ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC T ự NHIÊN
NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ sự DI
CHUYỂN CỦA XOÁY THUẬN NHIỆT
• «
ĐỚI LÝ TƯỞNG HOÁ BANG MÔ
HÌNH WRF
MẢ SỐ: QT- 04 - 27
CHỦ TRÌ ĐỂ TÀI:
THS. NGUYỄN MINH TRƯỜNG
CÁN BỘ PHỐI HỢP:
PGS. PHAN VÃN TÂN
NCS. BÙI HOÀNG HẢI
CN. D ư ĐỨC TIẾN
ĐAỈ HỌC QUỐC GIA hà I,'C
TPỤNG TÂM thòng t,n’ ' 1J" w'F\
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU
CHƯƠNG 1. KHÁI NỆM CHUNG VỀ MÔ HÌNH WRF
Giới thiệu
1.1. Cơ sở động lực
1.2. Lưới tính và kiểm soát ồn
1.3. Phân chia khu vực và lưới lồng
1.4. Cấu trúc thẳng đứng
CHƯƠNG 2. Cơ SỞ TOÁN-LÝ CỦA MÔ HÌNH WRF
2.1. Hệ toạ độ theo địa hình
2.2. Hệ toạ độ áp suất thuỷ tĩnh theo địa hình
CHƯƠNG 3. NGHẼN c ú u LÝ TUỞNG SựTẾN TRIẺN c ủ a x o á y th u ậ n
NHIỆT ĐỚI BẰNG MÔ HÌNH WRF
Giới thiệu
3.1. Xây dựng xoáy lý tưởng cân bằng

đới, nguyên nhân là vì nếu dự báo không tốt chỉ một trong hai yếu tố này sẽ dẫn
đến những hậu quả không lường trước được.
Về mặt bản chất toán học các bài toán khí tượng-khí hậu thuộc vào lớp các
bài toán giá trị biên và giá trị ban đầu, trong đó giá trị ban đầu đóng vai trò sống
còn đối với các bài toán khí tượng vì hạn dự báo của bài toán này là ngắn. Do vậy
không có gì đáng ngạc nhiên khi người ta nói rằng ban đầu hóa xoáy cho các mô
hình dự báo bão-xoáy thuận nhiệt đới là một trong những vấn đề hết sức quan
trọng. Về mặt vật lý bão-xoáy thuận nhiệt đới phát triển và di chuyển gắn liền với
sự tương tác với môi trường bên ngoài, nơi mà chúng đang tồn tại và phát triển.
Một cách đơn giản có thể hình dung là tại thời điểm ban đầu dòng môi trường là
như nhau thì với hai cơn bão có cường độ khác nhau sẽ có tốc độ phát triển và di
chuyển khấc nhau.
Một điều hết sức nan eiải là các cơn bão-xoáy thuận nhiệt hình thành trên
các đại dương do vậy sô' liệu do đạc là rất thưa, chưa kể đến chất lượng sô' liệu
không tốt như trên đất liền. Hơn nữa các trường phân tích và dự báo từ mô hình
toàn cầu có độ phân giải thô do vậy không mô tả tốt cấu trúc thực của các cơn
bão. Hộ quả tất yếu là chúng ta phải có phương pháp nào đấy để xác định cấu trúc
được xem là sát với cấu trúc thực của các cơn bão-xoáy thuận nhiệt đới. Một kỹ
thuật được biết đến nhiều trona thời gian gần đây là kỹ thuật cài xoáy nhân tạo
cho các mô hình số, sử dụng số liệu trường phân tích hay dự báo của các mô hình
toàn cầu.
Ngược lại, để có thể xây dựng thành công và cài được một xoáy nhãn tạo
phù hợp vào mô hình dự báo chúng ta lại cần phải có sự hiểu biết đầy đủ hơn về
cấu trúc cơ bản nhất của nó. Một trong những giải pháp khả thi trong thời gian
gần đây là nghiên cứu xoáy lý tưởng, trong đó các nhà khí tượng chú trọng tập
trung vào các quá trình vật lý có bản nhất chi phối sự phát triển và di chuyển của
cơn bão-xoáy thuận nhiệt đới. Do sự khó khăn trong việc thiết lâp các điều kiện
lý tường đối với các mổ hình đầy đủ nên trước đáy việc nghiên cứu xoáv lý tưởn°
chu yêu dựa trên cơ sơ các mô hình đơn giản, mà thường là các mô hinh chính áp
hoặc mô hình nước nông nhiều lớp.

Ban đầu mô hình được phất triển một cách tối thiểu đối với phần động lực
của mô hình toàn cầu, nhờ đo sẽ nắm bắt được những đặc điểm khí tượng quan
trọng của động lực học bất thuỷ tĩnh. Sự cải tiến này dựa trên cơ sở động lực học
của mô hình tựa bất thuỷ tĩnh QNH (Quasi-Non-Hydrostatic). Mô hình QNH ra
đời sớm hơn và có nhiều hạn chế hơn so với WRF. Hệ thống mô hình QNH dễ bị
nhầm lẫn vói hệ thống mô hình đàn hồi (anelastic models) nhưng thực tế cơ sở
của hai hệ thống mô hình này khác nhau hoàn toàn, và do vậy hộ quả động lực là
hoàn toàn khác nhau. Hệ thống mô hình QNH không giới hạn tính nén được của
khí quyển, hệ quả của việc này là mô hình QNH cho kết quả tính toán tốt như mô
hình thuỷ tĩnh đối với quá trình qui mô lớn, trong khi đó mồ hình đàn hồi lại cho
kết quả hoàn toàn khác. QNH có thể lọc ra được những mode sóng âm lan truyền
theo phương thẩng đứng bằng cách biến đổi phương trình thuỷ tĩnh (liên hệ địa
thế vị với profile thẳng đứng của nhiệt độ). Sự biến đổi này bao gồm đưa vào cân
bằng thủy tĩnh sử dụng nhiệt độ môi trường cùng với rốc độ biến đổi vật chất
“omega” (tương đương với tốc độ thay đổi áp suất) để tạo ra một ước lượng thành
phần gia tốc thẳng đứng (thành phần thứ ba trong cân bằng động lượna thẳng
đứng thực được đưa ra bởi định luật II của Newton). Một kiểm nghiêm các modes
tuyến tính hoá cho bời hệ thống QNH cho thấy các mode khí tượng quan trọng đã
được xấp xỉ với độ chính xác cao. Sự vắng mặt các mode sóng âm tần số cao có
nghĩa là, cũng giống như một mô hình bất thuỷ tĩnh nửa ẩn, bước thời gian không
bị hạn chế bởi việc xem xét tính ổn định nảy sinh từ tốc độ của các mode này.
Tuy nhiên, không giống như mô hình nửa ẩn (semi-implicit model), mô hình
QNH cũng chánh được sự cần thiết phải loại trừ được các thành phần tích trữ
(storage) của các biến phụ thuộc, và các cưỡng bức của chúng, gắn liến với các
mode sóng âm.
1.2 Lưới tính và kiểm soát ồn
Trong quá trình phát triển, mô hình WRF được các tác giả có ý định sử
dụng các phương pháp số bậc cao. Khi sử dụng sơ đồ sai phân không gian bậc cao
sẽ có những lợi thế nhất định nếu sử dụng lưới so le trong quá trình tính toán.
Hơn nữa việc so le hoá các biến phụ thuộc dẫn đến những phức tạp đáng kể cũng

đặc trưng động lực quan trọng đã được sử dụng thành công trong thực tiễn. Việc
quyết định tăng cường độ độ phân giải có thể được quyết định một cách khách
quan với việc nhận biết những vùng có sai số cắt xén lớn. Với một mô hình sử
dụng các phương pháp số bậc cao thì sự phù hợp giữa lưới có độ phân giải thô và
độ phân giải tinh phải được thực hiện trên một vùng có độ dày hữu hạn. Việc hoà
trộn thông tin hai chiều trên vùng biên của miền tính có độ phân giải tinh có thể
đạt được theo cùng một cách như đã nói ở trên, ngoại trừ trong trường hợp này
cần phải có các bước nội suy cẩn thận từ lưới thô vào lưới tinh và ngược lại. Lưu ý
rằng trong các phép nội suy từ lưới tinh về lưới thô cần tránh hiện tượng chồng
chập xung tần số cao vào các xung tần số thấp được giải bởi lưới thô. Khi quá
trình này được thực hiện thành công thì việc lồng các lưới có độ phân giải cao
hơn sẽ làm cho các đặc trưng khí tượng qui mô nhỏ được mô phỏng rõ nét và
trung thực hơn, ví dụ như hiện 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 được sử đụng
trong mồ hình dự báo nghiệp vụ ETA tại NCEP đã giải quyết tốt “vấn đề sigma
địa hình”, điều gây ra nhiều phức tạp cho các mỏ hình sử dụna hệ toạ độ theo địa
hình. Nhưng lại không may là việc mồ tả địa hình như vậy cũng gây ra khó khăn
10
rất lớn đối với các kỹ thuật giải bằng phương pháp sô' và, với qui mô nhỏ, cho
thấy nhiều vấn đề địa hình cố hữu mới nảy sinh. Để khắc phục vấn đề khi tính
toán đối với địa hình núi thì WRF đã sử dụng hệ toạ độ lai theo phương thẳng
đứng, đó là sử dụng hộ toạ độ địa hình ở khu vực sát mặt đất, khi tiến dần lèn cao
thì sẽ chuyển dần sang hệ toạ độ nhiệt độ thế, cho đến khi đạt tới một giá trị cố
định của nhiệt độ thế, biểu diễn “đỉnh hiệu dụng” của mô hình, thì mặt toạ độ của
mô hình trùng hoàn toàn với mặt đẳng entropy. Để có được các điều kiện động
lực sát thực tại biên trên này, mô hình sẽ được phủ lên trên bởi một mô hình
chính áp “lớp nắp” đơn giản. Mô hình lớp nắp này không chỉ tạo ra một điều kiện
phù hợp giữa địa thế vị và áp suất mà nó còn đảm bảo các đặc trưng về động
lượng và khối lượng cũng như các quan hệ cảnh báo khác có thể rút ra cho toàn

Đại lưcmg tức thời ờ đây sẽ được định nghĩa như là tổng của đại lượng
trunng bình và độ lệch của nó khỏi trạng thái so sánh chuẩn cân bằng thuỷ tĩnh
p = p(z) + p',p = p{z) + p\Q = p(z)ỡ(z) + &
Trong đó g là gia tốc trọng trường, ỵ =Cf/ = 1.4 là tỷ số giữa nhiệt dung riêng
đằng áp và nhiệt dung riêng đảng tích của không khí khô.
Không giống với hầu hết các mô hình bất thuỷ tĩnh đang tồn tại, ở đây
khổng tích phân phương trình dự báo áp suất, thay vào đó phương trình (5) sẽ
dùng thay cho phương trình áp suất. Từ (7) cho thấy mối quan hệ hàm mũ giữa áp
suất và nhiệt độ thế, do vậy có thể thay thế đại lượng sradien khí áp trong phương
trình (2), (3), (4) bời Vp = ỵRnVQ, với n = ị p / j , X = Ỵ và R là hằng số khí
của không khí khô. Như vậy phương trình động lượng được viết dưới dạng như
12
d'U + V.(vơ) + yRnõx& = Fu ( 8 )
d,V + V.(vV) + }Rĩidy®' = Fv (9)
d,w + V.(vfV) + ỵRjiõz& - g { p ị - p ') = Fu, (10)
Trong mô hình WRF sơ đồ tích phân thời gian là sơ đổ Runge-Kutta bậc
ba. Để thực hiện sơ đồ tích phân tách-hiển, chúng ta nhóm những thành phần
được lấy tích phân cho bước thời gian sóng âm nhỏ (small acoustic time steps) ở
vế trái của phương trình, trong khi đó những thành phần ở vế phải được ước lượng
tại bước thời gian tính toán gần nhất t và được giữ không đổi cho các bước thời
gian sóng âm. Với mục đích này chúng ta viết lại hệ phương trình cho các biến
nhiễu động so với giá trị của nó tại thời điểm t (vì điều này sẽ làm giảm sai số cắt
xén)
d,U"+ yRn‘Ôx®” = F„' - d xp" -V .(v 'ơ') (11)
d,Vn + ỵR7r'dye" = F : -d yp" -V .(v T ') (12)
d,W" + yRĩt'd.<ò" -g p — ^ r ^ r + gp" = Fì\-d .p " - gp" - V.(x'W')
cr n 0
(13)
a,©' + v.(v"ớ') = F't -V .(v'ớ ') (14)
Ỡ ,// + V.V" = -V.V' (15)

cv n fc)
a(0” + [v.(v"ớ')], = i^-[v.(v'0')ir (19)
a,p’+[v.v']f =-[v.v']f (20)
trong đó Q = V.V£ = rv +Q ", = ( ^ , ^ ’í ) ’ và định nghĩa
(V.Vứ)í = (V.Va)í + a(V.V)f = v ? .(Va) + d( (Oa) (21)
trong đó biến a là một đại lượng vô hướng nào đó.
Cho các bước thòi gian sóng âm, dạng rời rạc hoá theo thời gian của các
phương trình, sử dụng trong các thuật giải ẩn theo phương thẳng đứng tách hiển
với sơ đồ tích phân Leapfrog hoặc sơ đổ Runge-Kutta bặc hai bước thời gian lớn,
có thể biểu diễn lại dưới dạng sau
dtU" + yRn' [a ,0 'f + d, (£x&’r)] = Rl (22)
ỡ V + ỵRĩr'[dyQ"T +Ô( (£ ,© ")]= *: (23)
— [stư - ỗ T(U X.+ ymCỉ.)]+7R^ldí (í!&,T) - g p ~ ^ - + gp,ĩ=K (24)
SQ" + V . . ( r r+irớ ') + õ; ( ữ T0' ) = R'e (25)
Ổ p’ + vf. r r+*r + a/í? r =R‘P (26)
14
trong đó R'u,R'tiR'e,R'p thay thế cho các thành phần ờ vế phải của phương trình từ
(16) đến (20) tương ứng và ở đây các toán tử lấy trung bình theo thời gian và toán
tử sai phân thời gian được định nghĩa như sau
Trong phương trình (24) đạo hàm theo thời gian dtW" đã được viết lại dưới dạng
Q" dể tính phần ẩn theo phương thẳng đứng của phép tích phân được thuận tiện
Trong thủ tục tách thời gian, các thành phần ở vế phải được tính với bước
thời gian lớn và giữ nguyên vói bước thời gian sóng âm nhỏ. Với bước thời gian
A t trong thủ tục bước thời gian nhỏ, phương trình động lượng ngang (22), (23)
được tích phân trước, với các thành phẫn chứa 0" được tính tại thời điểm r . Tiếp
theo tích phân phương trình (24), (25), (26). U"l+Aĩ và F"r+ir được sử dụng trong
(25) và (26) được tính theo sơ đồ tích phân tiến-lùi của Klemp và Wilhelmson
(1978), và thành phần Sz{ỤXx + VXy) trong phương trình (24) được tính sử dụng
vận tốc ngang đã được cập nhật. Các phương trình (24)-(26) được liên kết ẩn theo
phương thẳng đứng, sử dụng sai phân bậc 2 theo phương thẳng đứng trên lưới c,

p = p{z) + p',ộ = ệ{z) + ệ',a =ã(z) + a',ự = /7(z) + / / . Vì bề mặt cùa hệ toạ độ TỊ
về cơ bản là không nằm ngang vì vậy mà các biến p,ậ ,ă còn là hàm củ a(x,y,rj).
Sử dụng các biến nhiễu, phần cản bằng thuỷ tĩnh của gradient áp suất trong trạng
thái nền có thể được loại bỏ mà không cần tới một xấp xỉ nào trong các phương
trình. Do vậy các phương trình động lượng được viết
d,u + (V.vt/), + ỉỉad,p' + (ĩ]pdxjl)a' + fjõJ' + 0dxỷ){ônp' - //) = Fu (38)
d,V + ỰỤ.\V)n + fuaõyp' + (jiụd>Jĩ)al + +{.dyệ)(dnp' - ụ ’) = Fy (39)
õ,w + (V.V0O, - g{dnp ’ - ti') = Fw (40)
Tương tự như vậy phương trình (36) trở thành
dnệ' = -JIa" - aụ' (41)
Để thuận tiện cho quá trình lấy tích phân bước thời gian âm nhỏ trong sơ
đồ tách thời gian, chúng ta định nghĩa những biến cho bước thời gian nhỏ, biểu
diễn độ lệch khỏi giá trị tại bước thời gian lớn gần nhất (ký hiệu bởi t)
V" = v - v \ Q" = Q - n \ ©” = 0 - 0 '
Ị tí II i t t _ t _ r t _ ti
__
____
/ _ rí ft
__
t ft
ộ =ệ - ệ , p = p - p , a =a -a , ụ = ụ - /Ấ (42)
Sử dụng các biến này, hệ phương trình được tích phân với bước thời gian
sóng âm nhỏ Ar có dạng
5tU’ + v'a 'd ^" ' +(riMldJĩĩ)a*1 +(dj')(õnp’- ụ"Y = R§u (43)
16
S'V
+
fi‘a‘dyp'r
+
(Jiv'd y/2)a"

với c2 = yp‘a' là bình phương vận tốc âm.
Phương trình (55) cho p" nhận được từ việc tuyến tính hoá (37) cho các
biến tại bước thời gian gần nhất. Việc này làm tãng hiệu suất tính toán cho bước
thời gian nhỏ bằng việc loại bò phép tính mũ, và quan trọng hơn là cho phép
gradient áp suất trong (47) được biểu diễn thông qua biến ệ” để giải ẩn cho các
mođe sóng âm lan truyền theo phương thẳna đứng. Kết hợp (55) và (56) gradient
thẳng đứng được viết
õ ỵ - õ Ậ C d „f)+dn
a' 0 '
(57)
ĐAI HOC QUỐC GIA HÀ NÒ'
TRUNG TÃf'/' t h ò n g tin vẹ n
trong đó c = c2 / ụ 'a '2. Viộc tuyến tính hoá với bước thời gian lớn gần nhất đạt
được độ chính xác cao trong khoảng thời gian tương ứng với vài bước thời gian
nhỏ.
Quá trình tính toán cho bước thời gian nhỏ được tiến hành như sau: Đầu
tiên ta có giá trị của những biến cho bước thời gian nhỏ tại thời điểm T , phương
trình (43) và (44) được sai phân tiến để có U"T+&r, F"r+ir. Tiếp theo các đại lượng
/ / r+4r, Q"r+ir được tính toán từ phương trình (45). Điều này được thực hiện bằng
cách trước tiên tích phân phương trình (45) từ bề mặt tới bề mặt vật chất là đỉnh
của miền tính, việc này sẽ loại bỏ qua thành phần Ô^Q" và như vậy
Sau khi tính / / r+ar từ phương trình (58), Q"r+Ar được tính lại bằng cách sử
dụng phương trình (45) để tích phản theo phương thẳng đứng, biết rằng
= Otại bề mật. Sai phân tiến phương trình (46) ta sẽ tính được 0*r+4r, Kết hợp
các phương trình (47), (48) và (57) sẽ cho phương trình ẩn theo phương thẳng
đứng để giải cho fV”r+Al, với các điều kiện biên W' - y .V h tại bề mặt z = h(x,y),
và p' = 0 dọc theo biên trên cùa miền tính. Tiếp theo <rr+âr được tính từ phương
trình (48), và p"T+AT và a"T+ÁỈ được tính lại từ phươns trình (55) và (56).
0
(58)

người ta thường sử dụng các mô hình chính áp hai chiều [8, 9]. Trong khi đối với
những nghiên cứu liên quan tới sự biến đổi của cấu trúc và cường độ XTNĐ thì
các mô hình nước nông nhiều mực lại được ưa chuộng [10]. Việc nghiên cứu lý
tưởng XTNĐ dựa trên các mô hình ba chiều đầy đủ hiện vẫn còn khá hạn chế,
trong đó chủ yếu chúng được sử dụng để mô phỏng các trường hợp bão cụ thể.
19
Trong nghiên cứu này sẽ trình bày một phương pháp ban đầu hóa xoáy cân
bằng. Chi tiết về phương pháp này sẽ được mô tả ở mục 1 dưới đây. Một sơ đổ
ban đầu hóa lý tưởng cho mô hình WRJF sử dụng phuơng pháp trên cũng được
xây dựng. Từ đó khảo sát một số trường hợp đơn giản nhằm xem xét tác động của
một số quá trình đến cấu trúc của một xoáy cân bằng trong mô hình.
1. Xây dựng xoáy tý tưởng cản bằng
Giả sử, bằng cách nào đó (lý thuyết hoặc bán thực nghiệm) đã xây dựng
được một phản bố gió là hàm giải tích của bán kính r và độ cao z (v = v(r, z)), bài
toán đặt ra là xác định các yếu tố khí tượng còn lại ờ trạng thái cần bằng với
trường gió cho trước.
Trong hộ tọa độ độ cao-bán kính (r, z), phương trình gió gradient và
phương trình thủy tĩnh có thể viết dưới dạng
T ' * (1)
Ị — pg (2)
02
Hay dưới dạng khác
( £ . f) - p ( c ,- g ) (3)
V or õz
trong đó
c = — + > (4)
r
là tổng của các lực quán tính và lực Coriolis; V là gió tiếp tuyến; r là bán kính; z là
độ cao; p là áp suất; / là tham số Coriolis; p là mật độ; và g là gia tốc trọng
trường. Từ (1) và (2), lấy vi phân chéo để loại bỏ p ta sẽ nhận dược phương trình

tọa độ cực gồm các nút lưới theo bán kính và độ cao thì tại một nút lưới bất kì
P(rp, Zp) nào đó phương trình (6) được lấy tích phân ra phía ngoài để xác định độ
cao ZR của mặt đẳng áp đi qua p tại bấn kính ngoài R. Từ (7), có thể xác định
được sự thay đổi của mật độ giữa p và (R, ZR). Bởi vì các giá trị mật độ p và áp
suất p tại (R, í) đã biết, nên có thể xác định p và p cũng như nhiệt độ tại p sử
dụng phương trình khí lý tưởng.
Hình 1. Sơ đồ xác định mật độ của xoáy
cân bằng trong hệ tọa độ (r, z). Điểm
nút lưới đang xét (P), giả sử phàn bố
mật độ môi trường theo độ cao (lại r =
R) đã biết.
Tuy nhiên, trong mô hình WRF cũng như nhiều mô hình dự báo qui mô
vừa khác, thay vì hệ tọa độ thẳng đứng là độ cao, hệ tọa độ sigma thường được sử
dụng. Hệ tọa độ sigma có dạng
ơ -
p - p ,
P,-Pi
với ps là áp suất tại bề mặt và /7, là áp suất tại đỉnh mô hình. Khi đó phương trình
(3) có thể được viết lại như sau
°p
r ỡộ <3<ị> ^
^õr' daJ
V
C-aa=£f-,-a.ịp,
õr
(9)
21
( 10)
Các mặt đặc trưng của phương trình này thỏa mãn
( 11)

cao và bán kính. Có nhiều các dạng phân bố gió khác nhau, nhưng ở đãy sử dụng
phân bố gió tiếp tuyến theo bán kính r và độ cao z dưới dạng
v(r, z) = W '(r).Wz(z).V(r)
trong đó
y (r)= v _ x a v
lì
x-rỉr,
w » =
r <r„
I + cos
r-r_
R-r.
r > r_
w(z)= 1- —
(14)
(15)
(16)
(17)
với Vraax là gió tiếp tuyến cực đại; rm là bán kính gió tiếp tuyến cực đại; b là tham
sô' xác định độ rộng của profile gió; R là bán kính ngoài cùng của miền phân tích;
H là độ cao từ bề mặt đến đỉnh mô hình. Wr là hàm trọng số theo bán kính nhằm
mục đích giảm dần gió tiếp tuyến đến 0 tại bán kính ngoài R để tránh sự bất liên
tục của trường gió giữa xoáy bão và môi trường. Wz là hàm trọng số theo độ cao
nhằm xây dựng một XTNĐ có gió tiếp tuyến giảm dần theo độ cao tương tự như
trong thực tế. Xoáy giả có tốc độ gió cực đại Vmax = 35m/s; bán kính gió cực đại
rm = 100km; tham số b được xác định sao cho bán kính gió 5m/s là 500km. Trong
thực tế, bán kính gió cực đại của một cơn bão mạnh có giá trị nhỏ hơn nhiều so
với giá trị được lựa chọn (có thể nhỏ hơn 20km), tuy nhiên với độ phân giải 20
km, bán kính gió cực đại cần được lựa chọn tương ứng để mô hình có thể mô
phỏng được cấu trúc của bão.

các trường tương ứng sau 24h tích phân của TH2; và các Hình 2.D, 3.D, 4.D là
của TH3.
Từ các Hình 2.B, 3.B, 4.B cho thấy, sau 24 giờ tích phân của THI, các
trường của xoáy giả hầu như không thay đổi sau 24h tích phân (rất khó phân biệt
bằnơ mắt thường). Tuy nhiên, khi xem xét biến đổi của áp suất mực biển tại tâm
theo thời gian (Hình 8), có thể thấy rõ hơn những biến đổi của áp suất. Trong giờ
đầu tiên, áp suất tại tâm giảm một chút, điều này thể hiện xoáy ban đầu chưa thực
sự cân bằng, và do đo áp suất phải có sự biến đổi để cân bằng lại với trường gió.
Tuy nhiên, sự biến đổi này là nhỏ, có thể chấp nhận được. Nguyên nhân của sự
mất cân bằng nhỏ ờ đây có lẽ do những sai số khi thực hiện các phép nội suy từ
các mực áp suất về các mực sigma. Sau một thời gian ngắn giảm áp, áp suất tại
tâm bắt đầu tăng dần tuyến tính, nguyên nhân có thể do các sai sô nhỏ của inô
hình như đã nói ờ trên, tuy nhiên, sự biến đổi này là không lớn.
24
Sự giảm áp suất tại tâm một xoáy thuận cân bằng được gắn với sự giảm
của mật độ. Vì vậy, nếu tốc độ gió tiếp tuyến giảm theo độ cao (như trong một
XTNĐ điển hình), thì xoáy có lõi nóng nếu xét trên mặt áp suất. Tức là nhiệt độ
tăng khi đi từ ngoài vào theo phương bán kính trên một mặt áp suất. Trong Hình
4.A và 4.B còn thể hiện rõ cấu trúc lõi nóng trên mặt sigma của xoáy lý tưởng.
Khi một xoáy cân bằng được đặt vào môi trường có ma sát, gió ở gần bề
mật sẽ yếu đi. Khi đó sự cân bằng giữa lực gradient khí áp, lực quán tính ly tâm
và lực Coriolis sẽ bị phá vỡ. Hậu quả là gió sẽ hội tụ ở mực thấp và xuất hiện
dòng thăng mạnh nhất ở khu vực gió cực đại. Do bảo toàn mômen động luợng,
tốc độ gió sẽ tãng lên khi hội tụ. Trong thực tế, đây là quá trình thúc đẩy sự vận
chuyển ẩn nhiệt trong bão, và là một cơ chế tăng cường bão. Tuy nhiên nếu
không có các quá trình ẩm vật lý mây (TH2), hoàn lưu sơ cấp cùa xoáy sẽ yếu
dần, tương ứng với nó cưòng độ xoáy sẽ giảm dần, đặc biệt ở gần bề mặt. Hình
2.C cho thấy gió ở các mực thíp giảm đáng kể, trong khi gió ở các mực cao (nơi
ít chịu ảnh hưởng của ma sát) hầu như khồng đổi. Kết luận tương tự cho trường áp
và trường nhiệt (Hình 3.C, 4.C). Trường áp suất tại tâm cũng giảm mạnh (Hình 8)

cường rõ rệt so với THI và TH2.
Hình 4.D là mặt cắt của trường nhiệt độ (TH3) sau 24h mô phỏng. Nhiệt
độ giảm ở gần bề mặt do không khí xung quanh có nhiệt độ thấp hơn hội tụ vào
vùng áp suất thấp và do các khu vực dòng giáng do giáng thủy ở khu vực thành
mắt bão. Còn ở các lớp khí quyển phía trên sự đốt nóng do ẩn nhiệt đã làm xuất
hiện cấu trúc lõi nóng khá rõ. Mặt cắt thẳng đứng của các trường độ ẩm riêng, độ
ẩm tương đối, lượng nước mây riêng và tốc độ thẳng đứng sau 24 giờ mô phỏng
trên các Hình 6.A, 6.B, 6.C và 6.D tương ứng thể hiện rõ cấu trúc thành mây gần
mất bão và sự phân kì với màn mây dạng phễu ở nửa trên tầng đối lưu. Sự hội tụ
mực thấp và phân kì ở trên cao của trường gió còn có thể nhận thấy rõ hơn thông
qua cấu trúc đường dòng được chỉ ra trên Hình 7 và 8.
Như đã nói trong mục trước, thí nghiệm TH4 được thiết lập nhằm xem xét
ảnh hưởng của dòng nền đến cấu trúc và sự di chuyển của xoáy. Đãy là một
trường hợp đơn giản hoá tương tự trường hợp bão hình thành ngoài khơi Thái
Bình Dương, nằm sâu trong rìa phía nam của hệ thống cao áp cận nhiệt Tãy Thái
Bình Dương, với dòng nền giả định là 5m/s. Mặc dù là tình huống giả định đơn
giản nhưng có thể thấy nó ảnh hưởng sâu sắc tới cấu trúc của xoáy. Cụ thể là
phân bố trường áp mặt biển thể hiện sự bất đối xứng rõ rệt so với các truờng hợp
đã nói ở trên (Hình 10.A). Nhìn chung ngoài tâm bão áp suất giảm từ đông sang
tây, điều này là do sự thiết lập trạng thái cân bằng giữa trường áp và trường gió.
Về cấu trúc không gian của đường đòng, khi dòng nền được đưa vào cũng
đã làm tăng tính bất đối xứng rất rõ rệt (Hình 10.B, C). Nửa phía bắc của xoáy
hình thành vùng hội tụ mạnh, với tốc độ gió rất lớn, trong khi đó rìa phía nam của
xoáy xuất hiện một trường biến dạng với tốc độ gió nhỏ. Đây là cấu trúc rất điển
hình của các cơn bão hay xoáy thuận nhiệt đới. Tuy nhiên, điều đáng nói là qua
các thí nghiệm được thiết kế trong nghiên cứu này đã chỉ rõ nguyên nhân cơ bản

nhất dẫn tới sự hình thành cấu trúc bất đối xứng chính là dòng nền. So sánh Hình
10.A, B có thể thấy xoáv đã di chuyển theo hướng từ đông sang tây với tốc độ
nhỏ hơn tốc độ dòng nền.