ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- VÕ THỊ TÂM MINH ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường Mã số: 60850101 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. Hồ Chí Minh, năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. Bùi Tá Long Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.
Nguyễn Thị Bảy Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. Phùng Chí Sỹ Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. Hồ Chí Minh ngày 31 tháng 01 năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. Chủ tịch hội đồng: PGS.
Bùi Xuân Thành 2. Thư ký hội đồng: TS. Võ Nguyễn Xuân Quế 3. Ủy viên Phản biện 1: PGS.
Nguyễn Thị Bảy 4. Ủy viên Phản biện 2: PGS. Phùng Chí Sỹ 5. Ủy viên hội đồng: PGS.
Chế Đình Lý CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA………… i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ THỊ TÂM MINH. MSHV: 1570463 Ngày, tháng, năm sinh: 17/04/1992. Nơi sinh: Bến Tre Chuyên ngành: Quản lý Tài nguyên và Môi trường.
TÊN ĐỀ TÀI: ỨNG DỤNG MÔ HÌNH WRF XÂY DỰNG BỘ DỮ LIỆU KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ MÔ PHỎNG CHẤT LƯỢNG KHÔNG KHÍ TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tìm hiểu mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết WRF (Weather Research and Forecasting), các phương trình mô hình, động lực học, vật lý mô hình; quy mô, lưới tính cho các nghiên cứu ứng dụng mô hình WRF. Xây dựng lưới tính cho khu vực Thành phố Hồ Chí Minh với bốn lưới lồng để tạo bộ dữ liệu khí tượng phục vụ tính toán lan truyền ô nhiễm trong không khí. Kết quả là xây dựng được các bộ số liệu khí tượng cho khu vực Phường 2, Quận 10 – TP.
Hồ Chí Minh. Dữ liệu ứng dụng tốt cho tính toán ô nhiễm CO ở khu vực một số tuyến đường tại Quận 10. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 04/09/2017 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017 V.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. Bùi Tá Long Tp. Hồ Chí Minh, ngày. năm 2018 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO PGS.
Bùi Tá Long TRƯỞNG KHOA ….……… ii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành và sâu sắc đến thầy hướng dẫn Phó Giáo sư, Tiến sĩ Khoa học Bùi Tá Long, thầy đã tận tình chỉ bảo, định hướng, đưa ra ý kiến và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong suốt quá trình em học tập, thực hiện và hoàn thành Luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các Thầy, Cô phòng Đào tạo Sau Đại học, Khoa Môi trường và Tài Nguyên, Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh, đã hỗ trợ trong việc tổ chức học tập, cung cấp cho em những kiến thức quý báu, những lời khuyên chân thành và sự giúp đỡ tận tình trong suốt quá trình học tập. Con cảm ơn gia đình đã luôn hỗ trợ, động viên, khích lệ và luôn ủng hộ con trong việc học tập và trong cuộc sống. Gửi lời cảm ơn đến các anh, chị, các bạn trong Phòng Thí nghiệm Mô hình hóa Môi trường (EMSLab), tập thể các bạn lớp cao học Khóa 2015 đã luôn đồng hành, giúp đỡ và chia sẽ trong quá trình học tập và thực hiện Luận văn này.
Vì thời gian thực hiện đề tài có hạn cũng như hạn chế về kiến thức, luận văn còn nhiều thiếu sót. Rất mong nhận được sự góp ý, chỉnh sửa của Quý Thầy/Cô và các bạn để Luận văn này được hoàn thiện hơn. Võ Thị Tâm Minh iii TÓM TẮT Lan truyền ô nhiễm trong không khí phụ thuộc vào ba yếu tố là nguồn phát thải, khí tượng và địa hình. Trong đó dữ liệu tố khí tượng yêu cầu phải có số liệu mỗi giờ.
Việc quan trắc số liệu sẽ gặp nhiều khó khăn, do đó mô hình được sử dụng để giải quyết vấn đề này. WRF là một mô hình mã nguồn mở, có khả năng mô phỏng, dự báo khí tượng hạn ngắn, mô phỏng dữ liệu khí tượng gần với xu thế của dữ liệu quan trắc. WRF được sử dụng rộng rãi cùng với các mô hình lan truyền như CMAQ, CAMx, AERMOD, CALPUFF, … để xác định, tính toán phân bố chất ô nhiễm. Trong bài báo này, phương pháp mô hình hóa sử dụng mô hình WRF để xây dựng dữ liệu khí tượng đầu vào cho mô hình AERMOD.
Dữ liệu khí tượng được kiểm định với số liệu quan trắc cho thấy mô hình WRF xây dựng được một bộ dữ liệu khí tượng tương đối gần với thực tế. Kết quả bộ dữ liệu cho ngày 7/8/2017 được ứng dụng vào mô hình AERMOD để tính toán ô nhiễm CO tại một số tuyến đường ở TP. Hồ Chí Minh. ABSTRACT Air pollution range depends on three following factors: emissions, meteorology, and topography; especially, meteorological statics requires hourly data.
Monitoring this data is so difficult that a model is needed to solve the issue. WRF is an open-source model, which is able to simulate and forecast meteorology in a short- term, meaning to simulate meteorological data up-to-date in the monitored data trend. WRF is widely used, along with transportation models, such as CMAQ, CAMx, AERMOD, and CALPUFF, to identify and calculate the distribution of pollutants. In this article, a WRF model is used to provide the meteorological data for input into AERMOD.
Meteorological data was verified with observation data, which show that WRF builds a meteorological data relatively close to observation. The record on 07/08/2017 is applied on AERMOD to calculate the distribution of CO pollutants in some locations in Ho Chi Minh City. iv LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là do chính tôi thực hiện, các số liệu sử dụng có nguồn gốc rõ ràng và kết quả nghiên cứu là trung thực, không gian lận. Võ Thị Tâm Minh v MỤC LỤC DANH MỤC VIẾT TẮT.
viii DANH MỤC HÌNH .ix DANH MỤC BẢNG. Tính cấp thiết của đề tài. Mục tiêu của đề tài. Phạm vi nghiên cứu.
Phương pháp nghiên cứu. Tổng quan về mô hình chất lượng không khí và mô hình WRF. Mô hình chất lượng không khí. Mô hình WRF.
Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, tài nguyên và môi trường của TP. Hồ Chí Minh. Tình hình ô nhiễm không khí tại TP. Hồ Chí Minh.
Nguyên nhân gây ô nhiễm không khí. Các nghiên cứu liên quan. Nghiên cứu trong nước. Nghiên cứu ngoài nước.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp tổng hợp. Tổng hợp tài liệu. Tổng hợp số liệu.
Phương pháp mô hình hóa. Thiết lập miền tính, các tham số trong mô hình WRF. Mô hình AERMOD. Chương trình chuyển đổi dữ liệu MMIF.
Phương pháp kiểm định dữ liệu. Các bước thực hiện luận văn. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN. Kết quả mô hình WRF.
Kiểm định kết quả của mô hình WRF. Dữ liệu khí tượng cho mô hình AERMOD – ngày 7/8/2017. Xây dựng dữ liệu khí tượng cho ngày 8/8/2017. Kết quả mô hình AERMOD tính toán nồng độ CO ở khu vực Phường 2, Quận 10.
Đánh giá kết quả ứng dụng dữ liệu khí tượng vào mô hình AERMOD. Đề xuất giải pháp. Một số đề xuất cho vấn đề ứng dụng dữ liệu khí tượng. Đề xuất cho môi trường.
55 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .56 TÀI LIỆU THAM KHẢO .66 vii DANH MỤC VIẾT TẮT AERMOD AMS/EPA Regulatory Model CMAQ Community Modeling and Analysis System IEA International Energy Agency FNL data NCEP Final Operational Global Analysis data MMIF Mesoscale Model Interface Program NCEP National Centers for Environmental Prediction PBL Planet Boundary Layer PM2.5 bụi mịn có đường kính ≤ 2,5 µg/m3 PM10 bụi mịn có đường kính ≤ 10 µg/m3 QCVN Quy chuẩn Việt Nam TP. Hồ Chí Minh Thành phố Hồ Chí Minh TSP Tổng bụi lơ lửng đường kính ≤ 100 µg/m3 TSN Tân Sơn Nhất WHO World Health Organization WMO World Meteorological Organization WRF Weather Research and Forecasting WRF-CHEM WRF- Chemistry viii DANH MỤC HÌNH Hình 1-1. Sơ đồ cấu trúc thành phần mô hình WRF. Tọa độ áp suất thủy tĩnh thẳng đứng theo địa hình η.
Sơ đồ lưới Arakawa-C với lưới thô và lưới con, tỉ lệ 3:1. Lưới Arakara-C tỉ lệ 2:1. Miền tính của mô hình WRF. Cấu trúc mô hình AERMOD trong nghiên cứu.
Tóm tắt các bước thực hiện Luận văn. Biểu đồ hoa gió ngày 17/05/2017 (hướng gió xuất phát) (A) Số liệu quan trắc tại trạm TSN (B) Kết quả từ WRF. Nhiệt độ bề mặt 24 giờ ngày 7/8/2017 từ số liệu quan trắc và mô hình. Chênh lệch nhiệt độ bề mặt 24 giờ ngày 7/8/2017 giữa kết quả mô hình và số liệu quan trắc.
Tốc độ gió 24 giờ từ mô hình và số liệu quan trắc ngày 7/8/2017. Nhiệt độ 2 m so sánh giữa mô hình và quan trắc ngày 8/8/2017. Biểu đồ hoa gió ngày 8/8/2017 tại Nhà Bè. Bản đồ khu vực khảo sát: tuyến đường ở Phường 2, Quận 10.
Phân bố nồng độ CO ở độ cao 2m trung bình 1 giờ ở Phường 2, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh – mô phỏng bởi mô hình WRF-AERMOD ngày 07/08/2017. Phân bố nồng độ CO trung bình 24 giờ ở Phường 2, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh – mô phỏng bởi mô hình WRF-AERMOD ngày 07/08/2017 .53 ix DANH MỤC BẢNG Bảng 1-1.
Tải lượng chất ô nhiễm chính của một số ngành công nghiệp tại TP. Hồ Chí Minh. Bản tin báo cáo thời tiết sân bay Tân Sơn Nhất. Các biến thành phần trong một file dữ liệu FNL – đầu vào của WRF.
Các thành phần chính và tọa độ khu vực tính trong mô phỏng dữ liệu khí tượng đầu vào cho mô hình AERMOD. Danh mục một số thông số khí tượng trong file đầu ra của WRF. Các thông tin có trong file dữ liệu khí tượng cung cấp cho AERMOD. Kết quả kiểm định bằng chỉ số Bias giữa mô hình và số liệu quan trắc.
Kết quả kiểm định nhiệt độ mô hình WRF so với số liệu quan trắc tại trạm TSN. Kết quả kiểm định vận tốc gió mô hình WRF so với số liệu quan trắc tại trạm TSN. Thành phần gió 24 giờ ngày 7/8/2017 so sánh giữa kết quả mô hình và số liệu quan trắc. Tính cấp thiết của đề tài Môi trường không khí tại nhiều quốc gia trên Thế giới và tại Việt Nam đang bị ô nhiễm nghiêm trọng gây ảnh hưởng đến sức khỏe và đời sống của con người.