NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ SỰ DI CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT ĐỐI LÝ TƯỞNG HÓA BẰNG MÔ HÌNH WRF

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ s DI CHUYN CA XOY THUN NHIT ã ô I LÝ TƯỞNG HỐ BANG MƠ HÌNH WRF M Ả SỐ: Q T- 04 - 27 CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI: THS NGUYỄN MINH TRƯỜNG CÁN BỘ PHỐI HỢP: PGS PHAN VÃN TÂN NCS BÙI HOÀNG HẢI CN D ĐỨC TIẾN ĐAỈ HỌC QUỐC GIA hà I,'C TPỤNG TÂM thòng t,n’ ' 1J" w'F\ HÀ NỘI - 2005 BÁO CÁO TÓM TẮT a Tên đề tài: N G H IÊ N CỨU CẤU TRÚ C VÀ DI CHUYEN xoáy THUẬN N H IỆ T Đ Ớ I LÝ TƯỞNG H O Á B Ằ N G MƠ H ÌN H W RF M ã số: Q T -0 -2 b Chủ trì đề tài: ThS Nguyễn Minh Trường, Khoa KTTV&HDH c Các cán tham gia: PGS Phan Văn Tân, Khoa KTTV&HDH NCS Bùi Hoàng Hải, Khoa KTTV&HDH CN Dư Đức Tiến, Khoa KTTV&HDH d Mục tiêu nội dung nghiên cứu: Mục tiêu: Xây dựng xoáy lý tưởng hố vói q trình vật lý khác xốy dịng Thử nghiệm tích phân theo thời gian, từ rút cấc kết luận vai trị q trình vật lý phát triển di chuyển xoáy thuận nhiệt đới Nội dung: Tổng quan lý thuyết mơ hình WRF khả ứng dụng việc nshiên cứu xoáy thuận nhiệt đới Nghiên cứu cấu trúc mã nguồn mơ hình để đưa trường ban đầu mơ tả xốy lý tưởng Tiếp theo, xây dựng phương án thử nghiệm, thực tính tốn phân tích kết đạt e Các kết đạt được: Đã khái quát đặc trưng tốn lý mơ hình WRF, từ cho thấy mơ hình có đầy đủ sở để thực nghiên cứu vạch Làm chủ phần mã nguồn mô hình, điều kiện ban đầu xác lập Trên sở đưa vào kịch xốy cần nghiên cứu Tìm hiểu lý thuyết xây dựng thành cơng chương trình tạo xốy lý tưởng cán bằns để đưa vào mơ hình Tạo kịch mơ có chứa q trình vật lv khác Hay nói cách khác hiệu ứng lập để rút kết luận mang tính vật lý Cuối cùng, điều quan trọng đánh giá vai trị q trình vật lý ảnh hưởng tới phát triển di chuyển xoáy thuận nhiệt đới f Tình hình kinh phí đề tài: Kinh phí cấp năm 2004: 15 triệu đồng Đã sử dụngvào hạng mục sau: Số tiền Nội dung cơng việc STT Thanh tốn tiền điện 600.000 đ Vật tư văn phịng 450.000 đ Thơng tin liên lạc 500.000 đ Hội nghị 2.500.000 đ Chi phí thuê mướn 9.000.000 đ Chi phí nghiệp vụ chuyên môn ngành 1.500.000 đ Hỗ trợ đào tạo NCKH 450.000 đ Tổng cộng: 15.000.000 đ (M ười lă m tr i ệ u đ n g c h ẵ n ) XÁC NHẬN CỦA BAN CHỦ NHIỆM KHOA CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI - PGS.TS PHẠM VÀN HUẤN THS NGUYEN m in h trường XÁC NHẬN CỦA TRUỒNG ỉV , PHÓ HlỆli ■ T R U Ó rtt -ri X \v PfiS.TS iCtỉir Project: A ST U D Y O N TH E S T R U C T U R E A N D M O V E M E N T OF ID E A L IZ E D T R O P IC A L C Y C L O N E U SIN G W R F M O D E L C ode: Q T -04-27 H ead o f P r o je c t: M S N g u y en M inh T ruong M em ber: A ss P ro f Phan Van Tan P hD S tu d en t, Bui H oang H BS Du D ue T ien O b jec tiv e s and sc o p e o f th e stu d y: T ro p ical c y c lo n e s are the m ajo r w e a th e r sy ste m c a u sin g sev ere w e ath e r in tro p ic s F o re c a stin g a tte m p ts c o n c e n tra te on th e ir tra c k and in te n sity T h e fo rm e r d ep en d s s ig n ific a n tly on th e s ta te of m ean flow , w h ile th e la tte r d ep en d s e s s e n tia lly on in te rn a l s tru c tu re s and fo rc in g s H o w ev er, form ed over o c ea n s th e tro p ic a l c y c lo n e s are d iffic u lt, due to th e lack o f o b serv ed d a ta , to p h y s ic a lly h a n d le In re c e n t d e c a d e s , th e re are s tu d ie s a im in g at c re a tin g in itia l c y clo n e s w h o se s tru c tu re s are p re su m a b ly c lo se to “ r e a l” c v c lo n e s The bogus te c h n iq u e te c h n iq u e g iv e s th e is o rig in a te d in itia l c y c lo n e s in th a t w ith c irc u m s ta n c e m o re d e ta ils The in th e ir in te rn a l s tru c tu re s w hich are b e lie v e d to a ffe c t th e ir e v o lu tio n and m ovem ent In the p re s e n t study, th e te c h n iq u e is a p llie d to W R F m odel to sim u la te the e v o lu tio n and m o v em en t o f an id e a liz e d c y c lo n e The fin a l goal o f th e stu d y is to fig u re o u t th e re la tiv e im p o rta n c e of s p e c ific p h y s ic a l p ro c e ss e s , such as th e e x p lic it p h y s ic s , tu rb u le n c e , c o n v e c tio n an d m ean flow , to the e v o lu tio n and m o v e m e n t of the c y c lo n e MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG KHÁI N Ệ M CHUNG VỀ MƠ HÌNH WRF Giới thiệu 1.1 Cơ sở động lực 1.2 Lưới tính kiểm sốt ồn 1.3 Phân chia khu vực lưới lồng 1.4 Cấu trúc thẳng đứng 10 CHƯƠNG Cơ SỞ TỐN-LÝ CỦA MƠ HÌNH WRF 12 2.1 Hệ toạ độ theo địa hình 12 2.2 Hệ toạ độ áp suất thuỷ tĩnh theo địa hình 15 CHƯƠNG NGHẼN c ú u LÝ TUỞNG S ự T Ế N TRIẺN c ủ a x o y t h u ậ n 19 NHIỆT ĐỚI BẰNG MƠ HÌNH WRF Giới thiệu 19 3.1 Xây dựng xoáy lý tưởng cân 20 3.2 Thực nghiệm số 22 3.3 Kết nhận xét 24 KẾT LUẬN 33 TÀI LIỆU THAM KHẢO 34 CÁC PHỤ LỤC 35 MỞ ĐẦU Bão, xoáy thuận nhiệt đới loại thời tiết nguy hiểm thường xuyên ảnh hưởng đến Việt Nam mùa hè hai mùa chuyển tiếp Hậu kinh tế-xã hội chúng đem lại thường lón, đặc biệt có kết hợp khơng khí lạnh gây mưa lớn vùng núi Có hai mục tiêu mà nhà khí tượng theo đuổi dự báo quĩ đạo dự báo cường độ bão xốy thuận nhiệt đới, ngun nhân dự báo không tốt hai yếu tố dẫn đến hậu không lường trước Về mặt chất toán học toán khí tượng-khí hậu thuộc vào lớp tốn giá trị biên giá trị ban đầu, giá trị ban đầu đóng vai trị sống cịn tốn khí tượng hạn dự báo tốn ngắn Do khơng có đáng ngạc nhiên người ta nói ban đầu hóa xốy cho mơ hình dự báo bão-xốy thuận nhiệt đới vấn đề quan trọng Về mặt vật lý bão-xoáy thuận nhiệt đới phát triển di chuyển gắn liền với tương tác với mơi trường bên ngồi, nơi mà chúng tồn phát triển Một cách đơn giản hình dung thời điểm ban đầu dịng mơi trường với hai bão có cường độ khác có tốc độ phát triển di chuyển khấc Một điều nan eiải bão-xốy thuận nhiệt hình thành đại dương sô' liệu đạc thưa, chưa kể đến chất lượng sô' liệu không tốt đất liền Hơn trường phân tích dự báo từ mơ hình tồn cầu có độ phân giải thơ khơng mơ tả tốt cấu trúc thực bão Hộ tất yếu phải có phương pháp để xác định cấu trúc xem sát với cấu trúc thực bão-xoáy thuận nhiệt đới Một kỹ thuật biết đến nhiều trona thời gian gần kỹ thuật cài xoáy nhân tạo cho mơ hình số, sử dụng số liệu trường phân tích hay dự báo mơ hình tồn cầu Ngược lại, để xây dựng thành cơng cài xoáy nhãn tạo phù hợp vào mơ hình dự báo lại cần phải có hiểu biết đầy đủ cấu trúc Một giải pháp khả thi thời gian gần nghiên cứu xoáy lý tưởng, nhà khí tượng trọng tập trung vào q trình vật lý có chi phối phát triển di chuyển bão-xốy thuận nhiệt đới Do khó khăn việc thiết lâp điều kiện lý tường mổ hình đầy đủ nên trước đáy việc nghiên cứu xoáv lý tưởn° chu yêu dựa sơ mơ hình đơn giản, mà thường mơ hinh áp mơ hình nước nơng nhiều lớp Trong năm gần với thành tựu thu lĩnh vực khí tượng-khí hậu học có nhiều mơ hình số đời đáp ứng cầu nghiên cứu dự báo nghiệp vụ Ví dụ, mơ hình W RF (Weather and Research Forecast Model) phát triển mạnh trung tâm nghiên cứu Hoa Kỳ Do vậy, nghiên cứu này, chúng tơi sử dụng mơ hình đầy đủ WRF với phương pháp ban đầu hóa xốy cân xây dựng mô lý tường tiến triển xoáy thuận nhiệt đới (XTNĐ) Kết nhận cho thấy, WRF mơ hình cho phép thực mô lý tưởng XTNĐ thuận lợi Bằng cơng cụ mơ nhiều q trình xảy XTNĐ, đồng thịi mở hướng nghiên lý tưởng cứu sâu XTNĐ áp đụng vào toán ban đầu hóa xốy cho mơ hình dự báo bão CHƯƠNG I: KHÁI NIỆM CHUNG VỂ MỒ HÌNH WRF Gới thiệu Sự đời phát triển mơ hình nửa Lagrangian WRF (Weather and Research Forcast Model) thích hợp cơng tác dự báo nghiệp vụ khu vực nghiên cứu q trình thời tiết qui mơ vừa thực trung tâm NCEP (National Center for Environmental Prediction) Trong thời gian gần có nhiều mơ hình số đời phục vụ cho dự báo nghiệp vụ đáp ứng nhu cầu sinh hoạt người Mơ hình WRF, có liên quan chật chẽ với mõ hình thuỷ tĩnh tồn cầu nửa Lagrangian phát triển thời gian, thiết kế đé tính tốn hiộu mơi trường tính tốn song song W RF đời phát triển dựa kế thừa thành tựu dự báo thời tiết phương pháp số, đồng thời mơ hình thiết kế để áp dụng hướng tới phương pháp đại hoà hợp trường chiều Mơ hình WRF xây dựng với nhiều lựa chọn cho q trình vật lý, ví dụ trình xạ, trình tham số hố lớp biên, q trình tham số hố đối lun mây tích, q trình khuếch tán xốy rối qui mơ lưới hay trình vi vật lý khác 1.1 Cơ sở dộng lực Ban đầu mơ hình phất triển cách tối thiểu phần động lực mơ hình tồn cầu, nhờ đo nắm bắt đặc điểm khí tượng quan trọng động lực học bất thuỷ tĩnh Sự cải tiến dựa sở động lực học mơ hình tựa bất thuỷ tĩnh QNH (Quasi-Non-Hydrostatic) Mơ hình QNH đời sớm có nhiều hạn chế so với WRF Hệ thống mơ hình QNH dễ bị nhầm lẫn vói hệ thống mơ hình đàn hồi (anelastic models) thực tế sở hai hệ thống mô hình khác hồn tồn, hộ động lực hoàn toàn khác Hệ thống mơ hình QNH khơng giới hạn tính nén khí quyển, hệ việc mơ hình QNH cho kết tính tốn tốt mơ hình thuỷ tĩnh q trình qui mơ lớn, mồ hình đàn hồi lại cho kết hồn tồn khác QNH lọc mode sóng âm lan truyền theo phương thẩng đứng cách biến đổi phương trình thuỷ tĩnh (liên hệ địa vị với profile thẳng đứng nhiệt độ) Sự biến đổi bao gồm đưa vào cân thủy tĩnh sử dụng nhiệt độ môi trường với rốc độ biến đổi vật chất “omega” (tương đương với tốc độ thay đổi áp suất) để tạo ước lượng thành phần gia tốc thẳng đứng (thành phần thứ ba cân động lượna thẳng đứng thực đưa định luật II Newton) Một kiểm nghiêm modes tuyến tính hố cho bời hệ thống QNH cho thấy mode khí tượng quan trọng xấp xỉ với độ xác cao Sự vắng mặt mode sóng âm tần số cao có nghĩa là, giống mơ hình bất thuỷ tĩnh nửa ẩn, bước thời gian không bị hạn chế việc xem xét tính ổn định nảy sinh từ tốc độ mode Tuy nhiên, không giống mơ hình nửa ẩn (semi-implicit model), mơ hình QNH chánh cần thiết phải loại trừ thành phần tích trữ (storage) biến phụ thuộc, cưỡng chúng, gắn liến với mode sóng âm 1.2 Lưới tính kiểm sốt ồn Trong q trình phát triển, mơ hình WRF tác giả có ý định sử dụng phương pháp số bậc cao Khi sử dụng sơ đồ sai phân khơng gian bậc cao có lợi định sử dụng lưới so le trình tính tốn Hơn việc so le hố biến phụ thuộc dẫn đến phức tạp đáng kể chi phí tính tốn khn khổ mơ hình nửa Lagrangian; vơ số họ quĩ đạo phép nội suy thô phải thực Vì lưới tính so le hồn tồn đưa vào sử dụng Hệ lựa chọn tiêu chuẩn đánh giá phải thực để loại bỏ nhân tố không giải được, khơng nhà mơ hình hố phải đối mặt với q trình bất ổn định tính tốn phi tuyến hay “sự nhiễm bẩn” ồn số sóng cao làm hỏng nghiệm xác q trình tích phân số Kinh nghiệm cho thấy việc áp dụng hạn chế phép lọc khơng gian tần số thấp có thé giải pháp tốt cho vấn đề C-grid staggering Hình 1: Cấu trúc lưới so le c mơ hình WRF 1.3 Phân chia khu vực lưới lồng Mơ hình thiết lập cho phép phân chia miền tính thành miền hình chữ nhật chồng lên dạng lưới theo phương ngang Trong vùng chổng chập miền tính có trao đổi bước lưới miền tính liền kề bước thời gian vùng “hỗn hợp”, vùng chồng chập này, có trọng lượng xác định cho bước lưới miền tính con, trọng lượng biến đổi trơn từ đến qua miền “hỗn hợp” (trọng lượng thường cho dạng hàm đa thức) Bằng cách miền chạy độc lập cho bước thời gian, nhiên cách trao đổi số liệu cập nhật theo cách nói, chúng kiểm sốt tồn quấ trình tích phân Phương pháp tương tự áp dụng cho mô hình tồn cầu, cho phép tồn Trái đất bao phù miền chồng lên theo cách mà cho phép tránh hoàn toàn vấn đề dị thường hộ toạ độ Bể dày miền chồng chập miền hỗn hợp bên xác định theo bước thời gian Trong số trường hợp cần phải trao đổi thơng tin miền tính lần bước thời gian Liên quan tới trình phân chia miền tính khái niệm lưới lồng thực cách tăng cường độ phân giải không gian hay vài miền tính Ý tường đưa vào lưới tính để tăng cường độ phân giải đặc trưng động lực quan trọng sử dụng thành công thực tiễn Việc định tăng cường độ độ phân giải định cách khách quan với việc nhận biết vùng có sai số cắt xén lớn Với mơ hình sử dụng phương pháp số bậc cao phù hợp lưới có độ phân giải thô độ phân giải tinh phải thực vùng có độ dày hữu hạn Việc hồ trộn thơng tin hai chiều vùng biên miền tính có độ phân giải tinh đạt theo cách nói trên, ngoại trừ trường hợp cần phải có bước nội suy cẩn thận từ lưới thô vào lưới tinh ngược lại Lưu ý phép nội suy từ lưới tinh lưới thô cần tránh tượng chồng chập xung tần số cao vào xung tần số thấp giải lưới thô Khi q trình thực thành cơng việc lồng lưới có độ phân giải cao làm cho đặc trưng khí tượng qui mơ nhỏ mơ rõ nét trung thực hơn, ví dụ tượng dồng hay xoáy thuận nhiệt đới 1.4 Cấu trúc thẳng đứng Sử dụng phương pháp mô tả địa hình dạng bậc thana gần đáy sử đụng mồ hình dự báo nghiệp vụ ETA NCEP giải tốt “vấn đề sigma địa hình”, điều gây nhiều phức tạp cho mỏ hình sử dụna hệ toạ độ theo địa hình Nhưng lại khơng may việc mồ tả địa gây khó khăn 10 n g h iê n c ứ u l ý t n g s ự t iế n t r iể n c ủ a x o y t h u ậ n N H IỆ T ĐỚI BANG MƠ HÌNH YVRF CN Bùi H o àn g H ái, PGS.TS P h a n V ăn T ă n ThS N guyễn M inh T rư n g Đại học Quốc gia Hà Nội BiIII đau hoa xocty cho mỏ hình (lự báo bão - xốx tlìiiàn nhiệt đới lu mọt lì ong vân đê hét sức quan trọng Đc có thế,XÚY diúiiỊ dicợc xốy nhân tạo p h ù hợp, cần phải có hiểu biết chi vẽ' cấu í rúc cùa M ội cách tiếp cận vấn íỉé ìà nghiên cứu xoáy lý tường Do s ự kh o kh ă n việc thiết lập cúc điêu kiện lý tiíâ/ìíị dơi với c ác mơ liình đày ứủ nên trước d ây việc nghiên cứu xoáy lý tương cliú yếu dựa trẽn sà mơ hình don gián, mù thường mơ hình áp mơ hình nước nơn ụ nhiều lớp Trong nghiên cứu này, tác giá sử dụng mơ hình dầy ú WRF với phương pháp ban dầu hóa xốy cán bâng xây dựng mó p hó mị lý tướng tiến triển xoáy thuận nhiệt dới (X ĨN Đ ) Kết (/nà nliận dược cho tly: W RF (W eather Research Forecast) mơ hình cho phép ilìực mơ phóng lý tưởng XTNĐ thuận lợi Bổng cóiiịỉ cụ có th ể m ị phóng nhiều q trình xây XTNĐ dó/lí! thời m hướng nghiên cứu lý tưởng sáu vé XTNĐ cũn ị! áp dung vào tốn ban dầu hóa xốy clio mơ hình d ự báo bão G iới th iệ u Trong m hình số dự báo bão, XTNĐ, vấn đề phàn tích tạo xốy giả (bogus vortex) cho ban đầu hóa xốy đóng vai trị quan trọng Việc ban đau hóa xốy để cập đến nhiều cóng trình nghiên cứu [1], [2], [3], [5], [10] Mục đích ban đầu hóa xốy xây dựng xốy nhân tạo có cấu trúc cường độ sần sát với xoáy bão thực, đế từ cài vào Irường phân tích toàn cầu làm điều kiện ban đầu cho mỏ hlnh dự báo X ốy nhãn tạo thơng thường kết hợp từ hai thành phần: thành phẩn xốy phân tích (analysis) thành phần xốy siá (bogus) Đẽ tạo m ột xoáy nhàn tạo gần sát với xoáy bão thực cần phái xây dựng m ột xoáy giả phù hợp nhất, đám báo mỏ tả cách xác cấu trúc cườns độ xốy bão thực Muốn vậy, cần phải có hiếu biết đầy đủ tiến triển xoáy bão tro ne trình tổn tư ns tác với yếu tó bên ngồi Đã có nhiều n sh iên cứu thực n sh iệm lý thuyết cố gắng giái vấn dể Tuy vậy, xa H2 ười dạt đirợc V m uốn Bói bão, X TN Đ tlurờnc hình thành phát triển biến, nơi mà khơng có nguổn sị liệu quan trắc đầy đủ, cá bề m ặt táng cao khí quyến [11] Do bên cạnh nhữ ne kháo sát thực nehiệm , nsười ta thường xây dưng "ì c = — + /v V (4 , tổng củ a lực qn tính lực Coriolis, V - gió tiếp tuyến, r - bán kinh, z —đọ cao, p —ap su a t,y —tham sô C onolis p —mât độ g lù ơiíi tốc trọng trương T (1) va (2), lấy vi phân chéo để loại bỏ p ta nhận đươc phương trình sau: ổ C' õ _ ÕC -— m p + - - - j - \ n p = - — -Ị— (5) õr g õz gô: Các m ặt đặc trưng (4) thỏa mãn: dz c , (6 ) dr s Trên m ặt ta có: d _ , 1ln p = - -1 ^Ổ -C dr (7) g ÔI Từ (6), dịch chuyển khoảng cách nhỏ (clr, dz) mặt đặc trưng, ta có ( d r ,c ỉ z ) - ( c , —g ) = ; hay từ (3) suy (c/r dz) vng 2ĨC với vec tơ gradien khí áp Đ iều đó, có n hĩa nhữns mặt đặc trưns (5) m ặt đảng áp Phương trình (7) cho biết biến đổi Inp (và đó, p) m ăt đẳng áp tỷ lê với — Nếu ôz tương ứng nhiệt độ T tãng bán kính tăns đẳng áp m ột xốy thuận cân có “ lõi — > 0, mát đị p siảm ơz ■ • w Tức là, xét mặt lạn h ” Naược lại, với trườno hợp — < 0, xốy có “ lõi nóng” ơz Đối \'ới tốn ban đầu hóa xốy cân buna mó hình số vấn để xác định trường m ật độ cân ứng với phân bô' gió tiếp tuyến v(r,z) ch o trước với điều kiện biết giá trị mật độ m ỏi trườns p J R ,z ) áp suất m ôi trường P»(R,Z) khoảng cách bán kính phía n sồi R độ cao » •» õ \' I G iá thiêt rang: xoáy thuận nhiệt đới điến hình có — < Khi CZ tốn giải cách xác sử d ụ n s phương trình (6) (7) Ta thiết lập hệ tọa độ cực gồm nút lưới theo bán kính độ cao Xét nút lưới P(r/;, Zp) đó, ta tích phân (6) phía ngồi để xác định độ cao Z R cùa m ặt đảng áp qua pịrp, Zp) bán kính ngồi R đó; từ (7), xác định thay đổi m ật độ p (rp, Zp) Q (R ,Zr ) v ì mật độ p áp suất p tai điểm (R r) biết, nên ta xác định p p nhiệt dộ p sử d ụ n s phươna trình khí lý tường (hình 1) T uy nhiên, tro n s m hình W RF c ũ n s nhiều mỏ hình dự báo _jui mỏ vừa khác, thay hệ tọa độ thẳng đứng độ cao, người ta thường SỪ dụng hệ tọa độ sism a : 13 theo định nghĩa Từ đó, mật độ độ cao nội suy theo áp suất từ giá trị tính trẽn m ặt đẳng áp T hiết k ế thí nghiệm Phương pháp ban đầu hóa xốy cân đày tác giá xây dựng thành m ột m ôđun ban đầu hóa cho mơ hình W RF phiên bán 2.1 Đế nghiên cứu tiến triển XTNĐ lý tưdns cho mục đích xây dựns sơ đồ ban đầu hóa xoáy xem xét tác động số q trình đến cấu trúc cường độ m hình W R F, tác già tiến hành số thí nghiệm có cấu hình từ đơn siản đến phức tạp, tronq mỏ hình W R F cấu sau: - Đ ộ phán giải ngang 20km , gồm 101x101 nút lưới naana, - 21 mực nguyên thẳng đứng, độ cao đính mơ hình 20km, - Tham số C oriolis xét hằns số toàn m iền (m ặ t/) - Đ iều kiện biên xung quanh sử d ụ n s điều kiện biên mớ Việc xây d ự n s xốy giả ban đầu dịi hỏi phân bố gió hàm độ cao bán kính Có nhiều dạng phân bỏ 210 khác nhau, nhưrm đày tác giá sử d ụ n s phân bố gió tiếp tuyến theo bán kính r độ cao r dạng: v(r,z) = w r(r) w.(z) V(r) (14) Trong đó: ( l-x " F(,-) = Fmav.rexp! x=r/r, (15) r < r + COS^TI r - r R r >r (16) (17) w ,(z)= 1- — H vối v„, v - gió tiếp tuyến cực đại, rm - bán kính gió tiếp tuyến cực đại; b tham so xác định độ rộng profin gió; R - bán kính ngồi miển phân tích- H - độ cao từ bề m ặt đến đinh m hình; W r - hàm trọng số theo bán kính nhằm làm giảm dần gió tiếp tuyến bán kính ngồi R dế tránh bất liên tục trường gió xốy bão m trường; W - hàm trọng số theo độ cao nhằm xây dựng xoáy thuận nhiệt đới có gió liếp tun oiám dần theo cao tươn2 tư thực tê Xony giii co toc đọ gio cực đại vZ'x = 35m /s; bán kính gió cực đại lOOkm, tham số b xac định cho bán kính gió 5m/s 500km Trong thực tế, bán kính °ió cực đại m ột bão mạnh có giá trị nhỏ nhiều so với giá trị lựa chọn (có thể nhồ 20km ) Tuy nhiên, với độ phân giải n a a n s 20km , bán kính gió cực đại cấn lựa chọn tương ứng để mơ hình co mỏ cáu trúc bão Với câu hình mơ hình trên, tác giá kháo sát nương hơp thi 15 xoáy nhân tạo dựa việc nghiên cứu lý tưởng xây dựng xoáy giã Trong mõ hình dự báo đầy đù (mơ hình ba chiểu dựa việc giải hệ phương trình thùy động lực học nguyên thùy), kết dự báo hệ cùa tương tác phức tạp nhiều q trình, nên nói chung khó có thê tách biệt trình dẫn tới hệ V ì vậy, nhiệm vụ toán nghiên cứu lý tường xây dựng điều kiện m ôi trường lý tương, chồng lên xốy lý tường, xuất phát từ biểu thức lý thuyêt hay bán thực nghiệm, để xem xét ảnh hường trình khác đối VỚI xốy lý tường Cho đến có nhiều cơng trình nghiên cứu theo hướng chù yếu dựa mơ hình đơn giản Với toán nghiên cứu chuyên động cùa XTNĐ, naười ta thường sử dụng mơ hình áp hai chiều [8], [9] Trong nghiên cứu liên quan tới biến đổi cùa cấu trúc cường độ XTNĐ mơ hình nước nông nhiểu mực lại ưa chuộng [6] Việc nghiên cứu lý tường XTNĐ dựa mơ hình ba chiều đầy đù hạn chế, chù yếu chúng sử dụng để mơ trường hợp bão cụ thể Trong báo này, tác giả trình bày phương pháp ban đầu hóa xốy cân Chi tiết phương pháp dược mô tả mục Một sơ dồ ban đầu hóa lý tường cho mị hình W RF sử dụng phương pháp xây dựng Từ đó, khảo sát số trường hợp đơn giản nhằm xem xét tác động cùa số q trình đến cấu trúc cùa xốy cân mỏ hình Xây dựng xốy lý tương cản bàng Thõng thường, xoáy cân xây dựng dựa giả thiết xấp xi không nén Trong báo này, chúng tỏi sừ dụng phương pháp xây dựna xốy cân bans khống dùng đến xấp xi khơng nén [7], Dưới mô tả sơ lược phươno pháp Giả sử, cách (lý thuyết bán thực nshiệm ) xây dựng phân bố aió hàm giải tích cùa bán kính /■ độ cao r (r= v (/\ :)), toán đặt xác định yếu tố khí tượns cịn lại trạng thái cân với trường gió cho trước Trong hệ tọa độ bán kính - độ cao (/•, :), phương trình gió gradien phươna trình thủy tĩnh viết dạng: cr Ớz ( 1) ( 2) Hay dans khác: (3) ưone đó: 12 c = — + /v r (4 ) tons lực quán tính lực Coriolis, V - gió tiếp tuyến, r - bán kính, z - độ cao, p - áp s u ấ t , / - tham số C oriolis, p - m ật độ g gia tốc trọng trường Từ (1) (2), lấy vi phân chéo để loại bị p ta nhận phương trình sau: ổ c õ ỉ ÕC -~lnp + - j - \ n p = - - ^ ~ (5) õr g õz g ẽz Các m ật đặc trưng (4) thỏa mãn: (6) Y =dr g Trên m ặt ta có: = dr Từ (6), (7) g C- địch chuyên khoảns cách nhỏ (í//-, dz) mật đặc trưng, ta có ( c ỉ r , d z ) - ( c , - g ) = ; hay từ (3) suy (clr,clz)vng c với vec tơ gradien khí áp Điều đó, có nghĩa mặt đặc trưng (5) m ặt đẳng áp Phươna trình (7) cho biết biến đổi ln /1 (và đó, p) m ặt đ ẳ n s áp tỷ lệ với — Nếu — > 0, thi mật độ p Ĩám ôz OZ tươns ứns nhiệt độ T tăng bán kính tăng Tức là, xét mặt đ ẳn s áp m ột xốy thuận cân có “ lõi lạn h ” Ngược lại, vớitrường hợp — < 0, xoáy có “ lõi nóng” CZ Đối với tốn ban đấu hóa xốy cân mơ hình số vấn đề xác định trường m ật độ cân ứng với phân bố gió tiếp tuyến v ự :) cho trước với điểu kiện biết giá trị mật độ môi trường Pu(R,z) áp suất m trường Po(R.i) khoảng cách bán kính phía ngồi R độ cao - G iá thiết rằng: xốy thuận nhiệt đới điển hình có — < Khi õz tốn giải quỵết cách xác sử dụng phươn° trình (6) (7) Ta thiết lập hệ tọa độ cực gồm nút lưới theo bán kính độ cao Xét nút lưới P(/-p, Zp) đó, ta tích ph in (6) phiu n^OcU đe X£IC định đo CHO cuci melt đãn^ ảp qua P(/' -p) bán kính ngồi R đó; từ (7), xác định tlrìy đổi mật độ P(/> Zp) Q (R ,Zr ) Vì mật độ p áp suất p điếm (R :) biết, nên ta xác định p /; nhiệt độ t'li p sử dụns phưong trình khí lý tưởng (hình 1) Tuv nhiên, mơ hình W RF nhiều mơ hình dự báo quị mỏ vừa'khác, thay hệ tọa độ tháng đứng độ cao người ta thường sử (juna hô toa đo S12ITUI 13 = p -p , p, ~ Pl ( 3) với p - áp suất bề m ặt p, - áp suất đình mơ hình, Khi phương trinh (3) viết dạng: Hay, sau thực phép biến đổi, nhận: õa d , t \ổ a ] ec = — õr ẽr 5ơ p, - p, ổơ ( 10) Các mặt đặc Irưng cùa phương trình thỏa mãn: dr - - “ ln(p, - p,) õr (11) có nshiệm : a ( p s - p , ) = const (12) Đây mặt đẳng áp Từ phương trình (9), mặt đặc trưr>2 , ta có: íỊ u