Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển qui mô lớn trong các tháng mùa đông ở Việt Nam

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:68

Thêm vào BST

Báo xấu

32
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Đề tài “Nghiên cứu mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển qui mô lớn trong các tháng mùa đông ở Việt Nam” nhằm tìm ra và xây dựng được một phương pháp dự báo có tính khả thi, phục vụ cho việc dự báo định lượng hạn mùa số đợt xâm nhập lạnh trong mùa đông ở Việt Nam.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Nghiên cứu mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển qui mô lớn trong các tháng mùa đông ở Việt Nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------------ Đinh Hữu Dương NGHIÊN CỨU MỐI LIÊN HỆ GIỮA HOẠT ĐỘNG XÂM NHẬP LẠNH VỚI CÁC TRƯỜNG KHÍ QUYỂN QUI MÔ LỚN TRONG CÁC THÁNG MÙA ĐÔNG Ở VIỆT NAM LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC Hà Nội – 2019
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN ------------------------------------- Đinh Hữu Dương NGHIÊN CỨU MỐI LIÊN HỆ GIỮA HOẠT ĐỘNG XÂM NHẬP LẠNH VỚI CÁC TRƯỜNG KHÍ QUYỂN QUI MÔ LỚN TRONG CÁC THÁNG MÙA ĐÔNG Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Khí tượng khí hậu học Mã số :60440222 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Bùi Minh Tăng TS. Võ Văn Hòa Hà Nội – 2019
LỜI CẢM ƠN Tác giả chân thành cảm ơn các thầy cô giảng viên của Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng Sau Đại học (Trường Đại học Khoa học Tự nhiên), và các cán bộ Thư viện KTTV – Tổng cục KTTV đã giúp đỡ và cung cấp cho Học viên những tài liệu khoa học và hướng dẫn bổ ích và thiết thực. Đặc biệt, trong luận văn này tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến TS. Bùi Minh Tăng, TS. Võ Văn Hòa người đã luôn chỉ bảo tận tình, định hướng chủ đề và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn đến anh chị em phòng Dự báo số vàviễn thám -Trung tâm Dự báo KTTV quốc gia đã cung cấp số liệu tái phân tích ERA-Interim, số liệu dự báo hạn mùa của ECMW giúp cho tác giả thực hiện thành công luận văn này. Cuối cùng, tác giả xin gửi lời cảm ơn đến những người thân trong gia đình, bạn bè và toàn thể anh chị em phòng Dự báo KTTV đã luôn động viên, cổ vũ tinh thần và giúp đỡ trong quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn. Với sự cố gắng và nỗ lực hết mình để thực hiện luận văn, nhưng vốn kiến thức còn hạn chế nên trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp vẫn còn một số thiếu khuyết. Tác giả kính mong nhận được những chỉ bảo, ý kiến của các thầy cô để bài Luận văn của học viên được hoàn thiện hơn. Học viên xin chân thành cảm! Hà Nội, ngày 12 tháng 07 năm 2019 Tác giả Đinh Hữu Dương 3
Mục lục LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................... 3 Mục lục ............................................................................................................................... 4 Danh mục ký hiệu và chữ cái viết tắt ............................................................................... 7 Danh mục hình ................................................................................................................... 8 Danh mục bảng ................................................................................................................ 10 MỞ ĐẦU ........................................................................................................................... 11 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ........................................................................................... 12 1.1 Khái niệm và định nghĩa về gió mùa- gió mùa Châu Á: ........................................12 1.3 Khái niệm về không khí lạnh: ..................................................................................15 1.3.2 Hệ quả thời tiết do tác động của không khí lạnh .................................................17 1.3.4 Đặc điểm hoạt động của các đợt xâm nhập lạnh .................................................17 1.4. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước .................................................................20 1.4.1 Ngoài nước...............................................................................................................20 1.4.2 Ở trong nước ...........................................................................................................24 1.5 Một số chỉ tiêu và tiêu chí ......................................................................................... 26 1.5.1 Chỉ tiêu và tiêu chí trong nước ..............................................................................26 CHƯƠNG 2. SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................... 29 2.1 Số liệu quan trắc các đợt KKL ở Việt Nam : .......................................................... 29 2.2 Số liệu tái phân tích ERA - Interim. ........................................................................30 2.3. Số liệu dự báo của sản phẩm mô hình dự báo khí hậu ECWMF: ....................... 30 2.4 Các chỉ số EAWMI tham gia trong phương pháp dự báo: ...................................30 2.4 Khu vực tính toán số liệu .......................................................................................... 32 2.4.1 Chỉ số ICHEN: ............................................................................................................32 2.4.2 Chỉ số IYang:..............................................................................................................33 2.4.4 Chỉ số IShi: ................................................................................................................34 2.4.5 Chỉ số ISUN: ..............................................................................................................34 2.4.6 Chỉ số ILi&Yang: .........................................................................................................35 2.5. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................................... 35 2.5.2 Phương pháp hồi qui tuyến tính một biến và hồi qui từng bước ....................... 36 2.5.3 Xây dựng phương trình dự báo.............................................................................39 4
2.5.4 Kiểm nghiệm phương trình dự báo ......................................................................39 a. Chuẩn sai thặng dư......................................................................................................39 b. Chỉ số Fisher ................................................................................................................39 c. Đánh giá: ....................................................................................................................... 40 CHƯƠNG 3. MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ NHẬN XÉT......................... 40 3.1 Mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển qui mô lớn: ...........................................................................................................................................40 3.1.1 Mối liên hệ của các chỉ số gió mùa mùa đông với hoạt động xâm nhập lạnh trong mùa Đông tại Việt Nam: ....................................................................................... 40 3.1.2. Sự biến đổi của các chỉ số gió mùa và mối quan hệ giữa chúng với hoạt động của các đợt KKL trong mùa Đông tại Việt Nam: ......................................................... 41 3.1.3 Sự biến đổi của các trường khí quyển qui mô lớn và tác động của chúng đến hoạt động của KKL: ........................................................................................................44 3.2 Thử nghiệm xác định số đợt không khí lạnh theo từng mùa Đông – theo phương pháp hồi qui tuyến tính một biến (từ năm 1992-2015): ...............................................51 3.2.1. Chỉ số EAWMI1: ...................................................................................................51 3.2.2. Chỉ số EAWMI 2: ..................................................................................................51 3.2.3. Chỉ số EAWMI 3: ..................................................................................................52 3.2.4. Chỉ số EAWMI 4: ..................................................................................................53 3.2.5. Chỉ số EAWMI 5: ..................................................................................................54 3.2.6. Chỉ số EAWMI 6: ..................................................................................................55 3.3. Thử nghiệm xác định số đợt không khí lạnh theo từng mùa Đông – theo phương pháp hồi qui từng bước (từ năm 1992-2015): ............................................................... 56 3.4. Thử nghiệm dự báo số đợt xâm nhập lạnh trong mùa đông và số đợt rét đậm, rét hại xảy ra trên diện rộng ở Việt Nam : ..........................................................................58 3.4.1 Thử nghiệm dự báo số đợt xâm nhập lạnh trong mùa đông xuống Việt Nam: ...........................................................................................................................................58 a. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 8: ..........58 b. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 9:..........58 c. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 10: ........59 3.4.2 Thử nghiệm dự báo số đợt rét đậm, rét hại xảy ra trên diện rộngtrong mùa đông ở khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ Việt Nam: ...................................................60 a. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 8 ...........60 b. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 9 ...........61 c. Sử dụng số liệu đầu vào là dữ liệu dự báo hạn mùa của ECWMF tháng 10 .........62 5
KẾT LUẬN ...................................................................................................................... 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................. 65 PHỤ LỤC .......................................................................................................................... 67 6
Danh mục ký hiệu và chữ cái viết tắt AO: Dao động Bắc cực EAWM: gió mùa mùa đông Đông Á EAWMI: Chỉ số gió mùa mùa đông Đông Á ECMWF: Trung tâm dự báo khí tượng hạn vừa Châu Âu GMĐB: Gió mùa đông bắc HSTQ: Hệ số tương quan HSTQB: Hệ số tương quan bội KKL: Không khí lạnh KKLTC:Không khí lạnh tăng cường ME : Sai số trung bình hệ thống MAE: Sai số trung bình tuyệt đối NCAR:Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia NCEP: Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia SH:Áp cao Sberia TBNN: Trung bình nhiều năm VBLV:Tốc độ gió tại trạm Bạch Long Vĩ XNL: Xâm nhập lạnh 7
Danh mục hình 14 Hình 1.1 Phân vùng gió mùa của S.P.Khromov (1957). Hình 1.2 Hệ thống gió mùa mùa đông châu Á (Cheang, 1991) 15 Hình 3: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa chỉ số ICHEN(EAWMI1) 34 Hình 4: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa Chỉ số IYang(EAWMI2) 34 Hình 5: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa Chỉ số IJhun(EAWMI3) 35 Hình 6: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa Chỉ số IShi(EAWMI4) 35 Hình 7: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa Chỉ số ISUN(EAWMI5) 36 Hình 8: Khu vực tính toán số liệu chỉ số gió mùa Chỉ số ILi&Yang(EAWMI6) 36 Hình 9: Sơ đồ khối mô tả các bước thực hiện trong phương pháp hồi qui từng 39 bước Hình 10. Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM 1 và biến trình số đợt KKL trong cùng thời kỳ từ mùa đông 1992-1993 đến mùa đông 2015- 42 2016. Hình 11. Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM 2 và biến trình 43 số đợt KKL trong cùng thời kỳ. Hình 12. Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM 3 và biến trình 43 số đợt KKL trong cùng thời kỳ. Hình 13 Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM 4 và biến trình 44 số đợt KKL trong cùng thời kỳ. Hình 14 Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM 5 và biến trình 44 số đợt KKL trong cùng thời kỳ. Hình 15 Sự biến động của chỉ số gió mùa mùa đông IEAWM6 và biến trình số 45 đợt KKL trong cùng thời kỳ. Hình 16 Bản đồ MSLP trung bình 30 của 03 tháng chính đông (1986-1987 đến 46 2015-2016) Hình 17 Bản đồ MSLP trung bình 03 tháng chính đông của những KKL hoạt 46 động mạnh Hình 18 Bản đồ MSLP trung bình 03 tháng chính đông của những KKL hoạt 47 động yếu Hình 19 Trung bình 30 năm hoàn lưu mực 850mb của 03 tháng chính đông 47 (1986-1987 đến 2015-2016) Hình 20 Hoàn lưu trung bình mực 850mb của 03 tháng chính đông những năm 48 KKL hoạt động mạnh Hình 21 Hoàn lưu trung bình mực 850mb của 03 tháng chính đông những 48 năm KKL hoạt động yếu Hình 22 Trung bình 30 năm hoàn lưu mực 500 mb của 03 tháng chính đông 49 (1986-1987 đến 2015-2016) Hình 23 Hoàn lưu trung bình mực 500mb của 03 tháng chính đông những năm 49 KKL hoạt động mạnh Hình 24 Hoàn lưu trung bình mực 500mb của 03 tháng chính đông những 50 năm KKL hoạt động yếu Hình 25 Trung bình 30 năm hoàn lưu mực 300 mb của 03 tháng chính đông 50 (1986-1987 đến 2015-2016) 8
Hình 26 Hoàn lưu trung bình mực 300mb của 03 tháng chính đông những năm 51 KKL hoạt động mạnh Hình 27 Hoàn lưu trung bình mực 300mb của 03 tháng chính đông nhưng 51 năm KKL hoạt động yếu Hình 28: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 52 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 1 Hình 29: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 53 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 2 Hình 30: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 54 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 3. Hình 31: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 55 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 4. Hình 32: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 56 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 5. Hình 33: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính 57 được thông qua sử dụng chỉ số gió mùa EAWMI 6. Hình 34: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh tính được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa (EAWMI 2, EAWMI 3, EAWMI 6, 58 EAWMI 6) trên cơ sở phương pháp hồi qui từng bước. Hình 35: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 59 báo hạn mùa từ tháng 8. Hình 36: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 60 báo hạn mùa từ tháng 9. Hình 37: Số đợt không khí lạnh quan trắc được và số đợt không khí lạnh dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 60 báo hạn mùa từ tháng 10. Hình 38: Số đợt rét đậm, rét hại quan trắc được và số đợt rét đậm, rét hại dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 61 báo hạn mùa từ tháng 8 Hình 39: Số đợt rét đậm, rét hại quan trắc được và số đợt rét đậm, rét hại dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 62 báo hạn mùa từ tháng 9 Hình 40: Số đợt rét đậm, rét hại quan trắc được và số đợt rét đậm, rét hại dự báo được thông qua sử dụng bộ chỉ gió mùa mùa đông có được từ số liệu dự 63 báo hạn mùa từ tháng 10 9
Danh mục bảng Bảng 1. Những yếu tố chính trong mỗi mùa gió mùa 12 Bảng 2. Chỉ tiêu dự báo khả năng xâm nhập của không khí lạnh trước 24h 28 Bảng 3. Bộ chỉ số phản ánh về sự biến đổi của gió mùa mùa đông Đông Á 30 Bảng 4. Bảng HSTQ giữa các chỉ số gió mùa mùa đông và số đợt KKL trong các tháng mùa đông thời kỳ 1992 -2016 41 Bảng PL1. Tổng số đợt không khí lạnh trong các tháng mùa đông (từ mùa đông1992-2015) 68 Bảng PL2. Tổng số các đợt GMĐB và KKLTC; Tổng số đợt rét đậm, rét hại ảnh hưởng đến Việt Nam trong các mùa đông thời kỳ 1992-2015 69 10
MỞ ĐẦU Không khí lạnh là một trong những hệ thống thời tiết nguy hiểm, không khí lạnh xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam thành những đợt riêng rẽ và những đợt tăng cường bổ sung, gây ra sự thay đổi thời tiết mạnh mẽ ở miền Bắc. Sự xâm nhập của không khí lạnh thường gây ra sụt giảm nhiệt độ trung bình ngày sau 24h từ 3 - 5 0C, gió chuyển hướng Đông Bắc trên khu vực vịnh Bắc Bộ và Bắc Biển Đông mạnh cấp 6-7, giật cấp 8, cấp 9 gây ra biển động sóng lớn.Gió trên đất liền khu vực các tỉnh miền Bắc chuyển hướng lệch Bắc cấp 3, cấp 4. Đặc biệt vào các tháng chính của mùa Đông (tháng 12, tháng 1, tháng 2), với nền nhiệt độ thấp và là những tháng có nhiệt độ thấp nhất trong năm, dưới tác động cuả những đợt xâm nhập lạnh mạnh và được tăng cường bổ sung liên tục, đã xảy ra nhiều đợt rét đậm, rét hại kéo dài và xuất hiện băng tuyết và sương muối ở những vùng núi cao.Gây ảnh hưởng rất lớn đến sản xuất nông – lâm – ngư nghiệp và hoạt động của cộng đồng dân cư. Điển hình đó là đợt rét đậm, rét hại kéo dài từ ngày 22 - 27/1/2016, trong ba ngày 23-25/1, băng giá và tuyết rơi ở hầu khắp các đỉnh núi cao từ 1.000 m trở lên ở Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ, đây là đợt rét mạnh nhất trong 40 năm với hàng loạt kỷ lục được ghi nhận. Ngày 24/1/2016, trạm khí tượng Sa Pa (Lào Cai) ghi nhận nhiệt độ thấp nhất -4 độ C; Mẫu Sơn (Lạng Sơn) -4 độ C. Tại Hà Nội, lần đầu tiên quan sát được đỉnh núi Ba Vì xuất hiện tuyết, ở trạm Hà Đông 5,4 độ C.Đợt rét đậm, rét hại này đã ảnh hưởng nặng nề đến sản xuất nông nghiệp và chăn nuôi tại các tỉnh Bắc Bộ và Bắc của Bắc Trung Bộ. Nhự vậy, nắm bắt được sớm thông tin hoạt động của xâm nhập lạnh có ý nghĩa vô cùng quan trong trong công tác phòng chống và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai gây ra. Đặc biệt, việc nhận định có tính định lượng hạn mùa sự hoạt động của các đợt xâm nhập lạnh là rất cần thiết. Chính vì những lí do trên, học viên đã chọn đề tài nghiên cứu là: “Nghiên cứu mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển qui mô lớn trong các tháng mùa đông ở Việt Nam” nhằm tìm ra và xây dựng được một phương pháp dự báo có tính khả thi, phục vụ cho việc dự báo định lượng hạn mùa số đợt xâm nhập lạnh trong mùa đông ở Việt Nam. 11
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1 Khái niệm và định nghĩa về gió mùa- gió mùa Châu Á: Thuật ngữ gió mùa (Monsoon) có nguồn gốc từ vùng Ả Rập với từ địa phương là Mausim, có nghĩa là mùa. Theo Khrômov: “Gió mùa là chế độ dòng khí của hoàn lưu chung khí quyển trên một phạm vi đáng kể của bề mặt Trái Đất, trong đó ở mọi nơi gió thịnh hành chuyển ngược hướng hay gần như ngược hướng từ mùa đông sang mùa hè và từ mùa hè sang mùa đông”. Khrômov cũng đưa ra khái niệm góc gió mùa là góc giữa hướng gió thịnh hành giữa mùa đông và mùahè là 120o – 180o. Dựa vào tiêu chuẩn về tần suất gió thịnh hành chia thành: khu vực có xu thế gió mùa với tần suất hướng gió thịnh hành < 40%, khu vực gió mùa với tần suất gió thịnh hành từ 40 – 60% và khu vực gió mùa điển hình khi tần suất gió thịnh hành > 60%. Theo K. Ramage (1971) cũng thống nhất với định nghĩa này và đưa ra một số chỉ tiêu định lượng cụ thể. Theo ông, một vùng được gọi là có gió mùa nếu thoả mãn các điều kiện sau: - Hướng gió thịnh hành trong tháng 1 và 7 phải lệch nhau một góc lớn hơn hoặc bằng 1200; - Tần suất trung bình của hướng gió thịnh hành trong tháng 1 và 7 phải lớn hơn 40%; - Tốc độ gió tổng hợp trung bình của ít nhất một trong hai tháng 1 và 7 phải lớn hơn 3 m/s; - Sự luân phiên của hoàn lưu xoáy thuận với xoáy nghịch xảy ra trong hai tháng này của hai năm liên tiếp, trên một vùng có kích thước 5 kinh/vĩ độ phải nhỏ hơn một lần. Đối với gió mùa châu Á, có 6 yếu tố chính trong mỗi mùa gió mùa (Bảng 1) và sự tương thích của các yếu tố đó trong hai hệ thống gió mùa có thể được phân như sau: Bảng 1: Những yếu tố chính trong mỗi mùa gió mùa TT Mùa hè Mùa đông 1 Áp cao Mascaren Áp cao Siberia 2 Dòng xiết qua xích đạo Đông Phi Sóng gió mùa mùa đông 3 Gió mùa tây nam Gió mùa đông bắc Rãnh gió mùa với mây, mưa trên bắc Rãnh thấp xích đạo trên khu vực 4 Ấn-độ Malaysia- Indonesia 5 Áp cao Tây Tạng Áp cao Thái Bình Dương 6 Dòng xiết gió đông nhiệt đới Dòng xiết gió tây cận nhiệt đới 12
Trên cơ sở kế thừa và nghiên cứu mới, tác giả Trần Công Minh [8] đã đưa ra một định nghĩa về gió mùa như sau: “gió mùa là chế độ dòng khí của hoàn lưu chung khí quyển trên một phạm vi rộng lớn của bề mặt trái đất, trong đó ở mọi nơi trong khu vực gió mùa, gió thịnh hành chuyển ngược hướng hay gần như ngược hướng từ mùa đông sang mùa hè và từ mùa hè sang mùa đông”. Cùng với định nghĩa về gió mùa thì tác giả cũng đưa ra các tiêu chuẩn xác định khu vực gió mùa tương đối cụ thể, đó là khu vực thỏa mãn bốn điều kiện sau: - Hướng gió thịnh hành trong tháng 1 và 7 phải lệch nhau một góc lớn hơn hoặc bằng 1200. - Tần suất trung bình của hướng gió thịnh hành trong tháng 1 và 7 phải lớn hơn hoặc bằng 40%. - Tốc độ gió tổng hợp trung bình của ít nhất một trong tháng 1 và 7 phải lớn hơn 3 m/s; - Sự luân phiên của hoàn lưu xoáy thuận với xoáy nghịch xảy ra trong hai tháng bất kỳ của hai năm liên tiếp, trên một vùng có kích thước 5 kinh/vĩ độ phải nhỏ hơn một lần. Theo định nghĩa này, vùng gió mùa tại khu vực Châu Á được xác định như ở hình 1.1 dưới đây. Trong hình 1.1 khu vực Đông Nam Á (nằm trong hình chữ nhật EF) là khu vực thoả mãn tất cả các tiêu chí của định nghĩa trên. Như ta đã thấy khu vực này cũng là khu vực hội tụ đủ các nhân tố hình thành nên gió mùa: - Là khu vực mà có sự tương phản rất lớn giữa một bên là lục địa rộng lớn còn một bên là đại dương thế giới. - Đây là khu vực có lực Coriolis mạnh. Trong bộ tiêu chí mà Trần Công Minh đưa ra, tiêu chí 4 là một tiêu chí rất quan trọng, bởi vì xét sự thay đổi gió theo mùa phải loại bỏ chuyển động qui mô nhỏ. Như vậy, vùng có gió mùa chủ yếu trên trái đất theo định nghĩa của Ramage được giới hạn trong phạm vi từ 250S - 350N và từ 300W-1700E, chiếm hầu hết vùng nhiệt đới của bán cầu Đông. Các khu vực này cũng thỏa mãn các nhân tố hình thành nên gió mùa: sự tương phản nhiệt theo mùa, địa hình và lực Coriolis đủ mạnh,.... 13
Hình 1.1 Phân vùng gió mùa của S.P.Khromov (1957). Đường đậm nét (EF) là ranh giới phía bắc của khu vực có tần suất chuyển đổi nhỏ giữa xoáy thuận và xoáy nghịch vào mùa hè và mùa đông ở Bắc bán cầu. Phần giới hạn trong hình chữ nhật là khu vực gió mùa Đông Nam Á (bao gồm: Việt Nam, Lào Campuchia, Thái Lan, Brunei, Tây Malayxia và Singapo). 1. Khu vực có xu thế gió mùa (tần suất gió thịnh hành < 40%). 2. Khu vực gió mùa (tần suất gió thịnh hành từ 40-60%). 3. Khu vực gió mùa điển hình (tần suất gió thịnh hành > 60%). 1.2 Gió mùa mùa đông: Mùa đông ở bán cầu Bắc hoàn lưu xoáy thuận trên khu vực Đông Á được thay thế bằng hoàn lưu xoáy nghịch với trung tâm áp cao đạt cường độ cực đại ở vĩ độ khoảng 40-600N trên lãnh thổ Mông Cổ và miền trung Siberia. Các khu vực chịu ảnh hưởng của áp cao này trời ít mây, có nhiệt độ thấp do phát xạ sóng dài mạnh. Lượng bức xạ nhận được rất thấp do albedo của lớp tuyết phủ lớn. Không khí toả ra từ trung tâm áp cao này về phía đông và đông nam tới Triều Tiên, Trung Quốc, Nhật Bản, Đông Dương và phía tây Thái Bình Dương. Ở khoảng 15-200N trên Biển Đông, dòng không khí từ phía bắc hội tụ với tín phong đông bắc từ Thái Bình Dương gây nên gió mùa đông bắc trên các quần đảo Malaysia. Sự bắt đầu gió mùa mùa đông ở các khu vực này vào tháng 9 có liên quan với 3 đặc điểm chủ yếu của hoàn lưu sau (Cheang, 1991): 14
Hình 2. Hệ thống gió mùa mùa đông châu Á (Cheang, 1991) - ITCZ: Vào khoảng tháng 9 rãnh gió mùa quy mô lớn từ phần phía bắc của nam Trung Quốc di chuyển về phía nam và ổn định ở khu vực xích đạo của Biển Đông. Phía bắc của rãnh này tín phong đông bắc thịnh hành. - Sự xâm nhập của không khí lạnh từ hệ thống áp cao Siberia: Gió mùa từ phía bắc thường kết hợp với tín phong đông bắc của áp cao Thái Bình Dương thổi tới quần đảo Malaysia thường cho lượng mưa lớn ở đây. - Đặc điểm thứ ba là sự đảo ngược của gió trên cao từ hướng đông sang hướng tây ở nam lục địa Trung Quốc: Điều đó xảy ra khi gradient nhiệt độ theo hướng bắc - nam đi qua lục địa châu Á đổi thành hướng ngược lại (Cheang, 1991). So với hoàn lưu gió mùa mùa hè, hoàn lưu gió mùa mùa đông có chiều dày nhỏ hơn nhiều. Gần khu vực hình thành của áp cao, áp cao lạnh có chiều dày không lớn do nguồn gốc nhiệt của nó. Trên phần lớn lục địa châu Á gió tại mực 700 mb là gió hướng tây, điều đó có nghĩa là gió mùa mùa đông được giới hạn ở phía dưới mực 700mb. 1.3 Khái niệm về không khí lạnh: Không khí lạnh là hiện tượng thời tiết khi khối không khí rất lạnh từ lục địa Châu Á di chuyển xuống khu vực nước ta, nơi đang có khối không khí ấm, gây ra gió đông bắc mạnh trời trở rét và thời tiết xấu. Thời gian đặc trưng là vào thời kỳ gió mùa mùa đông nên còn gọi là "gió mùa đông bắc". Khối không khí lạnh này có nguồn gốc cực đới, tràn qua lục địa Châu Á dưới dạng front lạnh, xuống đến nước ta trong nhiều trường hợp không còn thể hiện rõ tính chất điển hình của một front lạnh nên ta gọi chung là "không khí lạnh". 15
Mỗi đợt KKL được coi là xâm nhập hoặc ảnh hưởng đến nước ta nếu thỏa mãn một trong hai điều kiện sau đây: - KKL làm tốc độ gió hướng lệch bắc ngoài khơi đo được tại trạm Bạch Long Vỹ từ cấp 6 trở lên và kéo dài trên 3 tiếng (2 quan trắc liên tiếp). - KKL gây thay đổi thời tiết mạnh mẽ: diện mưa tăng lên ở một hoặc nhiều khu vực và đồng thời làm nhiệt độ trung bình ngày đối với trên một nửa số trạm ở một hoặc nhiều khu vực đất liền giảm (mức giảm nhiệt độ trung bình từ 3 độ trở lên). 1.3.1 Phân loại không khí lạnh: Không khí lạnh được chia làm 2 loại Gió mùa đông bắc (GMĐB) và Không khí lạnh tăng cường (KKLTC) Gió mùa đông bắc (GMĐB): là không khí lạnh kèm theo front lạnh hoặc đường đứt, khi xâm nhập đến nước ta thường gây ra biến đổi thời tiết mạnh mẽ: gió trong đất liền cấp 3 - 4, vùng ven biển cấp 5, ngoài khơi từ cấp 6 trở lên, diện mưa tăng lên, có thể có dông mạnh kèm theo gió giật mạnh trên cấp 6, tố, lốc, mưa đá..., nhiệt độ trung bình ngày hoặc nhiệt độ tối cao giảm mạnh. Không khí lạnh tăng cường (KKLTC): là không khí lạnh khi xâm nhập đến nước ta không kèm theo front lạnh hoặc đường đứt trong khi ở các tỉnh phía bắc vẫn đang ở trong khối không khí lạnh. KKLTC làm tốc độ gió tăng trở lại gây ra gió mạnh ngoài khơi và có thể làm nhiệt độ ít thay đổi hoặc giảm. Trong một số trường hợp, KKLTC làm giảm lượng mây, do đó không những không gây ra giảm nhiệt độ, mà lại tăng nhiệt độ vào ban ngày. Ngoài ra, vào giữa mùa gió mùa đông bắc, KKLTC tuy không gây giảm nhiệt độ, nhưng cũng có thể làm cho trời rét tiếp tục kéo dài. Cường độ của không khí lạnh: được xác định đồng thời bởi sự thay đổi của hệ thống gió và sự giảm nhiệt độ (mức độ giảm nhiệt trong 24 giờ xảy raít nhất ở trên một nửa số trạm trong một khu vực). Trong Thực tế, cường độ của không khí lạnh (KKL) thường được xác định bởi tốc tốc độ gió quan trắc được tại trạm Bạch Long Vĩ (VBLV). Cụ thể: - Không khí lạnh mạnh xảy ra khi VBLV cấp 7 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 6 nhưng kéo dài liên tục trên 8 quan trắc. - Không khí lạnh trung bình xảy ra khi VBLV cấp 6 và kéo dài từ 2 quan trắc trở lên hoặc cấp 7 nhưng không kéo dài quá 1 quan trắc - Không khí lạnh yếu xảy ra khi VBLV< cấp 6 hoặc cấp 6 nhưng kéo dài không quá 1 quan trắc 16
1.3.2 Hệ quả thời tiết do tác động của không khí lạnh Tùy thuộc vào mức độ mạnh hay yếu của áp cao lạnh lục địa, và không khí lạnh tràn về nước ta mà có những hệ quả khác nhau. Do đó, hệ quả thời tiết mà GMĐB và KKLTC gây nên cũng khác nhau. Hệ quả thời tiết của GMĐB: - Mưa: GMĐB tràn về thường gây ra những đợt mưa trên diện rộng, đặc biệt là các tỉnh thuộc khu vực phía đông Bắc Bộ và ven biển Trung Bộ và lượng mưa thường lớn hơn mưa khi có không khí lạnh tăng cường. Tuy vậy, cũng có những trường hợp gió mùa đông bắc tràn về, mưa chỉ xảy ra ở vài nơi thuộc phía đông Bắc Bộ với lượng mưa không đáng kể khi không khí lạnh lục địa này rất khô; thế nhưng ở Trung Bộ vẫn có mưa, thậm chí có mưa vừa, mưa to. - Gió: GMĐB tràn về thường gây ra sự đổi hướng gió đột ngột, từ gió có có thành phần nam sang thành phần bắc với tốc độ gió mạnh cấp 6-7, giật có thể lên đến cấp 9 trên vịnh Bắc Bộ và vùng biển ngoài khơi Trung Bộ, biển động rất mạnh. - Nhiệt độ không khí: GMĐB tràn về thường gây nên sự giảm nhiệt đột ngột, chẳng hạn nhiệt độ sau 24 giờ ở Tuyên Quang đã từng giảm tới 21,50C và ở Láng cũng đã giảm tới 17,40C, có khi có rét đậm, rét hại xảy ra ở các tỉnh miền Bắc Việt Nam. Hệ quả thời tiết của KKLTC: - Mưa: KKLTC thường gây ra những đợt mưa tuy không lớn lắm nhưng xảy ra trên diện rộng, đặc biệt là ở các tỉnh thuộc khu vực Đông Bắc Bộ và ven biển Trung Bộ. Tuy vậy, cũng có những trường hợp KKLTC làm giảm hoặc kết thúc mưa trên toàn lãnh thổ thuộc Bắc Bộ và Thanh Hoá. - Gió: KKLTC có thể gây ra gió đông bắc mạnh cấp 6-7, giật cấp 8-9 trên vịnh Bắc Bộ và vùng biển ngoài khơi Trung Bộ, biển động rất mạnh. - Nhiệt độ không khí: những đợt KKLTC, đặc biệt là những đợt KKLTC liên tục, vào những tháng chính đông, thường gây nên rét đậm, rét hại ở các tỉnh miền Bắc Việt Nam, nhiều nơi ở vùng núi phía bắc xuất hiện băng giá, sương muối, thậm chí có nơi còn có tuyết rơi. Trái lại, KKLTC khô có thể làm cho lãnh thổ miền Bắc Việt Nam nằm sâu trong lưỡi cao lạnh, do quang mây nên ban ngày nhiệt độ cao, ban đêm nhiệt độ rất thấp, do đó biên độ nhiệt độ ngày rất lớn. 1.3.4 Đặc điểm hoạt động của các đợt xâm nhập lạnh Không khí lạnh ảnh hưởng đến Việt Nam đều có nguồn gốc từ áp cao Siberia. Áp cao Siberia là một áp cao lạnh lục địa hoạt động ở tầng thấp (dưới 700mb), mạnh nhất vào các tháng chính đông. Vào các tháng mùa đông, áp cao này có tâm ở vùng Siberia nên được gọi là áp cao Siberia. Ở các tháng chính đông là khoảng thời gian áp cao này đạt cường độ mạnh nhất, áp cao Siberia bao phủ phần lớn vùng phía Bắc lục địa Châu Á. Vào 17
các tháng cuối đông, áp cao này suy yếu dần, vị trí tâm của áp cao Siberia dịch chuyển dần theo hướng tây bắc và dần không còn ảnh hưởng đến Việt Nam khi vào các tháng mùa hè. Hàng năm, các đợt xâm nhập lạnh thường xảy ra từ tháng X năm trước đến tháng V năm sau. Những đợt XNL sớm vào tháng IX và những đợt XNL muộn vào tháng VI.Tháng VII và tháng VIII hầu như không có XNL. Theo số liệu thống kê thu thập được trong vòng 40 năm trở lại đây (1961 - 2000) chỉ có 2 đợt không khí lạnh xảy ra vào tháng VII và 6 đợt xảy ra vào tháng VIII đều là những đợt yếu, chỉ ảnh hưởng đến một phần phía Bắc của Bắc Bộ. Trung bình mỗi năm có khoảng 27 – 28 đợt XNL ảnh hưởng đến miền Bắc nước ta,năm có nhiều đợt XNL ảnh hưởng lên đến 35-40 đợt như năm 1970 có 40 đợt KKL. Năm có ít đợt XNL vào khoảng 20 – 25 đợt, như năm 1993 có 20 đợt XNL. Số các đợt XNL ảnh hưởng đến Việt Nam phân bố khá đồng đều. Không khí lạnh có cường độ mạnh cũng như cường độ yếu hàng năm trung bình có khoảng 9 đợt và không khí lạnh có cường độ trung bình là 9 – 10 đợt một năm. Tháng 12 và tháng 1 khi không khí lạnh tràn về, có gió bắc đến đông mạnh, trời nhiều mây, nhiệt độ thấp và hạ đột ngột. Khi không khí lạnh xuống sâu hơn về phía nam, các tỉnh thuộc khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ nằm sâu trong lưỡi cao lạnh, thời tiết chuyển khô hanh, trong một số trường hợp trời quang mây, bức xạ mạnh, nhiệt độ thấp ở vùng thung lũng và núi cao có thể giảm xuống hoặc dưới xấp xỉ 0oC gây nên các đợt băng giá và sương muối. Không khí lạnh tràn xuống thường kèm theo front lạnh gây nên rét đậm, rét hại và mưa kéo dài, nhiêt độ hạ thấp. Chênh lệch nhiệt độ cực đại và cực tiểu dao đông 3 – 4oC có khi còn hạ xuống 1 – 2oC. Khi áp cao Siberia yếu đi và phân tán thành nhiều tâm, gió mùa đông bắc suy yếu và không còn xâm nhập xuống phía Nam. Sự nguy hiểm của thời tiết không khí lạnh trước hết là sẽ gây ra biến đổi thời tiết. Ở trên biển, gió đổi hướng và mạnh lên đột ngột, biển đang yên tĩnh bỗng nổi sóng dữ dội, tầm nhìn giảm xuống nhanh, gió thổi mạnh trong mưa rét là điều kiện thời tiết rất nguy hiểm cho các hoạt động hàng hải và khai thác thủy hải sản, còn kéo theo sự ảnh hướng đến đời sống và sản xuất. Đặc biệt là vào thời kỳ xuân hè, khi khối không khí trước front ở trạng thái bất ổn định thì sự xâm nhập của không khí lạnh là điều kiện tác động quan trọng gây ra sự phát triển mạnh mẽ của khối mây đối lưu, làm xuất hiện dông mạnh kèm theo lốc, tố và mưa đá. Còn vào thời kỳ mùa đông, sự xâm nhập của không khí lạnh từ phía Bắc có thể kết hợp với tín phong Đông Bắc, dải hội tụ nhiệt đới và địa hình dãy Trường sơn sẽ gây ra những đợt mưa lũ rất lớn ở các tỉnh miền Trung. Xâm nhập lạnh ảnh hưởng đến miền Bắc nước ta có thể được phân chia thành 3 thời kỳ chính như sau: 18
Thời kì đầu mùa Đông (Từ tháng 9 đến tháng 11):thời kì này các đợt không khí lạnh tràn xuống miền Bắc được di chuyển theo hướng Bắc- Nam và chịu sự biến tính qua lục địa Trung Quốc. Mặc dù nhiệt độ đã tăng lên nhiều so với trạng thái ban đầu nhưng khi tràn đến nước ta vẫn giữ được đặc tính cực đới lạnh. Ở trên cao thường xuất hiện lớp nghịch nhiệt dày do di chuyển đi xuống của đới gió Tây trên cao. Điều này kiến lượng hơi ẩm vốn đã rất ít của khối không khí cực đới khô khống chế ở tầng thấp khổng thể chuyển động lên cao ngăn cản quá trình tạo mây. Do đó thời tiết Bắc Bộ trong thời kì này đặc trưng quang mây, ban ngày sẽ có nắng, nhiệt độ sẽ tăng cao từ từ, nhưng về ban đêm mặt đất phát xạ song dài rất mạnh làm nhiệt độ tụt xuống nhanh chóng. Biên độ nhiệt độ ngày đêm ở Bắc Bộ trong thời kì này là lớn nhất, thường đạt trên 10oC có khi còn lên tới 15oC đến 17oC và còn hơn nữa. Trong thời kì này thường xuất hiện nhiều lớp sương mù vào buổi sáng chỉ tồn tại khi nắng lên gọi là sương mù bức xạ, ở các vùng đồi núi khi xuất hiện sương muối rất có hại cho vật nuôi và cây trồng. Vào tháng 9 và nửa đầu tháng 10 ở khu vực Bắc Bộ khi mặt đệm tương đối nóng, không khí lạnh tràn xuống có thể gây ra những sự xáo trộn về nhiệt, ẩm mạnh mẽ khiến các dòng khí ẩm chuyển động đối lưu trên cao và giải phóng năng lượng rất lớn sẽ cho mưa rào và dông, đôi khi kéo theo tố lốc và mưa đá.Nửa cuối tháng 10 và cả tháng 11 không khí lạnh tràn về chủ yếu gây mưa và mưa nhỏ, thậm chí có nhiều đợt không mưa. Khu vực Trung bộ, thời kỳ này là thời kỳ mùa mưa. Do đặc điểm phân bố địa hình với những dãy núi thấp nhô ra biển, như đèo Ngang, đèo Cả, đèo hải Vân, đồng thời với đó là dãy Trường Sơn chạy dọc theo chiều Bắc – Nam tạo thành sườn đón gió. Khi không khí lạnh tràn về đã bị biến tính chủ yếu qua biển đã chuyển thành khối không khí nóng, ẩm.Dòng không khí nóng ẩm này gặp dãy Trường Sơn và sẽ hội tụ và chuyển động đi lên tạo thành các đám mây đối lưu phát triển dày và gây mưa lớn. Đặc biệt khi không khí lạnh tràn về có kết hợp với các hình thế thời tiết khác như: bão, áp thấp nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, thì cường độ mưa cho khu vực đạt được giá trị rất lớn và có khả năng kéo dài nhiều ngày. Thời kỳ giữa mùa Đông (thời kỳ chính Đông): Từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau là những tháng rét nhất trong năm và cũng là thời kỳ có nhiều đợt gió mùa nhất trong năm. Trong thời kỳ này ở các vĩ độ trung bình dòng xiết gió Tây trên cao phát triển mạnh. Không khí lạnh tràn về di chuyển theo hướng Đông Bắc - Tây Nam bị biến tính qua biển lượng ẩm tăng lên rõ rệt. Sự lạnh đi của bề mặt trong giai đoạn này khiến cho nhiệt độ lớp không khí tiếp giáp cũng giảm đi nhiều, độ ẩm nhanh chóng đạt trạng thái bão hòa. Trong khi đó, đới gió ở mực cao hơn thổi qua biển được cung cấp ẩm thường xuyên và có nhiệt độ cao hơn. Điều này đã tạo nên một lớp nghịch nhiệt ở tầng thấp tồn tại sát mặt đất, hình thành màn mây tầng (St) dày đặc và gây mưa nhỏ, mưa phùn ở miền Bắc. Biên độ dao động ngày 19
đêm rất thấp, nên thời kỳ này cũng là thời kì rất rét nhất trong năm. Ở Bắc Bộ trong tháng 12, không khí lạnh tràn về vẫn còn những đợt rét đậm, rét hại kèm theo là thời tiết hanh khô phổ biến vào nửa đầu tháng 12. Ở Trung Bộ, do trong thời kỳ này bề mặt đất có nhiệt độ cao hơn so với Bắc Bộ, tầng kết khí quyển kém ổn định hơn nên không xảy ra hiện tượng mưa phùn như ở miền Bắc. Không khí lạnh tràn về kết hợp với điều kiện địa hình của khu vực Trung Bộ vẫn tiếp tục gây mưa địa hình cho Trung Bộ. Thời kỳ cuối mùa Đông: Từ tháng 3 đến tháng 5, thời kỳ này là thời kỳ chuyển tiếp sẽ có mưa nhiều. Áp thấp phía Tây phát triển và mở rộng về phía Đông Nam sẽ gây nên những đợt nóng rất sớm. Nhiệt độ tăng ở mức khá cao. Khi lưỡi áp cao lạnh lục địa di chuyển xuống phía Nam sẽ nén rãnh thấp nối với vùng áp thấp phía Tây gây ra hiện tượng nắng to, nhiệt độ ban đầu sẽ tăng cao, nóng nực thường thấy trước khi không khí lạnh tràn về. Tháng 3 là thời kỳ chuyển tiếp của gió mùa do đó khi không khí lạnh bắt đầu tràn về có thể gây nên những đợt mưa nhỏ, phùn và rét và kèm theo những cơn dông đầu mùa cũng xuất hiện trong tháng này khi có không khí lạnh tràn về.. Tóm lại, không khí lạnh hoạt chủ yếu vào thời kỳ chính đông và cuối mùa đông. Đặc biệt không khí lạnh hoạt động mạnh nhất vào thời kỳ chính đông từ tháng 12 đến tháng 2 năm sau là những tháng rét nhất và cũng là những tháng có gió mùa hoạt động mạnh nhất. Biên độ ngày đêm cũng thấp nhất, gây nên đợt rét đậm, rét hại kèm theo thời tiết hanh khô. 1.4. Một số nghiên cứu trong và ngoài nước 1.4.1 Ngoài nước Áp cao Siberia có vai trò ảnh hưởng rất quan trọng trong mùa đông Châu Á, Bingiyi Wu và Jia Wang (2002) đã có bài nghiên cứu về tác động của dao động cực Bắc (AO) và áp cao Siberia (SH) trong gió mùa mùa đông Đông Á (EAWM). Các tác giả sử dụng bộ số liệu của Trung tâm dự báo môi trường quốc gia/ trung tâm nghiên cứu khí quyển quốc gia (NCEP / NCAR) và đã chỉ ra hệ số tương quan của chỉ số AO và chỉ số EAWM là 0.28, trong khi hệ số tương quan của chỉ số SH và chỉ số EAWM là 0.8; mối tương quan này cho thấy chỉ số SH có thể thể hiện cường độ của EAWM. Trong mùa đông: AO và SH là tương đối độc lập với nhau trong ảnh hưởng đến EAWM. SH có nhiều ảnh hưởng trực tiếp và đáng kể hơn AO tới EAWM. Tác động của SH tới nhiệt độ không khí bề mặt xảy ra chủ yếu ở phía Nam của 50°N qua Đông Á, Tây Bắc Thái Bình Dương và biển Nam Trung Quốc do AO ngăn ảnh hưởng của SH tới vĩ độ của Châu Á[15]. Nghiên cứu của Tsing-Chang Chen, Ming-Cheng Yen và các cộng sự (2002), cũng như C.P.Chang, Zhuo Wang và Harry Hendon (2006) đã có những nghiên cứu điển hình 20