ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
----------o0o----------

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN
BỘ MÔN QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN MƠN HỌC MƠ HÌNH HĨA MƠI TRƯỜNG
ĐỀ TÀI:

ỨNG DỤNG MƠ HÌNH DỰ BÁO CHẤT LƯỢNG KHƠNG KHÍ CMAQ
TRONG VIỆC MÔ PHỎNG PHÁT THẢI CỦA BỤI VÀ CÁC HỢP CHẤT

CỦA BỤI Ở ĐÔNG Á
LỚP L01--- NHÓM 06 --- HK 231

NGÀY NỘP 29/11/2023
Giảng viên hướng dẫn: Nguyễn Châu Mỹ Duyên

Thành phố. Hồ Chí Minh, 2023

LỜI NÓI ĐẦU
Vấn đề ơ nhiễm khơng khí trở thành một thách thức lớn đối với con người và môi
trường. Trong số các yếu tố góp phần vào ơ nhiễm khơng khí, bụi và các hợp chất của
bụi đã thu hút sự quan tâm đặc biệt do tác động tiêu cực của chúng đến sức khỏe con
người và hệ sinh thái. Đứng dưới góc nhìn nghiên cứu việc tiếp cận, giải đáp và nắm
rõ cơ sở lý thuyết tốn học, khai triển mơ hình tốn học để mơ phỏng mức độ ơ nhiễm,
lan tỏa của bụi bằng những hình ảnh chi tiết và trực quan là điều cần thiết. Đưa ra câu
trả lời rằng tại thời điểm đó, khu vực đó có ơ nhiễm khơng? Ơ nhiễm với nồng độ bao
nhiêu, với những mức thời gian khác nhau thì phát tán như thế nào?

Nội dung báo cáo này chủ yếu nghiên cứu việc khảo sát, phân tích bụi và các
hợp chất gắn với bụi trong quá trình phát tán bụi bằng việc thu thập dữ liệu từ các trạm
quan trắc và sử dụng mơ hình CMAQ để mơ phỏng dự báo và phân tích dữ liệu từ
những nghiên cứu trước đây tại khu vực Đông Á.

Trong quá trình thực hiện báo cáo khó tránh những sai sót. Chúng tơi hy vọng
q thầy cơ chỉnh sửa, đóng góp ý kiến để báo cáo này hoàn chỉnh hơn. Chúng tôi xin
chân thành cảm ơn

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH ẢNH i

DANH MỤC BẢNG ii

DANH SÁCH BẢNG VIẾT TẮT iii

I. PHẦN MỞ ĐẦU 1

1. Tính cấp thiết của đề tài 1

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1

II. NỘI DUNG 2

1. Giới thiệu 2

2. Phương pháp 6

2.1. Cải thiện module phát thải bụi do gió của CMAQ 6


2.2. Thực hiện xác định hồ sơ về thành phần và tính chất hóa học của các

ơ nhiễm dựa trên nguồn gốc cụ thể. 10

2.3. Thực hiện các phản ứng của hợp chất bụi 12

2.4. Đầu vào mơ hình, cấu hình và kịch bản mơ phỏng 13

2.5. Quan sát 16

3. Kết quả 17

3.1. Cải thiện hiệu suất mơ hình với ngưỡng vận tốc ma sát được sửa đổi17

3.2. Tác động của việc áp dụng hồ sơ phụ thuộc nguồn 19

3.3. Tác động của hóa học dị thể 21

4. Thảo luận 24

4.1. Mô phỏng sự kiện bão bụi nghiêm trọng 24

4.2. Những điểm không chắc chắn cịn tồn tại trong hệ thống mơ hình 30

5. Tóm tắt 33

TÀI LIỆU THAM KHẢO 35

DANH MỤC HÌNH ẢNH


Hình 1 . (a) Các loại môi trường đất (land cover), (b) loại đất (soil types), và (c) so

sánh hằng số ngưỡng tốc độ ma sát ban đầu giữa các mơ hình bụi mặc định (đánh dấu

màu xanh) và mơ hình bụi được sửa đổi (đánh dấu màu đen) cho vùng cây bụi (phía

trên), vùng cây bụi và cỏ kết hợp (ở giữa), và vùng đất khơng có thực vật hoặc thực

vật thưa thớt (phía dưới). 9

Hình 2 . Vùng mơ hình hóa và vị trí của các trạm quan sát 14

Hình 3 . Chênh lệch nồng độ PM10 trong 5 năm 18

Hình 4 . Đánh giá CMAQ so với PM10 từ API (hàng trên) và AOD (hàng dưới cùng)

từ AERONET cho các kịch bản 19

Hình 5 . Đánh giá mơ hình của máy theo dõi kim loại mô phỏng CMAQ 20

Hình 6 . Trung bình 5 năm trong tháng 3 và tháng 4 từ 2006 đến 2010 về tác động hóa

học của các hợp chất bụi với hệ số hấp thụ dưới và trên 23

Hình 7 . MODIS hàng ngày được quan sát và AOD mô phỏng CMAQ 26

Hình 8 . Quỹ đạo chuyển tiếp từ (f) HYSPLIT và các biến đổi theo thời gian của PM10

và AOD trên quy mô hàng ngày 27


Hình 9 . Dự đốn CMAQ về tốc độ phát thải bụi và độ lệch mô phỏng của PM10 so

với quan sát từ API và EANET 30

Hình 10 . Tỷ lệ độ ẩm trung bình trong 5 năm (trong tháng 3 và tháng 4) ở độ sâu đất

10 cm trên cùng từ (a) FNL và (b) GLDAS. 33

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 . Gía trị giới hạn độ ẩm đất bão hòa (S1) 7

Bảng 2 . Cấu hình đặc tính phát thải bụi từ CMAQ mặc định và cấu hình thu được

trong nghiên cứu này đối với sa mạc Taklamakan và sa mạc Gobi 13

Bảng 3 . Các phản ứng của hợp chất bụi và hệ số hấp thụ. 15

Bảng 4 . Thiết kế mô phỏng 15

Bảng 5 . Các trạm quan sát được sử dụng ở nghiên cứu này 17

Bảng 6 . Thống kê đánh giá kim loại vi lượng và PM2.5 20

Bảng 7 . Đánh giá CMAQ dựa trên các quan sát EANET đối với các kịch bản Dust_

Profile, Dust_Chem và Dust_ChemHigh đối với các loài O3, SO2, SO42-, NOx, HNO3

và NO3-. 24


DANH SÁCH BẢNG VIẾT TẮT

Thuật ngữ Viết tắt Thuật ngữ Giải thích thuật ngữ
Tiếng Anh
Heterogeneous tiếng việt
chemistry
HC Hợp chất bụi Hóa học khơng đồng nhất, gọi
Community
Multiscale Air tắt là hợp chất bụi, đề cập đến

Quality các q trình hóa học xảy ra

Aerosol optical trên các bề mặt không đồng
detph
nhất, thường là bề mặt của các
Fine-mode
particle hạt nhỏ, bụi, hay các pha rắn

CMAQ Mơ hình dự báo trong mơi trường khí quyển.
Là một mơ hình để mô phỏng

chất lượng và dự đoán chất lượng không

khơng khí khí tại các khu vực địa lý khác

nhau, tác động của các nguồn ô

nhiễm khác nhau như giao


thông, công nghiệp, và hoạt

động nhân tạo khác, giúp ước

lượng nồng độ các chất gây ô

nhiễm như ozone, hạt bụi, khí

CO, NOx và các chất khác trong

AOD Khả năng đo khơng khí.
Là một đại lượng để đo lường

lường ánh sáng khả năng hấp thụ và phản xạ

của bụi của bụi, hạt nhỏ và khí trong khí

quyển đối với ánh sáng. Nó đo

lường mức độ giảm sáng khi

ánh sáng từ mặt trời đi qua khí

quyển và bị tương tác với các

hạt nhỏ, bụi hay khí.

FMP Hạt bụi mịn Hạt bụi mịn trong không khí có
kích thước nhỏ, dưới 2.5


micromet (PM2.5). Hạt bụi mịn
thường bao gồm bụi vi khuẩn,

The coarse mode CMP Hạt bụi thô hạt muối, hạt hữu cơ, hạt vô
BC cơ... xuất phát từ nguồn ô nhiễm
Biogeochemical Chu kỳ biogeo khác nhau như khói từ đốt cháy,
cycle hóa bụi từ giao thông, hoặc các hạt

The presence of từ q trình cơng nghiệp.
nonerodible Chỉ các hạt bụi, hạt có kích
elements thước lớn hơn so với hạt fine-
mode. Thường bao gồm các hạt
tro, hạt cát, hạt cỏ, hoặc các hạt
có kích thước lớn trong khơng
khí. Chúng thường nặng và
không dễ dàng bị duy trì trong
khơng khí, do đó thường có xu
hướng nhanh chóng lắng xuống
mặt đất sau khi được phát thải.
Là q trình tuần hồn và
chuyển hóa các yếu tố hóa học
và nguyên tố từ môi trường
không gian đến các sinh vật và
ngược lại, qua các quá trình
sinh học, địa hóa và hóa học
trong môi trường tự nhiên.

Các yếu tố Là các yếu tố, vật liệu không bị
khơng thể xói xói mịn, ăn mịn q trình phát
thải bụi. Những yếu tố này có

mòn thể bao gồm các cấu trúc địa lý,

vật chất tự nhiên, nhân tạo
không bị tác động bởi một mức
năng lượng gió cụ thể nào đó
không tạo ra bụi trong quá trình
di chuyển khơng khí. Các yếu tố

này có thể ảnh hưởng đến sự

Dust mineralogy Khoáng chất phân phối và tính tốn của q
của hạt bụi trình phát thải bụi.
Initial Conditions
Điều kiện ban Là mơ tả về thành phần khống
Boundary đầu học của các hạt bụi trong môi
Conditions trường không khí. Nó nói về
Điều kiện biên loại các khoáng chất có thể tìm
thấy trong bụi, bao gồm các
thành phần như silicat, clays,
oxides, sulfates, và các loại
khống chất khác. Đóng vai trò
quan trọng trong nghiên cứu về
bụi phát thải từ các nguồn khác
nhau như sa mạc, đất đai, hoặc

các hoạt động con người
Là các thông số, trạng thái ban
đầu của mơ hình tại thời điểm
bắt đầu mô phỏng, bao gồm các
thông số như nồng độ bụi, vận

tốc gió, độ ẩm khơng khí tại các
vị trí không gian và thời gian
ban đầu của mơ hình. Điều kiện
này quyết định tình trạng ban

đầu của mô phỏng và ảnh
hưởng đến quá trình phát triển

của mơ hình theo thời gian.
Là các thông số được áp dụng
tại ranh giới của vùng mơ hình,
quy định sự tương tác của mô
hình với mơi trường bên ngồi
vùng mô phỏng. Điều kiện này
thường bao gồm thông tin về
luồng khơng khí đầu vào, nồng
độ bụi hoặc các điều kiện khí

Air Pollution API Vùng mạng hậu từ vùng mơ hình lân cận
Index quan trắc chất hoặc từ các nguồn khác ngoài
AERONE lượng không
Aerosol Robotic T vùng mơ hình.
Network khí Đây là một chỉ số được sử dụng
The Acid EANET
Deposition Mạng lưới quan để đo lường mức độ ô nhiễm
TANQMN trắc khơng khí khơng khí tại một khu vực cụ
Monitoring thể, thông thường bằng cách
Network in East tự động đánh giá nồng độ của các chất
Mạng lưới quan gây ô nhiễm trong khơng khí
Asia như khí CO, SO2, NO2 và hạt

Taiwan Air trắc Sự giảm
thiểu axit ở bụi PM2.5.
Quality Là một mạng lưới quốc tế thu
Monitoring Đông Á thập dữ liệu về aerosol (dung

Network Mạng lưới quan mơi) trong khơng khí
Dust_Off trắc chất lượng Đây là một hệ thống quốc tế
khơng khí tại được tạo ra để giám sát sự giảm
Dust_Default thiểu axit và các vấn đề môi
Đài Loan. trường liên quan tại khu vực
Dust_Revised
Đông Á
Dust_Profile Đây là một hệ thống quốc gia để
đo lường và giám sát chất lượng

không khí tại Đài Loan.

Mô phỏng để xem hiệu suất của
CMAQ khi khơng có phát thải

bụi.
Mô phỏng để xem hiệu suất của
CMAQ khi sử dụng mặc định

cho cơ chế tạo đám bụi.
Mô phỏng để xem hiệu suất của

CMAQ sau khi áp dụng các
thay đổi và cải tiến trong tham


số hóa độ ma sát ban đầu.
Mô phỏng để xem hiệu suất của
CMAQ sau khi áp dụng các hồ

Dust_Chem và FNL soil hệ thống FNL sơ hóa độ phức tạp và đa dạng
Dust_ChemHigh moisture cung cấp dữ hơn về thành phần của bụi tùy
fraction liệu về độ ẩm thuộc vào nguồn gốc của chúng.
Final Global Mô phỏng để xem hiệu suất của
Land soil GLDAS đất CMAQ sau khi thực hiện các
soil cải tiến về hóa học phức tạp hơn
moisture fraction hệ thống trong quá trình tương tác của
moisture GLDAS cung bụi với các phân tử khác trong
Global Land Data fraction cấp dữ liệu về không khí. "Dust_Chem" và
Assimilation "Dust_ChemHigh" sử dụng các
System soil HYSPLIT độ ẩm đất. ước lượng khác nhau của hệ số
tiếp nhận trong các phản ứng
moisture fraction Mơ hình mô
phỏng di hóa học.
Hybrid Single- Đây là dữ liệu về tỷ lệ độ ẩm
Particle chuyển của hạt trong đất được tính toán và cung
bụi theo phương cấp bởi hệ thống FNL. Nó thể
Lagrangian hiện mức độ ẩm hiện tại trong
Integrated đất tại các vị trí khác nhau trên

toàn cầu.
Đây là dữ liệu về tỷ lệ độ ẩm
trong đất được tính tốn và cung

cấp bởi hệ thống GLDAS.
Tương tự như FNL, nó cung cấp

thông tin về mức độ ẩm hiện tại
trong đất tại các điểm khác nhau

trên toàn cầu, nhưng có thể
được xây dựng từ các nguồn dữ

liệu khác nhau và theo các
phương pháp tính tốn khác

nhau.
Là một mơ hình mơ phỏng việc

di chuyển của các hạt trong
khơng khí, theo dõi sự lan
truyền của khói, bụi, và các chất

Trajectory pháp ô nhiễm khác theo phương pháp
Lagrangian Lagrangian, được phát triển bởi
Trung tâm Điều tra và Đánh giá
Phương tiện ô nhiễm khơng khí
(ARL) thuộc Cơ quan Quản lý

Đại chúng Nguồn khơng khí
(AIR) tại Hoa Kỳ. Mô hình tính
toán các đường đi của các hạt
qua khơng khí dựa trên dữ liệu

về gió, địa hình, và điều kiện
thời tiết.


I. PHẦN MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Đông Á, một khu vực đang phát triển nhanh chóng mật độ dân số cao và hoạt
động công nghiệp sôi động, tăng cường xây dựng và các hoạt động giao thông tăng
cao dẫn đến việc gia tăng bụi cũng như các chất khác như: O3, SO2, HNO3, NO3-, SO42-
cũng gia tăng đã trở thành một thách thức đáng kể. Chính những chất độc hại này gây
ảnh hưởng đến sức khỏe con người và chất lượng khơng khí.

Hơn nữa, Đông Á là một khu vực khá lớn và có sự tương tác mơi trường quan
tọng giữa các quốc gia trong khu vực. Hiểu rõ về quá trình di chuyển và phân bố bụi
và các hợp chất của bụi ở Đông Á là quan trọng để đánh giá tầm ảnh hưởng khu vực
và phát triển biện pháp hợp tác xuyên quốc gia để giảm thiểu ô nhiễm khơng khí.

Mơ hình CMAQ cung cấp khả năng định vị nguồn gốc và phân tích quy mơ
phân bố bụi và các hợp chất bụi trong khơng khí. Điều này giúp xác định các khu vực
có mức độ ơ nhiễm cao và nguồn gốc ơ nhiễm để có cái nhìn sâu sắc về tình hình và xu
hướng phát triển bụi ở Đơng Á. Từ đó có thể đưa ra các giải pháp để giảm thiểu tác
động của chúng đến với môi trường.
2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu: Bụi và các hợp chất của bụi
Phạm vi nghiên cứu: Khu vực Đông Á

PAGE \*
MERGEFORMAT 2

II. NỘI DUNG


1. Giới thiệu
Bụi ảnh hưởng rộng đến nhiều khía cạnh khác nhau của hệ thống Trái đất. Nó làm

giảm tầm nhìn trong khơng khí (Engelstaedter et al., 2003; Kurosaki và Mikami, 2005;
Washington et al., 2003), làm giảm chất lượng khơng khí (De Longueville et al., 2010;
Prospero, 1999), thay đổi hàm lượng bức xạ (Liao et al., 2004; Miller et al., 2006;
Reddy et al., 2005), và cũng tác động đến tính chất của mây và mưa (Rosenfeld et al.,
2001; Forster et al., 2007). Ở Đông Á, bão cát vào mùa xuân thường gây ô nhiễm
không khí nghiêm trọng khi lượng bụi tồn đọng tăng cao được đổ ra khu vực có dân số
đơng nhất. Nguồn bụi trên tồn cầu có đường kính dưới 10 µm được ước tính là từ
1000 đến 4000 Tg/năm theo báo cáo của Ủy ban Chính phủ về Biến đổi khí hậu
(IPCC), và theo báo cáo của Zhang và cộng sự (2003) lượng bụi phát thải từ châu Á
hàng năm là 800 Tg.

Bụi ở Đông Á chủ yếu xuất phát từ hai nguồn chính và các vùng xung quanh của
chúng, bao gồm Sa mạc Taklamakan ở tây bắc Trung Quốc và Sa mạc Gobi ở Mông
Cổ và bắc Trung Quốc (Huang et al., 2010). Vào mùa xuân, đợt thấp Đông Á thường
đi kèm với bão Mông Cổ dẫn đến gió mạnh từ phía tây bắc gần mặt đất (Shao và
Dong, 2006) vận chuyển các hạt bụi từ gió. Bụi ở Đơng Á có thể được vận chuyển đến
các khu vực có đơng dân số như Trung Quốc (Qian et al., 2002), Hàn Quốc (Chun et
al., 2001; Park và In, 2003), và Nhật Bản (Ma et al., 2001; Uno et al., 2001) và đơi khi
có thể được vận chuyển qua Đại Tây Dương, đến tận bờ tây của Bắc Mỹ (Fairlie et al.,
2010; Wang et al., 2012; Zhao et al., 2010). Trên đường di chuyển, bụi cũng đóng vai
trò vận chuyển và là chất nền cho phản ứng bằng cách hấp thụ các khí phản ứng như
ơzơn (O3), oxit nitơ (NOx), lưu huỳnh dioxide (SO2), axit nitrit (HNO3), hydroxyl
(OH), và hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs). Hợp chất bụi có thể thay đổi tính quang
hóa của hạt photon, sự tích tụ axit và tạo ra sản phẩm phụ trong khơng khí. Hơn nữa,
bụi ở Đơng Á đóng góp một lượng đáng kể các khống chất được kết tủa ở phía tây

PAGE \*

của Đại Tây Dương. Những kMhoEáRngGEchFấOt RnàMyAcóTt2hể làm thay đổi hoạt động sống ở đại
dương (Zhang et al., 2003; Zhuang et al., 1992).

Do bụi tự nhiên liên kết chu kỳ biogeo hóa (biogeochemical cycle) của đất, khơng
khí và đại dương, việc hiểu về quá trình phát thải, phát triển và vận chuyển của bụi là
quan trọng để nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của nó đối với Trái đất. Mơ hình hóa
là một trong những phương pháp quan trọng nhất để nghiên cứu hệ thống bụi có tổ
chức. Nhiều mơ hình tồn cầu mơ phỏng q trình phát thải, vận chuyển và lắng đọng
của bụi. Huneeus và cộng sự (2011) tiến hành so sánh giữa 15 mô hình tồn cầu và báo
cáo kết quả mơ phỏng độ dày quang học của hạt (AOD) và chỉ số Ångström (AE)
khoảng gấp đơi so với quan sát, cịn về lắng đọng cùng nồng độ bề mặt trong khoảng
10 lần so với quan sát, chỉ ra sự khác biệt đáng kể giữa các mơ hình khác nhau. Mơ
hình khu vực thường biểu diễn bụi theo tính nhất qn với mơ hình tồn cầu. Ví dụ,
mơ hình Nghiên cứu Thời tiết và Dự báo (WRF-Chem) (Grell et al., 2005) kết hợp với
hệ thống GOCART (Ginoux et al., 2001) đã được áp dụng để mơ phỏng q trình phát
thải bụi ở Trung Đơng Á (Kumar et al., 2014), Hoa Kỳ (Zhao et al., 2010) và Đơng Á
(Chen et al., 2013). Mơ hình dự đoán sự vận chuyển và lắng đọng của Lưu huỳnh
trong mơi trường khí quyển (STEM) (Carmichael et al., 2003) sử dụng hệ thống
COAMPS (Liu và Westphal, 2001) và đã được áp dụng ở Đơng Á (Tang et al., 2004).
Mơ hình khu vực có độ phân tích khơng gian và thời gian tốt và sử dụng nhiều tham số
vật lý khác nhau địi hỏi khả năng tính tốn phức tạp. So với mơ hình tồn cầu, mơ
hình khu vực có thể cung cấp các biểu diễn thực tế hơn về độ gồ ghề của bề mặt, độ
ẩm của đất giúp tăng tính chính xác của mơ hình (Darmenova và Sokolik, 2008).Bụi
ảnh hưởng rộng đến nhiều khía cạnh khác nhau của hệ thống Trái đất. Nó làm giảm
tầm nhìn trong khơng khí (Engelstaedter et al., 2003; Kurosaki và Mikami, 2005;
Washington et al., 2003), làm giảm chất lượng khơng khí (De Longueville et al., 2010;
Prospero, 1999), thay đổi hàm lượng bức xạ (Liao et al., 2004; Miller et al., 2006;
Reddy et al., 2005), và cũng tác động đến tính chất của mây và mưa (Rosenfeld et al.,
2001; Forster et al., 2007). Ở Đông Á, bão cát vào mùa xuân thường gây ô nhiễm
không khí nghiêm trọng khi lượng bụi tồn đọng tăng cao được đổ ra khu vực có dân số

đơng nhất. Nguồn bụi trên tồn cầu có đường kính dưới 10 µm được ước tính là từ
1000 đến 4000 Tg/năm theo báo cáo của Ủy ban Chính phủ về Biến đổi khí hậu

PAGE \*
(IPCC), và theo báo cáo của MZhEaRnGg EvFà OcộRnMg AsựT (22003) lượng bụi phát thải từ châu Á
hàng năm là 800 Tg.

Bụi ở Đông Á chủ yếu xuất phát từ hai nguồn chính và các vùng xung quanh của
chúng, bao gồm Sa mạc Taklamakan ở tây bắc Trung Quốc và Sa mạc Gobi ở Mông
Cổ và bắc Trung Quốc (Huang et al., 2010). Vào mùa xuân, đợt thấp Đông Á thường
đi kèm với bão Mơng Cổ dẫn đến gió mạnh từ phía tây bắc gần mặt đất (Shao và
Dong, 2006) vận chuyển các hạt bụi từ gió. Bụi ở Đơng Á có thể được vận chuyển đến
các khu vực có đơng dân số như Trung Quốc (Qian et al., 2002), Hàn Quốc (Chun et
al., 2001; Park và In, 2003), và Nhật Bản (Ma et al., 2001; Uno et al., 2001) và đơi khi
có thể được vận chuyển qua Đại Tây Dương, đến tận bờ tây của Bắc Mỹ (Fairlie et al.,
2010; Wang et al., 2012; Zhao et al., 2010). Trên đường di chuyển, bụi cũng đóng vai
trị vận chuyển và là chất nền cho phản ứng bằng cách hấp thụ các khí phản ứng như
ơzơn (O3), oxit nitơ (NOx), lưu huỳnh dioxide (SO2), axit nitrit (HNO3), hydroxyl
(OH), và hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs). Hợp chất bụi có thể thay đổi tính quang
hóa của hạt photon, sự tích tụ axit và tạo ra sản phẩm phụ trong khơng khí. Hơn nữa,
bụi ở Đơng Á đóng góp một lượng đáng kể các khống chất được kết tủa ở phía tây
của Đại Tây Dương. Những khống chất này có thể làm thay đổi hoạt động sống ở đại
dương (Zhang et al., 2003; Zhuang et al., 1992).

Do bụi tự nhiên liên kết chu kỳ biogeo hóa (biogeochemical cycle) của đất, khơng
khí và đại dương, việc hiểu về q trình phát thải, phát triển và vận chuyển của bụi là
quan trọng để nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của nó đối với Trái đất. Mơ hình hóa
là một trong những phương pháp quan trọng nhất để nghiên cứu hệ thống bụi có tổ
chức. Nhiều mơ hình tồn cầu mơ phỏng quá trình phát thải, vận chuyển và lắng đọng
của bụi. Huneeus và cộng sự (2011) tiến hành so sánh giữa 15 mơ hình tồn cầu và báo

cáo kết quả mô phỏng độ dày quang học của hạt (AOD) và chỉ số Ångstrưm (AE)
khoảng gấp đơi so với quan sát, còn về lắng đọng cùng nồng độ bề mặt trong khoảng
10 lần so với quan sát, chỉ ra sự khác biệt đáng kể giữa các mơ hình khác nhau. Mơ
hình khu vực thường biểu diễn bụi theo tính nhất quán với mơ hình tồn cầu. Ví dụ,
mơ hình Nghiên cứu Thời tiết và Dự báo (WRF-Chem) (Grell et al., 2005) kết hợp với
hệ thống GOCART (Ginoux et al., 2001) đã được áp dụng để mơ phỏng q trình phát
thải bụi ở Trung Đông Á (Kumar et al., 2014), Hoa Kỳ (Zhao et al., 2010) và Đông Á

PAGE \*
(Chen et al., 2013). Mơ hìnhMdEựRđGoFnOsRự MvậAnTc2huyển và lắng đọng của Lưu huỳnh
trong mơi trường khí quyển (STEM) (Carmichael et al., 2003) sử dụng hệ thống
COAMPS (Liu và Westphal, 2001) và đã được áp dụng ở Đông Á (Tang et al., 2004).

Mơ hình khu vực có độ phân tích khơng gian và thời gian tốt và sử dụng nhiều tham số
vật lý khác nhau địi hỏi khả năng tính tốn phức tạp. So với mơ hình tồn cầu, mơ
hình khu vực có thể cung cấp các biểu diễn thực tế hơn về độ gồ ghề của bề mặt, độ
ẩm của đất giúp tăng tính chính xác của mơ hình (Darmenova và Sokolik, 2008).

Mơ hình dự báo Chất lượng khơng khí (CMAQ) là một mơ hình tiên tiến và đã
được áp dụng trong nhiều nghiên cứu mô phỏng khu vực trên tồn thế giới. Khác với
các mơ hình khác, trong đó bụi thường được xử lý như một loại khí đặc trưng, CMAQ
phân phối hạt bụi thành 19 loại hạt khí khác nhau, bao gồm các hạt khí vô cơ và kim
loại vi lượng. Phương pháp này nhất quán với thiết kế ban đầu của CMAQ như một
mô hình chất lượng khơng khí, và cũng cung cấp một nền tảng tiềm năng để nghiên
cứu sự đa dạng về tính chất hóa học và vật lý bên trong hạt bụi. Nó giúp mơ hình xem
xét tình trạng pha trộn và tác động tổng hợp của bụi tự nhiên và bụi có nguồn gốc từ
hoạt động con người đối với chất lượng khơng khí và khí hậu khu vực. Hiện chưa có
nhiều nghiên cứu về việc xác thực hiệu suất của CMAQ. Appel et al. (2013) đã tiến
hành mô phỏng trong một năm đầy đủ bằng CMAQ trên lục địa Hoa Kỳ cho năm 2006
và báo cáo sự phù hợp tốt giữa mô phỏng và quan sát, với sai số trung bình khoảng

±0.5 µg m−3 và 0.5–1.5 µg m−3 (∼ ±30 %) ±30 %) cho nồng độ đất trên phía tây và phía
đơng Hoa Kỳ, tương ứng. Tuy nhiên, mơ phỏng bằng CMAQ ở các khu vực khác lại
đánh giá thấp phát thải bụi đáng kể. Fu et al. (2014) báo cáo rằng mơ hình mặc định
của CMAQ đã đánh giá thấp phát thải bụi đến 98 % trong một trận bão bụi kéo dài 6
ngày vào năm 2011. Với miền mơ hình bao phủ tồn bộ Bắc Bán cầu, Xing et al.
(2015) cũng cho rằng CMAQ đã đánh giá thấp khả năng đo lường ánh sáng của bụi –
Aerosol optical detph (AOD) từ 30-60% trong những khu vực nơi bụi là chủ đạo, trong
khi sai số là ít hơn ±15% ở những nơi khác.

Các nghiên cứu được đề cập ở trên cho thấy khả năng của CMAQ để mô phỏng
phát thải bụi tự nhiên vẫn chưa được hiểu quả. Ngồi ra, mơ hình CMAQ khơng bao
gồm hợp chất của bụi, trong khi một số nghiên cứu đã chỉ ra tác động quan trọng của
hợp chất bụi đến các chất ơ nhiễm khơng khí với bằng chứng đo lường (Krueger et al.,
2004; Matsuki et al., 2005; Usher et al., 2003) và mơ hình (Bauer et al., 2004; Bian và

PAGE \*
Zender, 2003; Dentener et al.M, 1E9R96G)E. FMOụRcMtiêAuTc2ủa nghiên cứu này là đánh giá và cải
thiện khả năng của mơ hình để tái hiện phát thải bụi và cho phép mơ hình xử lý hợp
chất bụi. Phần 2 giới thiệu phương pháp áp dụng các tham số mới và triển khai vào các

hợp chất bụi trong CMAQ, trong khi Phần 3 tóm tắt hiệu suất mơ hình đã được cải
thiện. Phần 4 thảo luận về tính năng mơ hình được tăng cường và các tính năng khơng
chắc chắn cịn lại, và Phần 5 kết luận bài báo với một tổng quan về các kết quả tìm
thấy.
2. Phương pháp

2.1. Cải thiện module phát thải bụi do gió của CMAQ

Quá trình phát thải bụi do gió tác động bởi một số biến mơi trường, bao gồm tốc
độ gió, cấu trúc đất, loại sử dụng đất, độ bao phủ thực vật và độ ẩm đất. Quá trình phát

thải bụi được ưu tiên trên đất khô với thực vật thưa thớt và hạn chế độ ẩm đất cao. Mơ
hình phát thải bụi trong CMAQ được phát triển bởi Tong et al. (2016). Phát thải (lưu
lượng dọc) của bụi F (g m−2 s−1) được ước tính dựa trên phương trình Owen được
sửa đổi (Owen, 1964):
(1)

Trong đó:
+ M là loại đất sử dụng
+ N là cấu trúc đất
+ K là tỷ lệ lưu lượng dọc trên lưu lượng ngang được tính dựa trên lượng đất sét (phần
trăm đất sét) trong đất:
(2)

→ Giá trị của K (0,0002) cho tỉ lệ phần trăm đất sét > 20% được sử dụng theo khuyến
nghị của Marticorena và Bergametti (1995). A là hệ số tỷ lệ (được đặt là 32,0
trong nghiên cứu này), ρ là khối lượng riêng không khí, g là gia tốc trọng trường
(9,8 m/s2), Si là diện tích nguồn bụi cho loại đất i và SEP là hệ số xói mịn của đất,
PAGE \*
được tính dựa trên tỷ lệ phMầnERtrGămEFcOủaRđMấtAsTét,2sét và cát trong đất như sau:
(3)
SEP = 0.08 × clay + 1.0 × silt + 0.12 × sand (3)

Ở đây, u∗ là tốc độ ma sát, và u∗ti;j là tốc độ ma sát ngưỡng cho loại đất j và loại sử
dụng đất i. Thêm vào đó, chi tiết hơn về thuật tốn phát thải bụi đã được trình bày
trong Tong et al. (2016). Phương trình (1) chỉ được áp dụng khi tốc độ ma sát tính
tốn của mơ hình vượt q giá trị ngưỡng quy định. Do đó, giá trị của tốc độ ma sát
ngưỡng là quan trọng để xác định sự xuất hiện và mức độ phát thải bụi trong mơ
hình CMAQ.
Trong mô-đun bụi của CMAQ, tốc độ ma sát ngưỡng được tính tốn dựa trên sự
hiện diện của các yếu tố khơng thể xói mòn (the presence of nonerodible elements)

và sự thay đổi trong độ ẩm đất (Tong et al., 2016). Hiệu ứng của các yếu tố không
thể xói mịn được biểu diễn bằng cách phân chia năng lượng gió (The effect of
non-erodible elements is represented by wind energy) theo Marticorena et al.
(1997). Tác động của độ ẩm đất đối với phát thải bụi được thực hiện theo phương
pháp hai bước được đề xuất bởi Fécan et al. (1999). Trước tiên, dung lượng nước
tối đa (Wmax) cho mỗi loại đất được xác định dựa trên lượng chất sét trong đất:
(4)

Bảng 1. Gía trị giới hạn độ ẩm đất bão hòa (S1)

Trong trường hợp độ ẩm đất vượt quá Wmax, tốc độ ma sát ngưỡng sau đó được
PAGE \*

điều chỉnh (Marticorena et al.,M1E99R7G)EnFhOư RsaMu:AT 2
(5)

Ở đây, uci,j∗ là hằng số tốc độ ma sát ngưỡng ban đầu, và Zi,j là hệ số điều chỉnh độ
nhám bề mặt được tính dựa trên chiều dài độ nhám bề mặt từ trường khí tượng, được
tính như sau:
(6)

Các hằng số C1= 32 và C2 = -5 được sử dụng trong phương trình này được tạo ra
từ dữ liệu đo đạc trên thực địa từ Gillette et al. (1980) và mối quan hệ giữa chiều dài
độ nhám bề mặt và tốc độ ma sát được mơ tả trong Marticorena et al. (1997). Cịn
fsoilmi,j là hệ số điều chỉnh độ ẩm được tính tốn bằng cách sử dụng công thức được điều
chỉnh của Fécan (Fécan et al., 1999):
(7)

Trong đó, Sm là độ ẩm đất và Sl là giới hạn độ ẩm đất bão hòa được xác định bởi
cấu trúc đất. Các giá trị của Sl được cung cấp bởi hệ thống mô phỏng Mesoscale Bắc

Mỹ (NAM) (Rogers et al., 2009), như tóm tắt trong Bảng 1.

Trước đó, các giá trị của hằng số tốc độ ma sát ngưỡng ban đầu được lấy từ dữ liệu
quan sát được từ thí nghiệm túnel gió được thực hiện bởi Gillette và đồng nghiệp
(Gillette et al., 1980, 1982). Fu et al. (2014) báo cáo rằng uci,j∗ được sử dụng trong
CMAQ có giá trị trung bình là 0.7 m/s cho tất cả các loại đất, điều này quá cao để tạo
ra đủ hạt bụi ở khu vực Đông Á. Fu et al. (2014) đã sử dụng giá trị cố định là 0.3 m/s
dựa trên một nghiên cứu đo đạc địa phương ở sa mạc phía bắc của Trung Quốc (Li et
al., 2007). Mặc dù ngưỡng nhỏ hơn này giúp tạo ra lượng bụi phát thải lớn hơn trong
giai đoạn mô phỏng 6 ngày từ ngày 1 đến ngày 6 tháng 5 năm 2011.

PAGE \*
MERGEFORMAT 2

Hình 1. (a) Các loại mơi trường đất (land cover), (b) loại đất (soil types), và (c) so
sánh hằng số ngưỡng tốc độ ma sát ban đầu giữa các mô hình bụi mặc định (đánh dấu
màu xanh) và mơ hình bụi được sửa đổi (đánh dấu màu đen) cho vùng cây bụi (phía
trên), vùng cây bụi và cỏ kết hợp (ở giữa), và vùng đất khơng có thực vật hoặc thực
vật thưa thớt (phía dưới).

Ngưỡng giá trị được chỉ định tùy ý cho tất cả các loại đất và loại đất khơng cho
phép mơ hình tái hiện biến động không gian và thời gian của phát thải bụi. Trong
nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành phân tích lại dữ liệu thực địa (Gillette et al., 1980,
1982) và sửa đổi các giá trị ngưỡng tốc độ ma sát bằng cách loại bỏ việc lặp lại của giá
trị độ ẩm đất trong mơ hình phát thải bụi của CMAQ. Trong những thí nghiệm trên
thực địa này, một số thí nghiệm được thực hiện dưới điều kiện khơ ráo, nhưng đối với
các mẫu khác, tác động của độ ẩm đất khơng thể bị bỏ qua. Do đó, các giá trị được báo
cáo từ thí nghiệm trên thực địa không phải lúc nào cũng phù hợp để sử dụng trực tiếp
làm hằng số tốc độ ma sát ngưỡng ban đầu, được giả định đại diện cho điều kiện cực
kỳ khơ ráo. Trong khi đó, trong mơ-đun bụi CMAQ, dữ liệu độ ẩm đất được sử dụng

để điều chỉnh tốc độ ma sát ngưỡng. Do đó, chúng ta cần chuyển đổi dữ liệu điều kiện
ẩm thành giá trị ngưỡng trong điều kiện khơ. Nếu khơng, có thể xảy ra việc tính tốn

PAGE \*
lặp lại của độ ẩm đất trong mộMt sEốRtGrưEờFnOgRhợMpA. T 2

Tác giả đã thực hiện một phương pháp ba bước để hiệu chỉnh tốc độ ma sát
ngưỡng. Trước tiên, giá trị độ ẩm đất được trích xuất cho mỗi mẫu từ bộ dữ liệu thực