Tài liệu Phân bố bức xạ sóng dài và mối quan hệ với lượng mưa trên khu vực Việt Nam trong các thời kỳ ENSO

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ DUY ĐIỆP PHÂN BỐ BỨC XẠ SÓNG DÀI VÀ MỐI QUAN HỆ VỚI LƢỢNG MƢA TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM TRONG CÁC THỜI KỲ ENSO LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội, 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- LÊ DUY ĐIỆP PHÂN BỐ BỨC XẠ SÓNG DÀI VÀ MỐI QUAN HỆ VỚI LƢỢNG MƢA TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM TRONG CÁC THỜI KỲ ENSO Chuyên ngành: Khí tượng - Khí hậu học Mã số: 60440222 LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Người hướng dẫn: GS.TS. Nguyễn Trọng Hiệu Hà Nội, 2014 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ..........................................................................................................................1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU................................................2 1.1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến bức xạ sóng dài ..................................2 1.1.1. Lý thuyết bức xạ sóng dài và phướng pháp tính toán ......................................2 1.1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan đến OLR .........................4 1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến ENSO ............................7 1.2.1. Khái quát về ENSO ..........................................................................................7 1.2.2. Các công trình nghiên cứu ENSO ....................................................................9 1.3. Một số nhận xét về chung và định hƣớng nghiên cứu của luận văn ..............11 CHƢƠNG 2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU .................................12 2.1. Xác định các khu vực nghiên cứu OLR của Việt Nam và phụ cận ...............12 2.2. Phƣơng pháp xác định các chu trình ENSO ....................................................13 2.3. Xác định các trạm khí tƣợng tiêu biểu .............................................................14 2.4. Tính toán các đặc trƣng thống kê .....................................................................15 2.4.1. Các đặc trưng thống kê về OLR .....................................................................15 2.4.2. Tính toán chuẩn sai lượng mưa trong các chu trình ENSO ..........................16 2.4.3. Phương pháp tính hệ số tương quan giữa OLR và lượng mưa......................16 2.5. Số liệu ...................................................................................................................16 2.5.1. Số liệu OLR ....................................................................................................16 2.5.2. Số liệu mưa .....................................................................................................17 CHƢƠNG 3. BỨC XẠ SÓNG DÀI TRONG ĐIỀU KIỆN CHUNG, ĐIỀU KIỆN ENSO VÀ QUAN HỆ VỚI LƢỢNG MƢA ................................................................18 3.1. Phân bố không gian và diễn biến thời gian của bức xạ sóng dài trong điều kiện chung ................................................................................................................18 3.1.1. Phân bố cường độ bức xạ sóng dài trung bình năm ......................................18 3.1.2. Phân bố cường độ bức xạ sóng dài đi ra trong các tháng ............................19 3.1.3. Biến trình năm của bức xạ sóng dài đi ra ......................................................26 3.1.4. Mức độ biến đổi của bức xạ sóng dài đi ra ...................................................30 3.2. Phân bố bức xạ sóng dài trong điều kiện ENSO..............................................31 3.2.1. Phân bố bức xạ sóng dài trong điều kiện EL Nino ........................................31 3.2.2. Phân bố bức xạ sóng dài trong các điều kiện La Nina ..................................35 3.3. Chuẩn sai bức xạ sóng dài trong điều kiện ENSO ..........................................38 3.3.1. Chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra trong điều kiện El Nino .............................38 3.3.2. Chuẩn sai cường độ bức xạ sóng dài đi ra trong điều kiện La Nina .............42 3.4. Mối quan hệ giữa bức xạ sóng dài và lƣợng mƣa ............................................45 3.4.1. Quan hệ giữa lượng bức xạ sóng dài và lượng mưa trong điều kiện chung 45 3.4.2. Quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra và chuẩn sai lượng mưa trong các điều kiện ENSO .........................................................................................................49 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ......................................................................................59 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................61 DANH SÁCH CÁC HÌNH Hình 1.1:Phát xạ sóng dài và hấp thụ sóng ngắn trong khí quyển ....................................2 Hình 1.2: Sơ đồ hoàn lưu Walker trong điều kiện bình thường ........................................8 Hình 1.3: Sơ đồ hoàn lưu Walker trong điều kiện El Nino ...............................................9 Hình 2.1: Các khu vực nghiên cứu OLR .........................................................................12 Hình 3.1:Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình năm (W/m2) ......................................19 Hình 3.2: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng I (W/m2) .................................19 Hình 3.3: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng II (W/m2) ...............................20 Hình 3.4: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng III (W/m2) ..............................20 Hình 3.5: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng IV (W/m2) ..............................21 Hình 3.6: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng V (W/m2) ...............................22 Hình 3.7: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng VI (W/m2) ..............................22 Hình 3.8: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng VII (W/m2).............................23 Hình 3.9: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng VIII (W/m2) ...........................23 Hình 3.10: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng IX (W/m2) ............................24 Hình 3.11: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng X (W/m2) .............................24 Hình 3.12: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng XI (W/m2) ............................25 Hình 3.13: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng XII (W/m2)...........................25 Hình 3.14: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Bắc Bộ (W/m2) ......26 Hình 3.15: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Trung Bộ (W/m2) ...26 Hình 3.16: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Nam Bộ (W/m2) .....27 Hình 3.17: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Biển Đông (W/m2).27 Hình 3.18: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Trường Giang Trung Quốc (W/m2) ...................................................................................................................28 Hình 3.19: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Thấp Ấn Độ (W/m2) .........................................................................................................................................28 Hình 3.20: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Vịnh BenGan (W/m2) .........................................................................................................................................29 Hình 3.21: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Xích Đạo Đông Nam Á (W/m2) .........................................................................................................................29 Hình 3.22: Lượng bức xạ sóng dài đi ra trung bình tháng khu vực Thấp Xích Đạo (W/m2) .............................................................................................................................30 Hình 3.23: Biến trình năm của lượng mưa trạm Sơn La và OLR Bắc Bộ ......................45 Hình 3.24: Biến trình năm của lượng mưa trạm Hà Giang và OLR Bắc Bộ ..................46 Hình 3.25: Biến trình năm của lượng mưa trạm Hà Nội và OLR Bắc Bộ ......................46 Hình 3.27: Biến trình năm của lượng mưa trạm Đà Nẵng và OLR Trung Bộ ................48 Hình 3.28: Biến trình năm của lượng mưa trạm Buôn Mê Thuột và OLR Trung Bộ ....48 Hình 3.29: Biến trình năm của lượng mưa trạm Cần Thơ và OLR Nam Bộ ..................49 DANH SÁCH CÁC BẢNG Bảng 2.1: Các chu trình El Nino thời kỳ 1960 - 2009 ....................................................13 Bảng 2.2: Các chu trình La Nina thời kỳ 1960 - 2009 ....................................................14 Bảng 3.1: Lượng bức xạ song dài đi ra trung bình tháng và năm (W/m2) ......................18 Bảng 3.2: Độ lệch chuẩn (S) và biến suất (Sr) của bức xạ sóng dài ...............................30 Bảng 3.3: Trị số trung bình trong các đợt El Nino trên khu vực nghiên cứu (W/m2).....34 Bảng 3.4: Trị số trung bình trong các đợt La Nina trên khu vực nghiên cứu (W/m2) ....37 Bảng 3.5: Trị số chuẩn sai trung bình trong các đợt El Nino trên khu vực nghiên cứu (W/m2) .............................................................................................................................41 Bảng 3.6: Trị số chuẩn sai trung bình trong các đợt La Nina trên khu vực nghiên cứu (W/m2) .............................................................................................................................44 Bảng 3.7: Hệ số tương quan giữa lượng bức xạ sóng dài đi ra với lượng mưa trung bình tháng trên 7 trạm tiêu biểu cho 7 vùng khí hậu ...............................................................45 Bảng 3.8: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt El Nino ở Bắc Bộ ...........................................51 Bảng 3.9: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt El Nino ở Trung Bộ .......................................52 Bảng 3.10: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt El Nino ở Nam Bộ ...................................53 Bảng 3.11: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt La Nina ở Bắc Bộ ....................................54 Bảng 3.12: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt La Nina ở Trung Bộ .................................56 Bảng 3.13: Một số đặc trưng về quan hệ giữa chuẩn sai bức xạ sóng dài đi ra (∆OLR) với chuẩn sai lượng mưa (∆R) trong các đợt La Nina ở Nam Bộ ...................................57 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ISCU International Council for Science (Hội đồng khoa học quốc tế) MJO Madden-Julian Oscillation (Dao động madden-julian) NCAR NCEP NOAA OLR R UNEP UNESCO WMO BB BĐ NB TAD TGTQ TB TXD VBG XDDNA OLRTBN OLRTBE OLRTBLA ∆OLR ∆R The NationalCenter for Atmospheric Research (Trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia, Mỹ) National Centers for Environmental Prediction (Trung tâm dự báo môi trường quốc gia, Mỹ) National Oceanic and Atmospheric Administration(Cơ quan quản lý khí quyển đại dương quốc gia, Mỹ) Outgoing Longwave Radiation (Bức xạ sóng dài đi ra) Rainfall (Lượng mưa) United Nations Environment Program (Chương trình Môi trường Liên hợp quốc) United Nations Educational Scientific and Cultural Organization (Tổ chức Giáo dục, Khoa học và Văn hóa của Liên hiệp quốc) World Meteorological Organization (Tổ chức Khí tượng Thế giới) Bắc Bộ Biển Đông Nam Bộ Thấp Ấn Độ Trường Giang Trung Quốc Trung Bộ Thấp Xích Đạo Vịnh Bengal Xích Đạo Đông Nam Á Bức xạ sóng dài trung bình năm Bức xạ sóng dài trung bình thời kỳ El Nino Bức xạ sóng dài trung bình thời kỳ La Nina Chuẩn sai bức xạ sóng dài Chuẩn sai lượng mưa LỜI CẢM ƠN Người đầu tiên tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành, sâu sắc là GS.TS. Nguyễn Trọng Hiệu, người đã người đã dành rất nhiều thời gian để giúp đỡ và hướng dẫn tận tình cho em trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành khóa luận này. Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các Thầy, các Cô, các anh chị và các em đang công tác, giảng dạy tại Khoa khí tượng Thủy văn và Hải dương học. Xin gửi lời cảm ơn tới Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, đã tạo điều kiện cho tôi trong quá trình tôi học tập tại trường. Xin cảm ơn những bạn bè đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu khí tượng khí hậu, Viện khoa học Khí tượng Thủy Văn và Môi trường đã giúp đỡ tôi trong quá trình tôi thực hiện luận văn. Cuối cùng là lời cảm ơn dành cho gia đình tôi, và tất cả bạn bè, người thân của tôi, người luôn quan tâm, động viên, khích lệ để tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này. Hà Nội ngày 24 tháng 6 năm 2014 MỞ ĐẦU Việt Nam n m trong vùng nội chí tuyến, có khí hậu nhiệt đới gió mùa, với lượng mưa trung bình năm phổ biến là 1200-2400mm/năm, phân bố lượng mưa khá phức tạp và dao động mạnh mẽ tác động đến mọi hoạt động kinh tế xã hội của đất nước. Đặc biệt, sự dư thừa và thâm hụt lượng mưa đáng kể trong các chu kỳ hoạt động của ENSO (El Nino và La Nina) đã gây ra hạn hán, lũ lụt trên các vùng khí hậu của Việt Nam. Trong các yếu tố hoàn lưu, bức xạ sóng dài là nhân tố quan trọng không thể thiếu được trong mối quan hệ khí hậu – hoàn lưu khí quyển. Trong các nhân tố tạo thành mưa, bức xạ sóng dài đi ra, gọi tắt là bức xạ sóng dài, ký hiệu là (OLR) đóng vai trò quan trọng phản ánh quá trình đối lưu. Do vậy, việc nghiên cứu mối quan hệ giữa phân bố OLR với mưa trong điều kiện bình thường cũng như trong điều kiện ENSO trên lãnh thổ nước ta đóng vai trò quan trọng trong việc lý giải đặc điểm chế độ mưa nói chung cũng như phân bố mưa trong điều kiện ENSO. Sự hiểu biết về mối quan hệ này giúp các nhà nghiên cứu, quản lý, hoạch định chính sách nắm bắt được chế độ mưa và lý giải mối quan hệ giữa ENSO và diễn biến lượng mưa trên các vùng miền nh m đưa ra được các giải pháp sản xuất hợp lý. Xuất phát từ thực tế đó, chúng tôi đề xuất đề tài Luận văn “Phân bố bức xạ sóng dài và mối quan hệ với lượng mưa trên khu vực Việt Nam trong các thời kỳ ENSO”. Luận văn được thực hiện với mục tiêu nghiên cứu bức sóng dài ở Việt Nam và khu vực lân cận, nghiên cứu phân bố bức xạ sóng dài trong chu trình ENSO nh m lý giải tác động của ENSO đối với mưa. Để đạt được mục tiêu này, nội dung nghiên cứu chính của Luận văn được cấu trúc như sau:  Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trong chương này giới thiệu khái quát về bức xạ sóng dài, phương pháp tính toán bức xạ sóng dài, các công trình nghiên cứu ngoài nước và trong nước về bức xạ sóng dài, bức xạ sóng dài trong ENSO và những điều rút ra từ các công trình nghiên cứu đó.  Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu Trong chương này, trình bày phương pháp xác định các khu vực OLR ở Việt Nam và phụ cận, phương pháp xác định các chu trình ENSO, lựa lưới trạm lượng mưa tiêu biểu cho các vùng khí hậu ở Việt Nam, các phương pháp tính toán các đặc trưng thống kê phục vụ nghiên cứu luận văn và các nguồn số liệu cần thu thập.  Chương 3: Bức xạ sóng dài trong điều kiện chung, điều kiện ENSO và quan hệ với lượng mưa Trong chương này, trình bày các kết quả thu nhận được về phân bố không gian và diễn biến thời gian của bức xạ sóng dài trong điều kiện chung, phân bố OLR và chuẩn sai OLR trong các chu trình El Nino, chu trình La Nina, quan hệ giữa biến trình OLR với biến trình lượng mưa trên các vùng khí hậu và quan hệ giữa chuẩn sai OLR với chuẩn sai lượng mưa các trạm tiêu biểu trong điều kiện EL Nino và La Nina. 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Tổng quan về các vấn đề liên quan đến bức xạ sóng dài 1.1.1. Lý thuyết bức xạ sóng dài và phướng pháp tính toán a. Định nghĩa bức xạ sóng dài Trái đất và khí quyển nhận được nguồn bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời dưới dạng trực xạ và tán xạ và phản xạ đi một phần bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời đồng thời phát ra một lượng bức xạ sóng dài, được gọi chung là bức xạ sóng dài đi ra, viết tắt là bức xạ sóng dài, kí hiệu là OLR (outgoing longwave radiation). Hình 1.1:Phát xạ sóng dài và hấp thụ sóng ngắn trong khí quyển Bên cạnh bức xạ sóng ngắn của Mặt Trời, bức xạ sóng dài của OLR với bước sóng λ>4μm, do mặt đất và khí quyển liên tục phát ra cũng đóng góp vai trò hết sức quan trọng. Nếu trực xạ và tán xạ hầu như là nguồn nhiệt duy nhất đến Trái Đất thì OLR là nguyên nhân mất nhiệt của Trái Đất vào không gian vũ trụ. Ngoài ra, OLR còn dẫn đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và khí quyển. b. Cách tính OLR Phương pháp tính toán thông lượng bức xạ sóng dài bao gồm 2 phần chính sau đây. Thông lượng bức xạ sóng dài trong điều kiện quang mây Trong điều kiện quang mây, thông lượng bức xạ hướng xuống tại độ cao Z được xác định b ng: ( ) ∫ ( ) [ ] Thông lượng mức xạ hướng lên được xác định b ng 2 ( ) [ ] (1.1) ( ) ( ) ∫ [ ] (1.2) Trong đó: : Nhiệt độ tại giới hạn trên của khí quyển : Nhiệt độ mặt đất : Hàm lượng ẩm trong cột khí quyển từ mặt đất đến đỉnh : Hàm lượng ẩm tại độ cao bất kỳ Suất xuyên thấu ( )= : Thông lượng bức xạ vật đen Như vậy thông lượng bức xạ sóng dài trong điều kiện quang mây là = (1.3) - Thông lượng bức xạ trong điều kiện có mây Giả sử vùng khí quyển chia làm 3 loại: trên (H), giữa là (M), dưới là (L) thì lượng suất suy giảm bức xạ của chúng Lấy = 0,5 còn = lần lượt là , . =1 Khi đó thông lượng bức xạ sóng dài trong từng loại mây là: (1.4) =F* Gọi hiệu suất ngăn cản bức xạ sóng dài của từng loại mây ( ) là ∑ , thì (1.5) Từ đó ta tính được thông lượng bức xạ sóng dài thực tế là: Và do đó khi Z là đỉnh tầng khí quyển, ∑ (1.6) ∑ (1.7) trở thành OLR (1.8) 3 1.1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan đến OLR a. Nghiên cứu trên thế giới Trước những năm 1980, nghiên cứu OLR chủ yếu nh m mục đích phục vụ nghiên cứu khí hậu. Tuy nhiên 30 năm trở lại đây khi số liệu tái phân tích phổ biến thì nghiên cứu OLR để dự báo mưa đã được tiến hành rộng rãi. Nhiều nhà dự báo đã sử dụng OLR trên ô lưới để phân tích, dự báo mưa. Năm 1988, tác giả Kousky, Vernon và cộng sự trong công trình nghiên cứu “ Chế độ bức xạ sóng dài 5 ngày trên vùng Nam Mỹ” đã xác định thời kỳ bắt đầu và kết thúc mùa mưa trên khu vực Nam Mỹ căn cứ vào chỉ số OLR. Các tác giả cho r ng, với OLR <240W/m2 thì mùa mưa bắt đầu hoạt động, còn khi OLR > 240W/m2 thì mùa mưa trên khu vực Nam Mỹ kết thúc [18]. Năm 1999, trong báo cáo đặc biệt “Diễn giải khoa học kỹ thuật sự kiện El Nino 1997 – 1998” của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), tổ chức văn hóa, khoa học giáo dục Liên hợp quốc (UNESCO), Chương trình môi trường liên hợp quốc (UNEP) và Hội đồng khoa học quốc tế (ISCU) đã chỉ rõ mối quan hệ ngược chiều giữa OLR khu vực xích đạo trung tâm Thái Bình Dương (120W – 170W), Đông Thái Bình Dương (60W – 120W) với lượng mưa khu vực bờ biển Equador trong thời gian 1997 – 1998 [12]. Năm 2000, Prasad và cộng sự với công trình nghiên cứu “Dự báo lượng mưa mùa hè ở Ấn Độ b ng bức xạ sóng dài trên Ấn Độ Dương” đã sử dụng OLR trên Ấn Độ Dương (30°N-30°S và 40°E-100°E) giai đoạn từ 1974-1996 để phân tích mối quan hệ với lượng mưa trong gió mùa mùa hè. Nhóm nghiên cứu cho r ng, OLR trên khu vực vịnh Bengal (gần 22,5°N và 92,5°E) và phía nam Ấn Độ Dương (gần 30°S và 97,5°E) có liên quan đến lượng mưa gió mùa mùa hè. Ngoài ra, các tác giả cũng đặc biệt nhấn mạnh mối quan hệ mạnh mẽ giữa OLR với lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ [22]. Năm 2001, trong công trình nghiên cứu “Chẩn đoán về biến động ngoại mùa của gió mùa châu ”, nhóm tác giả Annmalai, Slingo đã tính toán sự khác nhau của hai quy mô biến đổi của OLR chủ yếu trong mùa, 10-20 ngày và 30-60 ngày. Phân tích tổng hợp số liệu OLR trên lãnh thổ Ấn Độ cho thấy trong giai đoạn hoạt động mạnh của gió mùa, đối lưu được tăng cường đáng kể trong lục địa Ấn Độ, mở rộng trên vịnh Bengal [23]. Năm 2002, Tác giả John L và cộng sự đã công bố công trình nghiên cứu “Mối quan hệ giữa nguồn nhiệt khu vực xích đạo nhiệt đới Đông Nam với hiện tượng ENSO”. Trong nghiên cứu này, các tác giả cho r ng OLR có mối quan hệ rõ ràng với dao động Nam. Trong đó, OLR của khu vực có tương quan rõ ràng nhất với chỉ số SOI vào mùa đông. Các tác giả cũng chỉ ra r ng, khi OLR giảm thì lượng mưa trên khu vực nghiên cứu tăng và ngược lại [17]. Năm 2003, trong công trình “Tổng quan các nghiên cứu gần đúng về biến động trong mùa và dự báo” của Waliser, các tác giả đã sử dụng chuẩn sai OLR và quan hệ giữa OLR với lượng mưa để dự báo mưa ở Ấn Độ [25]. 4 Năm 2004, Bansod.S.D và cộng sự với công trình nghiên cứu “Bức xạ sóng dài trên vùng nhiệt đới Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ” đã xây dựng mối quan hệ giữa OLR các vùng nói trên với lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ trong thời kỳ từ tháng VI đến tháng IX. Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả đã chỉ ra r ng, OLR có thể sử dụng trong dự báo mưa trong mùa mưa [7]. Năm 2004, nhà khoa học Ấn Độ C.V.Singh đã chỉ ra các chu kỳ mưa giữa các năm hạn và lũ lụt của mùa gió mùa ở vùng Ấn Độ có tương quan lớn đến bức xạ sóng dài (OLR) [10]. Năm 2004, theo nghiên cứu của Gu Lei và Huang Ronghui (Trung Quốc), các khu vực có bức xạ sóng dài dưới 230W m2 thì thể hiện đối lưu mạnh nhất trong dải mưa trong gió mùa [13]. Năm 2004, trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học Nhật Bản Jeyasu Takimoto và Jun Matsumoto đã dựa vào OLR trên khu vực phía Tây Nhật Bản để chỉ ra r ng khi bức xạ sóng dài đạt tới 230W m2 và duy trì khoảng giá trị này trong thời gian 10 ngày thì mùa Baiu hình thành và tiếp tục phát triển [16]. Năm 2005, tác giả Leila, M.V Carvalho và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Các pha đối nghịch trong dao động ở Nam Cực và quan hệ với hoạt động mùa và trên mùa trong vùng nhiệt đới trong mùa hè ở Úc” đã sử dụng SST, gió ở mực 200 hPa và OLR để đánh giá hoạt động của dao động Nam. Thông qua kết quả nghiên cứu, các tác giả khẳng định mối quan hệ giữa dao động Madden Julian (MJO) với mưa thời kỳ gió mùa tăng cường trên các khu vực ngoại nhiệt đới của Nam bán cầu [19]. Năm 2005, tác giả Mathiew Barlow và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Mô hình hóa lượng mưa ngày ở Tây Nam b ng dao động Madden-Julian” cho r ng chỉ số MJO ở phía đông Ấn Độ Dương có ảnh hưởng đáng kể đến lượng mưa khu vực Tây Á [20]. Năm 2007, tác giả M. Gonzalez và cộng sự với công trình nghiên cứu “Đặc tính của thời kỳ bắt đầu mưa ở Nam Mỹ” đã xây dựng mối quan hệ giữa OLR với lượng mưa ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới khu vực Nam Mỹ để mô tả thời kỳ bắt đầu gió mùa mùa hè. Kết quả cho thấy, OLR có quan hệ chặt chẽ với lượng mưa và sự tiến triển của hoạt động đối lưu [21]. Năm 2008, tác giả Bernard Fontaine và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Xác định khả năng dự báo OLR dựa trên thời kỳ bắt đầu gió mùa Tây Phi” được đăng trên tạp chí "International Journal of Climatology” đã sử dụng chỉ số OLR giai đoạn 1979-2004 để thử nghiệm dự báo chế độ mưa thời kỳ bắt đầu mùa mưa. Kết quả nghiên cứu cho r ng, sử dụng chỉ tiêu OLR thấp hơn 180 W/m2 cho phép xác định tốt hơn ngày bắt đầu mùa mưa [8]. Năm 2010, trong công trình “ p lực đa chiều của cao nguyên Tây Tạng và tác động đến khí hậu” của Gouxiong, Toshio Koike, Yimin Liu và Kenji Taniguchi, các tác giả đã sử dụng OLR để nghiên cứu dao động theo mùa của mây trên phần phía Đông của cao 5 nguyên Tây Tạng cũng như mặt cắt thảng đứng của khí quyển và điều kiện ẩm sản sinh mây [14]. Cũng trong năm 2010, OLR cũng được đề cập trong công trình “Hệ thống gió mùa Nam Mỹ” của Brant Liebmann và C.Roberto Mechoso, các tác giả đã sử dụng OLR để xác định thời điểm gió mùa bột phát. Theo các tác giả, thời điểm gió mùa bộc phát là khi OLR dưới 200W/m2. Định nghĩa đó đảm bảo cho một quá trình thiết lập gió mùa với gió Tây Bắc xuống Đông Nam và quá trình suy thoái gió mùa từ Đông Nam lên Tây Bắc [9]. Năm 2010, E. Omogbai và J Hum Ecol trong công trình nghiên cứu “Một dự báo thử nghiệm mưa gió mùa ở Nigeria” đã sử dụng OLR và SSTA làm nhân tố dự báo để dự báo lượng mưa mùa ở Nigeria. Trong nghiên cứu này các tác giả đã chỉ ra hệ số tương quan giữa OLR và lượng mưa trên lãnh thổ Nigeria là khá tốt, khoảng 0,32-0,62 [24]. b. Các công trình nghiên cứu trong nước liên quan đến bức xạ sóng dài Vào những năm 1975-1976 Nguyễn Trọng Hiệu đề cập đến phân bố bức xạ sóng dài mặt đất thông qua công trình nghiên cứu cán cân bức xạ thực nghiệm ở Việt Nam [1]. Năm 2006, báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp bộ “Nghiên cứu ảnh hưởng cùa gió mùa Úc đến thời tiết khí hậu Việt Nam” của Nguyễn Viết Lành và ctv đã dùng chuẩn sai của OLR để xây dựng các chỉ số đối lưu [4]. Năm 2007, Nguyễn thị Hiền Thuận trong luận án tiến sĩ “Ảnh hưởng của ENSO đến gió mùa mùa hè và mưa ở Nam Bộ” đã coi OLR là đối nghịch của chỉ số đối lưu (CSĐL) chuẩn hóa CSĐL trong các năm từ 1979 đến 2004 và phân tích xu thế biến đổi của chỉ số này [6]. Theo tác giả, các mùa hè có El Nino đều có CSĐL chuẩn hóa ≥ 0, chứng tỏ đối lưu yếu hơn bình thường, những mùa hè có CSĐL thấp đều thuộc các năm có El Nino cường độ mạnh. Theo tác giả, trong các đợt El Nino 1991-1992, 1997-1998 thì CSĐL nhỏ hơn trung bình nhiều năm. Trong các mùa hè có La Nina phần lớn CSĐL chuẩn hóa đều >0, nghĩa là CSĐL mạnh hơn bình thường. Năm 2009, trong công trình tổng kết đề tài nghiên cứu “Nghiên cứu quan hệ giữa gió mùa đông và lượng mưa trong mùa lũ khu vực Vân Nam Trung Quốc và miền Bắc Việt Nam” tác giả Phạm Thị Thanh Hương và cộng sự đã đưa ra các nhận định sau đây về OLR [3].  Trên bản đồ Đông mở rộng có 2 vùng OLR cao, một ở phía Tây Ấn Độ Pakistan và một ở trung tâm Thái Bình Dương và hai vùng OLR thấp, một ở cao nguyên Tây Tạng và một ở vùng biển Đông gần xích đạo.  Các vùng OLR cao thay đổi cường độ theo các tháng mùa hè, rất mạnh trong các tháng đầu và cuối mùa hè (tháng V và X) và không mạnh lắm trong các tháng giữa mùa hè nhất là tháng VII và tháng VIII. 6  Các vùng OLR thấp thì không thay đổi mấy về cường độ: tương đối mạnh trong các tháng giữa mùa và tương đối yếu trong các tháng đầu và cuối mùa hè.  Phạm vi hoạt động của các trung tâm OLR cũng thay đổi Năm 2012, Phạm Thị Thanh Hương và nhóm tác giả cũng đã phân tích phân bố OLR trong cơ chế gió mùa mùa đông trên các khu vực Đông - Tây Thái Bình Dương. Năm 2013, đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu các đặc trưng cơ bản và tác động của ENSO đến hạn hán, mưa lớn ở Việt Nam và khả năng dự báo” đã xây dựng các bản đồ phân bố OLR trên khu vực Đông – Tây Thái Bình Dương mở rộng [2]. 1.2. Tổng quan các công trình nghiên cứu liên quan đến ENSO 1.2.1. Khái quát về ENSO a. Hiện tượng En Nino/La Nina “El Nino” là từ được dùng để chỉ hiện tượng nóng lên dị thường của lớp nước biển bề mặt ở khu vực xích đạo trung tâm và Đông Thái Bình Dương. “La Nina” là hiện tượng lớp nước biển bề mặt ở khu vực nói trên lạnh đi dị thường, xảy ra với chu kỳ tương tự hoặc thưa hơn El Nino, kéo dài 6 - 12 tháng, hoặc lâu hơn, thường xuất hiện 3 - 4 năm 1 lần, song cũng có khi dày hơn hoặc thưa hơn. ENSO là chữ viết tắt của các từ ghép El Nino Southern Oscillation (El Nino - Dao động Nam) để chỉ cả 2 hai hiện tượng El Nino và La Nina và dao động của khí áp giữa Đông Thái Bình Dương với Tây Thái Bình Dương - Đông Ấn Độ Dương (được gọi là Dao động Nam) để phân biệt với dao động bắc của khí áp ở Bắc Đại Tây Dương. b. Dao động NAM và hoàn lưu Walker Dao động Nam (Southern Oscillation) là sự dao động của khí áp quy mô lớn, từ năm này qua năm khác ở 2 phía Đông và Tây của khu vực xích đạo Thái Bình Dương, được Gilbert I.Walker phát hiện vào cuối những năm 20 của thế kỷ trước. Hơn 40 năm sau, Jacob Bjerknes (1966) thừa nhận có sự dao động cỡ lớn trong hoàn lưu tín phong của Bán cầu Bắc và Nam ở Thái Bình Dương và ông cho r ng nó có liên quan với Dao động Nam. Khi tín phong mạnh, nước tương đối lạnh có nguồn gốc nước trồi ở xích đạo thuộc bờ biển Nam Mỹ được hình thành bởi áp lực của gió Đông lên bề mặt đại dương, mở rộng về phía Tây tới trung tâm Thái Bình Dương. Sự chênh lệch khí áp giữa Đông (cao) và Tây (thấp) và nhiệt độ giữa Đông (thấp) và Tây (cao) trên khu vực xích đạo Thái Bình Dương dẫn đến chuyển động ngược chiều của không khí ở tầng thấp (gió Đông) và trên cao (gió Tây); ở phía Đông có chuyển động giáng, ở phía Tây có chuyển động thăng của không khí, tạo thành một hoàn lưu khép kín, được Bjerknes gọi là Hoàn lưu Walker. Chênh lệch nhiệt độ và khí áp giữa Đông và Tây Thái Bình Dương càng lớn, hoàn lưu Walker càng mạnh, ngược lại, chênh lệch nhiệt độ và khí áp giảm, hoàn lưu Walker yếu đi. 7 Thông thường, nhiệt độ nước biển giảm dần theo độ sâu nên từ mặt biển đến độ sâu khoảng vài trăm mét, nhiệt độ ở vùng biển phía Tây Thái Bình Dương cao hơn phía Đông, tạo ra một lớp nước chuyển tiếp giữa lớp nước bên trên nóng hơn với lớp nước bên dưới lạnh hơn, có độ nghiêng từ Đông sang Tây Thái Bình Dương, thường được gọi là “nêm nhiệt” (the Thermocline). Độ sâu của nêm nhiệt ở bờ phía Tây khoảng 200m, giảm dần về bờ phía Đông chỉ còn vài chục mét. Khi hoàn lưu Walker mạnh lên, hoạt động của nước trồi tăng lên, độ nghiêng của nêm nhiệt lớn hơn, trái lại, khi hoàn lưu Walker yếu đi, nước trồi bị hạn chế, độ nghiêng của nêm nhiệt giảm đi. Chuyển động giáng Gió Tây Đối lưu phát triển HOÀN LƯU WALKER Tín phong BBC Xích đạo Nóng, khí áp thấp Gió Đông Lạnh, khí áp cao Tín phong NBC Nêm nhiệt 1200Đ Nước trồi 800T Hình 1.2: Sơ đồ hoàn lưu Walker trong điều kiện bình thường c. Tương tác đại dương – khí quyển Tương tác đại dương - khí quyển là quá trình trao đổi nhiệt, ẩm, động lượng, năng lượng giữa lớp nước bề mặt đại dương với lớp không khí bên trên, chủ yếu thông qua hoạt động đối lưu và các xoáy khí quyển. Trên khu vực phía Tây xích đạo Thái Bình Dương, thường diễn ra hoạt động đối lưu sâu trong nhánh phía Tây của hoàn lưu Walker. Mây, mưa nhiều và lượng bức xạ OLR từ mặt biển thường không vượt quá 240W/m2. Trái lại, ở vùng xích đạo phía Đông Thái Bình Dương, trong nhánh phía Đông của Hoàn lưu Walker thường có chuyển động giáng của không khí, hoạt động đối lưu bị hạn chế, ít mây, mưa. Lượng bức xạ OLR từ mặt biển thường đạt những giá trị cực đại (>280W/m2). Khi hoàn lưu Walker hoạt động yếu hơn bình thường, vùng đối lưu sâu ở Tây Thái Bình Dương bị dịch chuyển về phía Đông đến trung tâm Thái Bình Dương, làm tăng cường các chuyển động xoáy của khí quyển ở vùng này, lượng mây và mưa tăng lên; OLR giảm. Trái lại, ở vùng phía Tây Thái Bình Dương xích đạo, đối lưu bị hạn chế, lượng mây và mưa giảm đi; OLR tăng. d. Cơ chế hoạt động của ENSO 8 Dưới áp lực của gió Đông tầng thấp, mặt biển khu vực xích đạo Thái Bình Dương nghiêng về phía Đông (mực nước biển ở bờ phía Tây Thái Bình Dương cao hơn ở bờ phía Đông khoảng 30 - 70cm). Khi hoàn lưu Walker suy yếu hoặc bị tách thành 2 phần, áp lực của gió Đông lên mặt biển giảm đi, kéo theo sự suy yếu của nước trồi và dòng chảy hướng Tây, nước biển từ vùng bể nóng Tây Thái Bình Dương nhanh chóng đổ dồn về phía Đông, tạo thành một sóng đại dương xích đạo (sóng Kelvin) lan truyền về phía Đông và nhiệt từ vùng bể nóng được vận chuyển về vùng trung tâm và Đông Thái Bình Dương, làm cho nước biển bề mặt ở vùng này nóng lên dị thường. Kết quả là chênh lệch nhiệt độ nước biển giữa vùng phía Đông và phía Tây giảm đi, độ sâu của nêm nhiệt ở bờ phía Tây giảm đi, trong khi ở bờ phía Đông tăng lên, trao đổi nhiệt thẳng đứng trong lớp nước xáo trộn đại dương mạnh mẽ hơn. Sóng Kelvin lan truyền tới bờ phía Đông Thái Bình Dương trung bình mất khoảng 50 ngày và bị phản xạ trở lại. Sự phản xạ này gây ra một sóng đại dương (sóng Rossby) chuyển động về phía Tây với thời gian trung bình khoảng 6 tháng, qua đó, lớp nước bề mặt ấm lại được vận chuyển về phía Tây. Sự phản xạ qua lại của các sóng Kelvin và Rossby ở 2 bờ của Thái Bình Dương quyết định độ dài và tính không ổn định trong các pha của một chu trình El Nino. Như vậy, có thể thấy sóng Kelvin làm giảm chênh lệch nhiệt độ giữa Đông và Tây Thái Bình Dương (hiệu ứng âm), trái lại, sóng Rossby cho hiệu ứng dương làm tăng chênh lệch nhiệt độ giữa Đông và Tây, Thái Bình Dương. Khi hoàn lưu Walker mạnh hơn bình thường, áp lực gió Đông lên mặt biển tăng lên, có thể dẫn đến một chu trình ngược lại với chu trình El Nino (chu trình La Nina) do hoạt động của nước trồi mạnh hơn và bình lưu lạnh hướng Tây tăng lên, làm cho vùng biển trung tâm và Đông Thái Bình Dương lạnh đi dị thường trong khi ở Tây Thái Bình Dương nóng lên, đối lưu phát triển, mưa nhiều và dồn dập. Hình 1.3: Sơ đồ hoàn lưu Walker trong điều kiện El Nino 1.2.2. Các công trình nghiên cứu ENSO 9 a. Các công trình nghiên cứu ENSO ngoài nước Vấn đề ENSO được chú ý nhiều từ những năm 1970 đến giữa thập kỉ 1980 khi trên thế giới đặc biệt quan tâm đến sự kiện ENSO lịch sử 1982-1983 ở Peru, Ecuado và Mỹ. Từ đó vấn đề ENSO được những nhà khoa học và các tổ chức quốc tế đặc biệt quan tâm và thực hiện nhiều công trình nghiên cứu. Ở châu năm 1991 Chương trình phát triển Liên hợp quốc, Chương trình môi trường Liên hợp quốc tổ chức hội thảo “ENSO và biến đổi khí hậu” tại Bangkok, Thái Lan đưa ra các khuyến cáo đáng chú ý như sau:  Xã hội loài người từng chịu nhiều tác động của ENSO  Các cực trị khí hậu liên quan đến ENSO đã ảnh hưởng đến nhiều hoạt động kinh tế - xã hội (sản xuất lương thực, thủy hải sản, nguồn nước).  Các khu vực Ấn Độ, Úc thường có lũ lụt trong thời gian có La Nina và xảy ra hạn hán trong thời gian có El Nino Vào năm 1991, Vương Thiệu Vũ (Đại học Bắc Kinh, Trung Quốc) công bố công trình “ Quá trình lịch sử của các đợt ENSO” Năm 1998, Tổ chức Khí tượng thế giới công bố tài liệu cập nhật về El Nino và tác động của El Nino năm 1997-1998. Đến nay đã có rất nhiều công trình nghiên cứu khoa học của nhiều nhà khoa học, nhiều tổ chức khoa học trên nhiều châu lục, đặc biệt là châu , châu Mỹ, châu Úc công bố rất nhiều công trình nghiên cứu về ENSO và tác động của ENSO đến thời tiết, mưa lớn, hạn hán,...phương pháp nghiên cứu ENSO, dự báo ENSO, và dự báo lượng mưa trong ENSO. Sau đây là một vài ví dụ điển hình: Năm 2008, báo cáo “Hệ thống gió mùa Nam Mỹ” của Brant Liebman công bố năm 2008 chỉ ra r ng ENSO liên quan đến sự giảm sút lượng mưa gần xích đạo và sự gia tăng lượng mưa ở Đông Mỹ, Trung Mỹ [9] . Cũng trong năm 2008, trong báo cáo của Harry H.Handen “Dự báo lượng mưa gió mùa mùa hè ở Úc” công bố nhận định r ng lịch sử dự báo mưa ở Úc ghi nhận nhiều ảnh hưởng mạnh mẽ và dai dẳng của ENSO [15]. Năm 2009, báo cáo “Gió mùa Đông ” công bố , C.P Chang cho r ng lượng mưa trên lục địa có quan hệ phức tạp với ENSO, nhất là trong mùa khô [11]. Trong thời gian gần đây, ngoài các nghiên cứu về ENSO, các cơ quan khí tượng trên thế giới đặc biệt chú ý đến việc theo dõi, cảnh báo và dự báo ENSO. Trên các trang Web của nhiều tổ chức, trong đó có Cơ quan Quốc gia về đại dương và khí quyển Mỹ (NOOA), Viện Nghiên cứu về dự báo khí hậu Mỹ (IRI) thường xuyên đăng tải các chỉ số ENSO, dự báo diễn biến các chỉ số ENSO và cảnh báo El Nino hoặc La Nina. Cũng từ các tổ chức này nhiều lịch ENSO trong các thời kỳ khác nhau đã được xác định [27]. b. Nghiên cứu ENSO trong nước 10 Ở Việt Nam, nghiên cứu ENSO bắt đàu từ những năm 1990 với nhiều công trình mang tính tổng quan về ENSO. Thời gian từ năm 1995 đến 2000 có nhiều bài báo liên quan đến tác động của ENSO đến bão, áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, hạn hán,...của nhiều tác giả: Nguyễn Doãn Toàn, Phạm Đức Thi, Bùi Minh Tăng, Kiều Thị Xin, Phạm Văn Huấn, Phan Văn Tân, Lê Nguyên Tường,... Từ 1999 đến 2000, đề tài “Tác động của ENSO đến thời tiết, khí hậu, môi trường và kinh tế xã hội ở Việt Nam” được thực hiện với sự chủ trì của Nguyễn Đức Ngữ và sự tham gia của nhóm cán bộ khoa học của Tổng cực Khí tượng Thủy văn trước đây. Đề tài đã hoàn thành nghiên cứu về các chế độ hoạt động của ENSO và gió mùa châu , ảnh hưởng của ENSO đến khí hậu, thời tiết, tài nguyên nước và ứng dụng ENSO dự báo khí hậu hạn ngắn. Trong những sản phẩm của đề tài có xây dựng lịch ENSO thời kỳ 1951 – 2000 dựa trên các thay đổi về chuẩn sai nhiệt độ mặt nước biển khu vực Nino3 [5]. Hiện nay đề tài “Nghiên cứu những đặc trưng cơ bản và tác động của ENSO đến hạn hán, mưa lớn ở Việt Nam và khả năng dự báo” đang thực hiện với sự chủ trì của Nguyễn Trọng Hiệu và cộng tác viên, cũng xác định lịch ENSO thời kỳ 1960 – 2009 dựa trên chuẩn sai nhiệt độ mặt nước biển khu vực Nino3,4 [3]. 1.3. Một số nhận xét về chung và định hƣớng nghiên cứu của luận văn 1. OLR là một trong những yếu tố bức xạ quan trọng đã được nghiên cứu từ lâu song những ứng dụng của ENSO mới được phát triển trong vài chục năm gần đây nhờ những tiến bộ về khoa học kỹ thuật. 2. Ở nước ngoài cũng như ở trong nước, nghiên cứu OLR được quan tâm về nhiều nội dung, từ quan trắc OLR, tính toán OLR, phân bố không gian và diễn biến thời gian của OLR, quan hệ giữa OLR hoặc đối lưu gây mưa. Với các đặc trưng ENSO, đặc trưng hoàn lưu, đặc biệt là ứng dụng chuẩn sai OLR dự báo thời tiết, dự báo khí hậu. 3. Các công trình nghiên cứu về ENSO hết sức đồ sộ, nhiều cơ quan khoa học quốc tế, quốc gia, các nhà khoa học ngoài nước và trong nước đã thu được rất nhiều thành tựu to lớn bao hàm các vấn đề chủ yếu: Cơ cấu của ENSO, tác động của ENSO đến thời tiết, khí hậu, kinh tế xã hội, môi trường và cả dự báo ENSO, trên nhiều châu lục, nhiều quốc gia và cả ở Việt Nam. 4.Việt Nam là một trong những nước ở Đông Nam , chịu nhiều tác động của ENSO do đó, vấn đề ENSO đã được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm từ những năm 1990. Cho đến nay đề tài ENSO vẫn đang được tổ chức nghiên cứu và hứa hẹn thu được nhiều kết quả cụ thể hơn nữa. 5. Trong pham vi luận văn tác giả không có điều kiện nghiên cứu tính toán OLR mà chỉ sử dụng số liệu OLR từ bộ số liệu phân tích lại của NCEP/NCAR và trên cơ sở số liệu đó nghiên cứu phân bố không gian và diễn biến thời gian của OLR, mối quan hệ giữa OLR và các chu trình ENSO, cũng như đặc điểm mưa trong các chu trình El Nino và chu trình La Nina. 11