Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh ở khu vực Trung Bộ bằng dữ liệu vệ tinh GSMaP

Chia sẻ: Tri Nhân | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:87

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài trình bày tổng quan về vấn đề nghiên cứu, mô tả nguồn dữ liệu và cách xử lý dữ liệu mưa từ sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP, sự phân bố theo không gian, thời gian và đặc điểm đường biến trình mưa trong 24 giờ được đánh giá, phân tích bằng chuỗi số liệu GSMaP thể hiện trực quan bằng bản đồ, hình vẽ và các bảng biểu.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh ở khu vực Trung Bộ bằng dữ liệu vệ tinh GSMaP

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- TRẦN THỊ KIM DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA DO KHÔNG KHÍ LẠNH CHO KHU VỰC TRUNG BỘ BẰNG DỮ LIỆU VỆ TINH GSMAP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – Năm 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- TRẦN THỊ KIM DUNG NGHIÊN CỨU ĐẶC ĐIỂM MƯA DO KHÔNG KHÍ LẠNH CHO KHU VỰC TRUNG BỘ BẰNG DỮ LIỆU VỆ TINH GSMAP Chuyên ngành: Khí tượng học Mã số: 8440222.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. PHẠM THỊ THANH NGÀ Hà Nội – Năm 2019
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, em xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Phạm Thị Thanh Ngà hiện đang công tác tại Trung tâm Vũ trụ Việt Nam, cô đã trực tiếp chỉ bảo tận tình, định hướng chủ đề và cách tiếp cận nghiên cứu, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt quá trình làm luận văn. Em rất cảm ơn cô về những kiến thức quý báu, những lời khuyên và những lời góp ý chân thành để giúp em có thể hoàn thành tốt luận văn này. Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô tại Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội đã nhiệt tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức chuyên ngành chuyên sâu trong quá trình học tập. Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân, bạn bè và đặc biệt là công ty WeatherPlus nơi em đang làm việc đã luôn giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện tốt nhất cho em trong suốt quá trình học tập và làm luận văn này. Dù em đã cố gắng rất nhiều nhưng không thể tránh được những thiếu sót, mong thầy cô và các bạn có những ý kiến đóng góp để luận văn trở nên hoàn thiện hơn. Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2019 Học viên Trần Thị Kim Dung
MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ................................................................................................. 1 DANH MỤC BẢNG BIỂU ........................................................................................... 2 DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT............................................................................. 3 MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ....................................... 6 1.1. Đặc điểm chung của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam .................. 6 1.2. Một số công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đặc điểm biến trình ngày đêm của mưa ......................................................................................... 11 1.2.1. Trên thế giới ................................................................................................. 11 1.2.2. Tại Việt Nam ................................................................................................ 15 1.3. Các phương pháp quan trắc mưa hiện nay ................................................. 21 1.3.1. Đo mưa tại trạm quan trắc mặt đất ............................................................. 21 1.3.2. Đo mưa bằng hệ thống radar thời tiết ......................................................... 22 1.3.3. Đo mưa bằng vệ tinh .................................................................................... 24 CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ............................... 29 2.1 Số liệu .................................................................................................................. 29 2.1.1. Số liệu các đợt KKL ở khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng ........................... 29 2.1.2. Nguồn số liệu mưa GSMaP (Global Satellite Mapping of Precipitation) .. 29 2.2 Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 35 2.2.1. Phương pháp thống kê ................................................................................. 36 2.2.2. Phương pháp viễn thám ............................................................................... 38 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH ............................................................... 40
3.1 Phân bố các đợt mưa lớn diện rộng xảy ra từ năm 2001-2018 khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng ..................................................................................................... 40 3.2. Sự phân bố đặc điểm mưa theo không gian và thời gian khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng ............................................................................................................. 43 3.2.1 Tần suất mưa trung bình PF ........................................................................ 43 3.2.2 Cường độ mưa trung bình PI ....................................................................... 48 3.3. Sự dịch chuyển của tần suất mưa PF và cường độ mưa PI theo vĩ độ, kinh độ ………………………………………………………………………………...54 3.3.1 Theo vĩ độ ..................................................................................................... 54 3.3.2 Theo kinh độ ................................................................................................. 63 3.4. Biến trình ngày đêm của tần suất mưa và cường độ mưa trung bình từng giờ khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng .......................................................................... 72 3.4.1. Tần suất mưa trung bình PF ........................................................................ 72 3.4.2. Cường độ mưa trung bình PI ....................................................................... 74 KẾT LUẬN .................................................................................................................. 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................... 78
DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Bản đồ phân bố các trạm radar tại Việt Nam hiện nay..................................... 23 Hình 1. 2 Vệ tinh địa tĩnh và vệ tinh quỹ đạo cực (Nguồn: [16]) .................................... 24 Hình 1. 3 Hệ thống quan trắc không gian toàn cầu hiện tại của WMO (Nguồn: [26]) .... 25 Hình 1. 4 Nguyên lý cơ bản ước tính lượng mưa từ radar thời tiết (Nguồn: [5]) ............ 28 Hình 2. 1 Trang chủ sản phẩm mưa vệ tinh toàn cầu GSMaP và hình ảnh trích xuất tương ứng cho khu vực Việt Nam lúc 06Z ngày 10/11/2019……………………………………30 Hình 2. 2 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.1×0.1 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) 30 Hình 2. 3 Sản phẩm ảnh GSMaP với độ phân giải 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ (Nguồn: [42]) ........................................................................................................................................... 31 Hình 2. 4 Sơ đồ tiếp cận đề tài nghiên cứu........................................................................ 36 Hình 2. 5 Sơ đồ mô tả quá trình xử lý dữ liệu bằng phương pháp viễn thám ................... 39 Hình 3. 1 Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy ra do tác động của KKL từ năm 2001- 2018 tại khu vực Thanh Hoá- Đà Nẵng………………………………………………….40 Hình 3. 2 Phân bố tổng số đợt mưa lớn diện rộng xảy ra do tác động của KKL theo tháng từ năm 2001-2018 tại khu vực Thanh Hoá- Đà Nẵng ....................................................... 41 Hình 3. 3 Sự phân bố theo không gian của tần suất mưa trung bình từng giờ PF khu vực Thanh Hóa đến Đà Nẵng ................................................................................................... 47 Hình 3. 4 Sự phân bố theo không gian của cường độ mưa trung bình từng giờ ............... 53 Hình 3. 5 Sự dịch chuyển của PF theo phương vĩ độ ........................................................ 58 Hình 3. 6 Sự dịch chuyển của PI theo phương vĩ độ ......................................................... 62 Hình 3. 7 Sự dịch chuyển của PF theo phương kinh độ .................................................... 67 Hình 3. 8 Sự dịch chuyển của PI theo phương kinh độ ..................................................... 71 Hình 3. 9 Tần suất mưa trung bình từng giờ tại các tỉnh từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng .... 73 1
Hình 3. 10 Phân bố tần suất xuất hiện mưa tại mỗi vị trí ô pixel tính từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng (Lưu ý: Số thứ tự ô pixel được gán theo nguyên tắc không gian từ trái sang phải và từ trên xuống dưới) ............................................................................................................ 73 Hình 3. 11 Cường độ mưa trung bình từng giờ khu vực Thanh Hóa-Đà Nẵng ................ 75 Hình 3. 12 Cường độ mưa trung bình từng giờ tại các tỉnh Thanh Hóa-Đà Nẵng ............ 76 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1. 1 Tần số KKL trung bình xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [6]) .... 8 Bảng 1. 2 Chế độ mùa mưa và cực đại mưa các vùng khí hậu ở Việt Nam (Nguồn: [14]) ........................................................................................................................................... 18 Bảng 3. 1 Thống kê số đợt mưa lớn và tần suất xuất hiện mưa theo hình thế thời tiết ở khu vực Bắc và Nam Đèo Ngang……………………………………………………………..42 2
DANH MỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT Từ viết tắt Ý nghĩa GEO Geostationary Earth Orbiting: Vệ tinh địa tĩnh GMĐB Gió mùa Đông Bắc GSMaP Global Satellite Mapping of Precipitation: Bản đồ mưa vệ tinh toàn cầu GVN Giờ Việt Nam IR Infrared: Hồng ngoại ITCZ Dải hội tụ nhiệt đới JJA June-July-August: Tháng 6, 7, 8 KKK Khối không khí KKL Không khí lạnh KKLTC Không khí lạnh tăng cường LEO Low Earth Orbit: Vệ tinh quỹ đạo cực LST Local Solar Time: Giờ địa phương LUT Look-up table: Bảng Look-up National Oceanic and Atmospheric Administration: Cơ quan Đại NOAA dương và Khí quyển Hoa Kỳ Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using PERSIANN Artificial Neural Networks: Ước tính lượng mưa bằng công nghệ viễn thám sử dụng phương pháp mạng thần kinh nhân tạo PF Tần suất mưa PI Cường độ mưa Tbs Nhiệt độ chói TRMM Tropical Rainfall Measuring Mission: Sứ mệnh đo mưa miền nhiệt đới VBLV Tốc độ gió tại trạm Bạch Long Vĩ VIS Visible: Thị phổ WMO World Meteorological Organization: Tổ chức Khí tượng Thế giới 3
MỞ ĐẦU Không khí lạnh là một trong số những hình thế thời tiết điển hình, chi phối đến thời tiết, khí hậu của Việt Nam trong mùa đông, nhất là vùng khí hậu miền Bắc nước ta. Khối không khí có nguồn gốc từ sự xâm nhập xuống phía Nam của áp cao lạnh lục địa có đặc tính lạnh khô, mặc dù khi đến Việt Nam khối khí đã bị biến tính ít nhiều nhưng sự tương phản về nhiệt độ giữa KKL với nền nhiệt độ của nước ta ở trước và sau mặt front vẫn còn khá mạnh. Chính sự bất ổn định này của khí quyển đã gây ra chuyển động thăng cưỡng bức phía trước front, tạo thành mây, mưa; đặc biệt là gây ra mưa rào và các hiện tượng thời tiết cực đoan như dông, tố, lốc, mưa đá... Với thời gian hoạt động kéo dài từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau, ngoài khả năng gây ra mưa rào và dông đơn thuần cho các khu vực ảnh hưởng, nó còn có thể tạo ra những đợt mưa lớn diện rộng tại các tỉnh miền Bắc, đặc biệt là khu vực miền Trung Việt Nam. Điều này ảnh hưởng rất lớn đến đời sống sinh hoạt của người dân, các hoạt động sản xuất, kinh doanh, ví dụ: sản xuất nông nghiệp, hoạt động đánh bắt thủy hải sản… Mưa là đại lượng được đánh giá là phức tạp nhất bởi nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố (địa hình, mặt đệm, hoàn lưu khí quyển, hoàn lưu địa phương…), và mưa lớn là một trong những hình thế thời tiết được đánh giá là nguy hiểm do có thể gây ra lũ ngập lụt, lũ quét, sạt lở đất v.v... Với đặc tính là một hệ thống gây mưa có tính tuần hoàn, ổn định và thường xuyên, xét trên một khía cạnh nào, mưa do không khí lạnh phần nào sẽ mang đến những nét riêng biệt, tạo nên chu kỳ đặc trưng của hệ thống ảnh hưởng. Ngoài việc xác định được xu thế phát triển, cường độ và khả năng duy trì ảnh hưởng của KKL đến các vùng ở nước ta thì việc nắm bắt được các đặc điểm về biến trình ngày đêm của mưa (tần suất, cường độ mưa) có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc cảnh báo và dự báo thời tiết. Việc xác định được thời gian và địa điểm thường xảy ra các cực đại mưa KKL sẽ giúp cải thiện đáng kể khả năng dự báo mưa cho từng khu vực, từng tỉnh. Dải đất miền Trung là khu vực có mùa mưa lệch thiên về mùa đông, gần trùng với sự bắt đầu hoạt động của hệ thống gió mùa mùa đông ở Việt Nam. Với đặc điểm địa hình có dãy Trường Sơn trấn giữ ở phía Tây, hướng sơn văn Tây Bắc - Đông Nam kết hợp các dãy 4
núi chạy ngang đâm ra biển đã tạo ra những bẫy mưa đích thực, khiến cho đặc điểm mưa đã phức tạp lại càng phức tạp hơn. Rất nhiều nghiên cứu đã khẳng định rằng tác động gây ra mưa lớn diện rộng của không khí lạnh và tổ hợp không khí lạnh ở khu vực này là phức tạp nhất và cũng là nơi có tần suất xuất hiện nhiều nhất (Nguyễn Khanh Vân và cộng sự (2004, 2012, 2013), Nguyễn Văn Hưởng (2012)…). Đây là động lực lớn cho việc tìm hiểu rõ hơn đặc điểm mưa của hệ thống thời tiết này ở khu vực Trung Bộ. Sự phát triển ngày càng vượt bậc trong lĩnh vực khoa học công nghệ, đặc biệt là việc cho ra đời những vệ tinh giám sát có khả năng nắm bắt và mô tả tốt diễn biến thời tiết với độ chính xác và độ phân giải cao như hiện nay đã góp phần rất quan trọng trong việc cung cấp nguồn dữ liệu khách quan, đáng tin cậy cho các nghiên cứu nói chung và nghiên cứu khí tượng nói riêng. Với nguồn dữ liệu vệ tinh có độ phân giải cao được cung cấp miễn phí sẽ tạo điều kiện thuận lợi cho nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh. Chính vì lẽ đó, học viên lựa chọn đề tài “Nghiên cứu đặc điểm mưa do không khí lạnh ở khu vực Trung Bộ bằng dữ liệu vệ tinh GSMaP” để làm luận văn thạc sỹ của mình. Bố cục luận văn bao gồm: Mở đầu, Chương 1, 2, 3 và Kết luận. Chương 1: Tổng quan về vấn đề nghiên cứu, trình bày một cách tổng quan về các đặc điểm cơ bản của KKL ảnh hưởng đến Việt Nam. Xu thế nghiên cứu mưa ở trong và ngoài nước. Giới thiệu các phương pháp xác định mưa, đặc biệt là bằng công nghệ viễn thám. Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu, trong đó tập trung mô tả nguồn dữ liệu và cách xử lý dữ liệu mưa từ sản phẩm mưa vệ tinh GSMaP. Các đánh giá về chất lượng dữ liệu GSMaP trong và ngoài nước, đồng thời nêu ra phương pháp tiếp cận giải quyết vấn đề. Chương 3: Kết quả và phân tích. Kết quả nghiên cứu được phân tích dựa trên những thống kê độc lập về các đợt mưa lớn diện rộng do tác động của không khí lạnh khu vực Trung Bộ. Sự phân bố theo không gian, thời gian và đặc điểm đường biến trình mưa trong 24 giờ được đánh giá, phân tích bằng chuỗi số liệu GSMaP thể hiện trực quan bằng bản đồ, hình vẽ và các bảng biểu. 5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1. Đặc điểm chung của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam Không khí lạnh (KKL) là một trong số những hình thế thời tiết điển hình, chi phối đến thời tiết, khí hậu của Việt Nam trong mùa đông, nhất là khu vực miền Bắc. KKL ảnh hưởng đến nước ta thường bắt đầu từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau và có nguồn gốc từ sự dịch chuyển xuống phía nam của áp cao lạnh lục địa có đặc tính lạnh khô. Khi đến Việt Nam khối khí đã bị biến tính, tuy nhiên sự tương phản về nhiệt độ giữa KKL với nền nhiệt độ của nước ta vẫn còn khá mạnh. KKL xâm nhập dưới dạng từng đợt và theo tác giả Phạm Vũ Anh [1], một đợt KKL được coi là xâm nhập hoặc ảnh hưởng đến nước ta nếu thỏa mãn một trong hai điều kiện sau: (1) Hướng gió lệch Bắc, tại trạm Bạch Long Vĩ tốc độ gió đo được từ cấp 6 trở lên và kéo dài trên 3 giờ (2 kỳ quan trắc liên tục). (2) Nhiệt độ không khí trung bình ngày trên một nửa số trạm trên đất liền thuộc khu vực Đông Bắc giảm từ 3 độ trở lên. Lưỡi áp cao lạnh lục địa khi lấn xuống phần lãnh thổ nước ta thường gây ra những sự xáo trộn thời tiết cho khu vực. Tuy nhiên đặc trưng thời tiết cũng như sự xuất hiện của các hiện tượng thời tiết nguy hiểm đi kèm như dông, tố, lốc thậm chí mưa đá do KKL mang lại lại phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của khối không khí, sự tương phản nhiệt độ giữa khối KKL và khối không khí (KKK) đang chi phối thời tiết nước ta, mức độ ổn định của khí quyển; độ ẩm của KKK đang hiện hữu và sự tương tác với các trung tâm hoặc cơ cấu khí áp ở khu vực. Chính những điều kiện này sẽ quyết định đến khả năng có hay không hình thành front lạnh hoặc đường đứt, đồng thời quyết định đến hệ quả thời tiết sẽ diễn ra. Việc xác định có hay không front lạnh và đường đứt rất quan trọng, bởi vì nó được dùng như một tiêu chí để xác định KKL xâm nhập xuống nước ta thuộc loại nào, là gió mùa Đông Bắc) hay không khí lạnh tăng cường? Đồng thời những điều kiện nhiệt ẩm ở trên cũng là các tiêu chí dùng để phân chia front lạnh là loại I, loại II hay front hỗn hợp. 6
Điều này rất quan trọng, bởi vì mỗi loại front sẽ tác động đến thời tiết khu vực theo những đặc điểm, mức độ khác nhau [2], nhất là giữa front lạnh loại 1 và loại 2, cụ thể như sau: (1) Front lạnh loại I: Được hình thành trong điều kiện khối không khí nóng phải có tầng kết nhiệt ổn định và tốc độ chuyển động của front lạnh không lớn. Khi đó đường sườn của mặt front lạnh ít bị biến dạng, độ dốc không lớn, khối không khí trước front lạnh chuyển động trượt lên nêm không khí lạnh một cách có trật tự, hệ thống mây khi front lạnh đi qua theo đó cũng được đặc trưng bởi các loại mây như As, Ns, ngoài ra có thể có mây đối lưu như Cb hình thành ngay trước đường front. Giáng thủy của loại front này bắt đầu xuất hiện trước khi đường front bề mặt đến trạm không xa nhưng mưa chủ yếu xảy ra sau front, trong khối KKL. (2) Front lạnh loại II: Được hình thành trong điều kiện khối không khí nóng phải có tầng kết nhiệt bất ổn định và chứa một lượng hơi nước khá lớn, đồng thời tốc độ chuyển động của front lạnh nhanh. Khi đó đường sườn của mặt front lạnh bị biến dạng mạnh nên có độ dốc lớn, khối không khí nóng chuyển động trên nêm KKL một cách cưỡng bức làm cho đối lưu phát triển mạnh, theo đó mà hệ thống mây trước front chủ yếu là Cu con và Cb cap. Giáng thủy của loại front này thường xảy ra ở trước đường front bề mặt và có kèm theo dông, đôi khi là tố, lốc hoặc mưa đá. Như vậy mức độ nguy hiểm của thời tiết trong front lạnh loại II lớn hơn so với front lạnh loại I. Nói một cách tổng quan hơn thì KKL xâm nhập xuống nước ta sẽ được chia thành hai loại: (1) KKL tràn về kèm theo front lạnh hoặc đường đứt, gọi tắt là Gió mùa Đông Bắc (GMĐB); (2) Khối không khí lạnh tăng cường (KKLTC) không kèm theo front. Đặc trưng của GMĐB là thời tiết thường thay đổi khá mạnh; nhiệt độ giảm xuống một cách đột ngột khi front đi qua, mức độ giảm nhiệt trong 24 giờ thường > 5oC; khí áp tăng dần, gió theo đó cũng mạnh lên, đổi sang hướng Đông Bắc - Bắc; mây nhiều dần rồi xuất hiện mây Cu, Cb; gây ra các trận mưa rào và dông; trạng thái thời tiết thay đổi từ nóng ẩm sang lạnh hoặc rét [19]. 7
KKLTC là thuật ngữ được sử dụng để chỉ sự xâm nhập của khối KKL xuống nước ta trong điều kiện trước đó khu vực đã và đang bị khống chế bởi một khối KKL khác với hệ thống gió thành phần bắc đã suy yếu. Do đó, KKL tràn về không kèm theo front mà chủ yếu làm cho tốc độ gió tăng trở lại, có thể làm giảm nhiệt độ hoặc ít thay đổi về nhiệt độ. KKL xâm nhập xuống nước ta được phân thành các cấp độ khác nhau dựa vào cường độ của nó. Theo quy định của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, GMĐB và KKLTC được chia làm 3 cấp như sau: (1) GMĐB/KKLTC mạnh khi: tốc độ gió tại trạm Bạch Long Vĩ (VBLV) ≥ cấp 7 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 6 nhưng kéo dài liên tục trên 8 quan trắc. (2) GMĐB/KKLTC trung bình khi: VBLV ≥ cấp 6 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 7 nhưng không kéo dài quá 1 quan trắc. (3) GMĐB/KKLTC yếu khi: VBLV < cấp 6 hoặc cấp 6 chỉ kéo dài không quá 1 quan trắc. Trung bình mỗi năm nước ta đón khoảng 29 đợt KKL, trong đó có 16 đợt GMĐB và 13 đợt KKLTC. Tần xuất số đợt KKL tràn về nhiều nhất rơi vào các tháng 12, 1 và 2 [6]. Sự xâm nhập của KKL xuống miền Bắc Việt Nam có sự biến động lớn theo thời gian [Bảng 1.1]. Tháng nhiều nhất là tháng 1, sau đó giảm dần từ tháng 2 đến tháng 8. Số đợt xâm nhập lạnh vào các tháng mùa hè rất thấp; riêng tháng 7 không có một đợt xâm nhập lạnh nào. Sang tháng 9 số đợt tăng dần trở lại từ 0,96 đợt cho đến 4,64 đợt trong tháng 12. Bảng 1. 1 Tần số KKL trung bình xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam (Nguồn: [6]) Ở nước ta front lạnh ảnh hưởng mạnh nhất và sớm nhất đến vùng núi Đông Bắc, giảm dần và muộn dần khi đi về phía Nam và sang phía Tây. Thời gian bắt đầu, kết thúc 8
và tần số front hàng năm thay đổi theo vùng, giảm dần từ Bắc vào Nam và từ Đông sang Tây đồng thời tính chất của front lạnh cũng thay đổi theo mùa [19]. Do thời gian hoạt động KKL ở nước ta kéo dài từ tháng 9 đến tháng 6 năm sau nên con đường xâm nhập lạnh cũng như hệ quả thời tiết gây ra bởi KKL trong các tháng sẽ có sự khác nhau. Điều này phụ thuộc rất lớn vào mối tương tác giữa các trung tâm khí áp và nhiễu động tồn tại trong khí quyển ở khu vực. Tuy nhiên có thể chia thành ba thời kỳ chính như sau: (1) Thời kỳ đầu đông (từ tháng 9 đến tháng 11): Vào khoảng tháng 9 - 10, do trước khi KKL tràn về nền nhiệt của các tỉnh phía Bắc Việt Nam tương đối cao nên khi KKL tràn về có thể gây ra những xáo trộn nhiệt, ẩm mạnh mẽ; tạo điều kiện cho đối lưu phát triển, gây ra mưa rào và dông, thậm chí có thể kèm theo tố, lốc và mưa đá. Tuy nhiên đây cũng chính là khoảng thời gian tạo nên kiểu thời tiết hanh khô ở khu vực Bắc Bộ. Nguyên nhân là do trong thời kỳ này các đợt KKL tràn xuống nước ta di chuyển chủ yếu theo hướng Bắc - Nam dẫn đến bị biến tính khi đi qua lục địa Trung Quốc, KKK trở nên rất khô. Hơn thế nữa vào lúc này ở trên cao đới gió tây di chuyển xuống làm xuất hiện một lớp nghịch nhiệt dày, ngăn cản quá trình tạo thành mây [19]. Thời tiết đặc trưng cho khu vực Bắc Bộ là quang mây, ngày nắng, nhiệt độ khá cao nhưng về đêm nhiệt độ giảm đi nhanh chóng do mặt đất phát xạ nhiệt, thường xuất hiện sương mù bức xạ vào đêm và sáng sớm. Khác với Bắc Bộ, ở Trung Bộ do tác động của địa hình nên khi KKL về thường bị chắn lại ở sườn phía Đông dãy Trường Sơn gây ra mưa vừa, mưa to, thậm chí mưa rất to khi kết hợp cùng với các nhiễu động khác tồn tại trong khu vực như bão, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), sóng đông… (2) Thời kỳ chính đông (từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau): Đây là thời kỳ rét nhất và cũng là thời kỳ có tần suất hoạt động của gió mùa nhiều nhất trong năm. 9
Vào thời kỳ này, dòng xiết gió tây trên cao tiếp tục phát triển mạnh, trong khi đó ở tầng thấp KKL tràn về thường di chuyển theo hướng Đông Bắc - Tây Nam, dẫn đến bị biến tính qua biển, lượng ẩm tăng lên một cách rõ rệt. Đặc trưng thời tiết trong thời kỳ này ở miền Bắc là có mưa nhỏ, mưa phùn do màn mây St dày đặc gây ra. Riêng tháng 12, KKL tràn về vẫn còn những đợt mang tính chất hanh khô; các đợt rét đậm, rét hại thường xuất hiện vào tháng này và tháng 1. (3) Thời kỳ cuối đông (từ tháng 3 đến tháng 5): Hay còn được gọi là thời kỳ chuyển tiếp giữa hệ thống đặc trưng cho gió mùa mùa đông và hệ thống đặc trưng cho gió mùa mùa hè. Đây là giai đoạn mà sự giao tranh giữa các hệ thống diễn ra khá phức tạp. Vào thời kỳ này, áp thấp nóng phía Tây đã bắt đầu hình thành, phát triển và mở rộng dần về phía Đông gây ra những đợt nóng sớm cho các tỉnh ở phía Tây Bắc Bộ. Nền nhiệt của nước ta lúc này cũng tương đối cao do đó khi lưỡi áp cao lạnh lấn xuống phía Nam nó sẽ nén rãnh áp thấp nối với vùng áp thấp gây ra hiện tượng nắng, nóng trước khi front về. Đến khi front đi qua, nó sẽ gây ra mưa rào và dông, có thể kèm theo tố, lốc và cả mưa đá. Vào khoảng tháng 3 khi KKL tràn về vẫn có thể xuất hiện các đợt mưa nhỏ, mưa phùn và rét. Thông qua việc tổng quan các nét đặc trưng chính của không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam, tác giả nhận thấy rằng Trung Bộ là khu vực có diễn biến mưa do tác động đi kèm của không khí lạnh phức tạp nhất, đồng thời cũng nguy hiểm nhất. Khi xem xét khu vực Trung Bộ này, nhận thấy rằng chỉ có các đợt KKL thực sự mạnh thì mới có thể tràn sâu, ảnh hưởng đến vùng khí hậu phía Nam Việt Nam. Chạy dọc theo dải đất miền Trung, dãy Bạch Mã được xem là ranh giới tự nhiên phân chia 2 vùng khí hậu phía Bắc và Nam Việt Nam. Do đó trong phạm vi bài luận văn của mình, vùng nghiên cứu Trung Bộ sẽ được giới hạn lại, lấy dãy Bạch Mã là giới hạn nghiên cứu, tức khu vực nghiên cứu sẽ kéo dài từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng, nhằm đảm bảo nắm bắt được các đặc tính đặc trưng mưa của KKL. Sở dĩ, Đà Nẵng cũng được đưa vào phân tích nhằm mục đích xem xét sự khác nhau về đặc điểm mưa KKL trước và sau dãy Bạch Mã như thế nào? có rõ ràng không? 10
1.2. Một số công trình nghiên cứu trên thế giới và tại Việt Nam về đặc điểm biến trình ngày đêm của mưa Biến trình ngày đêm của mưa là một trong những đặc trưng rất quan trọng, là hệ quả của các quá trình vật lý liên quan đến vị trí địa lý, địa hình và động lực khí quyển [29]. Sự chi phối của hệ thống gió mùa, hệ thống gây mưa, quy mô hoàn lưu, gió địa phương (gió đất-biển, gió núi-thung lung),… tại mỗi quốc gia, mỗi vùng miền chính là nhân tố tác động trực tiếp đến lượng mưa tại mỗi nơi [32]. Điều này tạo nên sự đa dạng, phức tạp cũng như sự phân bố không đồng đều về mặt không gian của các đặc tính mưa. Sự quan trọng và cần thiết trong việc tìm hiểu chu kỳ ngày đêm của mưa được minh chứng thông qua hàng loạt các nghiên cứu trên thế giới. 1.2.1. Trên thế giới Trên thế giới đã có rất nhiều đề tài tìm hiểu về đặc điểm biến trình ngày đêm của các yếu tố khí tượng (nhiệt độ, độ ẩm, gió, mây, mưa...). Nếu như biến trình ngày của nhiệt độ không khí là do nhân tố bức xạ Mặt trời đóng vai trò quyết định thì đến với chế độ mưa, sự phức tạp thể hiện rõ hơn rất nhiều. Chế độ mưa được hình thành chủ yếu bởi sự tác động cộng hưởng của hai nhân tố: (1) hoàn lưu và (2) địa hình, mặt đệm; chính điều này đã tạo ra những nét đặc trưng rất riêng về “vùng mưa” cũng như là “mùa mưa” cho mỗi khu vực. Vì vậy yêu cầu đặt ra về tìm hiểu biến trình ngày đêm của mưa đối với mỗi vùng, mỗi mùa và mỗi loại hình thế thời tiết thu hút được rất nhiều sự quan tâm của các nhà khí tượng trên thế giới. Năm 2000, Dai [32] bằng cách sử dụng bộ bản tin dự báo thời tiết hạn 3 giờ của khoảng 15000 trạm trên toàn cầu và bộ dữ liệu tổng hợp đại dương-khí quyển (Comprehensive Ocean-Atmosphere) từ năm 1975 đến 1997 đã tiến hành phân tích biến trình ngày đêm của các loại giáng thủy khác nhau và dông. Kết quả chỉ ra rằng với ngưỡng mưa được chọn thỏa mãn ≥ 0,1mm/h (hoặc 2,4 mm/ngày) biến trình ngày đêm của các biến có biên độ dao động vượt ngưỡng 20% giá trị trung bình hàng ngày được tìm thấy ở nhiều nơi trên toàn cầu, đặc biệt là ở khu vực đất liền và trong mùa hè. Đối với giáng thủy có dạng mưa rào: giá trị cực đại của mưa được tìm thấy ở khu vực lụa địa trong tất cả các mùa 11
vào buổi chiều. Ở Bắc Thái Bình Dương, Bắc Đại Tây Dương và nhiều vùng đại dương tiếp giáp với châu lục cực đại lại xuất hiện thường xuyên hơn vào buổi sáng khoảng 06 giờ địa phương (LST). Điều này thể hiện xu hướng lệch pha so với ở đất liền. Ngoài ra trên vùng biển nhiệt đới và phía nam các đại dương, tần suất đạt đỉnh rơi vào khoảng giữa trưa đến 04 giờ LST khá lớn. Với giáng thủy dạng mưa phùn và mưa thì sự lệch pha về thời gian xảy ra cực đại giáng thủy ở các bề mặt đệm khác nhau cũng thể hiện khá rõ. Cực đại xuất hiện vào buổi sáng thường quan sát thấy ở đất liền còn trên các khu vực đại dương cách xa lục địa thì cực đại lại xảy ra vào ban đêm. Cùng với sự phát triển ngày càng vượt bậc của khoa học-công nghệ, đặc biệt là công nghệ viễn thám, rất nhiều nghiên cứu hiện nay đã lựa chọn dữ liệu vệ tinh có độ phân giải thời gian và không gian cao như TRMM (Tropical Rainfall Measuring Mission), PERSIANN (Precipitation Estimation from Remotely Sensed Information using Artificial Neural Networks) để làm cơ sở cho nguồn số liệu nghiên cứu. Năm 2005, bằng cách sử dụng số liệu mưa vệ tinh TRMM giai đoạn 1998-2003 tác giả Hirose và cs [35] đã chỉ ra rằng: Các hệ thống thời tiết có quy mô khác nhau thì đặc điểm không gian lẫn biến trình ngày đêm tại các vùng nghiên cứu cũng có sự khác nhau. Cụ thể: (1) Các hệ thống gây mưa quy mô nhỏ (< 10 km2), tần suất mưa xảy ra thường xuyên nhất vào khoảng đầu giờ chiều trên hầu hết các khu vực đất liền. (2) Các hệ thống quy mô lớn (>104 km2) biểu diễn tần suất tập trung mưa nhiều vào buổi tối ở các khu vực đồng bằng, trễ pha hơn so với các hệ thống quy mô nhỏ. (3) Các hệ thống gây mưa ở khu vực chân đồi phía nam dãy Himalaya, đặc biệt khu vực phía nam dãy Everest, thung lũng Brahmaputra lượng mưa tập trung vào đêm và sáng sớm. Sự khác nhau về đặc điểm biến trình lượng mưa còn được thể hiện thông qua các mùa trong năm. Năm 2007, khi nghiên cứu về đặc điểm tổng lượng mưa và tần suất mưa hàng giờ tại Krakow giai đoạn 1886-2002, tác giả Twadosz cho rằng: tùy thuộc vào các đặc tính của mưa, các mùa trong năm và loại mưa mà biến trình ngày đêm của mưa có thể có 1 hoặc 2 kiểu [38]. Tần suất mưa cực đại thường xảy ra vào buổi sáng trong tất cả các mùa của khối không khí cực đới, trong khi lượng mưa tập trung vào buổi chiều được tìm thấy ở khu 12
vực front lạnh. So với chu kỳ mưa của front lạnh thì mưa do hệ thống front nóng gây ra thường tập trung vào buổi tối hoặc đêm. Chế độ mưa với cực đại xảy ra vào buổi sáng là một đặc trưng của hệ thống front lạnh và khối không khí phía sau đường front trong mùa đông, trong giai đoạn này front lạnh thường di chuyển chậm từ Đại Tây Dương tạo điều kiện thuận lợi cho đối lưu phát triển mạnh. Cùng năm 2007, những đặc điểm của lượng mưa gió mùa mùa hè khu vực Đông Á cũng được chỉ ra bởi Tianjun Zhou và ccs [39]. Sử dụng số liệu từng giờ/3 giờ vệ tinh TRMM-3B42 và sản phẩm vệ tinh PERSIANN; kết hợp với đó là bộ số liệu quan trắc thu được tại 626 trạm trong tháng 6, 7, 8 (JJA) từ năm 2000-2004 làm dữ liệu đầu vào, nhóm tác giả đã tiến hành đồng bộ các nguồn số liệu về cùng một lưới với độ phân giải 0.5×0.5 độ kinh/vĩ độ. Tại mỗi ô lưới và mỗi giờ, tần suất mưa trung bình trong JJA là tỷ lệ phần trăm của tất cả các giờ trong JJA có lượng mưa > 0,02mm/h trên các điểm lưới từ thiết bị đo mưa và vệ tinh; cường độ mưa là lượng mưa trung bình xảy ra trong giờ đó; còn tổng lượng mưa chính là giá trị lượng mưa tích lũy trong JJA. Kết quả cho thấy cực đại tổng lượng mưa khu vực Đông Bắc và Đông Nam xảy ra sau buổi chiều, trong khi phía Đông cao nguyên Tây Tạng tìm thấy lúc gần giữa đêm, tuy nhiên cực đại này chỉ được phát hiện bởi số liệu thu được từ trạm quan trắc. Khi xét đến chu kỳ ngày đêm của lượng mưa, nhóm tác giả nhấn mạnh rằng cả hai vệ tinh đều chụp được đỉnh về đêm ở phía Đông của cao nguyên Tây Tạng và đỉnh khác xảy ra vào cuối buổi chiều ở phía Nam và Đông Bắc Trung Quốc. Dữ liệu từ trạm đo mưa trên khu vực giữa sông Dương Tử và sông Hoàng Hà thể hiện hai đỉnh, một đỉnh xuất hiện vào sáng sớm và một đỉnh xảy ra trong buổi chiều. Tuy nhiên các sản phẩm vệ tinh chủ yếu chỉ bắt được đỉnh xảy ra vào cuối buổi chiều. Các kết luận về đặc điểm mưa này của Tianjun Zhou hoàn toàn phù hợp với nhận định đưa ra của Zhina Jang và ccs (2017) [44]. Bên cạnh thời gian xuất hiện mưa lớn, nhóm tác giả này còn nhấn mạnh sự biến đổi theo ngày đêm rõ rệt của lượng mưa, tần suất và cường độ ở miền Nam Trung Quốc, với biên độ khác nhau đáng kể từ Tây Nam đến Đông Nam Trung Quốc, và từ thời kỳ trước và sau khi thiết lập gió mùa. Mưa lớn tại khu vực Tây Nam thường xảy ra vào ban đêm đến sáng dưới sự ảnh hưởng của dòng gió tây nam tầng 13
thấp. Trong khi khu vực Đông Nam Trung Quốc lại bị chi phối bởi quá trình đốt nóng bề mặt kết hợp với địa hình, dẫn đến lượng mưa thường tập trung vào buổi chiều. Cả hai thời kỳ trước và sau khi thiết lập gió mùa đều biểu diễn hai cực đại mưa ngày: một đỉnh xảy ra vào sáng sớm và một đỉnh khác xuất hiện cuối buổi chiều. Năm 2013, Hong và ccs tiếp tục đi theo hướng nghiên cứu trên nhưng thu hẹp phạm vi về quy mô tỉnh, theo đó Sơn Đông - Trung Quốc được lựa chọn để đánh giá đặc điểm chu kỳ ngày đêm của lượng mưa mùa hè [34]. Sử dụng ngưỡng lượng mưa > 0.1 mm/h, chuỗi số liệu mưa từng giờ tháng 6, 7, 8 của 123 trạm quan trắc từ năm 1996-2008 đã được tiến hành phân tích. Kết quả cho thấy, chu kỳ ngày đêm của tổng lượng mưa (PA) và cường độ mưa (PI) có hai cực đại xảy ra vào buổi sáng sớm và buổi chiều, còn chu kỳ ngày đêm của tần suất mưa (PF) chỉ có một cực đại xảy ra vào buổi sáng. Chu kỳ ngày đêm của lượng mưa ở khu vực này khá phức tạp, phụ thuộc vào cường độ mưa, bằng chứng là số cực đại mưa tăng lên khi lượng mưa từng giờ tăng. Cụ thể là khi lượng mưa giờ nhỏ (0,1-10mm/h hoặc 10-25mm/h) thì chu kỳ ngày đêm của PA và PF thể hiện hai cực đại với một cực đại xuất hiện vào buổi sáng và một cái khác xảy ra vào buổi chiều. Còn khi lượng mưa giờ đạt ngưỡng 50-100mm/h thì PA thường có ba cực đại. Mưa là một đại lượng phức tạp và phụ thuộc rất nhiều yếu tố (địa hình, mặt đệm, hoàn lưu khí quyển, hoàn lưu địa phương,…), do đó xét trên phương diện nào đó các hệ thống gây mưa có tính tuần hoàn, ổn định và thường xuyên như mưa front Meiyu/Baiu, mưa front lạnh/nóng phần nào sẽ mang đến những đặc tính riêng biệt, tạo nên các chu kỳ đặc trưng theo hệ thống ảnh hưởng. Chính vì lẽ đó mà một số công trình đã đi theo hướng này để xem xét, đánh giá đặc điểm biến trình mưa. Năm 2009, Weixun Xu và cs [43] đã sử dụng bộ dữ liệu 3 giờ (3h) từ sản phẩm vệ tinh TRMM-3B42 với độ phân giải 0.25×0.25 độ kinh/vĩ độ trong thời gian từ 1998-2007 để tiến hành phân tích đặc điểm mưa và đặc tính đối lưu của hệ thống mưa Meiyu trên khu vực phía Nam Trung Quốc, Đài Loan và phía Bắc biển Đông. Lựa chọn ngưỡng mưa >10mm/h tại mỗi điểm lưới, nhóm tác giả đã chỉ ra rằng: Trong giai đoạn mưa Mei-yu, lượng mưa cực đại thứ nhất xảy ra ở phía trên đồng bằng sông Pearl, chân đồi cao nguyên 14
Yun-Gui và núi Wuyi; cực đại thứ hai tương ứng với thời điểm mưa lớn nhất. Sự thay đổi theo mùa trong cấu trúc đối lưu, đặc biệt là ở đất liền có sự khác biệt tùy vào từng thời kỳ của mùa Mei-yu dựa trên sự phân tích cường độ đối lưu proxy và profile độ phản xạ của radar về mưa. Năm 2010, Brandon và cs [30] phân tích đặc điểm chu kỳ ngày đêm của gió, mưa và mây trên khu vực Đài Loan trong suốt mùa Meiyu, lượng mưa mùa hè và mùa thu. Sử dụng nhiều nguồn dữ liệu đa dạng, bao gồm: số liệu mưa, gió từng giờ của ARMTS (Automatic Rainfall and Meteorological Telemetry System); số liệu các trạm quan trắc ở khu vực từ năm 1997 - 2002; dữ liệu quan trắc thám không và dữ liệu vệ tinh IR từng giờ từ vệ tinh địa tĩnh (Geostationary Meteorological Satellite-5) [30]. Sử dụng ngưỡng >0,5mm/h để tính toán các đại lượng về tần suất mưa trong các mùa mưa Mei-yu, mưa mùa hè và mùa thu, nghiên cứu chỉ ra rằng: “Trong cả ba chế độ: mưa Meiyu (16/5-15/6), mưa mùa hè (16/7-31/8) và mưa mùa thu (16/9-31/10) thì sự xuất hiện mưa, tỷ lệ mưa và các đám mây lạnh bị chi phối mạnh bởi chu kỳ nhiệt ngày đêm với cực đại chính xảy ra vào cuối buổi chiều. Một cực đại khác của lượng mưa xảy ra vào buổi sáng trong cả 3 chế độ được lí giải là liên quan đến sự hội tụ ở lớp biên địa phương do địa hình chắn gió thịnh hành và sự tương tác của chúng với gió đất - biển”. Qua phần tổng quan này có thể thấy rằng việc tập trung nghiên cứu, tìm hiểu về đặc điểm biến trình ngày đêm của các yếu tố khí tượng nói chung và lượng mưa nói riêng rất được chú trọng trên thế giới. Điều này phần nào cho thấy mức độ cần thiết trong việc nghiên cứu các đặc điểm biến trình ngày đêm của mưa KKL ảnh hưởng đến thời tiết nước ta, góp phần nâng cao hiểu biết về một trong các hình thế thời tiết nguy hiểm, giúp tăng cường khả năng dự báo mưa đi kèm KKL ở Việt Nam nói chung và các tỉnh ven biển Trung Bộ từ Thanh Hóa đến Đà Nẵng nói riêng. 1.2.2. Tại Việt Nam Tại Việt Nam, KKL và mưa lớn là một trong số những chủ đề thu hút được nhiều nhà khí tượng quan tâm nghiên cứu. Thực tế đã có hàng loạt đề tài tập trung phân tích về con đường xâm nhập của áp cao lạnh lục địa, về đặc điểm của các trung tâm áp cao lạnh, về xu 15