Luận án tiến sĩ mô hình vận chuyển độ ẩm đất 3D - Hyun Il Choi

Các mô hình bề mặt đất thế hệ cũ sử dụng phương pháp bucket đơn giản. Chúng chỉ tính toán vận chuyển độ ẩm theo phương thẳng đứng. Dòng chảy ngang bị bỏ qua hoàn toàn trong các tính toán. Điều này dẫn đến sai số lớn ở vùng địa hình phức tạp. Độ dốc địa hình tạo ra gradient thủy lực ngang. Nước di chuyển từ vùng cao xuống vùng thấp theo trọng lực. Mô hình một chiều không thể mô phỏng quá trình này.

DEM cung cấp thông tin độ cao với độ phân giải cao. Dữ liệu này có sẵn cho toàn cầu với chi tiết tốt. Độ dốc và hướng sườn được tính từ DEM. Chỉ số ẩm địa hình TWI định lượng khả năng tích tụ nước. Các thuộc tính địa hình kiểm soát phân bố độ ẩm không gian. Tuy nhiên, mô hình hiện tại chưa khai thác đầy đủ tiềm năng này.

Mô hình khí hậu khu vực RCM yêu cầu độ chính xác cao. Biến động dưới lưới tính ảnh hưởng đến kết quả mô phỏng. Dòng chảy ngầm theo địa hình cần được mô tả rõ ràng. Mô hình ba chiều nắm bắt được động lực học phức tạp. Phương pháp trung bình hóa thể tích tích hợp biến động nhỏ. Điều này cải thiện khả năng dự báo thông lượng bề mặt đất.

Phương trình Richards kết hợp bảo toàn khối lượng và động lượng. Định luật Darcy mô tả vận chuyển nước qua môi trường xốp. Độ dẫn thủy lực K thay đổi theo độ ẩm theta. Hàm áp suất mao dẫn psi cũng phụ thuộc độ ẩm. Phương trình phi tuyến này khó giải bằng phương pháp giải tích. Phương pháp số cần thiết cho hầu hết ứng dụng thực tế.

Phương trình truyền thống chỉ xem xét dòng thẳng đứng. Mô hình ba chiều thêm thành phần x và y. Gradient thủy lực ngang xuất hiện ở vùng có độ dốc. Dòng chảy ngầm di chuyển theo hướng độ dốc lớn nhất. Địa hình kiểm soát hướng và cường độ dòng chảy. Mô hình 3D nắm bắt được quá trình tái phân bố nước.

Trung bình hóa thể tích tích hợp biến động dưới lưới. Mỗi ô lưới đại diện cho thể tích đất lớn. Các thuộc tính được trung bình hóa trong thể tích này. Biến động không gian được biểu diễn bằng tham số thống kê. Phương pháp này giảm số phương trình cần giải. Tính toán trở nên khả thi cho mô hình quy mô lớn.

TWI được tính từ diện tích đóng góp a và độ dốc tan beta. Công thức cơ bản là ln(a/tan beta). Diện tích đóng góp là vùng thoát nước về một điểm. Độ dốc lớn tăng tốc độ thoát nước. TWI cao chỉ báo vùng tích tụ nước tiềm năng. Các vùng thấp trũng thường có TWI cao.

Topmodel giả định mối quan hệ hàm mũ giữa TWI và độ ẩm. Mô hình này hoạt động tốt ở quy mô lưu vực nhỏ. Giả định đồng nhất về độ dẫn thủy lực bão hòa. Gradient thủy lực song song với bề mặt địa hình. Các giả định này có thể không đúng ở quy mô lớn.

VAST sử dụng phân bố thống kê TWI dưới lưới. Mối quan hệ TWI-độ ẩm được hiệu chỉnh theo dữ liệu. Không giả định dạng hàm cố định trước. Phương pháp này linh hoạt hơn Topmodel truyền thống. Biến động địa hình được nắm bắt qua tham số thống kê.

Mô hình LSM truyền thống tính dòng chảy từ cân bằng nước. Lượng mưa vượt khả năng thấm tạo dòng chảy tràn. Không có mô phỏng chuyển động dòng chảy trên bề mặt. Thời gian di chuyển đến cửa lưu vực bị bỏ qua. Dòng chảy biến mất ngay lập tức khỏi ô lưới.

Dòng chảy di chuyển theo hướng độ dốc lớn nhất. DEM xác định hướng dòng chảy cho mỗi ô lưới. Mạng lưới dòng chảy được xây dựng từ địa hình. Thời gian di chuyển phụ thuộc độ dốc và độ nhám. Phương pháp kinematic wave mô phỏng lan truyền dòng.

Dòng chảy bề mặt cung cấp điều kiện biên trên. Thấm sâu từ bề mặt bổ sung nước ngầm. Nước ngầm có thể thoát ra bề mặt ở vùng thấp. Tương tác hai chiều được mô phỏng liên tục. Cân bằng khối lượng được duy trì chặt chẽ.

DEM có độ phân giải 30m đến 90m phổ biến. Mô hình khí hậu khu vực chạy ở độ phân giải 10-50km. Mỗi ô lưới mô hình chứa hàng nghìn điểm DEM. Biến động địa hình trong ô lưới rất lớn. Độ ẩm đất phản ứng với biến động này. Giá trị trung bình đơn giản không đủ chính xác.

Biến động độ ẩm phụ thuộc vào quy mô quan sát. Phân bố thống kê thay đổi theo kích thước ô lưới. Hàm phụ thuộc quy mô mô tả mối quan hệ này. Tham số thống kê được tính cho mỗi quy mô. Phương pháp này cho phép mô hình hoạt động ở nhiều độ phân giải.

Trung bình bậc nhất nắm bắt xu hướng chung. Moment bậc hai đại diện cho phương sai. Hiệp phương sai nắm bắt tương quan không gian. Xấp xỉ bậc hai cân bằng độ chính xác và chi phí tính toán. Các phi tuyến tính chính được biểu diễn đầy đủ.

Độ ẩm đất quyết định năng lượng dùng cho bốc hơi. Đất ẩm tăng thông lượng nhiệt tiềm ẩn. Đất khô tăng thông lượng nhiệt hiện. Phân chia năng lượng ảnh hưởng nhiệt độ không khí. Độ ẩm đất cũng ảnh hưởng phản xạ bề mặt.

Quan hệ phi tuyến giữa độ ẩm và thông lượng. Trung bình thông lượng khác thông lượng của trung bình. Biến động không gian tạo ra sai lệch hệ thống. Mô hình cần nắm bắt biến động để chính xác. VAST biểu diễn phân bố độ ẩm chân thực hơn.

Tham số hóa tốt hơn giảm sai số mô hình. Phản hồi động lực học chính xác hơn. Xu hướng phi tuyến trong mô phỏng dài hạn giảm. Khả năng dự báo mùa được nâng cao. Mô hình VAST đóng góp cho mô hình khí hậu tốt hơn.