[Free] Luận án Nghiên cứu phát triển và ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo

Download Luận án Nghiên cứu phát triển và ứng dụng sơ đồ ban đầu hóa xoáy ba chiều cho mục đích dự báo chuyển động bão ở việt nam miễn phí

Mục lục
Lời cam đoan. i
Lời Thank . ii
Mục lục. iii
Danh mục hình ảnh .v
Danh mục bảng biểu. ix
Danh mục các ký hiệu viết tắt .x
MỞ ĐẦU.1
Tính cấp thiết của đềtài. 1
Mục đích của luận án. 4
Những đóng góp mới của luận án . 4
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn . 4
Tóm tắt cấu trúc luận án . 5
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU VỀBÃO VÀ BAN ĐẦU
HÓA XOÁY BÃO .6
1.1 Những nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng vềchuyển động của bão. 7
1.2 Những nghiên cứu ban đầu hóa xoáy trong các mô hình dựbáo chuyển động của bão 12
1.2.1 Các phương pháp xây dựng xoáy nhân tạo . 14
1.2.2 Các phương pháp phân tích xoáy . 24
1.2.3 Các phương pháp kết hợp xoáy nhân tạo với trường môi trường . 29
1.3 Những nghiên cứu trong nước vềdựbáo quỹ đạo bão bằng mô hình số. 32
CHƯƠNG 2 : NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN SƠ ĐỒBAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU 36
2.1 Phương pháp phân tích xoáy ba chiều . 36
2.1.1 Xác định trường qui mô lớn . 38
2.1.2 Xác định vịtrí tâm xoáy phân tích . 40
2.1.3 Phân tích phương vị. 41
2.2 Phương pháp xây dựng xoáy ba chiều cân bằng . 43
2.3 Khảo sát sơ đồxây dựng xoáy cân bằng . 47
2.3.1 Tổng quan vềmô hình WRF. 47
2.3.2 Cấu hình thí nghiệm . 56
2.3.3 Một sốkết quả. 58
2.4 Một sốnhận xét . 67
CHƯƠNG 3 : ÁP DỤNG SƠ ĐỒBAN ĐẦU HÓA XOÁY BA CHIỀU DỰBÁO QUĨ ĐẠO BÃO .69
3.1 Sơlược vềmô hình HRM. 70
3.1.1 Hệphương trình cơbản. 70
3.1.2 Lưới ngang . 73
3.1.3 Lưới thẳng đứng. 73
3.1.4 Tham sốhóa vật lý . 75
3.2 Ban đầu hóa xoáy ba chiều cho HRM_TC . 76
3.3 Xác định các tham sốkhảdụng . 79
3.3.1 Sốliệu và miền tính . 79
3.3.2 Các chỉtiêu đánh giá . 80
3.3.3 Bán kính gió cực đại . 83
3.3.4 Bán kính gió 15m/s . 93
3.3.5 Hàm trọng sốtheo phương thẳng đứng. 102
3.3.6 Kết hợp phân bốgió tiếp tuyến phân tích với phân bốgió tiếp tuyến giả. 110
3.4 Nhận xét chung. 114
CHƯƠNG 4 : THỬNGHIỆM SƠ ĐỒBAN ĐẦU HÓA XOÁY MỚI.117
4.1 Thiết kếthí nghiệm. 117
4.1.1 Cấu hình thí nghiệm . 117
4.1.2 Các trường hợp bão dựbáo . 118
4.1.3 Sốliệu và miền tính . 119
4.1.4 Các chỉtiêu đánh giá . 119
4.2 Kết quảdựbáo thửnghiệm . 120
4.2.1 Khảo sát một sốtrường hợp . 120
4.2.2 Đánh giá chung . 126
4.3 Tóm tắt. 129
KẾT LUẬN .131
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢLIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN.134
TÀI LIỆU THAM KHẢO.135
PHỤLỤC.142



Để tải bản DOC Đầy Đủ thì Trả lời bài viết này, mình sẽ gửi Link download cho

Tóm tắt nội dung:

định bằng cách tích phân phương trình
(2.2.6) từ điểm cần xét ra phía ngoài để tìm độ cao của mặt đẳng áp p = ps(r) tại bán
kính ngoài. Khi biết được khí áp bề mặt, có thể tính chính xác khí áp tại mỗi điểm
trong hệ tọa độ σ theo định nghĩa. Từ đó, mật độ và độ cao có thể nội suy theo khí
áp từ các giá trị đã tính được trên các mặt đẳng áp nền.
47
2.3 Khảo sát sơ đồ xây dựng xoáy cân bằng
Như đã trình bày trên đây, ngoài sự tinh xảo của mô hình, độ chính xác của
các mô hình số dự báo bão phụ thuộc chủ yếu vào độ chính xác của trường ban đầu.
Một trong những phương pháp cải thiện trường ban đầu là thực hiện bài toán ban
đầu hóa xoáy mà nội dung cơ bản là xây dựng được một xoáy nhân tạo có cấu trúc
và cường độ phù hợp với xoáy bão thực để thay thế xoáy có cường độ yếu, sai lệch
vị trí trong trường phân tích. Để làm được điều đó, xoáy nhân tạo cần mô tả được
một cách gần đúng nhất cấu trúc và cường độ của xoáy bão thực. Muốn vậy, cần
phải có sự hiểu biết đầy đủ về sự tiến triển của xoáy bão trong quá trình tồn tại cũng
như sự tương tác giữa nó với các yếu tố bên ngoài. Một trong những cách tiệm cận
để đạt được điều đó là thực hiện bài toán nghiên cứu lý tưởng hóa. Có thể mô tả tóm
tắt bài toán này như sau. Trên cơ sở một mô hình nào đó đã được chọn, bằng việc
tạo ra những điều kiện môi trường lý tưởng và cô lập chúng trong một số tùy chọn
cụ thể, rồi “chồng” lên đó một xoáy lý tưởng, tiến hành tích phân mô hình để khảo
sát ảnh hưởng của các quá trình khác nhau đối với sự tiến triển của xoáy. Ứng với
mỗi một tình huống cụ thể của điều kiện môi trường, xoáy lý tưởng ban đầu cũng có
thể được thiết lập theo các sơ đồ khác nhau, và ngược lại.
Nhằm mục đích xác định được một sơ đồ xây dựng xoáy nhân tạo phù hợp
cho bài toán ban đầu hóa xoáy mà luận án sẽ đề cập tới, trong chương này sẽ trình
bày phương pháp xây dựng xoáy cân bằng (Smith (2005)) [75] và khảo sát một số
quá trình có tác động đến cấu trúc và sự tiến triển của xoáy. Mô hình số được chọn
để tiến hành nghiên cứu là mô hình nghiên cứu và dự báo thời tiết WRF. Đây là một
mô hình số hiện đại và rất thuận tiết cho việc thiết lập khảo sát các nghiên cứu lý
tưởng.
2.3.1 Tổng quan về mô hình WRF
Mô hình Nghiên cứu và Dự báo Thời tiết WRF (Weather Research and
Forecasting) là một hệ thống gồm nhiều modul khác nhau, được phát triển bởi sự
hợp tác giữa một số trung tâm khí tượng lớn của Hoa kỳ, như trung tâm Quốc gia
48
nghiên cứu khí quyển (NCAR), trung tâm Quốc gia dự báo môi trường (NCEP), cục
khí tượng không quân (AFWA), v.v... Dự án xây dựng WRF nhằm mục đích chính
là có được một mô hình khu vực vừa có thể áp dụng trong dự báo nghiệp vụ vừa
làm công cụ nghiên cứu các quá trình qui mô vừa. WRF ra đời và phát triển dựa
trên sự kế thừa những thành tựu trong lĩnh vực mô hình hóa thời tiết và khí hậu, mặt
khác nó cũng được thiết kế để có thể áp dụng và hướng tới các phương pháp hiện
đại trong phân tích, xử lý và đồng hóa số liệu. Mô hình WRF cho phép sử dụng các
tùy chọn khác nhau đối với tham số hóa các quá trình vật lý, như tham số hóa bức
xạ, tham số hoá lớp biên hành tinh, tham số hoá đối lưu mây tích, khuếch tán xoáy
rối qui mô dưới lưới hay các quá trình vi vật lý khác.
Hiện tại WRF có hai phiên bản là phiên bản nghiên cứu nâng cao ARW
(Advanced Research WRF) và phiên bản mô hình qui mô vừa phi thủy tĩnh NMM
(Nonhydrostatic Meso Model). Với mục đích nghiên cứu lý tưởng, luận án này đã
sử dụng phiên bản ARW làm công cụ chính.
2.3.1.1 Hệ tọa độ thẳng đứng và các biến thông lượng
Các phương trình trong mô hình ARW được xây dựng cho hệ tọa độ thẳng
đứng thủy tĩnh theo địa hình, ký hiệu là η,
được định nghĩa bởi:
( ) μη hth pp −=
với hths pp −=μ (2.3.1)
trong đó ph là thành phần thủy tĩnh của khí áp,
phs và pht là các giá trị dọc theo bề mặt và biên
trên tương ứng. Bởi ( )yx,μ thể hiện khối
lượng của cột khí quyển có diện tích đơn vị tại
ô lưới (x,y) của miền tính, nên ARW sử dụng
các biểu thức ở dạng thông lượng có dạng:
( ) μθημμ =Θ=Ω== , ,,, &WVUvV (2.3.2)
0
1
0.5
0.25
0.75
Pht=const
Phs
η
Hình 2.3.1: Tọa độ thẳng
đứng η của ARW.
49
trong đó, v = (u,v,w) là vector gió, ηω &= là tốc độ thẳng đứng trong hệ tọa độ η, θ
là nhiệt độ thế vị, gz=φ là địa thế vị, p là khí áp, α là thể tích riêng được định
nghĩa là nghịch đảo của mật độ ρ.
2.3.1.2 Hệ phương trình cơ bản
Sử dụng các biến định nghĩa trong (2.3.1.1), theo Laprise (1992) [54], các
phương trình Euler dạng thông lượng có thể viết dưới dạng:
( ) ( ) ( ) Uxxt FppuU =∂+∂−⋅∇+∂ φφ ηηV (2.3.3)
( ) ( ) ( ) Vvvt FppvV =∂+∂−⋅∇+∂ φφ ηηV (2.3.4)
( ) ( ) Wt FpgwW =−∂−⋅∇+∂ μηV (2.3.5)
( ) Θ=⋅∇+Θ∂ Ft θV (2.3.6)
( ) 0=⋅∇+∂ Vμt (2.3.7)
( )[ ] 01 =−∇⋅+∂ − gWt φμφ V (2.3.8)
Phương trình thủy tĩnh:
αμφη −=∂ (2.3.9)
Phương trình trạng thái:
( )γαθ 00 pRpp d= (2.3.10)
trong đó, các chỉ số dưới x, y, η trong các phương trình từ (2.3.3) − (2.3.23) là chỉ
ký hiệu vi phân, và:
( ) ( ) ( )aVaUaa yz Ω∂+∂+∂=⋅∇ ηV (2.3.11)
aaVaUa yz η∂Ω+∂+∂=∇⋅V (2.3.12)
50
trong đó a biểu diễn một biến bất kỳ, γ=cp/cv=1.4 là tỷ số của nhiệt dung đẳng áp và
nhiệt dung đẳng tích cho không khí khô, Rd là hằng số khí khô, p0 là khí áp tham
chiếu (1000hPa), các số hạng vế phải FA để chỉ các ngoại lực.
Đối với trường hợp không khí ẩm các phương trình trên được viết như sau:
Hệ tọa độ thẳng đứng:
( ) ddhtdh pp μη −= (2.3.13)
Tương tự cho các biến dạng thông lượng:
θμημμ ddd =Θ=Ω= , , &vV (2.3.14)
Theo đó, các phương trình Euler ẩm được viết dưới dạng:
( ) ( ) Uxdxdt FppuU =∂∂+∂+⋅∇+∂ φαααμ ηV (2.3.15)
( ) ( ) Vydydt FppvV =∂∂+∂+⋅∇+∂ φαααμ ηV (2.3.16)
( ) ( )[ ] Wddt FpgwW =−∂−⋅∇+∂ μαα ηV (2.3.17)
( ) Θ=⋅∇+Θ∂ Ft θV (2.3.18)
( ) 0=⋅∇+∂ Vdtμ (2.3.19)
( )[ ] 01 =−∇⋅+∂ − gWdt φμφ V (2.3.20)
( )
mQmmt
FQQ =∇⋅+∂ V (2.3.21)
Phương trình thủy tĩnh có dạng:
ddμαφη −=∂ (2.3.22)
Phương trình thông báo cho khí áp toàn phần (không khí khô và hơi nước)
( )γαθ dmd pRpp 00= (2.3.23)
51
trong đó, αd là thể tích riêng của không khí khô; α là thể tích riêng của không khí
đầy đủ: ( ) 1...1 −+++++= ircvd qqqqαα ; *q là tỷ hỗn hợp của hơi nước, nước
mây, nước mưa, băng mây (là tỉ số khối lượng của thực thể ẩm trên khối lượng
không khí khô); ( )[ ] ( )vvdvm qqRR 61.111 +≈+= θθθ là nhiệt độ thế vị ảo.
Các phương trình (2.3.15)−(2.3.21) chưa phải là dạng cuối cùng của ARW mà
chúng còn được chuyển về dạng có sử dụng phép chiếu bản đồ. ARW có thể sử
dụng ba kiểu phép chiếu: phép chiếu Mercator cho vùng xích đạo, phép chiếu
Lambert cho vùng vĩ độ trung bình và phép chiếu cực. Trong miền tích toán của
ARW, các bước lưới Δx, Δy là hằng số, để biến đổi hệ phương trình sang miền tính
cần sử dụng một hệ số bản đồ m được định nghĩa l