

(m)

10 10 10 10

Độ cao dịch ch u y ển (m)

0.0

9.0 18.0

0.0

Albedo của thực v ậ t đôi với bước sóng Ầ<0.7|im

0.1

0.05 0.04 0.08 Albedo của thực v ậ t đối với bước sóng Ầ>0.7|im 0.30 0.23

0.20

0.30

K h á n g trở khí k h ổ n g nhỏ n h ấ t (s/m)

120 200 150 200

LAI lớn n h ấ t 6 6 6 6

LAI nhỏ n h ấ t 0.5 5.0 5.0 0.5

Chỉ s ố diện tích t h â n (và cây bị chết) 0.5 2.0 2.0 2.0

N ghịch đảo căn bậc hai của kích thước lá (m~1/2) 10 5 5 5

Loại đ ấ t tương ứn g với loại bề m ặ t 6 6 8 6

Mà u đ ấ t tương ứng với loại đ ấ t 5 4 4 4

Sơ đổ B a ts và ứ n g d ụ n g tro n g việc tín h các d ò n g trao dôi.. 51 Thông thường, với mục đích khảo sá t độ n h ạ y của SVAT người ta chạy tính độc lập ( s t a n d - a l o n e , offline simulation) các sở đồ này với n h ữ n g tập số liệu giả định cho trước là các t h a m sô' mô tả tác động từ khí quyển (atmospheric forcing). Số liệu giả định này được d ù n g làm đ ầu vào cho sơ đồ bề mặt, bao gồm n hi ệt độ, độ ẩm không khí, bức xạ, giáng thủy,... Khi chạy kế t hợp với các mô h ìn h khí h ậ u giá trị các biến nà y nói ch u ng là kế t quả tính tại mực t h ấ p n h ấ t của mô h ìn h khí quyển (Atmospheric Model - AM) [7, 8]. Tuy nhiên, khi các tác động từ khí quyển chỉ được coi là th a m sô, chứ không p h ả i là b iến, thì các thông lượng bể m ặ t kêt x u ấ t t ừ SVAT sẽ không ý nghĩa tác động tới khí quyển, và do đó các quá t r ì n h hồi tiếp (feedback) giữa đ ấ t và khí quyển sè không được đê cập tói [7]. Mặc dù vậy, trong p h ạ m vi bài này, ch ún g tôi sử d ụ n g sơ đồ BATS ỏ chê độ chạy t ín h độc lập. Các t h a m số đầu vào cho BATS sử dụ ng ở đây được dẫ n r a trong b ả n g 2, tr ong đó ứng với bốn loại bề mặt được chọn t r ê n đây, c h ú n g tôi tiến h à n h n ă m trường hợp t hử nghiệm, ký hiệu là T H I , TH2, TH 3a, TH3b và TH4. Các trường hợp t h ử ng hi ệm TH2, TH3a, TH3b và TH4 được xem n h ư n h ữ n g trường hợp khảo s á t độ n h ạ y của các t h a m số đầu vào so với T H l b ằ n g cách t h a y đổi tốc độ giáng thủy, dộ che p h ủ của lá,

Các tham sô giả định của bức xạ mặt tròi và n h iệt độ khí quyển được giả thiêt đơn giản là biến t hi ê n theo d ạ n g h à m sin với giá trị cực đại đ ạ t vào lúc 12 giờ trư a hà ng ngày. Trị sô" bức xạ cực đại, nh i ệt dộ không khí t r u n g bình và biên độ dao động nh i ệt ngày tương ứng được chọn đồng n h ấ t b ằ n g 800

w/m2,

27°c và

3°c.

Thời gian tích phân là 30 ngày (tương đương 1 tháng) với bước tích phâ n bằng 1800s (30 phút).

Trong b ả n g 2, t ầ n s u ấ t giáng th ủ y là kh oả n g thòi gian giữa hai lần có giáng thủy. Riêng đôi với TH4, trong suốt thời gian tích p h â n giáng th ủ y chỉ xảy ra một lán. Mỗi lần có giáng thủy, thời gian kéo dài của đợt giáng t h ủ y b ằ n g một bước thời gian tích phân. Điều đó cũng có nghía t ầ n s u ấ t giáng t h ủ y là k ho ả ng thời gian giữa hai lần bề m ặ t được cung cấp một lượng giáng t h ủ y b ằ n g tích của tốc độ giáng t hủy và một bước thòi gian tích phân.

B ả n g 2. T h a m sô" đầ u vào cho các trường hợp th ử nghiệm Các trường hợp

thử nghiệm

Giáng thủy Độ ẩm ban đầu

trong các lớp đất (mm)

Mức độ phủ thực

vật (ơf)

Tần suất Tốc độ Q■SW qurw St.

Trường hợp 1 (THl) Trường hợp 2 (TH2) Trường hợp 3a (TH3a) Trường hợp 3b (TH3b) Trường hợp 4 (TH4)

5h 511 5h 5h Xảy ra vào ngày thứ 3

10” ' ms"1 5 ^X 10"3 ms"1

10”3 ms”1 10‘3 ms"1 10"3 ms"1

0.3Z„

0.3Z„

0.3Z„

0.3Z„

0.2Z„

0.3Zr 0.3Zr 0.3Zr 0.3Zr 0.2Zr

0.3Z, 0.3Zt 0.3Zt 0.3Z, 0.2Z,

ơ f.iunx

ơ r.ma«

0-8 ^X ơ f m;,x 0-5 X ơf mox

52 P h a n Vàn T ả n, N g u y ễn H ư ớ n g Điên, D ư Đức T iến 3.1 Ả nh hư ở ng c ủ a các loai bê m ậ t đến các d ò n g tra o đôi n h iệ t ảm

Đặc t r ư n g điển h ì n h cho các loại bề m ặ t trước hế t là độ che p h ủ thực vặt của chúng. Độ che p h ủ thực vậ t ở đây được xác đị nh b ằ n g tích của tổng chỉ số diện tích lá (LAI) và t h â n (SAI) với mức độ che phủ (LSAIx a f). Ngoài ra, Ịnỗi loại bề mặt còn được đặc tr ư n g bởi n hi ều t ín h c h ất khác (bảng 1). Từ b ả ng 3 có thê n h ậ n th ấy , về trị tuy ệt đối, các dòng hiển nh i ệt và ẩn n hi ệt gần n h ư tỷ lệ với độ che p h ủ thực vặt của từng loại bề mặt. Bề m ặ t có độ che ph ủ lớn thì thông lượng t r ao đổi n h i ệ t ẩ m giữa bể m ặt và khí quyển phía t r ê n càng lớn. Khi t h a y đổi độ p h ủ thực vật, các dòng n ă n g lừợng và nước t ừ các loại bề m ặ t đều biến đổi k h á m ạ n h (TH3). Kết q u ả này k há phù hợp với [7, 9]. Càn g giảm độ che phủ, dòng hiển n h i ệ t càng t ă n g (bề m ặ t nóng lên nhiều), tốíc độ bốc t h o á t hơi của bề m ặt cà ng giảm (dòng ẩn n hi ệt nhỏ), và làm t ă n g lượng dòng chảy m ặ t (do giảm t ầ n g c h ắ n giáng thủy). Với tốc độ và tần s u ấ t giáng th ủ y vừa ph ả i (TH l), bề m ặ t có độ che p h ủ lớn sẽ có dòng chảy m ặ t nhỏ. Tuy nhiên, khi cường độ và/hoặc t ầ n s u ấ t giáng t h ủ y t ă n g lên n hi ều thì mối q u a n hệ này không còn nữa (TH2). Sự t ă n g đột biến của dòng chảy m ặ t ở TH2 so với T H l của loại bề m ặ t S3 là một tro ng n h ữ n g đặc điểm đ á n g chú ý mà ch ún g tôi sẽ đề cập đến trong thời gian tối đây.

B ả n g 3. T r u n g bình t r ê n toàn k hoả ng thời gian tích p h â n của các dòng n h i ệ t ẩm

Ký hiệu loại bề mặt SI S2 S3 S4

Độ che phú thực vật (m2m“2) 5.52 6.40 7.20 6.40

T H I Hiển nhiệt (W/m2)

Ân nhiệt (W/m2) Bốc hơi (mm/ngày)

Dòng chảy mặt (mm/ngày)

-7.6 131.3

4.5 3.2

-30.6 150.1 5.2 2.5

-88.0 223.9 7.7

1.4

-8.8 131.3

4.5 2.9

J TH2

Hiển nhiệt (W/m2) -7.7 -31.1 -89.1 -8.9

Ân nhiệt (W/m2) 133.0 152.7 226.8 133.1

Bốc hơi (mm/ngày) 4.6 5.3 7.8 4.6

Dòng chảy mặt (mm/ngày) 34.1 33.2 36.1 31.6

TH3

a b a b a b. a b

Hiển nhiệt (W/rrr) Ân nhiệt (W/m2) Bốc hơi (mm/ngày)

Dòng chảy mặt (mm/ngày)

-4.4 127.6

4.4 3.2

2.4 122.4

4.2 3.4

-21.3 139.7 4.8 2.6

- 10.1 131.9 4.6 3.0

-24.1 203.6

7.0 1.7

-21.5 178.5 6.2 2.2

-5.0 127.6

4.4 2.9

-0.7 125.3

4.3 3.0 TH4

Hiển nhiệt (W/m2) 76.1 82.2 110.7 65.8

An nhiệt (W/m2) 25.7 56.4 38.5 47.1

Bốc hơi (mm/ngày) 0.9 2.0 1.3 1.6

Dòng chảy mặt (mm/ngày) 0.02 0.04 0.04 0.04

S ơ đồ B a ts và ứ n g d u n g tro n g viêc tín h các d ò n g trao đôi.. 53 3.2 Vai trò của tá c đ ông từ k h í quyến đến các d òn g tra o đôi n h iê t âm từ bê m ă t

Một trong n hữ ng tác động từ khí quyển có thể tạo nên n h ữ n g hiệu ứng hồi tiếp q u a n tr ọn g giữa đ ấ t - khí quyển là giáng thủy. Ảnh hưởng của giáng t hủ y đên các dòng n ă n g lượng và nước từ bê m ặt được quy định bởi tốc độ và t ầ n s u ấ t giáng thủy.

Nếu tốc độ giáng t h ủy lớn, lượng nước dư t hừa sau khi tái bốc hơi và bị chặn giữ bởi t á n thực vật không kịp t h â m xuông các lớp đ ấ t sâu sẽ biến t h à n h dòng chảy mặt.

Nếu t ần s u ấ t giáng t h ủ y lớn, bê m ặ t có t hể luôn ở t r ạ n g thái bão hòa do liên tiêp được cung cấp nước, và lượng nước dư t h ừ a cũng sê biến t h à n h dòng chảy mặt.

Ngược lại, nếu t ần s u ấ t và tốc độ giáng thủy,nhỏ, nước cung cấp cho bề m ặ t bị thiêu h ụ t và dòng chảy m ặ t có thể bị triệt tiêu. Giáng t h ủ y còn tạo cho bể m ặ t lạnh hơn, dòng hiển nh iệ t khi đó sẽ có hướng từ k+ií quyển đến bê mặt.

So s á n h T H I và TH2 ta thấy, khi t ă n g tốc độ giáng t h ủ y lên 5 lần các dòng ẩn nh i ệ t và bôc hơi từ t ấ t cả các loại bê m ặ t đều t ă n g và có hướng từ bê m ặ t vào khí quyển, dòng hiển nhiệt cũng t ả n g nh ưn g có hướng ngược lại. Tác động đ á n g kể của sự tăn g tốíc độ giáng th ủ y tron g trường hợp này là làm t ă n g nhiều lẩn dòng chảy mặt, đặc biệt đôi với loại bê m ặ t S3.

TH4 là một kịch b ả n thường được dưa ra trong việc mô phỏng k h ả nă ng chặn giừ giáng thủ y của thực vật [1, 4]. Trong trường hợp nà y giáng t h ủ y dược giả thiết chỉ xảy ra một lần vào ngày t h ứ ba trong suốt thời gian tích phân, và độ ẩm đ ấ t ban d ầ u cũng nhỏ hòn so với các trường hợp khác. Từ h ìn h 5 ta thây, trước khi có giáng thủy, bốc hời bê mặt, và CỈO đó cả lượng ẩn nhiệt, giảm n h a n h do bề m ặ t không được cung cấp nước, còn dòng hiển nh iệ t cũng t ă n g theo thời gian và có hướng lên tr ên vê phía khí quyển. Ngay sau khi xảy ra giáng thủy, dòng ẩ n n h i ệ t t ă n g lên, dòng hiển nh iệ t giảm xuống, còn dòng chảy m ặ t t ăng đột ngột rồi giảm n h a n h sau đó. Khoảng từ ngày-thứ năm trỏ đi kể từ thời điểm ban đầu, dòng hiển n h i ệ t t ă n g n h a n h đến giá trị nào đó và gữ gần n h ư không đổi. Tình huông xảy ra ngược lại đôì với dòng ẩn nhiệt.

4. Kết l u ậ n

Bằng việc sử dụ n g sơ đồ BATS đê khảo s á t vai trò của bê m ặ t đ ấ t đôi với các dòng trao đôi n ă n g lượng và nước giữa đ ấ t - khí quyển c hú n g tôi đã tiến h à n h tính toán thử nghi ệm cho 4 loại bể m ặ t khác n h a u và vối 5 nhóm t h a m số’ đầu vào khác n h a u đặc t r ư n g cho mức độ che p h ủ của thực v ậ t cũng n hư tác động của điều kiện khí quyển. N hữn g kết quả n h ậ n được cho t hấy rằng:

1) Trong cùng điều kiện tác động từ khí quyển, sự tr ao đổi n ă n g lượng và nước giữa các loại bể m ặ t khác n h a u và khí quyển có sự khác n h a u rõ r ệ t (bảng 3, hình

1-5). Bề m ặ t có độ che p h ủ thực v ậ t lốn hơn thì sự t r a o đổi các dòng hiển nhiệt và ẩ n nh iệ t giữa bể m ặ t và khí quyển càng xảy ra m ạ n h mẽ hơn. Trong 5 trường hợp t h ử nghiệm, ngoại t r ừ TH4, các trường hợp còn lại đều t h ể hiện giá trị t r u n g bình

54 P h a n Văn Tản, N guyễn H ư ớng Điên, Dư Đức Tiên ngàv của dòng ẩn nh i ệ t có hướng đi lên từ bề m ặ t còn dòng hiển nh i ệ t lại có hướng đi xuống.

2) Sự biến đôi của độ che ph ủ thực v ậ t có tác dộng đá ng kê đến các dòng năng lượng từ các loại bề m ặ t khác nha u. Việc giảm độ che phú thực v ậ t sẽ làm t ă n g dòng hiển nhiệt, làm giảm tốc độ bốc t h o á t hơi của bê mặt, và làm t ă n g lượng dòng chảy mặt (do giảm vai trò c h ặn giữ giáng thuỷ).

3) Ngoài việc ả n h hưởng tới các dòng hiển n h i ệ t và ẩn nhiệt, tốc độ và t ầ n s u ấ t giáng thủ y có tác động hết sức q u a n trọng tới dòng chảy mặt. Sự suy kiệt của dòng chảy mặt, giảm dòng ẩn nhiệt, t ă n g m ạnh và đôi hướng dòng hiển nh iệ t t ừ bê m ật vào khí quyển do không có giáng t hủ y (TH4) là một trong n h ữ n g đặc điểm d á n g chú ý khi xem xét vai trò của bê m ặ t trong các mô hình khí hậu.

t . l l » - s ĩ « o ♦ 14

h « ỉ\ I ị h

■ •'> __ í *• f L*. * f

»} v-v n V v ĩ W v *

i 4 • '4 . ' , " » * ■ , . * • »

* r- 4 ■ r ’ * < ■»%•** y t * u

» ấ * 4 * 4 *

• i t - l ĩ * t ỉ • v4 »1 - í? * iì • v4

V*t

ỉi Ắ Ầ Ấ

•«. fj I ’ í *'1 ‘ f i ỉ ’ i I í i í í h f l i t . ỉ* * \. 11 Ị. ‘I ị

ị j | Ị i í

J li li Li ] * 0 / R $ il ĩ S s B ^I 1 '1 1 " U i I

n i 11 ÍL.I M Ỉ' M _{ÉMMi MMA MBA MàA ầÊ/t^t} ! _ếúỂHkI

a) Dòng hiển n h i ệ t b) Dòng ẩn nh iệt c) Dòng c hảy mặt í/mA 1. Diễn biến của các dòng bề m ặt trong 6 ngày tích p h â n dầu tiên, T H l

i l l - » - |J * |J > M . ^

L_; ằ' jilt . 4 '

o I Ầ

, ° -17* * ,• •

ị t-v •* IC;. / s ».* Ị > : “i *t s ‘i * Ị I I * I 1 4 ; 1 |' ì * 1 *

. ♦ N * * *1.11 I I

ỉ I►ị ị*

i

_{• h}

ỉ

ị

ẳ

1 *

* I f J

y L t ặ ầ - *$"•

V ị * ^,4 r ỉ ỉ 1

1 * ỉ;

ã

y

^{ị /}

iiỉ-....ẳẶ

«> -* »2 • li • V*

í li li

ỉ ll ^-

a) Dòng hiển n h i ệ t H ìn h 2. Diễn biến của các

À i l i í I ft

ị ; • * . I f A I / • . . I ■ J ; ^ J t

« t • V * * 11^'/ •* . - / ^ » / - d V / s 4 ự ề •

b) Dòng ẩn nh iệ t c) Dòng c hảy m ặt dòng bể mặt trong 6 ngày tích p h â n đầ u tiên, TH2

n i. *2 « *3 • v t ị t i o *? * »J • «4

» * ^{» -} ! ^t Ị

ẳ ĩ ^ị 1 1 ẳ : n t ỉ 11, 11 i I

l ' | n t ì ì Ị Ị ' í

. ■

: M M ..ụ ỵ - U ; W

Ị X -pv V _ Ao c) Dòng ch ảy mặt b) Dòng â n nh iệt

a) Dòng hiển n h i ệ t

H ình 3. Diễn biên của các dòng bề mặt trong 6 ngày tích phân đầu tiên, TH 3a

Sơ đồ B a ts và ứ n g d u n g tro n g việc tín h các d ò n g tra o đôi.. 55 I 1

* M Ỉ M

4 : ì ‘ í I 1 I

i l i l M I

a) Dòng hiển n h i ệ t b) Dòng ẩn nhi ệt c) Dòng chảy mặt H ỉnh 4. Diễn biến của các dòng bê mặt trong 6 ngày tích p h â n đầu tiên, TH3b

&l • s ? à *3 • i4 3 ♦ í4

.ề •• _{■ \}

a) Dòng hiển n h iệ t b) Dòng ẩn n hi ệt c) Dòng chảy mặt H ìn h 5. Trun g bình ngày của các dòng bê mặt, TH4

T à i l i ệ u t h a m k h ả o

1. Giogri F., Modeling Land Surface Processes in Climayte Models, I, II, III, Workshop on Land-A tm osphere Interactions in C lim ate Models, The abdus salam international centre for theoretical physics, ICTP, Italy, 2001.

2. Avissar R., A conceptual aspects of a statistical dynamical approcah to represetation of landscape subgrid scale heteorogeneitu in atmosphereic model, Jo u rn a l o f Geophgysical Research, V97, No D3, Febr uary 1992, pp.2729-2742.

t

3. Avissar R. and Piekle R., A parameterization of heterogeneous surface land surface for atmospheric numerical model and its impact on regional meteorology, M onth Weather Review, V117, 1989, pp. 2113-2136.

4. Piekle R. et al., Interations between the atmosphere and terrestial ecosystem:

influence on we at h e r and climate, Global Change Biology, 1998,4, pp.461-475.

5. Viterbo p., A reviews of parameterization of land surface, M eteorological tra in in g course lecture series o f ECMWF, 2003, 49p.

6 . Dickinson R. et al., Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme (BATS) version le as coupled to the NCAR Community Climate Model, N C A R /T N -3 8 7 + S T R , N C A R Tech. Note, 1993. 72p.

7. Pi tm an A. J., Assessing the Sensitivity of a Land Surface Scheme to the Par am e te r Values Using a Single Column Model, Journal o f Climate, Vol 7, 1994, pp. 1856-1869.

56 P h a n Văn T ả n, N g u y ền H ư ớng Đ iê n, Dư Đức Tiến 8. Wilson M. F. et al., Sensitiveity of the Biosphere-Atmospheree T r an sf e r Scheme

(BATS) to the Inclusion of Variable Soil Characteristics, Jo u rn a l o f C lim ate and A pplied Meteorology, Vol 26, 1987, pp.341-362.

9. Milhailovic D. T. et al., A study of the sensitivity of land surface parameterizations to the inclusion of different fractional covers and soil textures, Jo u rn a l o f Applied Meteorology, Vol 31, pp. 1477-1487.

VNU. JOURNAL OF SCIENCE, Nat., Sci., & Tech., T.xx, N01. 2004

BATS S C H E M E AND ITS A P P L I C A T I O N FO R CALCULATING T H E EN ERGY AND WATER EXCHANGED FLUXES BETW EEN LAND SURFACE -

A T M O S P H E R E

P h a n V a n T a n , N g u y e n H u o n g D i e n , D u D u e T i e n D e p a rtm e n t o f H ydro Meteorology a n d Oceanography

College o f Science - VNU

In this stu d y we use BATS scheme to inv es tigate the energy a n d w a t e r fluxes between land surfa ces a n d a tm o s p h e r e with five different scenarios, denoted by T H I , TH2, TH 3a, TH3b a nd TH4. Four types of veget ation/land - cover a r e chosen, which consist of crop (Si), ev ergreen needle leaf tree (S2), ev er gr ee n b r o ad l e af tree (S4), and tall gr as s (S4). For each scenario, set of p a r a m e t e r s r ep r e s e n ti n g c h ar ac t er s of v e ge ta t i o n /l a n d - c o v e r types, a tm osp he ric forces, such as th e fractional vegetation cover, the initial values of soil mois tur e in soil layers, th e precipitation rat e and frequency, are given. The re s u l ts showed t ha t, l a t e n t he at, sensitive h e at fluxes and r u n - off are r a t h e r sensitive with land surface types. In the same driving forces of a tm o s p h e r e , fluxes from/to the land surface with larger of fractional vegetation cover are stronger. The increase of pr eci pi ta tio n r a t e (TH2) lead to much more in crea sin g run - off from surface type of S3 th a n other. In the case of long time w i t h o u t precipitation, sensitive h e a t fluxes from land surface types to a t m o s p h e r e are strongly increased.

i