Luận văn: Phân bố bức xạ sóng dài và quan hệ với mưa ở Việt Nam thời kỳ ENSO

Luận văn phân tích sâu mối quan hệ giữa bức xạ sóng dài và lượng mưa tại Việt Nam dưới tác động của các hiện tượng ENSO (El Nino và La Nina).

• Tác giả: Lê Duy Điệp
• Người hướng dẫn: GS. Nguyễn Trọng Hiệu
• Trường học: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khí tượng - Khí hậu học
• Đề tài: Phân bố bức xạ sóng dài và mối quan hệ với lượng mưa trên khu vực Việt Nam trong các thời kỳ ENSO
• Loại tài liệu: Luận văn Thạc sỹ Khoa học
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về ENSO và ảnh hưởng đến khí hậu Việt Nam

ENSO (El Niño - Oscillation Nam Á) là một hiện tượng dao động khí hậu tự nhiên có chu kỳ 2-7 năm, ảnh hưởng sâu sắc đến khí hậu toàn cầu và khu vực Đông Nam Á. Hiện tượng này được đặc trưng bởi sự thay đổi nhiệt độ bề mặt nước biển ở Thái Bình Dương xích đạo. Việt Nam, nằm trong vùng ảnh hưởng trực tiếp của hoàn lưu Walker, chịu tác động đáng kể từ các chu kỳ El Niño (ấm) và La Niña (lạnh). Các nghiên cứu chỉ ra rằng trong giai đoạn El Niño, lượng mưa trên khu vực Việt Nam giảm, dẫn đến hạn hán; ngược lại, giai đoạn La Niña thường kèm theo mưa tăng cường. Hiểu rõ mối quan hệ giữa ENSO và khí hậu Việt Nam là cần thiết để dự báo khí hậu và quản lý tài nguyên nước hiệu quả.

1.1. Định nghĩa ENSO và các giai đoạn biến đổi

ENSO bao gồm hai giai đoạn chính: El Niño (giai đoạn ấm với nhiệt độ nước biển cao hơn bình thường) và La Niña (giai đoạn lạnh với nhiệt độ nước biển thấp hơn bình thường). Mỗi giai đoạn kéo dài từ 6 tháng đến 2 năm. Các chỉ số như Oceanic Niño Index (ONI) được sử dụng để xác định giai đoạn này, giúp các nhà khoa học dự báo biến đổi khí hậu và lượng mưa ở các khu vực khác nhau trên Trái Đất.

1.2. Tác động của ENSO đến hoàn lưu khí quyển

Trong điều kiện bình thường, hoàn lưu Walker di chuyển từ đông sang tây. Tuy nhiên, giai đoạn El Niño làm suy yếu hoàn lưu Walker, dẫn đến thay đổi các mẫu mưa trên khu vực Thái Bình Dương và Đông Nam Á. Bức xạ sóng dài (OLR) giảm trong giai đoạn El Niño, phản ánh sự giảm hoạt động mây và lượng mưa. Điều này có tác động trực tiếp đến nông nghiệp và cung cấp nước ở Việt Nam.

II. Bức xạ sóng dài OLR Chỉ số đo lường hoạt động mây và mưa

Bức xạ sóng dài (OLR - Outgoing Longwave Radiation) là một chỉ số quan trọng trong khí tượng học để đánh giá hoạt động mây và lượng mưa trên một khu vực. OLR được đo từ vệ tinh và thể hiện bằng đơn vị W/m². Mối quan hệ nghịch đảo giữa OLR và lượng mưa cho phép các nhà khoa học sử dụng dữ liệu OLR để dự báo mưa. Khi OLR giảm, có nghĩa là mây dày và lượng mưa cao; ngược lại, khi OLR tăng, thường biểu hiện thời tiết khô và mưa ít. Tại Việt Nam, OLR có biến trình theo mùa rõ rệt, với giá trị thấp nhất vào mùa hè (lượng mưa cao) và cao nhất vào mùa đông (lượng mưa thấp).

2.1. Phân bố không gian OLR trên khu vực Việt Nam

Các khu vực khí hậu khác nhau ở Việt Nam cho thấy phân bố OLR không đều. Khu vực Bắc Bộ có giá trị OLR trung bình cao hơn so với Trung Bộ và Nam Bộ. Biển Đông và khu vực xích đạo Đông Nam Á thường có OLR thấp do hoạt động mây tích cực quanh năm. Sự khác biệt không gian này phản ánh điều kiện khí hậu đa dạng và ảnh hưởng của các hệ thống gió khác nhau.

2.2. Biến trình theo mùa của OLR và mối liên hệ với mưa

Biến trình năm của OLR cho thấy rõ rệt những thay đổi theo mùa. Từ tháng 5-9 (mùa hè), OLR giảm đáng kể do gió mùa Tây Nam mang mây và mưa nhiều. Từ tháng 10-4 (mùa đông), OLR tăng do gió mùa Đông Bắc khô và sạch. Hệ số tương quan âm mạnh giữa OLR và lượng mưa (từ -0.7 đến -0.9) chứng minh mối quan hệ chặt chẽ này, hỗ trợ việc dự báo mưa chính xác hơn.

III. Ảnh hưởng El Niño đến bức xạ sóng dài và lượng mưa

Giai đoạn El Niño gây ra những thay đổi đáng kể trong phân bố OLR trên khu vực Việt Nam. Các nghiên cứu cho thấy OLR tăng cao hơn bình thường (giá trị dương) trong giai đoạn El Niño, biểu hiện sự giảm hoạt động mây và lượng mưa suy giảm. Điều này đặc biệt đúng với khu vực Nam Bộ và Biển Đông, nơi chuẩn sai OLR dương mạnh. Lượng mưa giảm từ 5-20% so với bình thường tùy vào khu vực và giai đoạn El Niño. Sự suy giảm này có tác động tiêu cực lớn đến nông nghiệp, thủy điện, và cung cấp nước ngọt ở Việt Nam, gây ra tình trạng hạn hán kéo dài.

3.1. Chuẩn sai OLR và lượng mưa trong giai đoạn El Niño

Chuẩn sai OLR (∆OLR) dương cao trong giai đoạn El Niño cho thấy sự lệch khỏi bình thường rõ rệt. Khu vực Trung Bộ và Nam Bộ chịu tác động mạnh mẽ nhất với ∆OLR dương từ +5 đến +15 W/m². Tương ứng, chuẩn sai lượng mưa âm (-20% đến -30%) cho thấy lượng mưa giảm đáng kể. Hệ số tương quan âm mạnh (từ -0.6 đến -0.8) giữa ∆OLR và ∆mưa xác nhận mối liên hệ chặt chẽ, giúp dự báo hạn hán sớm.

3.2. Thời gian xuất hiện hạn hán liên quan El Niño

Hạn hán thường xuất hiện 늦6-9 tháng sau khi El Niño bắt đầu, phản ánh độ trễ thời gian của tác động khí hậu. Các sự kiện El Niño mạnh (1997-1998, 2015-2016) gây ra hạn hán nghiêm trọng ở Trung bộ Việt Nam. Những sự kiện này làm giảm lượng nước hồ thủy điện, ảnh hưởng đến phát điện và tưới tiêu. Việc hiểu chu kỳ ENSO giúp dự báo sớm và chuẩn bị ứng phó hiệu quả hơn.

IV. Ảnh hưởng La Niña đến bức xạ sóng dài và lượng mưa

La Niña, giai đoạn lạnh của ENSO, tạo ra tác động ngược lại so với El Niño. Trong giai đoạn này, OLR giảm đáng kể (giá trị âm), phản ánh sự gia tăng hoạt động mây và lượng mưa cao. Chuẩn sai OLR âm (-5 đến -15 W/m²) kèm theo chuẩn sai lượng mưa dương (+20% đến +40%) chứng tỏ mưa dư thừa trong giai đoạn này. Các sự kiện La Niña mạnh (1988-1989, 1998-1999, 2010-2011) thường gây mưa lũ và ngập lụt ở nhiều khu vực, đặc biệt là Mekong Delta và Bắc Bộ. Sự gia tăng lượng mưa này, mặc dù tích cực cho nông nghiệp, nhưng nếu quá cao lại dẫn đến thiệt hại do lũ lụt.

4.1. Chuẩn sai OLR và lượng mưa trong giai đoạn La Niña

Chuẩn sai OLR âm mạnh (-10 đến -20 W/m²) trong La Niña cho thấy sự tăng cường hoạt động mây đáng kể. Khu vực Bắc Bộ và Biển Đông chịu ảnh hưởng lớn với lượng mưa tăng 30-50% so với bình thường. Hệ số tương quan âm rất mạnh (từ -0.7 đến -0.9) giữa ∆OLR và ∆mưa xác định mối liên hệ chặt chẽ. Tăng cường hoàn lưu Walker trong La Niña tạo điều kiện cho gió mùa mạnh hơn bình thường.

4.2. Ảnh hưởng của La Niña đến lũ lụt và quản lý nước

Mưa dư thừa trong La Niña gây lũ lụt ở Trung Bộ, Biển Đông, và đồng bằng sông Cửu Long. Những sự kiện La Niña mạnh yêu cầu chiến lược quản lý nước khác, bao gồm xả nước từ hồ chứa và chuẩn bị ứng phó lũ. Dự báo La Niña sớm cho phép các cơ quan chức năng chuẩn bị công tác phòng chống lũ tốt hơn, bảo vệ đầu tư nông nghiệp và an toàn cộng đồng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Trong chương này giới thiệu khái quát về bức xạ sóng dài, phương pháp tính toán bức xạ sóng dài, các công trình nghiên cứu ngoài nước và trong nước về bức xạ sóng dài, bức xạ sóng dài trong ENSO và những điều rút ra từ các công trình nghiên cứu đó.  Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu Trong chương này, trình bày phương pháp xác định các khu vực OLR ở Việt Nam và phụ cận, phương pháp xác định các chu trình ENSO, lựa lưới trạm lượng mưa tiêu biểu cho các vùng khí hậu ở Việt Nam, các phương pháp tính toán các đặc trưng thống kê phục vụ nghiên cứu luận văn và các nguồn số liệu cần thu thập.  Chương 3: Bức xạ sóng dài trong điều kiện chung, điều kiện ENSO và quan hệ với lượng mưa Trong chương này, trình bày các kết quả thu nhận được về phân bố không gian và diễn biến thời gian của bức xạ sóng dài trong điều kiện chung, phân bố OLR và chuẩn sai OLR trong các chu trình El Nino, chu trình La Nina, quan hệ giữa biến trình OLR với biến trình lượng mưa trên các vùng khí hậu và quan hệ giữa chuẩn sai OLR với 1 chuẩn sai lượng mưa các trạm tiêu biểu trong điều kiện EL Nino và La Nina. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.

Tổng quan về các vấn đề liên quan đến bức xạ sóng dài 1. Lý thuyết bức xạ sóng dài và phướng pháp tính toán a. Định nghĩa bức xạ sóng dài Trái đất và khí quyển nhận được nguồn bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời dưới dạng trực xạ và tán xạ và phản xạ đi một phần bức xạ sóng ngắn đến từ mặt trời đồng thời phát ra một lượng bức xạ sóng dài, được gọi chung là bức xạ sóng dài đi ra, viết tắt là bức xạ sóng dài, kí hiệu là OLR (outgoing longwave radiation).1:Phát xạ sóng dài và hấp thụ sóng ngắn trong khí quyển Bên cạnh bức xạ sóng ngắn của Mặt Trời, bức xạ sóng dài của OLR với bước sóng λ>4μm, do mặt đất và khí quyển liên tục phát ra cũng đóng góp vai trò hết sức quan trọng. Nếu trực xạ và tán xạ hầu như là nguồn nhiệt duy nhất đến Trái Đất thì OLR là nguyên nhân mất nhiệt của Trái Đất vào không gian vũ trụ.

Ngoài ra, OLR còn dẫn đến sự trao đổi nhiệt giữa mặt đất và khí quyển. Cách tính OLR Phương pháp tính toán thông lượng bức xạ sóng dài bao gồm 2 phần chính sau đây. Thông lượng bức xạ sóng dài trong điều kiện quang mây Trong điều kiện quang mây, thông lượng bức xạ hướng xuống tại độ cao Z được xác định b ng: ( ) ( ) ∫ [ ] ( ) [ ] (1.1) Thông lượng mức xạ hướng lên được xác định b ng 3 ( ) ( ) ∫ [ ] (1.2) Trong đó: : Nhiệt độ tại giới hạn trên của khí quyển : Nhiệt độ mặt đất : Hàm lượng ẩm trong cột khí quyển từ mặt đất đến đỉnh : Hàm lượng ẩm tại độ cao bất kỳ Suất xuyên thấu ( ) = : Thông lượng bức xạ vật đen Như vậy thông lượng bức xạ sóng dài trong điều kiện quang mây là = - (1.3) Thông lượng bức xạ trong điều kiện có mây Giả sử vùng khí quyển chia làm 3 loại: trên (H), giữa là (M), dưới là (L) thì lượng suất suy giảm bức xạ của chúng lần lượt là ,. Lấy = 0,5 còn = = 1 Khi đó thông lượng bức xạ sóng dài trong từng loại mây là: =F* (1.4) Gọi hiệu suất ngăn cản bức xạ sóng dài của từng loại mây ( ) là , thì ∑ (1.5) Từ đó ta tính được thông lượng bức xạ sóng dài thực tế là: ∑ (1.7) Và do đó khi Z là đỉnh tầng khí quyển, trở thành OLR (1.

Tổng quan các công trình nghiên cứu có liên quan đến OLR a. Nghiên cứu trên thế giới Trước những năm 1980, nghiên cứu OLR chủ yếu nh m mục đích phục vụ nghiên cứu khí hậu. Tuy nhiên 30 năm trở lại đây khi số liệu tái phân tích phổ biến thì nghiên cứu OLR để dự báo mưa đã được tiến hành rộng rãi. Nhiều nhà dự báo đã sử dụng OLR trên ô lưới để phân tích, dự báo mưa.

Năm 1988, tác giả Kousky, Vernon và cộng sự trong công trình nghiên cứu “ Chế độ bức xạ sóng dài 5 ngày trên vùng Nam Mỹ” đã xác định thời kỳ bắt đầu và kết thúc mùa mưa trên khu vực Nam Mỹ căn cứ vào chỉ số OLR. Các tác giả cho r ng, với OLR <240W/m2 thì mùa mưa bắt đầu hoạt động, còn khi OLR > 240W/m 2 thì mùa mưa trên khu vực Nam Mỹ kết thúc [18]. Năm 1999, trong báo cáo đặc biệt “Diễn giải khoa học kỹ thuật sự kiện El Nino 1997 – 1998” của Tổ chức khí tượng thế giới (WMO), tổ chức văn hóa, khoa học giáo dục Liên hợp quốc (UNESCO), Chương trình môi trường liên hợp quốc (UNEP) và Hội đồng khoa học quốc tế (ISCU) đã chỉ rõ mối quan hệ ngược chiều giữa OLR khu vực xích đạo trung tâm Thái Bình Dương (120W – 170W), Đông Thái Bình Dương (60W – 120W) với lượng mưa khu vực bờ biển Equador trong thời gian 1997 – 1998 [12]. Năm 2000, Prasad và cộng sự với công trình nghiên cứu “Dự báo lượng mưa mùa hè ở Ấn Độ b ng bức xạ sóng dài trên Ấn Độ Dương” đã sử dụng OLR trên Ấn Độ Dương (30°N-30°S và 40°E-100°E) giai đoạn từ 1974-1996 để phân tích mối quan hệ với lượng mưa trong gió mùa mùa hè.

Nhóm nghiên cứu cho r ng, OLR trên khu vực vịnh Bengal (gần 22,5°N và 92,5°E) và phía nam Ấn Độ Dương (gần 30°S và 97,5°E) có liên quan đến lượng mưa gió mùa mùa hè. Ngoài ra, các tác giả cũng đặc biệt nhấn mạnh mối quan hệ mạnh mẽ giữa OLR với lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ [22]. Năm 2001, trong công trình nghiên cứu “Chẩn đoán về biến động ngoại mùa của gió mùa châu ”, nhóm tác giả Annmalai, Slingo đã tính toán sự khác nhau của hai quy mô biến đổi của OLR chủ yếu trong mùa, 10-20 ngày và 30-60 ngày. Phân tích tổng hợp số liệu OLR trên lãnh thổ Ấn Độ cho thấy trong giai đoạn hoạt động mạnh của gió mùa, đối lưu được tăng cường đáng kể trong lục địa Ấn Độ, mở rộng trên vịnh Bengal [23].

Năm 2002, Tác giả John L và cộng sự đã công bố công trình nghiên cứu “Mối quan hệ giữa nguồn nhiệt khu vực xích đạo nhiệt đới Đông Nam với hiện tượng ENSO”. Trong nghiên cứu này, các tác giả cho r ng OLR có mối quan hệ rõ ràng với dao động Nam. Trong đó, OLR của khu vực có tương quan rõ ràng nhất với chỉ số SOI vào mùa đông. Các tác giả cũng chỉ ra r ng, khi OLR giảm thì lượng mưa trên khu vực nghiên cứu tăng và ngược lại [17].

Năm 2003, trong công trình “Tổng quan các nghiên cứu gần đúng về biến động trong mùa và dự báo” của Waliser, các tác giả đã sử dụng chuẩn sai OLR và quan hệ giữa OLR với lượng mưa để dự báo mưa ở Ấn Độ [25].D và cộng sự với công trình nghiên cứu “Bức xạ sóng dài trên vùng nhiệt đới Thái Bình Dương, Đại Tây Dương và lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ” đã xây dựng mối quan hệ giữa OLR các vùng nói trên với lượng mưa gió mùa mùa hè Ấn Độ trong thời kỳ từ tháng VI đến tháng IX. Kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả đã chỉ ra r ng, OLR có thể sử dụng trong dự báo mưa trong mùa mưa [7]. Năm 2004, nhà khoa học Ấn Độ C.Singh đã chỉ ra các chu kỳ mưa giữa các năm hạn và lũ lụt của mùa gió mùa ở vùng Ấn Độ có tương quan lớn đến bức xạ sóng dài (OLR) [10]. Năm 2004, theo nghiên cứu của Gu Lei và Huang Ronghui (Trung Quốc), các khu vực có bức xạ sóng dài dưới 230W m2 thì thể hiện đối lưu mạnh nhất trong dải mưa trong gió mùa [13].

Năm 2004, trong nghiên cứu của mình, các nhà khoa học Nhật Bản Jeyasu Takimoto và Jun Matsumoto đã dựa vào OLR trên khu vực phía Tây Nhật Bản để chỉ ra r ng khi bức xạ sóng dài đạt tới 230W m2 và duy trì khoảng giá trị này trong thời gian 10 ngày thì mùa Baiu hình thành và tiếp tục phát triển [16].V Carvalho và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Các pha đối nghịch trong dao động ở Nam Cực và quan hệ với hoạt động mùa và trên mùa trong vùng nhiệt đới trong mùa hè ở Úc” đã sử dụng SST, gió ở mực 200 hPa và OLR để đánh giá hoạt động của dao động Nam. Thông qua kết quả nghiên cứu, các tác giả khẳng định mối quan hệ giữa dao động Madden Julian (MJO) với mưa thời kỳ gió mùa tăng cường trên các khu vực ngoại nhiệt đới của Nam bán cầu [19]. Năm 2005, tác giả Mathiew Barlow và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Mô hình hóa lượng mưa ngày ở Tây Nam b ng dao động Madden-Julian” cho r ng chỉ số MJO ở phía đông Ấn Độ Dương có ảnh hưởng đáng kể đến lượng mưa khu vực Tây Á [20]. Gonzalez và cộng sự với công trình nghiên cứu “Đặc tính của thời kỳ bắt đầu mưa ở Nam Mỹ” đã xây dựng mối quan hệ giữa OLR với lượng mưa ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới khu vực Nam Mỹ để mô tả thời kỳ bắt đầu gió mùa mùa hè.

Kết quả cho thấy, OLR có quan hệ chặt chẽ với lượng mưa và sự tiến triển của hoạt động đối lưu [21]. Năm 2008, tác giả Bernard Fontaine và cộng sự trong công trình nghiên cứu “Xác định khả năng dự báo OLR dựa trên thời kỳ bắt đầu gió mùa Tây Phi” được đăng trên tạp chí "International Journal of Climatology” đã sử dụng chỉ số OLR giai đoạn 1979- 2004 để thử nghiệm dự báo chế độ mưa thời kỳ bắt đầu mùa mưa. Kết quả nghiên cứu cho r ng, sử dụng chỉ tiêu OLR thấp hơn 180 W/m2 cho phép xác định tốt hơn ngày bắt đầu mùa mưa [8]. Năm 2010, trong công trình “ p lực đa chiều của cao nguyên Tây Tạng và tác động đến khí hậu” của Gouxiong, Toshio Koike, Yimin Liu và Kenji Taniguchi, các tác giả đã sử dụng OLR để nghiên cứu dao động theo mùa của mây trên phần phía Đông 6 của cao 7 nguyên Tây Tạng cũng như mặt cắt thảng đứng của khí quyển và điều kiện ẩm sản sinh mây [14].

Cũng trong năm 2010, OLR cũng được đề cập trong công trình “Hệ thống gió mùa Nam Mỹ” của Brant Liebmann và C.