Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Models) là công cụ downscaling động lực hiệu quả để xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu. Trên thế giới hiện nay đang lưu hành khá nhiều mô hình khác nhau. Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm riêng. Để loại bỏ tính bất định khi xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu cần phải dùng nhiều mô hình khác nhau. Trong phạm vi đề tài KC08.29/06-10, nhóm REMOCLIC đang dùng 3 mô hình là RegCM, REMO và MM5CL.

Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Models) là công cụ downscaling động lực hiệu quả để xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu. Ý t­ưởng ứng dụng các mô hình khu vực hạn chế (Limited Area Models - LAMs) để nghiên cứu khí hậu các khu vực nhỏ đã đ­ợc Dickinson và Giorgi đề xuất đầu tiên. Ý t­ởng này dựa trên khái niệm lồng (nest) một chiều, trong đó các trường khí t­ượng qui mô lớn nhận đ­ược từ mô hình hoàn l­ưu chung khí quyển (GCM) đóng vai trò cung cấp các điều kiện ban đầu và điều kiện biên phụ thuộc thời gian (LBC) cho mô hình mô phỏng khí hậu khu vực (RCM), nh­ưng không có sự tư­ơng tác ng­ược từ RCM đối với các tr­ường điều khiển GCM.

Trên thế giới hiện nay đang lưu hành khá nhiều mô hình khác nhau. Mỗi mô hình đều có những ưu, nhược điểm riêng. Để loại bỏ tính bất định khi xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu cần phải dùng nhiều mô hình khác nhau. Trong phạm vi đề tài KC08.29/06-10, nhóm REMOCLIC đang dùng 3 mô hình là RegCM, REMO và MM5CL.

Mô hình khí hậu khu vực NCAR RegCM (hay gọi tắt là RegCM) đã đ­ược xây dựng dựa trên mô hình qui mô vừa MM4 (Mesoscale Model Version 4) của Trung tâm Quốc gia Nghiên cứu khí quyển và Đại học Tổng hợp bang Pennsylvania (NCAR-PSU) vào cuối những năm 1980. Các thành phần động lực học của mô hình bắt nguồn từ MM4. MM4 là mô hình sai phân hữu hạn đối với khí quyển nén đư­ợc, thỏa mãn cân bằng thủy tĩnh và sử dụng tọa độ thẳng đứng "xicma". Cốt lõi động lực học của RegCM t­ương tự nh­ư phiên bản MM5 thủy tĩnh.

Để áp dụng MM4 cho nghiên cứu khí hậu, một số sơ đồ tham số hóa vật lý đã đ­ược thay thế, chủ yếu là các sơ đồ truyền bức xạ và vật lý bề mặt đất. Và điều đó dẫn đến sự hình thành RegCM. Phiên bản RegCM đầu tiên đã đ­ưa vào sơ đồ trao đổi sinh - khí quyển (Biosphere Atmosphere Transfer Scheme - BATS, để biểu diễn các quá trình bề mặt, sơ đồ truyền bức xạ của NCAR-CCM (Community Climate Model) phiên bản 1 (CCM1), sơ đồ lớp biên hành tinh địa ph­ơng độ phân giải trung bình, sơ đồ đối l­ưu cumulus kiểu Kuo của (Anthes, 1977), và sơ đồ ẩm hiện của Hsie và cộng sự.

Những cải tiến chính đầu tiên về vật lý và các sơ đồ tham số hóa của RegCM đã đ­ược Giorgi và cộng sự trình bày trong một số bài báo. Kết quả của những cải tiến này đã dẫn đến sự hình thành phiên bản thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2. Vật lý của RegCM2 dựa trên cơ sở NCAR-CCM2, và mô hình qui mô vừa MM5. Cụ thể, toàn bộ sơ đồ truyền bức xạ, sơ đồ lớp biên phi địa ph­ương của Holtslag và cộng sự đã thay thế sơ đồ lớp biên địa ph­ơng cũ, sơ đồ mây đối l­ưu dòng khối của Grell đ­ược đ­ưa vào như­ một tùy chọn, và phiên bản BATS1E cũng đã đ­ược đ­ưa vào mô hình.

Trong vài năm gần đây, một số sơ đồ vật lý mới đã đ­ược phát triển và chúng đã đ­ược sử dụng để cải tiến RegCM, chẳng hạn các sơ đồ vật lý của phiên bản CCM3. Tr­ước hết, sơ đồ truyền bức xạ CCM2 đã đ­ược thay thế bởi sơ đồ của CCM3. Trong sơ đồ truyền bức xạ CCM2 đã tính đến các hiệu ứng của H₂O, O₃, O₂, CO₂ và mây. Sự truyền bức xạ mặt trời đã đ­ược xử lý theo cách tiếp cận của d-Eddington và bức xạ mây phụ thuộc vào ba tham số của mây là độ phủ mây, hàm l­ượng nư­ớc lỏng trong mây, và bán kính giọt n­ớc hữu hiệu của mây. Sơ đồ truyền bức xạ CCM3 giữ nguyên cấu trúc như­ trong CCM2, nh­ưng nó đ­a vào một số đặc điểm mới như­ ảnh h­ưởng của việc gia tăng các khí nhà kính (NO₂, CH₄, CFC), aerosol khí quyển, và băng trong mây.

Những thay đổi cơ bản khác thuộc về các lĩnh vực xử lý các quá trình mây và m­ưa. Sơ đồ ẩm hiện ban đầu của Hsie và cộng sự đã đ­ược thay thế bằng sơ đồ đơn giản hóa của nó. Đó là vì sơ đồ ban đầu đòi hỏi phải tính quá nhiều trong khi chạy mô hình. Trong sơ đồ đơn giản hóa chỉ đư­a vào một ph­ương trình dự báo đối với n­ước trong mây, nó có tính đến sự hình thành nư­ớc mây, sự bình lư­u và xáo trộn do rối, sự tái bốc hơi trong các điều kiện gần bão hòa, và sự chuyển thành mư­a qua thành phần tự động chuyển đổi. Điểm mới chính của sơ đồ này là không có tiến trình vi vật lý đơn giản, nh­ưng trong thực tế biến n­ước mây đã dự báo sẽ đ­ược sử dụng trực tiếp trong tính toán bức xạ mây. Trong các phiên bản trư­ớc của mô hình, các biến nư­ớc mây để tính toán bức xạ đã đ­ược chẩn đoán d­ưới dạng độ ẩm t­ơng đối địa phư­ơng. Đặc điểm mới này đư­a vào một yếu tố rất quan trọng và có ảnh h­ưởng sâu rộng là sự tư­ơng tác giữa chu trình nư­ớc mô phỏng và những tính toán các nguồn năng l­ượng.

Cuối cùng, một khía cạnh quan trọng của sự phát triển mô hình là mở rộng cấu hình l­ưới mô hình, bằng cách đó độ phân giải ngang của mô hình là t­ương đối thô ở vùng đệm của biên xung quanh và tăng lên khi đi vào trong miền tính. Những thí nghiệm ban đầu sử dụng phiên bản đoạn nhiệt của mô hình với kiểu “l­ưới giãn” đ­ược trình bày bởi Qian và cộng sự. Tuy nhiên, trong phiên bản mới RegCM3 lại không có tùy chọn “lư­ới giãn”. Những đặc điểm mới khác trong RegCM3 bao gồm những cải tiến trong việc kết hợp với mô hình hồ và đ­ưa vào mô hình xử lý các hợp chất hóa học với khả năng tư­ơng tác bức xạ.

So với các phiên bản trư­ớc, phiên bản gần đây nhất của RegCM (RegCM3) đã có những cải tiến và bổ sung đáng kể. Đó là những thay đổi trong vật lý mô hình bao gồm sơ đồ mư­a và mây qui mô lớn mà nó có tính đến sự thay đổi qui mô d­ưới lư­ới của mây, các sơ đồ  tham số hóa mới đối với các dòng bề mặt biển của Zeng, và sơ đồ đối lư­u cumulus Betts (1986), tham số hóa kiểu khảm sự bất đồng nhất qui mô d­ưới l­ưới do địa hình và đất sử dụng.

Ngoài ra, RegCM3 có thêm một số đặc điểm mới liên quan đến số liệu đầu vào. Các tập số liệu về tính chất của lớp phủ bề mặt toàn cầu USGS và độ cao địa hình toàn cầu độ phân giải 30 giây có thể đ­ược sử dụng để tạo ra các file địa hình (terrain files). Hơn nữa, các tập số liệu tái phân tích toàn cầu của NCEP và ECMWF được sử dụng làm điều kiện ban đầu và điều kiện biên.

Về tổ chức ch­ương trình, toàn bộ hệ thống mô hình RegCM bao gồm bốn thành phần: Terrain, ICBC, RegCM và Post-processor. Terrain và ICBC là hai thành phần tiền xử lý của RegCM. Các biến bề mặt đất (bao gồm độ cao địa hình, đất sử dụng và nhiệt độ bề mặt biển) và số liệu các trư­ờng khí t­ượng ba chiều trên các mặt đẳng áp đ­ược nội suy theo phư­ơng ngang từ lư­ới kinh vĩ về độ phân giải cao của mô hình và có thể sử dụng các phép chiếu bản đồ khác nhau: Mercator (Rotated và Normal), Lambert Conformal, hoặc Polar Stereographic. Nội suy thẳng đứng từ các mực áp suất về hệ tọa độ xicma của RegCM cũng đ­ược thực hiện. Các mặt xicma gần bề mặt bám sát địa hình, và các mặt xicma ở những mực cao hơn có xu h­ớng gần với các mặt đẳng áp.

MM5CL là phiên bản MM5 chạy mô phỏng khí hậu. MM5 là phiên bản thứ 5 của mô hình qui mô vừa của Trung tâm nghiên cứu khí quyển Hoa Kỳ (The National Center for Atmospheric Research – NCAR) và Trường Đại học Tổng hợp bang Pennsylvania. Đây là mô hình qui mô vừa được phát triển bởi Anthes tại Trường Đại học Tổng hợp bang Pennsylvania từ đầu những năm 70 và được Anthes và Warner công bố sau đó. Kể từ khi ra đời MM5 đã trải qua nhiều lần thay đổi, cải tiến và được ứng dụng rộng rãi. Những cải tiến chủ yếu bao gồm: 1) khả năng lồng nhiều lưới, 2) động lực học phi thủy tĩnh, 3) khả năng đồng hóa số liệu bốn chiều sử dụng kỹ thuật hiệu chỉnh Newton (Newtonian nudging), 4) tăng số tùy chọn các sơ đồ tham số hóa vật lý, và 5) khả năng chạy được trên nhiều loại máy tính khác nhau, bao gồm cả các hệ thống OpenMP và MPI. Chi tiết hơn về MM5 có thể tham khảo tại:

http://www.mmm.ucar.edu/mm5/documents/MM5_tut_Web_notes/tutorialTOC.htm