n g h i ê n c ứ u l ý t ư ở n g s ự t i ế n t r i ể n c ủ a x o á y t h u ậ n
N H IỆ T Đ Ớ I BANG M Ô H ÌNH YVRF
CN. Bùi H o à n g H ái,
PGS.TS. P h a n V ăn T ă n . ThS. N guyễn M in h T rư ờ n g Đại học Quốc gia Hà Nội
BiIII đau ho a xocty cho các mỏ hình (lự báo bão - xoá x tlìiiàn nhiệt đới lu m ọt lì ong nhưng vân đê hét sức quan trọng. Đc có thế,XÚY diúiiỊ dicợc một xo áy nhân tạo p h ù hợp, cần phải có sự hiểu biết đây chi vẽ' cấu í rúc cùa nó. M ội trong những cách tiếp cận vấn íỉé này ì à nghiên cứu x o áy lý tường. Do
s ự k h o k h ă n t r o n g vi ệc thiết l ập cú c điêu kiện lý tiíâ/ìíị d ô i với c ác m ô liình
đày ứủ nên trước d â y việc nghiên cứu xoáy lý tương cliú yếu dựa trẽn cơ sà các m ô hình don gián, mù thường lá các mô hình chính áp hoặc mô hình nước nôn ụ nhiều lớp.
T rong nghiên cứu này, các tác giá sử dụng mô hình dầy ít ú WRF với phương phá p ban dầu hóa x o á y cán bâng và xây dựng các mó p h ó mị lý tướng sự tiến triển của một xoá y thuận nhiệt dới (X ĨN Đ ). Kết (/nà nliận dược cho tluíy: W R F (W eather Research Forecast) là một mô hình cho phép ilìực hiện những mô phó ng lý tưởng XTNĐ khá thuận lợi. Bổng cóiiịỉ cụ nay có th ể m ò p h ón g được nhiều quá trình xây ra trong XTNĐ . dó/lí! thời m ớ ra những hướng nghiên cứu lý tưởng sáu hơn vé XTNĐ cũn ị! n h ư áp dung vào bài toán ban dầu hóa x o á y clio mô hình d ự báo bão.
1. G iới th iệ u
Trong các m ô hình số dự báo bão, XTNĐ, vấn đề phàn tích và tạo xoáy
g iả (b ogu s vortex) ch o ban đầu hóa xoáy đóng vai trò hết sức quan trọng.
V iệc ban đau hóa xoáy đã được để cập đến trong nhiều cóng trình nghiên cứu [1], [2], [3], [5], [10]. M ục đích của ban đầu hóa xoáy là xây dựng một xoáy nhân tạo có cấu trúc và cường độ sần sát nhất với xoáy bão thực, đế từ đó cài vào Irường phân tích toàn cầu làm điều kiện ban đầu cho mỏ hlnh dự báo. X oáy nhãn tạo thông thường được kết hợp từ hai thành phần: thành phẩn xoáy phân tích (an aly sis) và thành phần xoáy siá (bogus).
Đẽ có thể tạo được m ột xoáy nhàn tạo gần sát nhất với xoáy bão thực cần phái xây dựng m ột xoáy giả phù hợp nhất, đám báo m ỏ tả được một cách khá chính xác cấu trúc và cườns độ của xoáy bão thực. M uốn vậy, cần phải có sự hiếu biết đầy đủ về sự tiến triển của xoáy bão tro ne quá trình tổn tại cũng như sự tư ơ n s tác giữa nó với các yếu tó bên ngoài. Đã có nhiều n s h iê n cứu thực n sh iệ m và lý thuyết cố gắng giái quyết vấn dể này. Tuy vậy, còn xa con H2ười mới có thể dạt đirợc mọi V m uốn của mình. Bói bão, X TN Đ tlurờnc h ìn h thành và phát triển trên biến, nơi mà không có nguổn sò liệu qu an trắc đ ầy đủ, cá ở bề m ặt và trên các táng cao khí quyến [11]. Do đó. bên cạnh n h ữ n e kháo sát thực nehiệm , nsười ta thường xây dưng các
c = — + /v (4 , là tổng c ủ a các lực q u án tính và lực C oriolis, V - gió tiếp tuyến, r - bán kinh, z — đọ cao , p — ap s u a .t,y — tham sô C o n o lis. p — m ât độ và g lù ơiíi tốc trọng trương. T ư (1) va (2), lấy vi phân chéo để loại bỏ p ta sẽ nhận đươc phương trìn h sau:
ổ C' õ . _ 1 ÕC
-— m p + - - - j - \ n p = - — -Ị— (5)
õr g õz g ô :
Các m ặt đặc trưng của (4) thỏa mãn:
dz c "ì V , (6) d r s T rên các m ặt này ta có: d, ln p = - - ^ - 1 _ 1 Ổ C (7) d r g ÔI
T ừ (6), nếu dịch chuyển một khoảng cách nhỏ (clr, dz) trên các m ặt đặc
trưng, ta c ó ( d r ,c ỉ z ) -( c , —g ) = 0 ; hay từ (3) suy ra (c/r. dz) vuông 2ÓC với
vec tơ grad ien kh í áp. Đ iều đó, cũng có n2hĩa là n hữ ns mặt đặc trư ns của (5) là các m ặt đản g áp. Phương trình (7) cho biết sự biến đổi của Inp (và do đó, p) trên các m ăt đẳn g áp tỷ lê với — . Nếu — > 0, thì m át đò p siảm và
ôz ôz ■ • w
tương ứng nhiệt độ T tãng khi bán kính tăns. Tức là, nếu xét trên các mặt đẳng áp. m ột xo áy thuận cân bằng sẽ có “ lõi lạ n h ” . Naược lại, với trườno hợp — < 0, xoáy sẽ có “ lõi nó n g ” .
ôz
Đối \'ới bài toán ban đầu hóa xoáy cân buna trong mó hình số. vấn để là xác địn h trường m ật độ cân bằng ứng với m ột phân bô' gió tiếp tuyến
v(r,z) ch o trước với điều kiện biết giá trị của mật độ m ỏi trườns p J R , z ) và áp suất m ôi trường P»(R,Z) tại khoảng cách bán kính phía n so à i R và độ cao
» •» õ \ '
I nào đó. G iá th iêt rang: các xoáy thuận nhiệt đới điến hình có — < 0. Khi
CZ
đó bài toán có thế được giải quyết m ột cách chính xác khi sử d ụ n s các phương trình (6) và (7). Ta có thể thiết lập một hệ tọa độ cực gồm các nút lưới theo bán kính và độ cao. Xét tại m ột nút lưới bất kì P(r/;, Zp) nào đó, ta tích phân (6) ra phía ngoài để xác định được độ cao Z R cùa m ặt đảng áp đi qua pịr p, Zp) tại bán kín h ngoài R nào đó; từ (7), có thể xác định được sự thay đổi của m ật độ giữ a p(rp, Zp) và Q (R ,Z r ). v ì mật độ p và áp suất p tai các điểm (R .r) đ ã biết, nên ta có thể xác định được p và p cũng như nhiệt dộ tại p khi sử d ụ n s phươna trình khí lý tường (hình 1).
T uy nhiên, tro n s m ô hình W R F c ũ n s như nhiều mỏ hình dự báo _jui m ỏ vừa khác, th ay vì hệ tọa độ thẳng đứng là độ cao, người ta thường SỪ dụng hệ tọa độ sism a :
th eo định nghĩa. Từ đó, mật độ và độ cao có thể nội su y theo áp suất từ các
giá trị đã tín h được trẽn các m ặt đẳng áp nền.