Tài liệu Luận văn thạc sĩ nghiên cứu một số đặc trưng nhiệt động lực quy mô lớn thời kỳ bùng nổ gió mùa mùa hè trên khu vực nam bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Minh Tuân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG LỰC QUY MÔ LỚN THỜI KỲ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ TRÊN KHU VỰC NAM BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Minh Tuân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG LỰC QUY MÔ LỚN THỜI KỲ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ TRÊN KHU VỰC NAM BỘ Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Minh Trường Hà Nội – 2012 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Minh Trường, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô và các cán bộ trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý giá, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành ở Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điêu kiện cho tôi trong thời gian hoành thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Hà Nội ngày 11 tháng 12 năm 2012 Bùi Minh Tuân MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ KHU VỰC CHÂU Á .............................................................................................................................................................................1 1.1. Ý nghĩa của nghiên cứu gió mùa mùa hè ................................................................. 1 1.2. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè ở Việt Nam ................................................. 2 1.3. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè trên thế giới ................................................. 5 1.4. Các chỉ tiêu nghiệp vụ ............................................................................................ 11 CHƯƠNG 2: NHIỆT ĐỘNG LỰC QUI MÔ LỚN THỜI KÌ BÙNG NỔ GIÓ MÙA QUA SỐ LIỆU TÁI PHÂN TÍCH ....................................................................................................... 13 2.1. Lựa chọn các năm và giai đoạn nghiên cứu ........................................................... 13 2.1.1. Lựa chọn các năm nghiên cứu ......................................................................... 13 2.1.2. Lựa chọn các giai đoạn nghiên cứu ................................................................. 14 2.2. Đặc trưng trường mưa GPCP giai đoạn bùng nổ gió mùa ..................................... 15 2.2.1. Đặc trưng về khu vực phân bố của mưa .......................................................... 15 2.2.2. Đặc trưng trường bức xạ sóng dài ................................................................... 16 2.3. Đặc trưng trường gió tái phân tích ......................................................................... 19 2.3.1. Đặc trưng trường gió ngày bùng nổ gió mùa .................................................. 19 2.3.2. Đặc trưng khí hậu của trường gió giai đoạn đầu mùa hè ................................ 22 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MÔ HÌNH RAMS ...................................... 27 3.1. Các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và cấu hình miền tính ................................ 27 3.2. Phân bố mưa mô phỏng .......................................................................................... 28 3.2.1. Đặc trưng phân bố mưa mô phỏng về diện ..................................................... 28 3.2.2. Đặc trưng mưa mô phỏng về lượng ................................................................. 31 3.3. Đặc trưng trường hoàn lưu mô phỏng .................................................................... 39 3.3.1. Đặc trưng của hoàn lưu mực thấp ................................................................... 39 3.3.2. Đặc trưng hoàn lưu các mực trên cao .............................................................. 42 3.4. Đặc trưng của trường nhiệt mô phỏng................................................................... 47 3.4.1. Đặc trưng của trường nhiệt mực thấp .............................................................. 47 3.4.2. Đặc trưng của trường nhiệt mực cao ............................................................... 50 3.5. Vai trò của giải phóng ẩn nhiệt quy mô lớn ........................................................... 53 3.6. Thí nghiệm với mô phỏng không có địa hình ........................................................ 56 3.6.1. Trường mưa mô phỏng .................................................................................... 56 3.6.2. Trường hoàn lưu mô phỏng ............................................................................. 57 3.6.3. Quá trình vận chuyển động lượng ngang ........................................................ 59 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHỈ SỐ GIÓ MÙA VÀ TRƯỜNG HỢP DỰ BÁO CHO NĂM 2012 ...................................................................................................................................................... 63 4.1. Xây dựng các chỉ số gió mùa.................................................................................. 63 4.1.1.Chỉ số mưa ........................................................................................................ 63 4.1.2. Chỉ số gió vĩ hướng ......................................................................................... 64 4.1.3. Chỉ số gradient nhiệt độ mực cao .................................................................... 67 4.2. Áp dụng các chỉ số để dự báo cho trường hợp năm 2012 ...................................... 70 4.2.1. Đặc trưng trường mưa quan trắc giai đoạn bùng nổ gió mùa năm 2012 ......... 70 4.2.2. Trường mưa và trường hoàn lưu dự báo ......................................................... 72 4.2.3. Chỉ số mưa dự báo ........................................................................................... 73 4.2.4. Chỉ số gió vĩ hướng dự báo ............................................................................. 75 KẾT LUẬN .................................................................................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 79 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vai trò của độ ẩm ngưng kết tới hoàn lưu quy mô lớn.Nguồn: Webster (1998). ............................................................................................................................................................... 16 Hình 1.2. Hoàn lưu khí quyển trong mùa hè và mùa đông bắc bán cầu. Nguồn: Webster (1998). ............................................................................................................... 7 Hình 1.3. Dị thường OLR trung bình từ tháng Mười Hai tới tháng Hai (a) và hoàn lưu được sinh ra theo lí thuyết của Gill (b). Nguồn: Gill (1980). .......................................... 9 Hình 1.4. Mô hình hoàn lưu phi tuyến đối xứng (a) và bất đổi xứng (b) của Held-Hou. Nguồn: Held-Hou (1980). ............................................................................................... 9 Hình 2.1. Mưa GPCP tích lũy ngày trong ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ...................................................................................................... 16 Hình 2.2. Trường OLR trung bình pentad tại các thời điểm trước bùng nổ 2 pentad (pentad -2), trước bùng nổ 1 pentad (pentad -1) và pentad bùng nổ (pentad 0). .......... 17 Hình 2.3. Hoàn lưu mực 850 hPa NCAR/NCEP ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001 2004 và 2010. ............................................................................................. 20 Hình 2.4. Hoàn lưu mực 200 hPa NCAR/NCEP ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001 2004 và 2010. ............................................................................................. 21 Hình 2.5. Hai thành phần trực giao chiếm lượng thông tin lớn nhất của trường gió vĩ hướng tái phân tích NCAR/NCEP trong ba tháng: tháng Tư, tháng Năm, tháng Sáu từ năm 1980 tới 2010. ........................................................................................................ 23 Hình 2.6. Trường nhiệt mực 850 hPa số liệu tái phân tích NCAR/NCEP cho ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ................................................. 24 Hình 2.7. Trường nhiệt trung bình từ mực 500 hPa tới 200 hPa số liệu tái phân tích NCAR/NCEP cho ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. 25 Hình 3.1. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ....................... 29 Hình 3.2. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999 ........................ 29 Hình 3.3. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001 ........................ 30 Hình 3.4. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004 ........................ 30 Hình 3.5. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010 ........................ 31 Hình 3.6. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 08/05 đến 21/05 năm 1998, đơn vị mm.ngày-1 .......................................................................................................... 32 Hình 3.7. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 08/05 đến 21/05 năm 1998, đơn vị mm.ngày-1 ................................................................................................................. 32 Hình 3.8. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/04 đến 23/04 năm 1999, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 33 Hình 3.9. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 14/04 đến 23/04 năm 1999, đơn vị mm.ngày-1 .................................................................................................................. 33 Hình 3.10. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 02/05 đến 15/05 năm 2001, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 34 Hình 3.11. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 02/05 đến 15/05 năm 2001, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 34 Hình 3.12. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 17/05 năm 2004, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 35 Hình 3.13. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 04/05 đến 17/05 năm 2004, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 35 Hình 3.14. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 27/05 năm 2010, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 36 Hình 3.15. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 27/05 năm 2010, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 36 Hình 3.16. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ..... 40 Hình 3.17. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999 ...... 40 Hình 3.18. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001. ..... 41 Hình 3.19. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004. ..... 41 Hình 3.20. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010. ..... 42 Hình 3.21. Hoàn lưu mô phỏng mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ..... 44 Hình 3.22. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999........................ 44 Hình 3.23. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001........................ 45 Hình 3.24. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004........................ 45 Hình 3.25. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010........................ 46 Hình 3.26. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998.47 Hình 3.27. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999.48 Hình 3.28. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001.48 Hình 3.29. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004.49 Hình 3.30. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010.49 Hình 3.31. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 1998. ........... 50 Hình 3.32. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 1999. ........... 51 Hình 3.33. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2001. ........... 51 Hình 3.34. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2004. ........... 52 Hình 3.35. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2010. ........... 52 Hình 3.37. Tốc độ giải phóng ẩn nhiệt do đối lưu trung bình năm ngày trước thời điểm bùng nổ gió mùa trung bình từ 80oE – 100oE, đơn vị K.s-1 . ......................................... 55 Hình 3.38. Mưa mô phỏng trong các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1. ............................................................................................ 57 Hình 3.39. Trường gió mô phỏng trong các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1. ............................................................................................ 58 Hình 3.40. Vận chuyển momen động lượng tương đối của khí quyển mô phỏng có địa hình năm ngày trước bùng nổ gió mùa, trung bình từ 50oE – 140oE, đơn vị 1022 g.m.s-1. ....................................................................................................................................... 60 Hình 3.41. Vận chuyển momen động lượng tương đối của khí quyển mô phỏng không địa hình năm ngày trước bùng nổ gió mùa, trung bình từ 50oE – 140oE, đơn vị 1022 g.m.s-1 ............................................................................................................................ 61 Hình 4.2. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) mô phỏng bởi RAMS. ................................................................................................... 65 Hình 4.3. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) số liệu tái phân tích NCAR/NCEP . .............................................................................. 66 Hình 4.4. Đồ thị của nhiệt độ trung bình từ 500 tới 200 hPa, đường đứt là miền (100oE-110oE; 5oS-5oN) và đường liền là (100oE-110oE;15oN-25oN) mô phỏng bởi RAMS. ........................................................................................................................... 68 Hình 4.5. Đồ thị của nhiệt độ trung bình từ 500 tới 200 hPa, đường đứt là miền (100oE-110oE; 5oS-5oN) và đường liền là (100oE-110oE;15oN-25oN) số liệu tái phân tích NCAR/NCEP . ........................................................................................................ 69 Hình 4.6. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 01/05 đến 15/05 năm 2012, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 71 Hình 4.7. Lượng mưa tích lũy ngày trung bình từ (5oN – 15oN, 100oE – 110oE ), đơn vị mm.ngày-1. Nguồn: CPC (Gauge – Based) Unified Precipitation. http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/Global_Monsoons/Asian_Monsoons/ .......... 71 Hình 4.8. Trường mưa dự báo thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ 2012. ....................................................................................................................................... 72 Hình 4.9. Trường hoàn lưu mực 850 hPa dự báo cho thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ 2012. .................................................................................................. 73 Hình 4.10. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN – 15oN, 100oE – 110oE) số liệu dự báo (trái) và số liệu tái phân tích NCAR/NCEP (phải). ................... 75 Hình 4.11. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10o N – 15o N, 100o E – 110o E) số liệu dự báo (trái) và số liệu tái phân tích NCAR/NCEP (phải).................... 76 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Dị thường nhiệt độ mặt nước biển trung bình trượt ba tháng tại vùng Niño 3.4 (5oN–5oS, 120oW–170oW). Nguồn http://www.cpc.ncep.NCAR/NCEP .gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears.shtml. .................................... 14 Bảng 2.2. Thời gian mô phỏng giai đoạn bùng nổ gió mùa mùa hè của các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ............................................................................................ 15 Bảng 4.1. Ngày bùng nổ gió mùa được xác định bởi chỉ số mưa quan trắc và mưa mô phỏng ............................................................................................................................. 64 Bàng 4.2. Ngày bùng nổ gió mùa dựa vào chỉ số gió vĩ hướng mô phỏng và tái phân tích NCAR/NCEP. ......................................................................................................... 67 Bảng 4.3. Ngày bùng nổ gió mùa dựa vào chỉ số gradient nhiệt độ mô phỏng và gradient nhiệt độ tái phân tích NCAR/NCEP ................................................................ 70 Bảng 4.6. Lượng mưa dự báo tại các trạm Nam Bộ từ 04/05 đến 09/05 năm 2012, đơn vị mm.ngày-1. Các số bôi đậm chỉ giá trị mưa trên 5 mm.ngày-1 .................................. 74 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT BAO: Bảo Lộc BMT: Buôn Ma Thuột CAM: Cà Mau CAN: Cần Thơ DAL: Đà Lạt DAR: DarkNong ENSO: Dao động nam (El Niño–Southern Oscillation) GPCP: Mưa phân tích toàn cầu của NOAA (Global Precipitation Climatology Project) NOAA: Cơ Quan Khí Quyển và Đại Dương Quốc Gia Hoa Kì (National Oceanic and Atmospheric Administration) PCR: Hồi quy thành phần chính (Principle Component Regression) PHU: Phú Quốc PLE: Pleiku RAC: Rạch Giá RAMS: Mô hình khí quyển khu vực (the Regional Atmospheric Model System) SOI: Chỉ số dao động nam (Southern Oscillation Index) VUN: Vũng Tàu MỞ ĐẦU Gió mùa châu Á là hệ thống gió mùa lớn nhất, đặc trưng nhất trong hệ thống khí hậu toàn cầu. Sự hoạt động của nó có vai trò cực kì quan trọng tới sự phát triển kinh tế, xã hội của các quốc gia nơi đây, đặc biệt với một quốc gia nông nghiệp như Việt Nam. Trong luận văn này, mô hình RAMS được sử dụng để mô phỏng sự phát triển của hoàn lưu khí quyển quy mô lớn thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ trong các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010 nhằm xác định những đặc trưng cơ bản và cơ chế nhiệt động lực của quá trình bùng nổ gió mùa, trong đó đặc biệt nhấn mạnh vai trò của lục địa – địa hình trong sự tương phản với các đại dương xung quanh. Kết quả nghiên cứu cho thấy, giai đoạn bùng nổ gió mùa mùa hè Nam Bộ gắn liền với sự hình thành của một trung tâm nhiệt lớn phía trên khu vực Nam Á. Trung tâm nhiệt này gây nên sự đảo ngược của gradient nhiệt độ kinh hướng tại các mực trên cao với bán cầu mùa hè trở thành bán cầu có nhiệt độ cao hơn. Trung tâm nhiệt này cũng đồng thời tạo nên một xoáy nghịch mực cao rất lớn với hoàn lưu mở rộng từ vùng biển Ả rập tới Việt Nam. Ở các mực dưới thấp, một dòng xiết gió tây kéo dài từ vùng biển Đông Phi tới phía nam vịnh Bengal, đồng thời xoáy kép Sri Lanka xuất hiện và tăng cường rất mạnh trường gió tây nhiệt đới xích đạo này. Cùng thời điểm đó, áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương đột ngột thay đổi cấu trúc và rút lui rất nhanh sang phía đông, chỉ ra sự chuyển mùa đang diễn ra ở khu vực này. Sự di chuyển này đồng thời tạo điều kiện cho dải mưa nhiệt đới di chuyển dần lên phía bắc và trường gió tây nam phát triển tới bán đảo Đông Dương. Luận văn được bố cục thành bốn chương, ngoài phần mở đầu, kết luận và tài liệu tham khảo như sau: Chương 1: Tổng quan về bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Châu Á. Chương 2: Nhiệt động lực qui mô lớn thời kì bùng nổ gió mùa qua số liệu tái phân tích Chương 3: Kết quả mô bằng mô hình RAMS. Chương 4: Xây dựng chỉ số gió mùa và trường hợp dự báo cho năm 2012. Chương 1 TỔNG QUAN VỀ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ KHU VỰC CHÂU Á 1.1. Ý nghĩa của nghiên cứu gió mùa mùa hè Gió mùa mùa hè Châu Á là hệ thống gió mùa lớn nhất và đặc trưng nhất trong hệ thống khí hậu toàn cầu. Giai đoạn bùng nổ của hệ thống này được đánh dấu bởi sự đảo ngược của hoàn lưu quy mô lớn và thay thế đột ngột mùa khô bởi mùa mưa trong chu kì hàng năm. Một mặt, gió mùa xuất hiện cung cấp một lượng nước lớn rất cần thiết cho nông nghiệp, sản xuất, nhưng mặt khác mưa lớn và dồn dập trong nhiều ngày lại là nguyên nhân của các thảm họa nghiêm trọng như lũ quét, xói lở đất, phá hủy mùa màng, làm ngập khu dân cư, khu công nghiệp và các vùng nuôi trồng thủy hải sản... Bên cạnh đó, sự xuất hiện của gió mùa thường kèm theo những hiện tượng thời tiết nguy hiểm như giông, tố, lốc xoáy... do đó thường xuyên gây ra những thiệt hại lớn tới hoạt động kinh tế, xã hội và thậm chí đe dọa tính mạng con người. Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới gió mùa châu Á nên khí hậu của Việt Nam chịu chi phối hoàn toàn bởi hệ thống này. Với hơn 70% dân số làm nghề nông cùng với hệ thống nhà máy thủy điện dày đặc, nhu cầu sử dụng nước của Việt Nam là rất lớn. Tuy nhiên, lượng nước sản sinh từ ngoài lãnh thổ Việt Nam chiếm tới xấp xỉ hai phần ba tổng lượng nước có được nên rất khó chủ động trong việc khai thác và sử dụng. Hơn nữa, ở thời điểm hiện tại việc tranh chấp sử dụng nước giữa các quốc gia đã và đang phát sinh những mâu thuẫn gay gắt, ảnh hưởng lớn tới việc sử dụng nguồn tài nguyên này trong tương lai. Vì vậy, những dự báo chính xác về hoạt động của gió mùa cả ở hạn ngắn và hạn dài đều có vai trò rất quan trọng giúp đưa ra những định hướng. Ngày nay, các nước Châu Á có tốc độ phát triển công nghiệp rất nhanh, điều này đồng nghĩa một lượng khí ô nhiễm lớn đã và đang được thải vào bầu khí quyển. Những nghiên cứu gần đây chỉ ra rằng gió mùa Châu Á là nguyên nhân phát tán các chất ô nhiễm mạnh nhất, lên cả tầng cao khí quyển. Khi lên được các tầng trên cao, khí ô nhiễm sẽ lan tỏa rất nhanh ra toàn cầu. Do đó nghiên cứu gió mùa có vai trò quan trọng trong việc nghiên cứu ô nhiễm môi trường. 1 Về mặt khoa học, nghiên cứu gió mùa là nghiên cứu hệ thống hoàn lưu quy mô lớn, chứa đựng trong đó các hệ thống thời tiết quy mô nhỏ hơn. Nghiên cứu gió mùa giúp hiểu rõ hơn những cơ chế hình thành và vận động của khí quyển, giải quyết được bài toán này sẽ cải thiện rất lớn khả năng dự báo thời tiết trong tương lai. Đặc biệt, trong hoàn cảnh khí hậu đang bị biến đổi do sự nóng lên toàn cầu, việc hiểu rõ được cơ chế vận động của khí quyển là cực kì quan trọng. Mặt khác, các mô hình dự báo khí hậu hiện nay vẫn chưa thực sự nắm bắt được những quá trình động lực có thể dẫn đến sự thay đổi hoàn toàn của hệ thống khí hậu (ví dụ như các quá trình hồi tiếp trong khí quyển), do đó dẫn đến những dự báo chưa chính xác. Từ những thực tiễn trên, nghiên cứu gió mùa ở Việt Nam đặt ra là một nhu cầu cấp thiết, có vai trò quan trọng nhiều mặt. Vì vậy tôi đề xuất đề tài:“ Nghiên cứu một số đặc trưng nhiệt động lực quy mô lớn thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ” nhằm hướng đến vấn đề quan trọng này. 1.2. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè ở Việt Nam Nam Bộ nằm trong khu vực giao tranh của hai hệ thống gió mùa lớn là hệ gió mùa mùa hè Nam Á và gió mùa mùa hè Đông Á, do đó mưa gió mùa ở Nam Bộ có diễn biến phức tạp do chịu tác động của cả hai hệ thống này. Theo trung bình khí hậu, mùa mưa tại Nam Bộ bắt đầu vào cuối tháng Tư tới đầu tháng Năm, được đánh dấu bởi sự hình thành của gió tây nam nhiệt đới thổi từ vịnh Bengal sang. Theo rất nhiều nghiên cứu trên thế giới, giai đoạn này trùng với thời điểm xuất hiện mưa tại vịnh Bengal và nam Biển Đông, và là những khu vực xuất hiện mưa mùa hè sớm nhất của gió mùa mùa hè châu Á. Gió mùa mùa hè Ấn Độ thường xuất hiện muộn hơn sau đó khoảng hai tuần. Tuy nhiên, ngày bắt đầu mùa mưa tại Nam Bộ có sự dao động lớn giữa các năm và phân bố mưa giữa các khu vực cũng không hoàn toàn giống nhau. Gió mùa mùa hè Ấn Độ và gió mùa mùa hè Đông Á là những hệ thống gió mùa điển hình, đã được nghiên cứu khá nhiều trên thế giới, tuy nhiên Việt Nam (bán đảo Đông Dương) là khu vực chuyển tiếp, giao tranh của các đới gió mùa lại chưa được nghiên cứu nhiều. Bên cạnh sự hạn chế về số lượng các trạm quan trắc, hoàn lưu gió mùa khu vực này có sự biến đổi phức tạp, chịu tác động của nhiều yếu tố, do đó rất khó khăn trong phân tích cũng như xây dựng những chỉ tiêu xác định ngày bùng nổ gió 2 mùa một cách chính xác. Hiện nay, nghiên cứu gió mùa mùa hè ở Việt Nam chủ yếu sử dụng phương pháp thống kê. Các nghiên cứu có thể chia ra thành hai hướng chính bao gồm: Trước đây các nghiên cứu về bùng nổ gió mùa mùa hè ở Việt Nam chủ yếu được thực hiện bằng phương pháp phân tích các hình thế synốp. Ví dụ, trong đề tài cấp Tổng cục (nay là Bộ Tài nguyên và Môi trường) năm 1999, các tác giả Phạm Thị Thanh Hương và Trần Trung Trực [4] đã sử dụng số liệu mưa quan trắc lấy trung bình trượt năm ngày và gió vĩ hướng 850 hPa để xác định thời điểm bùng nổ gió mùa mùa hè trên khu vực Nam Bộ. Cụ thể, khi lượng mưa vượt 25 mm/ngày hoặc gió vĩ hướng 850 hPa chuyển từ thành phần hướng đông sang hướng tây thì có thể xem là xảy ra bùng nổ gió mùa. Điều đáng nói là hai chỉ tiêu này nhiều khi không đồng thời thỏa mãn. Ngoài ra kết quả nghiên cứu của đề tài cũng cho thấy thời điểm bùng nổ gió mùa trên khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ thường gắn với thời kỳ có xoáy thuận hoạt động trên khu vực vịnh Bengal. Tương tự như vậy là các bộ chỉ số gió mùa với các nghiên cứu của Trần Việt Liễn (2007) [5]. Các chỉ số được xây dựng chủ yếu dựa trên trường gió tái phân tích mực 850 hPa nhằm xác định thời điểm bùng nổ và kết thúc của gió mùa. Đồng thời tìm hiểu mối liên hệ giữa trường mưa và trường gió của gió mùa mùa hè trên khu vực Nam Bộ. Nguyễn Thị Hiền Thuận (2001) [2] đã sử dụng số liệu BMRC của Cơ quan Khí tượng Úc với độ phân giải 2,5 x 2,5o để nghiên cứu thời kỳ bùng nổ gió mùa mùa hè trên khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ, sử dụng công cụ hỗ trợ là chương trình hệ thống dự báo và đồng hóa toàn cầu GASP (Global Assimilation and Prediction System). Qua đó đã rút ra nhận xét là có thể dùng số liệu gió vĩ hướng mực 850 hPa để nghiên cứu bùng nổ gió mùa. Ngoài ra tác giả cũng cho thấy mối liên hệ giữa bùng nổ gió mùa khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ Việt Nam với vùng nổ gió mùa trên vịnh Bengal. Tuy nhiên, nghiên cứu này còn mang tính định tính rất nhiều của phương pháp phân tích synốp. Tiếp theo, trong nghiên cứu của Nguyễn Đức Ngữ và Nguyễn Thị Hiền Thuận (2006) [1] , các tác giả đã có bước tiến mới trong việc đề xuất một chỉ số hoàn lưu gió mùa để nghiên cứu tính biến động của gió mùa mùa hè ở Nam Bộ. Trong nghiên cứu 3 này số liệu mưa CMAP (Climate Prediction Center – Merged Analysis of Precipitation) đã được sử dụng để so sánh với trường gió trên khu vực nghiên cứu. Kết quả cũng cho thấy có thể sử dụng gió vĩ hướng mực 850 hPa để xây dựng chỉ số hoàn lưu vì đây là nhân tố có mối quan hệ chặt với số liệu mưa CMAP trên khu vực Nam Bộ. Cuối cùng là chỉ số hoàn lưu được xác định là hiệu gió vĩ hướng mực 850 hPa giữa hai khu vực (2,5o N – 12,5o N; 95o E – 110o E) và (20o N – 27,5o N; 105o E – 120o E) rồi lấy trung bình cho tất cả các tháng mùa hè Nghiên cứu sự tương quan giữa giao động nam ENSO và các chỉ số gió mùa với các nghiên của Trần Quang Đức (2010) [5] và Nguyễn Thị Hiền Thuận (2008) [3]. Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng gió mùa mùa hè Nam Bộ có sự biến đổi phức tạp và tương quan yếu với ENSO, vì vậy ENSO không phải là một chỉ số dự báo tốt cho sự phát triển của gió mùa mùa hè ở khu vực này. Như vậy, mặc dù đã xác định một chỉ tiêu định lượng có khả năng mô tả mức độ biến động của gió mùa mùa hè giữa các năm ở Nam Bộ nhưng kết quả nghiên cứu của Nguyễn Đức Ngữ và Nguyễn Thị Hiền Thuận (2006) [1] chỉ phục vụ cho mục đích nghiên cứu vì chỉ số hoàn lưu phải được tính trung bình cho toàn bộ các tháng hoạt động của gió mùa tây nam và không nói đến ngày bùng nổ gió mùa mùa hè trên khu vực Nam Bộ. Ngoài ra các nghiên cứu ở Việt Nam thường chỉ sử dụng số liệu gió vĩ hướng tái phân tích mực 850 hPa để nghiên cứu gió mùa, và như vậy rất có thể sẽ không đầy đủ vì cơ chế vật lý của gió mùa mùa hè, nhất là bùng nổ gió mùa, là rất phức tạp. Hơn nữa, các chỉ số xây dựng được chỉ phục vụ mục đích nghiên cứu và cảnh báo, chưa có khả năng dự báo ngày bùng nổ gió mùa. Cho tới thời điểm hiện tại, các nghiên cứu về thời kì bùng nổ gió mùa ở Việt Nam còn rất ít. Hơn nữa, những nghiên cứu chỉ dừng lại ở mức đánh giá định tính những xu thế biến đổi của gió mùa, chưa đưa ra được một cơ chế phản ánh đầy đủ bản chất của gió mùa. Những chỉ số gió mùa và các yếu tố tác động được đưa ra thường bỏ qua các đặc trưng quy mô lớn và chưa loại đi được tác động gây nhiễu của các yếu tố địa phương. Do đó, kết quả đạt được của nghiên cứu gió mùa mùa hè ở Việt Nam là chưa cao và chưa phù hợp với nhu cầu đặt ra. 4 1.3. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè trên thế giới Đặc trưng bùng nổ và cơ chế nhiệt động lực của gió mùa luôn là vấn đề chính của các nghiên cứu về gió mùa mùa hè Châu Á, đặc biệt là những nghiên cứu về khu vực xuất hiện đầu tiên của gió mùa như nghiên cứu của Wang và Lin (2002) [29], Ding (2004) [9], Wang (2004) [30]. Tuy nhiên, do vẫn còn nhiều vấn đề gây tranh cãi nên chưa có một kết luận chung chính thức được đưa ra. Cho tới thời điểm hiện tại, có bốn quan điểm chính về khu vực bùng nổ đầu tiên của gió mùa như sau: - Gió mùa bùng nổ đầu tiên tại Biển Đông sau đó mở rộng lên phía bắc và phía tây (Tao và Chen, 1987) [25] - Gió mùa bùng nổ đầu tiên tại vịnh Bengal (Wu và Zhang, 1998) [36] - Gió mùa bùng nổ đầu tiên tại bán đảo Đông Dương và khu vực phía nam xung quanh (Li và Qu, 1999 [16]; Zhang, 2004 [38]; Lau và Yang, 1997 [15]; Matsumoto, 1997 [18]; Webster, 1998 [34]; Wang và Fan, 1999 [31]; Lu và đồng tác giả, 2006...) [17] - Gió mùa bùng nổ cùng lúc ở vịnh Bengal, Biển Đông và bán đảo Đông Dương (He và đồng tác giả, 2004 [13]; Wang và đồng tác giả, 2003[26]...) Gió mùa mùa hè (mùa đông) Châu Á và gió mùa mùa đông (mùa hè) Châu Úc có mối liên hệ chặt chẽ với nhau, thậm chí có thể gộp chung thành hệ thống gió mùa Á – Úc. Do đó, sự dịch chuyển theo mùa của gió mùa Châu Á, sự tương tác giữa khí quyển ở bán cầu bắc và bán cầu nam và sự dịch chuyển của đối lưu vùng nhiệt đới giữa hai châu lục là không thể tách rời. Zeng và Li (2002) [37] cho rằng sự di chuyển của vùng đối lưu nhiệt quy mô hành tinh trùng pha với các sóng tựa tĩnh hành tinh (tác động chính) và tương phản đất biển, độ cao địa hình (tác động phụ) là nguyên nhân của vùng mưa gió mùa Châu Á – Úc. Khu vực Maritime Continent bao gồm cả Sumatra và Kalimanta... là khu vực đối lưu phát triển lớn nhất trên thế giới, và sự di chuyển của đối lưu Sumatra rất “gần” với sự bùng nổ gió mùa tại bán đảo Đông Dương. Nếu gọi vùng Maritime Continent là “cây cầu” nối giữa hai lục địa Châu Á và Châu Úc (He, 2004 [13]; Chang, 2004 [8]; Wang , 2004 [30]) thì cơ chế dịch chuyển theo mùa của đối lưu khu vực này chính là cơ chế gây bùng nổ gió mùa mùa hè Châu Á. Quan điểm cổ điển nhìn nhận tương phản đốt nóng giữa lục địa – đại dương là 5 nguyên nhân chính của gió mùa, tuy nhiên cách nhìn nhận này không giải thích thỏa đáng cho sự bùng nổ đột ngột của gió mùa cũng như các chu kì hoạt động – gián đoạn của hệ thống này. Webster và đồng tác giả (1998) [34] đã chỉ ra rằng bên cạnh đốt nóng bề mặt, có rất nhiều yếu tố tác động dẫn đến sự phức tạp của gió mùa. Các yếu tố có thể liệt kê bao gồm: Vai trò của tương phản đất – biển: Đất và biển có sự khác nhau về nhiệt dung, nước có khả năng tích trữ lượng nhiệt lớn vì chất lỏng có thể đưa nhiệt xuống phía dưới nhờ quá trình xáo trộn rối, sau đó lượng nhiệt sẽ được giải phóng trở lại khí quyển trong quá trình bốc hơi. Mặt khác, trong mùa hè, lục địa nóng lên nhanh hơn so với đại dương, gây nên sự phân bố nhiệt không đồng đều và do đó, hoàn lưu gió mùa hình thành, đóng vai trò như cỗ máy nhiệt khổng lồ để cân bằng với sự chênh lệch nhiệt lực này. Vai trò của hơi nước trong không khí: Hình 1.1. Vai trò của độ ẩm ngưng kết tới hoàn lưu quy mô lớn. Nguồn: Webster và đồng tác giả (1998) [34]. Hơi nước bốc hơi từ đại dương, ngưng kết và gây mưa sẽ giải phóng lượng ẩn nhiệt. Ẩn nhiệt làm thay đổi gradient nhiệt độ theo phương thẳng đứng nên dẫn đến sự gia tăng chênh lệch gradient khí áp theo chiều ngang. Gradient khí áp tăng đồng nghĩa với tăng gió mực thấp, do đó tăng lượng ẩm cung cấp cho đối lưu – một lần nữa tăng lượng ẩn nhiệt giải phóng. Đây là quá trình hồi tiếp cực kì quan trọng của cơ chế nhiệt động lực học gió mùa. 6 Hình 1.1 mô tả quá trì hồi tiếp này với bên trái là mô hình khí quyển với không khí khô còn bên phải là không khí ẩm. Do quá trình giải phóng ẩn nhiệt đối lưu, đường đoạn nhiệt ẩm (W2) trong Hình 1.1b lớn hơn đường đoạn nhiệt khô trong Hình 1.1a, do đó chênh lệch gradient khí áp mực trên cao theo phương ngang sẽ lớn hơn, đồng nghĩa với cường độ gió mạnh hơn. Tác động của ENSO: ENSO vẫn được coi là nguyên nhân chính gây ra sự thay đổi từ hàng năm của gió mùa Á – Úc. Lượng mưa tại Ấn Độ có xu hướng giảm đi trong suốt giai đoạn phát triển của El Niño, đặc biệt trong ba tháng: Tháng Tám, Tháng Chín, Tháng Mười, mặc dù mối quan hệ này thay đổi và yếu trong hai thập kỉ gần đây. Mặt khác, sự biến đổi chính tại khu vực gió mùa mùa hè Đông Á lại được nhận thấy trong những năm sau El Niño, tuy cũng có một số ít năm là trong suốt cả giai đoạn phát triển của El Niño. Trong những năm sau El Niño, lượng mưa mùa hè tại Tây Bắc Thái Bình Dương giảm trong khi giáng thủy front cận nhiệt Đông Á lại tăng cường. Các nhà khí hậu cũng nhận thấy rằng trong pha cực trị của El Niño, sự thiếu hụt lượng mưa gió mùa Châu Úc theo sau gió mùa yếu tại Ấn Độ, ngược lại lượng mưa tăng trên toàn Ấn Độ và Biển Đông trong giai đoạn sau đó. Quy luật chu kì năm của gió mùa : Hình 1.2. Hoàn lưu khí quyển trong mùa hè và mùa đông bắc bán cầu. Nguồn: Webster và đồng tác giả (1998) [34]. Dựa trên thống kê số liệu quan trắc cho thấy có sự luân phiên tuần tự của năm gió mùa mạnh và năm gió mùa yếu. Theo Hình 1.2, những năm gió mùa mạnh, gió Ekman (gió bề mặt) vận chuyển lượng nhiệt lớn từ Bắc Ấn Độ Dương xuống Nam Ấn Độ 7 Dương khiến cho bắc bán cầu lạnh đi nhanh chóng, gradient qua xích đạo của nhiệt độ khí quyển giảm, đồng nghĩa với sự yếu đi của gió mùa. Điều ngược lại xảy ra trong những năm gió mùa yếu. Vì vậy sau một năm gió mùa mạnh sẽ là một năm gió mùa yếu hơn và ngược lại. Vai trò của lục địa - địa hình: Lục địa – địa hình không chỉ có vai trò như một bức tường lớn chặn các dòng mực thấp để gây mưa cưỡng bức, nó còn làm biến đổi biên độ và các quá trình vận chuyển năng lượng của các sóng trong khí quyển. Ở các mực trên cao, dòng xiết gió tây hình thành lên những rãnh tĩnh ở sườn khuất gió của các dãy núi, ví dụ như dãy Rocky và cao nguyên Tibet. Phía đông của các rãnh này, gió tây với vận tốc được tăng cường chiếm ưu thế. Các nghiên cứu với mô hình toàn cầu của Syukuro và Theodore (1973) [23] cũng chỉ ra rằng, địa hình cao làm tăng cường động năng của các nhiễu động tĩnh bằng cách làm tăng sự chuyển hóa xoáy thế năng và làm giảm động năng của các nhiễu động tức thời. Nhìn chung, so với trường hợp có địa hình, những thí nghiệm trong trường hợp không có địa hình làm thay đổi đáng kể sự phân bố mưa và làm tăng rất mạnh trường gió vĩ hướng. Phương pháp động lực và mô hình hóa trong dự báo thời tiết nói chung và nghiên cứu các hệ thống khí quyển nói riêng đã được phát triển từ những năm 1950 của thế kỉ XX. Mặc dù ở thời điểm hiện tại, bài toán mô phỏng chính xác những hệ thống thời tiết vẫn còn là vấn đề khó khăn. Tuy nhiên việc sử dụng các mô hình đơn giản như mô hình hoàn lưu hai chiều hoặc các mô hình ba chiều phức tạp nhưng được loại bỏ đi một số tham số đầu vào như bức xạ, đia hình hoặc thay đổi trường nhiệt độ mặt biển... giúp đưa ra những cái nhìn sâu hơn về vai trò của từng yếu tố trong việc hình thành nên hệ thống hoàn lưu toàn cầu. Nghiên hoàn lưu gió mùa được phát triển từ khá sớm, tuy nhiên hai lí thuyết đầu tiên phản ánh một cách gần đúng hoàn lưu quan trắc phải kể đến là lí thuyết hoàn lưu tuyến tính của Gill (1980) [11] và lí thuyết hoàn lưu phi tuyến Hadley của Held - Hou (1980)[14]. Mô hình hoàn lưu tuyến tính của Gill dựa trên một phân bố lượng mưa cho trước và từ sự đốt nóng ẩn nhiệt được giải phóng của các vùng mưa này hình thành nên các sóng Kelvin và Rossby như được biểu diễn trong Hình 1.3. Mô hình này đã giải thích được sự hình thành của trường gió đông mực thấp. Tuy nhiên, sai lầm của lí 8