Luận văn thạc sĩ " Khả năng dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF "

Chia sẻ: Phạm Huy | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

113
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Khu vực Trung Trung Bộ nằm ở Trung phần Việt Nam theo hướng tây bắc - đông nam trải dài từ vĩ tuyến 14o32 - 18o06N, bao gồm 5 tỉnh và 1 thành phố: Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi và Thành phố Đà Nẵng. Trung Trung Bộ là một khu vực lớn thuộc duyên hải miền Trung có địa hình khá phức tạp: phía Đông là dải đồng bằng nhỏ hẹp ven biển tiếp cận biển Đông và vùng đồi núi thấp, phía Tây là một phần Đông Nam dãy Trường Sơn, với nhiều nhánh núi ngang vuông góc...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn thạc sĩ " Khả năng dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF "

LUẬN VĂN THẠC SỸ Khả năng dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới cho khu vực Trung Trung Bộ bằng mô hình WRF
LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS. TS. Trần Tân Tiến, 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 - Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý báu, 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 chân thành cảm ơn Ban lãnh đạo Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ và toàn thể các đồng nghiệp trong cơ quan đã tạo điều kiện và bố trí thời gian để tôi có thời gian học tập và hoàn thành luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điều kiện cho tôi có thời gian hoàn 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. Nguyễn Tiến Toàn 1
MỤC LỤC MỞ ĐẦU .................................................................................................................... 9 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ................................................................................... 10 1.1 Tổng quan về dự báo mưa bằng phương pháp số .......................................... 10 1.2 Các quy định về mưa lớn diện rộng .............................................................. 14 1.2.1 Quy định về mưa lớn .............................................................................. 14 1.2.2 Quy định về mưa lớn diện rộng .............................................................. 14 1.3 Hình thế gây mưa lớn tại Trung Bộ do không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới......................................................................................................................... 15 1.3.1 Những nét đặc trưng của không khí lạnh ở các tỉnh miền trung............. 15 1.3.2 Dải hội tụ nhiệt đới ................................................................................. 16 1.3.2.1 Khái niệm......................................................................................... 16 1.3.2.2 Một số đặc trưng của dải hội tụ nhiệt đới........................................ 16 1.3.3 Mô hình synop đặc trưng không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới gây ra mưa lớn Trung Bộ trong những tháng mùa đông ........................................ 18 CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH WRF VÀ ÁP DỤNG ĐỂ DỰ BÁO MƯA LỚN Ở TRUNG TRUNG BỘ ............................................................................................... 20 2.1 Mô hình dự báo thời tiết WRF ....................................................................... 20 2.1.1 Cấu trúc của mô hình WRF .................................................................... 20 2.1.2 Các quá trình vật lý trong mô hình ......................................................... 21 2.1.2.1 Vật lí vi mô ...................................................................................... 22 2.1.2.2 Đối lưu mây tích .............................................................................. 22 2.1.2.3 Lớp bề mặt ....................................................................................... 23 2.1.2.4 Lớp biên hành tinh........................................................................... 23 2.1.2.5 Bức xạ khí quyển ............................................................................. 23 2.1.2.6 Sơ đồ tương tác giữa các quá trình vật lí ......................................... 24 2.2 Cập nhật số liệu địa phương trong mô hình WRF ......................................... 24 2.2.1 Phương pháp Cressman .......................................................................... 24 2.2.2 Các Kỹ thuật sử dụng trong OBSGRID.................................................. 27 2.3 Nguồn số liệu, cấu hình miền tính dự báo mưa bằng mô hình WRF............. 28 2.3.1 Cấu hình được lựa chọn .......................................................................... 28 2.3.2 Nguồn số liệu .......................................................................................... 28 2.3.3 Các bước cập nhật số liệu địa phương .................................................... 31 2.4 Phương pháp xây dựng hồi qui có lọc và các chỉ tiêu đánh giá kết quả dự báo lượng mưa ............................................................................................................ 32 2
2.4.1 Xây dựng phương trình dự báo mưa....................................................... 32 2.4.1.1 Phương pháp xây dựng phương trình hồi qui có lọc ....................... 32 2.4.1.2. Nguyên tắc xây dựng phương trình hồi qui.................................... 32 2.4.2 Phương pháp đánh giá ............................................................................ 33 2.4.2.1 Đánh giá tỷ số giữa vùng dự báo và vùng thám sát......................... 33 2.4.2.2 Xác suất phát hiện............................................................................ 33 2.4.2.3 Tỷ phần dự báo phát hiện sai........................................................... 33 2.4.2.4 Điểm số thành công ......................................................................... 34 2.4.2.5 Độ chính xác .................................................................................... 34 CHƯƠNG 3:............................................................................................................. 35 KẾT QUẢ DỰ BÁO MƯA LỚN DO KHÔNG KHÍ LẠNH KẾT HỢP VỚI DẢI HỘI TỤ NHIỆT ĐỚI TỪ 1 ĐẾN 3 NGÀY BẰNG MÔ HÌNH WRF..................... 35 3.1 Phương trình hồi qui dự báo lượng mưa ............................................................ 35 3.1.1 Phương trình dự báo lượng mưa 24h ...................................................... 35 3.1.1.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 35 3.1.1.2 Khu vực Quảng Trị.......................................................................... 37 3.1.1.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 39 3.1.1.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 40 3.1.1.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 41 3.1.1 Phương trình dự báo 48h......................................................................... 43 3.1.2.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 43 3.1.2.2 Khu vực Quảng Trị.......................................................................... 44 3.1.2.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 45 3.1.2.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 47 3.1.2.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 48 3.1.3 Phương trình dự báo 72h......................................................................... 50 3.1.3.1 Khu vực Quảng Bình ....................................................................... 50 3.1.3.2 Khu vực Quảng Trị.......................................................................... 52 3.1.3.3 Khu vực Thừa Thiên_Huế ............................................................... 53 3.1.3.4 Khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng..................................................... 55 3.1.3.5 Khu vực Quảng Ngãi ....................................................................... 56 3.2 Nhận xét kết quả xây dựng phương trình....................................................... 58 3.2.1 Phân tích đợt mưa độc lập từ ngày 21-24/10/2009 ................................. 58 3.2.1.1 Hình thế Synop : .............................................................................. 58 3.2.1.2 Nhận xét kết quả dự báo lượng mưa................................................ 60 3
3.2.2 Đánh giá dự báo mưa lớn do không khí lạnh kết hợp với ITCZ tại khu vực Trung Trung Bộ bằng các chỉ số thống kê................................................ 64 3.3. Quy trình dự báo mưa lớn ............................................................................. 76 3.3.1 Xác định hình thế. ................................................................................... 76 3.3.2 Chạy mô hình .......................................................................................... 76 3.3.3 Sử dụng phương trình hồi qui dự báo lượng mưa tại các trạm............... 76 3.3.3.1 Phân vùng Quảng Bình.................................................................... 76 3.3.3.2 Phân vùng Quảng Trị....................................................................... 77 3.3.3.3 Phân vùng Thừa Thiên_Huế............................................................ 77 3.3.3.4 Phân vùng Quảng Nam – Đà Nẵng ................................................. 78 3.3.3.5 Phân vùng Quảng Ngãi.................................................................... 78 KẾT LUẬN .............................................................................................................. 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................ 81 4
Danh mục hình vẽ Hình 2.1: Cấu trúc tổng quan của mô hình WRF ..................................................... 21 Hình 2.2: Sơ đồ tương tác vật lí................................................................................ 24 Hình 2.3: Bán kính ảnh hưởng và khu vực quét....................................................... 25 Hình 2.4: Mô tả kỹ thuật Ellipse............................................................................... 27 Hình 2.5: Mô tả kỹ thuật Banana.............................................................................. 27 Hình 2.6: Các miền tính của mô hình WRF được lựa chọn cho Việt Nam và khu vực Trung Trung Bộ ........................................................................................................ 28 Hình 2.7: Mạng lưới trạm bề mặt (a) và cao không (b) dùng trong thử nghiệm...... 29 Hình 2.8: Phân bố các trạm đo mưa ở Trung Trung Bộ ........................................... 30 Hình 3.1: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 24h .................................................................................................................................. 36 Hình 3.2: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 24h .................................................................................................................................. 38 Hình 3.3: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 24h ......................................................................................................... 39 Hình 3.4: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 24h ............................................................................................................. 41 Hình 3.5: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 24h .................................................................................................................................. 42 Hình 3.6: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 48h .................................................................................................................................. 44 Hình 3.7: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 48h .................................................................................................................................. 45 Hình 3.8: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 48h ......................................................................................................... 47 Hình 3.9: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 48h ............................................................................................................. 48 Hình 3.10: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 48h ............................................................................................................................ 50 Hình 3.11: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Bình 72h ............................................................................................................................ 51 Hình 3.12: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Trị 72h .................................................................................................................................. 52 Hình 3.13: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Thừa Thiên_Huế 72h ......................................................................................................... 54 5
Hình 3.14: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Nam – Đà Nẵng 72h ............................................................................................................. 56 Hình 3.15: Sai số bình phương trung bình các phương trình khu vực Quảng Ngãi 72h ............................................................................................................................ 57 Hình 3.16: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 22/10/2009 ................ 59 Hình 3.17: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 23/10/2009 ................ 60 Hình 3.18: Bản đồ phân tích và dự báo mặt đất 07h00 ngày 24/10/2009 ................ 60 Hình 3.19: Mưa tích lũy 24h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 62 Hình 3.20: Mưa tích lũy 48h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 63 Hình 3.21: Mưa tích lũy 72h từ ngày 21/10/2009 .................................................... 64 Hình 3.22: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h ................ 66 Hình 3.23: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h .............. 67 Hình 3.24: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h .............. 67 Hình 3.25: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h ................ 68 Hình 3.26: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 24h ................. 68 Hình 3.27: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h ................ 70 Hình 3.28: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h .............. 70 Hình 3.29: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h .............. 71 Hình 3.30: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h ................ 71 Hình 3.31: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 48h ................. 72 Hình 3.32: Biến đổi chỉ số FBI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h ................ 72 Hình 3.33: Biến đổi chỉ số POD với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h .............. 73 Hình 3.34: Biến đổi chỉ số FAR với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h .............. 73 Hình 3.35: Biến đổi chỉ số CSI với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h ................ 74 Hình 3.36: Biến đổi chỉ số PC với các ngưỡng mưa tại hạn dự báo 72h ................. 74 6
Danh mục bảng Bảng 2.1: Tùy chọn vật lí vi mô trong WRF ........................................................... 22 Bảng 2.2: Một số tùy chọn tham số hóa đối lưu mây tích trong mô hình WRF...... 22 Bảng 2.3: Tùy chọn bề mặt đất trong WRF ............................................................. 23 Bảng 2.4: Tùy chọn sơ đồ bức xạ trong WRF ......................................................... 24 Bảng 2.5: Các đợt mưa và đặc điểm mưa ................................................................ 29 Bảng 2.6: Danh sách trạm tính mưa......................................................................... 30 Bảng 3.1 Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa khu vực Quảng Bình 24h và sai số bình phương trung bình ...................................................................... 36 Bảng 3.2: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 24h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 37 Bảng 3.3: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 24h và sai số bình phương trung bình ............................................................................. 39 Bảng 3.4: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 24h và sai số bình phương trung bình............................................................. 40 Bảng 3.5: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 24h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 41 Bảng 3.6: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Bình 48h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 43 Bảng 3.7: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 48h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 44 Bảng 3.8: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 48h và sai số bình phương trung bình. ............................................................................ 46 Bảng 3.9: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 48h và sai số bình phương trung bình:............................................................ 47 Bảng 3.10: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 48h và sai số bình phương trung bình. ................................................................................. 48 Bảng 3.11: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Bình 72h và sai sô bình phương trung bình .................................................................................. 51 Bảng 3.12: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Trị 72h và sai số bình phương trung bình........................................................................................ 52 Bảng 3.13: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Thừa Thiên_Huế 72h và sai số bình phương trung bình. ............................................................................ 54 Bảng 3.14: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Nam – Đà Nẵng 72h và sai số bình phương trung bình............................................................. 55 7
Bảng 3.15: Các hệ số phương trình hồi qui dự báo lượng mưa Quảng Ngãi 72h và sai số bình phương trung bình. ................................................................................. 56 Bảng 3.16: Các điểm số đánh giá mưa tích lũy 24h theo các ngưỡng mưa............. 65 Bảng 3.17: Các điểm số đánh giá mưa tích lũy 48h theo các ngưỡng mưa............. 69 Bảng 3.18: Các điểm số đánh giá mưa 72h theo các ngưỡng mưa.......................... 75 8
MỞ ĐẦU Khu vực Trung Trung Bộ nằm ở Trung phần Việt Nam theo hướng tây bắc - đông nam trải dài từ vĩ tuyến 14o32 - 18o06N, bao gồm 5 tỉnh và 1 thành phố: Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi và Thành phố Đà Nẵng. Trung Trung Bộ là một khu vực lớn thuộc duyên hải miền Trung có địa hình khá phức tạp: phía Đông là dải đồng bằng nhỏ hẹp ven biển tiếp cận biển Đông và vùng đồi núi thấp, phía Tây là một phần Đông Nam dãy Trường Sơn, với nhiều nhánh núi ngang vuông góc với bờ biển tạo thành những đèo cắt ngang các đồng bằng như Đèo Ngang, đèo Hải Vân. Nhìn chung khu vực Trung Trung Bộ có 4 loại địa hình chủ yếu: Núi, đồi thấp, đồng bằng và bãi cát ven biển; trong đó loại địa hình vùng núi chiếm khoảng 2/3 diện tích đất tự nhiên. Địa hình có hướng nghiêng từ Tây sang Đông với độ dốc khá lớn. Trung Trung Bộ cũng như các vùng khác ở Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới gió mùa, nhưng do vị trí địa lý và địa hình phức tạp nên thời tiết do gió mùa đem đến cho khu vực Trung Bộ khác biệt nhiều so với các khu vực khác trên lãnh thổ nước ta: Gió mùa tây nam thường đem đến mưa to ở một số thung lũng đón gió tây nam của các tỉnh ven biền miền Trung, nhưng lại đem đến không khí khô hanh, nắng nóng ở phần lớn lãnh thổ các tỉnh ven biển Trung Bộ. Hoặc như gió mùa đông bắc gây ra mưa to đến rất to ở các tỉnh ven biển miền Trung. Do đó mùa mưa và mùa khô ở khu vực này khác hẳn với các nơi khác. Vì vậy các hình thế thời tiết gây ra mưa to đến rất to tại khu vực cũng có những nét riêng biệt đáng kể. Mưa lớn ở Trung Trung Bộ nói chung thường do các hình thế thời tiết chủ yếu sau: 1. Bão hoặc áp thấp nhiệt đới. 2. Gió mùa đông bắc. 3. Gió mùa tây nam. 4. Các hoạt động của các nhiễu động nhiệt đới khác: gió đông (chủ yếu là sóng đông), hội tụ nhiệt đới. 5. Mưa đặc biệt lớn trong trường hợp: có sự phối hợp hoạt động giữa gió mùa hoặc tín phong đông bắc ở phía bắc với các nhiễu động nhiệt đới (Bão, áp thấp nhiệt đới, hoặc dải hội tụ, sóng đông) ở Biển Đông. Do các đặc điểm địa lý và các dạng hình thế gây mưa đã nêu ở trên, công tác dự báo mưa gặp rất nhiều khó khăn trong việc dự báo định lượng mưa để cảnh báo lũ cũng như phòng chống thiên tai cho khu vực này. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ về khoa học máy tính mô hình số trị đã thể hiện là một công cụ hữu ích, góp phần nâng cao chất lượng dự báo thời tiết, đặc biệt là các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, bão và áp thấp nhiệt đới. Mô hình số là công cụ hữu ích trong dự báo hạn ngắn và đang được nghiên cứu rộng rãi nhằm nâng cao chất lượng dự báo. Một trong số đó là mô hình WRF. Bên cạnh đó, sự tối ưu hóa trong mã nguồn tính toán của WRF cho phép người sử dụng có thể chạy mô hình trên rất nhiều loại máy tính với các hệ điều hành khác nhau cũng như chạy song song với bộ nhớ chia sẻ OpenMP hay bộ nhớ phân tán MPI. Chính vì những tính năng ưu việt trên, tác giả đã lựa chọn mô hình WRF làm công cụ cho nghiên cứu về bài toán dự báo mưa 1 - 3 ngày cho khu vực Trung Trung Bộ khi có dạng hình thế không khí lạnh kết hợp với dải hội tụ nhiệt đới. 9
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về dự báo mưa bằng phương pháp số Dự báo mưa vẫn là một thử thách lớn đối với bài toán nghiệp vụ trên thế giới. Các trung tâm dự báo trên thế giới và khu vực dự báo mưa định lượng thời hạn 2-3 ngày đều dùng các mô hình số và tổ hợp kết quả. Dưới đây là các phương pháp dự báo của một số trung tâm. + Australia. Cơ quan khí tượng Úc bắt đầu sử dụng một phương pháp dự báo mưa bằng cách kết hợp hay chính là tổ hợp các mô hình dự báo khác nhau từ năm 2006. Phương pháp tổ hợp ở đây chính là PME (Poor Man’s Ensemble). Chất lượng dự báo tổ hợp cho thấy về mặt thống kê nó luôn luôn có độ chính xác tốt hơn bất cứ một dự báo thành phần nào trong tổ hợp. Các sản phẩm tổ hợp nhận được từ GAPS (Global Assimilation and Prediction System) và LAPS (Limited Area Prediction Scheme). Từ 2006 Cơ quan khí tượng Úc dự báo mưa từ 1 đến 4 ngày với sản phẩm dự báo là - Bản đồ dự báo mưa độ phân giải 100x100 km - Lượng mưa đưa ra từng ngày - Xác suất lượng mưa tính theo kết quả dự báo của các mô hình Bản đồ tổng lượng mưa theo thời gian dự báo 4 ngày. Lượng mưa tính theo dự báo của Úc và của các mô hình trên thế giới (lấy trung bình) Các kết quả dự báo được lấy từ các cơ quan khí tượng : Nha khí tượng Úc (Australian Bureau of Meteorology) Ban quản lý khí tượng, hải dương Hoa Kỳ (US National Oceanographic and Atmospheric Administration) Cơ quan khí tượng Anh (UK Meteorological Office) Tổ chức khí tượng Nhật Bản (Japanese Meteorological Agency) Trung tâm dự báo thời tiết Châu Âu (European Centre for Medium Range Weather Forecasting) Cơ quan khí tượng Canada (Meteorological Service of Canada) Cơ quan thời tiết quốc gia Đức (German national weather service, Deutscher Wetterdienst) + Hong Kong Hong Kong Observatory (HKO) đã sử dụng các thông tin radar, vệ tinh, quan trắc tức thời để dự báo mưa hạn cực ngắn (nowcasting). Từ 1999 đã xây dựng hệ thống 10
SWIRLS (Short-range Warning of Intense Rainstorms in Localized Systerms) rất hữu ích, phát huy tác dụng đến nay. Hệ thống này dự báo lượng mưa một giờ một trước vài giờ với 3 mức cảnh báo 30mm/h, 50mm/h và 70mm/h. Để dự báo lượng mưa 3 ngày đã sử dụng các sản phẩm mô hình từ Trung tâm dự báo hạn vừa Châu Âu (ECMWF), Cơ quan Khí tượng Hoàng gia Anh (UKMO) và Cơ quan Khí tượng Nhật Bản (JMA) để đưa ra các bản tin dự báo (Lai và Cheung 2001)[17]. Tuy nhiên, để có thể tính đến các yếu tố địa phương thì gần đây HKO còn sử dụng thêm mô hình ORSM (Operational Regional Spectral Model) bước lưới 20 km lồng trong lưới 60 km. Trong bước phân tích, các yếu tố ẩm địa phương được đưa vào trường nền của ECMWF, UKMO và JMA bằng cách sử dụng các nguồn đo mưa, radar, độ che phủ mây và nhiệt độ mây từ vệ tinh địa tĩnh của JMA. Cuối cùng, dự báo tổ hợp được xây dựng dựa trên các sản phẩm mô hình. Từ các đầu vào khác nhau, các mô hình khác nhau sẽ cho các kết quả dự báo mưa có độ phân tán nhất định. Từ đó, các dự báo viên có thể cho bản tin dự báo. + Hoa Kỳ Tại Hoa Kỳ, Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn (HPC-Hydrometeorological Prediction Center), các Trung tâm Dự báo sông (River Forecast Centers), và các cơ quan dự báo địa phương thuộc Cơ quan Thời tiết Quốc gia (NWS-National Weather Service) đưa ra các dự báo mưa cho hạn dự báo tới 5 ngày (Brennan et al. 2008)[13], dự báo lượng mưa bằng hoặc lớn hơn 0,25 mm. Tuy nhiên, chất lượng dự báo thủy văn sử dụng mưa dự báo từ các mô hình khí tượng phụ thuộc vào mùa trong năm và các lưu vực cụ thể. Các mô hình khí tượng được HPC sử dụng bao gồm NWS’s GFS, mô hình NAM (North American Mesoscale) và ECMWF. Qua các chỉ tiêu đánh giá QPF cho thấy mô hình NAM có chất lượng thấp nhất, hai mô hình GFS và ECMWF có chất lượng tốt hơn, nhưng cũng không hoàn toàn ổn định từ năm này qua năm khác (Brennan et al. 2008)[13]. Năm 1992, hệ thống dự báo tổ hợp đầu tiên của Hoa Kỳ bắt đầu hoạt động với một cặp điều kiện ban đầu sử dụng phương pháp cấy nhiễu động. Hiện nay, NCEP phát triển thành 3 hệ thống dự báo tổ hợp như sau: 1. Hệ thống tổ hợp dự báo mùa được xây dựng dựa trên sự kết hợp của 2 mô hình GFS và MOM3 và sử dụng phương pháp dự báo trễ, độ phân giải của các mô hình này từ 1/3 đến 1 độ kinh vĩ. 2. Dự báo tổ hợp gồm 20 cặp dự báo thành phần đã được thực hiện với mô hình toàn cầu GFS có độ phân giải lưới 90 km, 28 mực và có hạn dự báo tới 384 giờ. 3. Hệ thống dự báo tổ hợp hạn ngắn sử dụng mô hình ETA với 10 thành phần, RSM với 5 thành phần và WRF với 6 thành phần tương ứng với các phiên bản tham số hóa đối lưu khác nhau. Đặc biệt hiện nay tại trung tâm NCEP của Hoa Kỳ tập trung nghiên cứu về khả năng dự báo định lượng xác suất mưa (PROBABILISTIC QUANTITATIVE PRECIPITATION FORECASTS) với thời hạn 15 ngày với hệ thống tổ hợp toàn cầu và từ 2-3 ngày với hệ thống tổ hợp khu vực. Gần đây, vào những năm đầu tiên của thế kỷ 21, các Trung tâm Khí tượng khác như Nhật Bản (JMA), Hàn Quốc (KMA) cũng đã có hệ thống dự báo tổ hợp với các mô hình toàn cầu của mình và sử dụng phương pháp cấy nhiễu động như của Hoa Kỳ. 11
+ Trung tâm Châu Âu (ECMWF) ECMWF bắt đằu đưa vào nghiệp vụ hệ thống dự báo tổ hợp từ năm 1992 bằng việc sử dụng phương pháp tách vector kỳ dị để tạo nhiễu động ban đầu. Hệ thống dự báo tổ hợp của Trung tâm này hiện nay có tới 51 dự báo thành phần, thực hiện dự báo hàng ngày và cung cấp kết quả cho các nước trong Cộng đồng Châu Âu là thành viên của ECMWF. Dự báo tổ hợp cho khu vực giới hạn (LAEF) bắt đằu đưa vào nghiệp vụ từ năm 2007. Trung tâm này sử dụng các điều kiện nhiễu ban đầu từ quá trình nuôi nhiễu quy mô lớn bằng phương pháp vectơ kỳ dị của trung tâm ECMWF và điều kiện nhiễu ban đầu quy mô nhỏ sinh ra từ hệ thống nuôi nhiễu động ALADIN, sử dụng kỹ thuật điều kiện nhiễu bề mặt ban đầu (perturbations to initial surface conditions). Đặc biệt thay đổi các sơ đồ vật lý có nuôi nhiễu động cho từng trường hợp để thay đổi các quá trình quy mô lớn và quy mô nhỏ (dưới lưới) của các biến mưa, bức xạ… Tuy nhiên, cho đến trước những năm 80 của thế kỷ XX, các nghiên cứu phát triển về lý thuyết cũng như ứng dụng chủ yếu vẫn chỉ quan tâm đến các khu vực ngoại nhiệt đới của Châu Âu và Mỹ. Dự báo thời tiết ở nhiệt đới nói chung và bằng phương pháp số nói riêng ở thời kỳ này còn nhiều khó khăn do hạn chế về động lực học lý thuyết cho vùng nhiệt đới-xích đạo. Đến nay có những cải tiến to lớn trong dự báo nghiệp vụ bằng mô hình toàn cầu cho các vùng nhiệt đới, đó là việc đưa vào mô hình sơ đồ tham số hoá đối lưu (TSHĐL) nông, biến đổi TSHĐL sâu, một sơ đồ mây mới và tăng độ phân giải ngang của mô hình[4]. Trên qui mô toàn cầu, nghiên cứu của Tiedtke và cộng sự (1988)[21] đã đánh giá tác động của tổ hợp vật lý và tăng độ phân giải ngang đối với sai số hệ thống trong dự báo nghiệp vụ ở nhiệt đới của ECMWF. Việc tăng độ phân giải ngang trong các mô hình dự báo thời tiết nghiệp vụ (Black, 1994[12]; Rogers và cộng sự, 1998[19]) nhìn chung nâng cao chất lượng dự báo mưa định lượng (QPF), được thể hiện qua các điểm số kỹ năng truyền thống (Mesinger, 1998)[18]. Khi độ phân giải ngang tăng, mô hình có thể nắm bắt được chuyển động thẳng đứng tốt hơn dẫn tới làm tăng các cực trị mưa dự báo (Weisman và cộng sự, 1997)[23]. Zhang và cộng sự (1994)[25] cũng đã nhận thấy rằng, việc nghiên cứu quan hệ giữa mưa qui mô dưới lưới và qui mô lưới có tác động đáng kể đến kết quả mô phỏng trong trường hợp độ phân giải ngang còn đủ thô để sử dụng sơ đồ TSHĐL. Hong S và Zhan (1998)[15] cho thấy vị trí của mưa qui mô lưới bị ảnh hưởng nhiều bởi TSHĐL hơn là việc thay đổi phương pháp tính mưa qui mô lưới. Mặt khác, thời gian kích hoạt của cả sơ đồ TSHĐL và sơ đồ ẩm hiển có tác động đáng kể đối với mưa mô phỏng (Grell, 1993)[14] và có thể thay đổi với các sơ đồ khác nhau. Những cải tiến trong thám sát và phương pháp đồng hóa số liệu để cải tiến trường ban đầu cho mô hình góp phần quan trọng trong việc nâng cao chất lượng dự báo mưa (Spencer và Stensrud, 1998)[20]. Huo và cộng sự (1995)[16] đã nghiên cứu độ nhạy của trường ban đầu trong dự báo các trường trong bão, kết quả cho thấy sự thay đổi nhỏ trong trường gió ban đầu tạo nên sự thay đổi lớn trong dự báo quỹ đạo bão và trường mưa dự báo. Yoshinori và cộng sự (2009)[24] đã đồng hoá số liệu lượng hơi nước ngưng tụ (PWV) từ hệ thống GPS bằng mô hình MSM, kết quả cho thấy cải thiện đáng kể vùng hội tụ phía bắc của áp thấp nhiệt đới và vùng mưa dự báo. Nghiên cứu ứng dụng thống kê sau mô hình (MOS – Model Output Statistics) cũng được sử dụng dự báo mưa ở một số nước Châu Á như 12
+ Hàn Quốc: Mô hình hồi quy tuyến tính nhiều chiều của Viện nghiên cứu khí tượng (METRI – Meteorological Research Institute) được dùng để thử nghiệm dự báo hạn dài cho giáng thủy và nhiệt độ tại Hàn Quốc. Kết quả mô hình thực nghiệm cho sản phẩm dự báo nhiệt độ tháng giêng (mùa đông) và lượng mưa tháng 8 (mùa hè). Những nhân tố dự báo chọn từ độ cao địa thế vị mực 500 hPa ở Bắc Bán Cầu và trường nhiệt độ mặt biển (SST – Sea surface temperature) trên Thái Bình Dương. + Ấn Độ: Ấn Độ là một nước có lịch sử lâu dài trong nghiên cứu hạn dài về mưa do gió mùa. Từ đầu thế kỷ 20, ở Ấn Độ đã phát triển nhiều loại mô hình thống kê, trong đó có mô hình hồi quy để dự báo gió mùa Ấn Độ. Các yếu tố dự báo khác nhau được chọn bằng phương pháp tương quan. Ví dụ một số nhân tố dự báo được sử dụng là: sự tích tụ tuyết trên núi Himalaya cuối tháng 5, khí áp tại hai trạm Tahiti và Darwin (vào mùa xuân) và nhiệt độ bờ biển Pêru (trước tháng 8)…Ngoài ra còn có những mô hình dự báo thống kê khác, đó là các mô hình nhiều tham số, những tham số được sử dụng trong mô hình là: nhiệt độ, áp suất, gió, bao phủ tuyết. Điển hình như: Phương pháp dự báo biến động giáng thuỷ ở phía đông bắc Ấn Độ Sử dụng phương pháp phân tích hàm trực giao tự nhiên (EOF - Empirical Orthogonal Function) dự báo lượng mưa do gió mùa tây nam ở Ấn Độ. Toàn bộ lượng mưa hàng năm sinh ra do ảnh hưởng của gió mùa tây nam chiếm 70% (trong những tháng từ tháng 6 đến tháng 9), còn lại 22% lượng mưa sinh ra do bão (từ tháng 3 – 5), và 8% do gió mùa đông bắc (từ tháng 11 – 1). Kết quả phân tích cho thấy lượng giáng thuỷ ở vùng đông bắc Ấn Độ chịu ảnh hưởng chủ yếu bởi gió mùa tây nam. Các tham số hoàn lưu toàn cầu và sự biến động SST vùng ENSO, hệ thống nhiệt độ Bắc Bán Cầu và nhiệt độ khu vực này, gió mùa tây nam và dao động 2 năm của đới gió dưới tầng bình lưu được sử dụng để dự báo mưa do gió mùa tây nam. Những chỉ tiêu này đã được nghiên cứu và dự báo gió mùa tây nam và gió mùa đông bắc ở vùng đông bắc Ấn Độ. Những tham số hoàn lưu đã cho thấy hệ số tương quan không đủ lớn để phát triển mô hình dự báo. + Trung Quốc: Sử dụng phương pháp phân tích thành phần chính quay (RPC – Rotated principle component analysis) để nghiên cứu đặc điểm không gian và thời gian của giáng thuỷ Trung Quốc. Cấu trúc không gian dự báo trên toàn lãnh thổ Trung Quốc bao gồm 339 trạm, chia thành 7 khu vực dự báo. Nguồn số liệu là lượng mưa mùa hè trong 3 tháng: tháng 6, tháng 7 và tháng 8 từ năm 1951 – 1994. Số liệu khuyết bổ sung bằng phương pháp “hàn” (Splus). Từ kết quả phân tích, tác giả đã rút ra một số nhận xét như sau: lượng mưa ở Trung Quốc có chu kỳ năm rõ rệt, nhưng phân bố lượng mưa theo từng năm không giống nhau do lượng mưa mùa hè ở Trung Quốc không chỉ tác động bởi gió mùa mà còn chịu ảnh hưởng của một số hiện tượng thời tiết khác như: ENSO, dao động tựa 2 năm… Trong số 7 khu vực lượng mưa ở vùng đông nam Trung Quốc lớn hơn nhiều so với vùng Tây Bắc. Ở nước ta, trong những năm gần đây, các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực dự báo mưa lớn bằng mô hình số trị cũng đã được thực hiện. Trần Tân Tiến (2004)[8] đã 13
nghiên cứu sự phụ thuộc của kết quả vào độ phân giải lưới hai sơ đồ TSHĐL là Kuo và Kain Fristch dự báo mưa, đã sử dụng mô hình RAMS với 3 lưới lồng có độ phân giải 30km, 10km và 5km, cập nhật điều kiện địa phương, nhiệt độ nước biển tuần, cải tiến sơ đồ đối lưu để dự báo mưa cho khu vực Trung Bộ. Mô hình đã dự báo được lượng mưa diện và lượng mưa trạm rất phù hợp, đặc biệt là mô phỏng được lượng mưa tới 400mm/3 ngày. Kiều Thị Xin (2005)[9] đã áp dụng mô hình HRM để dự báo mưa lớn diện rộng ở Việt Nam. Kết quả mới chỉ cho dự báo mưa lớn diện rộng với lượng mưa khoảng 50 mm/ngày, chưa dự báo được các đợt mưa lớn ở Trung Bộ và thời hạn dự báo mới chỉ là 1 ngày. Hoàng Đức Cường (2008)[2] đã xây dựng hệ thống tổ hợp 9 dự báo thành phần bằng cách lựa chọn các phương án sử dụng sơ đồ tham số hoá vật lý khác nhau của mô hình MM5 để dự báo mưa lớn ở Việt Nam. Kết quả khẳng định dự báo mưa của MM5 chưa thật thuyết phục nếu xét theo chỉ số CSI (đa số trường hợp, CSI gần 0 hơn là gần 1). Dự báo tổ hợp cho kết quả khả quan hơn so với dự báo thành phần với ngưỡng mưa 30mm. Tuy nhiên, hầu hết các dự báo thành phần lại cho kết quả tốt hơn dự báo tổ hợp ở các ngưỡng mưa lớn (50, 100mm). Khi tăng ngưỡng mưa, chỉ số CSI giảm dần đến không ở tất cả các trường hợp. Các nhận xét trên đúng với cả ba hạn dự báo khác nhau, duy nhất nhận xét về sự kém hơn của dự báo tổ hợp so với dự báo thành phần ở các ngưỡng mưa 50, 100mm không thật phù hợp với hạn dự báo 48h. Chu Thị Hường (2007)[3] đã sử dụng lưới lồng và hai sơ đồ đối lưu khác nhau để dự báo mưa lớn Trung Bộ từ 1 đến 3 ngày. Kết quả cho thấy vùng mưa dự báo có xu hướng lệch với mưa thực tế và lượng mưa thường thấp hơn mưa thực. Nguyễn Thị Thanh (2010)[7] đã nghiên cứu Đồng hóa số liệu vệ tinh trong mô hình WRF để dự báo mưa lớn ở khu vực Trung Bộ. Kết quả đối với ngưỡng mưa lớn, mô hình hầu như dự báo không chính xác về vùng mưa và lượng mưa. 1.2 Các quy định về mưa lớn diện rộng 1.2.1 Quy định về mưa lớn Mưa lớn hay mưa vừa mưa to diện rộng là quá trình mưa xảy ra mang tính hệ thống trên một hay nhiều khu vực. Mưa lớn diện rộng có thể xảy ra một hay nhiều ngày, một hay nhiều trận mưa và không phân biệt dạng mưa. Căn cứ vào lượng mưa thực tế đo được 24 giờ tại các trạm quan trắc khí tượng bề mặt, trạm đo mưa trong mạng lưới quan trắc KTTV mà phân định các cấp mưa khác nhau. Theo Qui chế báo áp thấp nhiệt đới, bão, lũ. Mưa lớn được chia làm 3 cấp[5]. Mưa vừa : Lượng mưa đo được từ 16-50 mm/24h. Mưa to : Lượng mưa đo được từ 51-100 mm/24h. Mưa rất to: Lượng mưa đo được >100mm/24h. 1.2.2 Quy định về mưa lớn diện rộng Trên thực tế các khu vực dự báo được quy định ở nước ta chỉ có thể liền kề một hoặc hai khu vực dự báo khác nhau và mưa lớn mang tính chất hệ thống bao giờ cũng xảy ra trên diện tích bề mặt tương đối rộng lớn. Bởi vậy mưa lớn diện rộng được quy định như sau: Một khu vực có mưa lớn diện rộng khi mưa lớn xảy ra quá một nửa số trạm trong toàn bộ số trạm có quan trắc mưa thu thập được của khu vực đó. 14
Mưa lớn xảy ra ở 2 hoặc 3 khu vực liền kề khi tổng số trạm quan trắc mưa lớn vượt quá 1/2 hoặc 1/3 tổng số trạm quan trắc mưa thu thập được trong 2 hoặc 3 khu vực liền kề. Khi mưa lớn xảy ra ở nhiều khu vực liền kề, các trạm quan trắc được tính cũng phải nằm trong khu vực có mưa.Việc miêu tả khu vực xảy ra mưa lớn diện rộng phải căn cứ trên việc phân chia các khu vực nhỏ trong các khu vực dự báo đang được hiện hành. 1.3 Hình thế gây mưa lớn tại Trung Bộ do không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới Trong những tháng mùa đông, không khí lạnh xâm nhập xuống nước ta thường gây mưa đối với các tỉnh miền Trung. Tuỳ thuộc cường độ không khí lạnh, thời gian tồn tại mà phạm vi, thời gian mưa kéo dài nhiều ngày hay ít ngày. Mưa lớn miền Trung phụ thuộc rất nhiều bởi sự tác động kết hợp giữa không khí lạnh với nhiều hệ thống thời tiết khác như bão, ATNĐ, dải hội tụ nhiệt đới.... Những biểu hiện mang qui mô cỡ vừa như các hệ thống trên thường có dấu hiệu trên bản đồ synop 24, 48, 72h thậm chí dài hơn. Điều đó giúp thuận lợi cho khả năng cảnh báo hạn vừa qui mô lớn. Tuy nhiên, quá trình mưa phụ thuộc khá nhiều vào sự biến động về mặt hoàn lưu so với hệ thống mang tính qui luật. Bằng phương pháp phân tích synop kết hợp phân tích ảnh mây vệ tinh chúng ta có thể phát hiện và dự báo các đợt mưa đặc trưng như vậy. Đó là cơ sở xây dựng những mô hình synop đặc trưng của loại hình thế gây mưa lớn đặc biệt này. 1.3.1 Những nét đặc trưng của không khí lạnh ở các tỉnh miền trung Trong những tháng mùa đông khi mà Bắc bộ và Thanh Hoá có thời tiết khô hanh do sự chi phối của khối không khí lạnh cực đới thì ở các tỉnh miền Trung đặc biệt các tỉnh Trung Trung Bộ và Nam Trung Bộ lại là mưa lũ lớn. Năm sớm, mưa lũ bắt đầu xảy ra từ tháng 9, năm muộn tháng 10 hoặc tháng 11 nhưng mưa lũ đáng kể vẫn tập trung chủ yếu vào hai tháng cuối năm. Đối với miền Trung, ngoài đặc trưng do phân bố địa lý, vai trò địa hình góp phần quan trọng quyết định chế độ mưa lũ ở khu vực này. Dải núi Trường Sơn, cao nguyên Nam Trung Bộ, các mũi núi nhô ra biển như đèo Ngang, đèo Hải Vân, đèo Cả, đèo Cù Mông…Không chỉ còn là ranh giới hành chính mà chúng trở thành ranh giới khí hậu, thời tiết đặc biệt, chế độ mưa của các vùng khác nhau. Cũng như các khu vực khác trên lãnh thổ nước ta, mưa miền Trung do nhiều nguyên nhân và phân bố hết sức đa dạng. Trước tiên phải kể đến mưa lớn diện rộng do hoạt động của bão, ATNĐ và không khí lạnh sau đó mới kể đến mưa do các nhiễu động nhiệt đới khác như dải hội tụ nhiệt đới, hoạt động đới gió đông cận nhiệt đới…Tuy nhiên nếu tính mức độ ảnh hưởng của bão, ATNĐ đối với các tỉnh Trung Bộ có mật độ nhỏ hơn nhiều so với Bắc bộ. Nếu các tỉnh Bắc bộ, người làm dự báo thời tiết quan tâm nhiều đến mưa lớn do hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới, rãnh thấp gió mùa, dải hội tụ nhiệt đới và các nhiễu động gây hội tụ mạnh trên cao trong tầng đối lưu thì đối với các tỉnh Trung Bộ người ta quan tâm nhiều hơn mưa lớn do tác động của không khí lạnh cực đới và khối khí nóng ẩm tây Thái Bình Dương. Sự xáo trộn nhiệt ẩm, sự hội tụ động lực dưới tác động của địa hình là nguyên nhân chủ yếu gây mưa lớn đối với Trung Bộ. Mưa lớn thường kéo dài cùng với sự tồn tại của các quá trình trên, chừng nào 1 trong 2 quá trình đó suy giảm hoặc cả 2 quá trình không còn tồn tại thì mưa lớn cũng suy giảm hoặc không còn nữa. Rõ ràng quan tâm đến 15
mưa lớn nói chung và mưa lớn Trung Bộ nói riêng không chỉ bó hẹp trong việc thu thập, theo dõi diễn biến mưa thực tế mà vấn đề phải làm sáng tỏ nguyên nhân gây mưa trên cơ sở phân tích tính toán và dự báo các đặc trưng nhiệt động lực trường khí tượng, các dấu hiệu tồn tại hoặc thay đổi hình thế synop, điều kiện hoàn lưu, điều kiện nhiệt ẩm, điều kiện động lực của môi trường chứa đựng mây và mưa không chỉ trên qui mô synop, qui mô vừa mà còn quan tâm đến qui mô nhỏ kể cả tác động đối lưu do địa hình. Tác động của địa hình được đặc trưng bởi hai đặc điểm chính đó là hướng bờ biển và phân bố địa hình mặt đệm. Đó cũng là cơ sở định hướng nghiên cứu phương pháp dự báo mưa cho từng khu vực riêng biệt có đặc thù địa hình, địa lý khác nhau. Nguyên nhân các đợt mưa lớn tuy có khác nhau, ngoài một số đợt do bão ảnh hưởng trực tiếp, phần lớn đều có tác động của không khí lạnh và hoạt động của đới gió đông cận nhiệt đới dưới dạng này hay dạng khác. Rõ ràng đề cập đến mưa lớn miền Trung trong những tháng mùa đông không ai có thể phủ nhận vai trò của không khí lạnh và gió đông cận nhiệt đới. Đây là một trong những dạng hình thế synop đặc trưng gây mưa bất ổn định và rõ nét nhất đối với Trung Bộ. 1.3.2 Dải hội tụ nhiệt đới 1.3.2.1 Khái niệm Dải hội tụ nhiệt đới (Intertropical Convergence Zone-ITCZ) là một dải tương đối hẹp được đặc trưng bởi sự hội tụ khối lượng giữa hai đới tín phong đến từ hai bán cầu. Trong những trường hợp khi gió tây xích đạo xuất hiện, ITCZ thường có dạng kép (hai ITCZ nằm song song ở hai phía của xích đạo), do có sự hội tụ giữa đới gió tây xích đạo với tín phong của mỗi bán cầu. 1.3.2.2 Một số đặc trưng của dải hội tụ nhiệt đới ITCZ là giới hạn phía xích đạo của hoàn lưu Hadley và cũng là nơi hình thành nhánh đi lên của hoàn lưu này. Trong chu kỳ dao động của năm, ITCZ dịch chuyển cách xa xích đạo lên phía cực trên những vùng lục địa mùa hè. Chẳng hạn tháng 7, vị trí ITCZ tiến xa nhất lên phía bắc trên lục địa Châu Á (tới 280N); còn trong tháng 1 ITCZ dịch chuyển về nam bán cầu xa nhất, tới lục địa Australia và Đông Phi (khoảng 17 – 180S). Như vậy trên bề mặt, vị trí ITCZ thường trùng với nơi có nhiệt độ cao nhất, thậm chí ngay cả trên đại dương. Vì thế ITCZ thường được gọi là xích đạo nhiệt của trái đất. Trên quy mô hành tinh, có thể xem ITCZ là một đới hội tụ khối lượng theo phương nằm ngang trong tầng thấp và vì vậy cũng là đới có dòng thăng lên đến một độ cao nào đó. Nếu phân tích trường khí áp thì ITCZ cũng là nơi có khí áp thấp nhất. Thông thường không khí phía cực của ITCZ là không khí trong nhánh đi xuống của vòng hoàn lưu Hadley nên nó là một dòng giáng đoạn nhiệt, không khí khá nóng khô và ổn định. Trong khi đó không khí từ phía xích đạo của ITCZ là khối không khí biển nhiệt đới, nhưng thường lạnh hơn khối không khí phía cực của ITCZ, vì thế theo chiều thẳng đứng ITCZ thường nghiêng về phía xích đạo. Độ nghiêng này có tính biến động rất lớn theo không gian và thời gian, tùy thuộc vào sự khác nhau của nhiệt độ và tốc độ gió ở hai bên ITCZ. Tuy nhiên, sự chênh lệch nhiệt độ của hai bên ITCZ thường là không đáng kể nên độ nghiêng của ITCZ cũng không lớn. Trên bản đồ synop, ITCZ thường chỉ được xem là một đới bất liên tục về hướng gió và là một đường rãnh khí áp thấp nhất chứ không phải là một đới bất liên tục về nhiệt độ. 16
Nếu căn cứ vào sự bất liên tục về gió trên vùng Ấn Độ, vào tháng 7, ITCZ phát triển lên đến độ cao lớn nhất, tới mức 400mb. Trong khi đó ở những vùng khác ITCZ thường chỉ phát triển đến mực 700mb. Trên mức đó là dòng gió đông khá khô trong hoàn lưu của áp cao cận nhiệt đới. Mây được hình thành trong lớp không khí ẩm phía xích đạo của ITCZ. Trong nhiều trường hợp khi độ dày của lớp ẩm lên tới 3km, những đám mây Cu và Cb lớn được hình thành. Trên những vùng khác, có thể thấy những đám mây tích không phát triển theo chiều cao hoặc những đám mây tầng tích. Lượng mây cực đại thường quan trắc được ở phía xích đạo của ITCZ với kích thước ngang khoảng 200 – 500km, tính từ vị trí bề mặt của ITCZ. Trên cơ sở đó, có thể phân tích, xác định sự hiện diện của ITCZ trên những vùng không có số liệu quan trắc gió và khí áp, có thể dùng ảnh mây vệ tinh cũng cho kết quả khá tốt, có điều là việc xác định chính xác vị trí trục của ITCZ là rất khó vì bề rộng của dải mây quá lớn. Những hệ thống thời tiết qui mô synop và qui mô vừa cũng có tác động nhất định đến thời tiết ở gần ITCZ, như sóng đông…Các hệ thống qui mô này cũng có thể làm biến động vị trí, cường độ của chuyển đông thẳng đứng trên vùng lân cận của ITCZ như gió đất-biển, các sóng nhiệt đới và ngoại nhiệt đới…Cường độ và sự dịch chuyển của áp cao cận nhiệt đới cũng có ảnh hưởng đến cường độ và vị trí của ITCZ. Cường độ của ITCZ biến đổi rất lớn theo mùa, theo nhiều năm và theo khu vực địa lí. Ngoài dạng đơn phổ biến, ITCZ có thể có dạng kép với tần suất xuất hiện không lớn. Mây trong ITCZ là một dải mây tích rộng và kéo dài. Tuy nhiên, cường độ và phạm vi của mây tích không đồng nhất trên suốt chiều dài ITCZ. Trong một số trường hợp, trên ITCZ còn có thể thấy rõ các nhiễu động dạng sóng hay dạng xoáy. Trong nhiều trường hợp, trường chuyển động trong ITCZ có hội tụ ở tầng thấp và phân kì ở tầng cao với dòng thăng rất mạnh, tốc độ cực đại của dòng thăng thường xảy ra ở tầng đối lưu giữa. Một điều rất đáng lưu ý là ở trên ITCZ có thể phát triển các xoáy thuận, các nhiễu động xoáy này thường di chuyển từ đông sang tây. Với cấu trúc như vậy, thời tiết điển hình trong ITCZ thường có mây tích và vũ tích, cho mưa rào và dông. Tuy nhiên, không phải tất cả mọi nơi dọc theo đường hội tụ đều có thời tiết xấu. Nói chung, những nơi gió hội tụ mạnh thì lượng mưa tăng lên; đặc biệt, mưa rào và dông sẽ tăng mạnh nhất ở những nơi xuất hiện những nhiễu động xoáy thuận. Vị trí của ITCZ trong năm phụ thuộc vào vị trí, cường độ của các đới tín phong ở hai bán cầu; các đới tín phong lại gắn liền với các áp cao cận nhiệt đới; các áp cao cận nhiệt đới dịch chuyển theo hoạt động biểu kiến của Mặt trời, cho nên ITCZ cũng dịch chuyển theo mùa. Mặt khác, do gắn với dải có nhiệt độ nước biển bề mặt cực đại nên ITCZ cũng dịch chuyển theo đới có cường độ bức xạ cực đại. Như vậy, từ mùa đông sang mùa hè ITCZ dịch chuyển từ bán cầu Nam lên bán cầu Bắc, còn từ mùa hè sang mùa đông ITCZ dịch chuyển từ bán cầu Bắc xuống bán cầu Nam. Theo sự dịch chuyển biểu kiến của mặt trời, tháng 4 tín phong từ bán cầu nam vượt xích đạo đi lên ở phía nam Biển Đông, tháng 5 đi lên ở cả Ấn Độ Dương. Vì thế tháng 4, tháng 5 ITCZ đã xuất hiện ở các vĩ độ bắc gần xích đạo, trên khu vực phía nam Biển Đông và phía tây Thái Bình Dương. Tháng 6, khi gió mùa tây nam phát triển mạnh hơn lên bắc bán cầu thì ITCZ trên Biển Đông cũng được đẩy lên các vĩ độ cao và lùi ra phía đông một chút, tháng 6 vị trí trung bình của ITCZ ở trong khoảng từ 5 – 80N trên khu vực đông nam Biển Đông và tây Thái Bình Dương. Trong thời gian này đôi khi dải ITCZ cũng vươn dài về phía tây, về phía nam của bán đảo Đông Dương. Sang tháng 7, 17
gió mùa tây nam phát triển thổi mạnh qua Biển Đông thì ITCZ đã bị đẩy lùi ra ngoài Biển Đông, ở vùng bển phía đông Philippin. Tháng 8, khi áp cao Thái Bình Dương lấn về phía tây, tín phong từ ngoài Thái Bình Dương cũng thổi tới duyên hải phía nam Trung Quốc và ven biển. Khi đó ITCZ từ phía đông Philippin lại vươn tới vùng ven biển phía nam Trung Quốc, trục ITCZ ở khoảng vĩ tuyến 210N. Sang tháng 9, áp cao Thái Bình Dương lấn mạnh vào phía nam lục địa Trung Quốc, tín phong từ ngoài Thái Bình Dương thổi mạnh qua phía bắc bán đảo Đông Dương tới cả phía bắc vịnh Bengal. Khi đó ITCZ từ bắc Biển Đông bắt đầu lùi xuống phía nam, trục ITCZ đi ngang qua Trung Bộ Việt Nam tới cả vịnh Bengal. Tháng 10, với sự hình thành và phát triển mạnh của áp cao lạnh lục địa ở phía đông Trung Quốc (áp cao Hoa Đông), không khí lạnh lục địa thổi xuống bắc Biển Đông, phối hợp với tín phong từ phía đông tạo thành đới gió đông bắc thịnh hành trên Biển Đông. Lúc này ITCZ bị đẩy lùi xuống nam Biển Đông, có trục ở vào khoảng 8 – 100N. Trong tháng 11 và 12, ITCZ tiếp tục lùi xuống các vĩ độ cận xích đạo, tới tháng 1 thì lùi xuống nam bán cầu. Như thế trong thời kỳ mùa hè ITCZ từ nam Biển Đông đi lên nhưng ít có điều kiện tiếp cận tới đất liền của Việt Nam và do đó ít có ảnh hưởng thời tiết đối với khu vực này. Trái lại ở thời kỳ thu đông khi ITCZ lùi xuống phía nam thì ITCZ thường đi ngang qua đất liền Việt Nam. Vì thế trong thời kỳ này ITCZ đem đến thời tiết xấu trong các khu vực trên đất liền của Việt Nam, từ bắc chí nam, đặc biệt đem đến mưa lớn diện rộng gây lũ lụt ở Trung và Nam Trung Bộ. Theo mùa, ITCZ có sự biến động khá rõ nét như đã nói, nhưng trong thời gian ngắn, tính biến động về cả vị trí lẫn cường độ rất lớn, thậm chí không phân tích được trên bản đồ synop hàng ngày. Nguyên nhân gây nên sự biến động đó có thể là do sự di chuyển được tóm tắt như sau[1]: - ITCZ di chuyển lên phía bắc do áp cao Thái Bình Dương di chuyển lên phía bắc trong quá trình áp cao này mạnh lên, hoặc nếu áp cao này lấn sang phía tây thì cường độ của ITCZ cũng mạnh lên; - Khi bão đổ bộ lên các vĩ độ cao thường kéo theo ITCZ lên phía bắc, nhưng khi bão đổ bộ vào đất liền thì ITCZ mất đi, một ITCZ khác lại được thiết lập ở vĩ độ thấp hơn; - Khi không khí lạnh xâm nhập xuống phía nam cũng làm cho ITCZ bị đẩy lùi xuống phía nam; - Nếu áp thấp nóng phía tây mạnh lên, đường trục ITCZ trên Biển Đông đang có hướng đông-tây sẽ chuyển hướng thành tây bắc-đông nam. 1.3.3 Mô hình synop đặc trưng không khí lạnh kết hợp dải hội tụ nhiệt đới gây ra mưa lớn Trung Bộ. Thường từ tháng 9 hàng năm đã có không khí lạnh xâm nhập xuống miền Bắc nước ta. Theo thời gian càng về cuối năm không khí lạnh xâm nhập có tần xuất tăng dần và ảnh hưởng sâu hơn xuống các tỉnh phía nam. Phần lớn không khí lạnh ảnh hưởng đến Bắc và Trung Trung Bộ, không ít đợt mạnh ảnh hưởng tới nam Trung Bộ, rất ít đợt ảnh hưởng đến đông Nam bộ. Trong các tháng 11, 12 trục áp cao cận nhiệt đới đã lùi xuống phía nam khoảng vĩ tuyến 15oN về phía xích đạo theo hướng đông tây từ quần đảo Ca- Ro-Rin-No, vùng biển nam PhiLipine, đảo Pa la Oan, khu vực biển quần đảo Trường Sa đến vịnh Thái Lan tồn tại đới gió đông nhiệt đới và đới gió đông xích đạo khá dày và khá ổn định. Tuy vậy, hoạt động của đới gió đông trên khu vực nam Biển Đông cũng có thay 18
đổi theo chu kỳ hoạt động của áp cao cận nhiệt đới. Đới gió đông này phát triển khá dày lên đến độ cao của đỉnh tầng đối lưu nhưng biểu hiện rõ nhất trong tầng 700mb đến tầng 500mb hoặc 300mb. Trong lúc đó những đợt không khí lạnh xâm nhập xuống Trung Bộ tạo nên " nêm lạnh" xuống Trung và nam Trung Bộ khá mỏng dưới 850mb kéo theo sự kích động mạnh lên khác thường của đới gió đông bắc ngoài khơi nam Trung Bộ mà chúng ta vẫn còn gọi là tín phong đông bắc (hay mậu dịch phong). Do tác động của địa hình của miền Trung nên rất ít đợt không khí lạnh vượt qua dãy Trường Sơn và cao nguyên Nam Trung Bộ, cũng như địa hình chắn gió của đoạn bờ biển Trung Bộ đã làm không khí lạnh hội tụ ở phía đông, tạo dòng thăng cưỡng bức mạnh mẽ, kéo dài nhiều ngày, gây lên mưa lớn ở khu vực này. Mưa lớn do không khí lạnh đối với các tỉnh miền Trung đã là hiện tượng ác liệt nhưng mưa lớn còn ác liệt, kéo dài hơn do tác động đới gió đông mạnh trên cao đặc biệt kết hợp các nhiễu động sóng trong ITCZ. Mưa lớn không chỉ tập trung ở Trung Trung Bộ mà lan rộng ra các tỉnh Nam Trung Bộ đôi khi cả khu vực Tây Nguyên. Quá trình xảy ra mưa lớn không chỉ phụ thuộc vào cường độ không khí lạnh, ITCZ mà còn phụ thuộc vào thời gian tác động của hai hệ thống trên cùng pha hoặc khác pha. Mô hình synop đặc trưng cho dạng hình thế thời tiết đặc biệt này là: ở tầng thấp (từ mặt đất lên 1500m) có sự tăng cường của áp cao lạnh xuống Bắc bộ và bắc Trung Bộ, một sóng khí áp có trục theo hướng bắc tây bắc (NNW) - nam tây nam (SSW) kéo dài từ nam vịnh Bắc bộ đến ngoài khơi Trung Bộ trong phạm vi 15-20oN, 106-110oE. ở tầng cao (3000-5000m) sóng đông hoạt động trong khu vực 10-15oN, 105-115oE và dịch dần về phía tây. - Dạng 1: Không khí lạnh tác động cùng pha với sóng đông vùng mưa kéo dài tương đối liên tục và đồng thời từ Quảng Bình đến Bình Thuận và trung tâm mưa chính cũng kéo dài từ Thừa Thiên Huế đến Bình Thuận và đôi khi bao phủ cả khu vực Tây Nguyên. Đây là loại hình thế gây mưa đặc trưng đáng chú ý nhất. - Dạng 2: Không khí lạnh tác động không cùng pha với sóng đông và có 2 vùng mưa chính: Từ Quảng Bình đến Bình Định trọng tâm từ Huế đến Bình Định nguyên nhân do không khí lạnh là chủ yếu; từ Khánh Hòa đến Bình Thuận nguyên nhân do sóng đông chủ yếu. Mưa ở khu vực Trung Bộ nói chung và Trung Trung Bộ nói riêng do tác động của không khí lạnh kết hợp với nhiễu động của ITCZ vào những tháng mùa đông thường gây ra lũ lớn hoặc đặc biệt lớn trên các sông và ngập lụt nghiêm trọng trên một khu vực rộng lớn. 19