Tổng quan nghiên cứu

Dao động Madden – Julian (MJO) là một hiện tượng dao động nội mùa trong khu vực nhiệt đới, có chu kỳ khoảng 30–90 ngày, ảnh hưởng sâu rộng đến các yếu tố khí tượng như lượng mưa, gió và nhiệt độ mặt nước biển. Ở Việt Nam, các đợt mưa lớn diện rộng thường gây ra thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản, đặc biệt khi kéo dài nhiều ngày. MJO được xem là một trong những nhân tố quan trọng tác động đến sự biến đổi lượng mưa nội mùa, tuy nhiên mối liên hệ cụ thể giữa hoạt động của MJO và các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam vẫn chưa được nghiên cứu sâu sắc và toàn diện.

Mục tiêu nghiên cứu nhằm xác định đặc điểm hoạt động của MJO trên khu vực Việt Nam trong giai đoạn 1981–2013, đồng thời khảo sát mối liên hệ giữa các pha hoạt động mạnh của MJO với tần suất, phân bố khu vực và hình thế thời tiết gây ra các đợt mưa lớn diện rộng trên cả nước. Nghiên cứu sử dụng các bộ số liệu tái phân tích khí tượng toàn cầu và số liệu quan trắc mưa lớn diện rộng tại Việt Nam, tập trung phân tích các đợt mưa lớn từ năm 2000 đến 2013.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho dự báo mưa lớn nội mùa, góp phần nâng cao hiệu quả công tác phòng chống thiên tai và quản lý tài nguyên nước. Kết quả nghiên cứu cũng giúp làm rõ vai trò của MJO trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa phức tạp của Việt Nam, từ đó hỗ trợ các nhà khí tượng thủy văn trong việc dự báo và cảnh báo sớm các hiện tượng thời tiết cực đoan.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính về dao động Madden – Julian và ảnh hưởng của nó đến lượng mưa nội mùa:

  1. Lý thuyết dao động Madden – Julian (MJO): MJO là dao động nội mùa lan truyền theo hướng đông với chu kỳ 30–90 ngày, đặc trưng bởi sự tăng cường và suy giảm đối lưu liên tục trên khu vực nhiệt đới. MJO ảnh hưởng đến các trường khí áp, gió tầng thấp (850hPa) và tầng cao (200hPa), cũng như phát xạ sóng dài (OLR). Chu kỳ và pha hoạt động của MJO được xác định qua bộ chỉ số đa biến thời gian thực RMM (Real-time Multivariate MJO) và phương pháp phân tích trực giao các trường khí tượng.

  2. Mối liên hệ giữa MJO và lượng mưa: Các nghiên cứu trước đây cho thấy MJO có ảnh hưởng rõ rệt đến lượng mưa nội mùa, đặc biệt là các đợt mưa lớn và cực đoan ở các khu vực nhiệt đới như Úc, Đông Nam Á và Trung Quốc. MJO tác động đến sự hình thành và hoạt động của các hình thế thời tiết gây mưa như xoáy thuận nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), không khí lạnh và nhiễu động gió đông.

Các khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Chỉ số RMM: Bộ chỉ số xác định pha và cường độ hoạt động của MJO dựa trên phân tích các trường OLR, gió tầng thấp và tầng cao.
  • Phân tích trực giao (EOF): Phương pháp thống kê để tách các thành phần dao động chính trong dữ liệu khí tượng, giúp xác định các thành phần chính PC1 và PC2 đại diện cho hoạt động MJO.
  • Hình thế synop gây mưa: Các cấu trúc khí tượng như rãnh áp thấp, không khí lạnh, xoáy thuận nhiệt đới, dải hội tụ nhiệt đới, nhiễu động gió đông, gió Tây Nam, rãnh xích đạo và gió Đông Nam được phân loại để đánh giá nguyên nhân gây mưa lớn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Số liệu tái phân tích NCEP/NCAR (1981–2013): Bao gồm các biến khí áp bề mặt, gió kinh vĩ hướng tầng 850hPa và 200hPa với độ phân giải 2.5°.
  • Số liệu OLR từ NOAA (1974–2013): Dữ liệu phát xạ sóng dài đỉnh tầng khí quyển dùng để xác định hoạt động đối lưu liên quan đến MJO.
  • Dữ liệu mưa lớn diện rộng tại Việt Nam (2000–2013): Tổng hợp các đợt mưa lớn diện rộng được Trung tâm Khí tượng Thủy văn Trung ương tổng kết, bao gồm thời gian, khu vực, lượng mưa và hình thế gây mưa.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Xác định hoạt động MJO: Sử dụng bộ chỉ số RMM của Cơ quan Khí tượng Úc và phương pháp phân tích trực giao (ReCal) trên dữ liệu OLR, gió tầng thấp và cao để xác định pha và cường độ MJO.
  • Thống kê mối liên hệ: So sánh thời gian các đợt mưa lớn diện rộng với các ngày có MJO hoạt động mạnh (RMM > 1), phân tích tần suất xuất hiện mưa lớn theo từng pha MJO, khu vực và hình thế thời tiết gây mưa.
  • Phân chia khu vực: Việt Nam được chia thành 6 vùng lớn theo vĩ độ để phân tích phân bố mưa lớn liên quan đến MJO.
  • Phân loại hình thế synop: Các hình thế gây mưa được phân nhóm thành 8 loại dựa trên cơ chế và đặc điểm khí tượng, phục vụ cho việc đánh giá nguyên nhân gây mưa trong từng pha MJO.

Cỡ mẫu dữ liệu gồm hơn 9000 ngày có MJO hoạt động mạnh trong giai đoạn 1974–2016, trong đó dữ liệu mưa lớn diện rộng được thu thập chi tiết từ 2000 đến 2013. Phương pháp chọn mẫu dựa trên toàn bộ số liệu quan trắc và tái phân tích có sẵn, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy cao. Phân tích số liệu được thực hiện bằng các công cụ thống kê và lập bản đồ chuẩn sai trung bình nhằm minh họa sự biến đổi không gian – thời gian của MJO và mưa lớn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố hoạt động MJO theo pha:
    Số ngày MJO hoạt động mạnh phân bố tương đối đều trên 8 pha, với pha 5 chiếm tỷ lệ cao nhất khoảng 13.5%, pha 8 thấp nhất khoảng 11.5%. Bộ chỉ số ReCal cho thấy sự giảm số ngày MJO ở pha 2 khoảng 139 ngày so với RMM, trong khi pha 4, 6 và 8 tăng lên, phản ánh sự khác biệt trong cách xác định hoạt động MJO (Hình 12, 13).

  2. Tần suất mưa lớn liên quan đến MJO:
    Trong giai đoạn 2000–2013, có khoảng 13 đợt mưa lớn diện rộng diễn ra trong thời gian MJO hoạt động mạnh năm 2010. Các đợt mưa lớn thường xuất hiện từ tháng 5 đến tháng 12, ít xảy ra trong 4 tháng đầu năm. Tần suất mưa lớn phân bố không đồng đều theo pha MJO, với các pha 4, 5 và 6 có số đợt mưa lớn nhiều hơn, chiếm trên 50% tổng số đợt mưa lớn trong giai đoạn nghiên cứu.

  3. Phân bố mưa lớn theo khu vực:
    Các đợt mưa lớn diện rộng thường xảy ra ở khu vực Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ và Trung Trung Bộ, chiếm tỷ lệ lớn nhất. Vùng Nam Trung Bộ, Tây Nguyên và Nam Bộ có số đợt mưa lớn ít hơn nhưng vẫn có sự xuất hiện rõ ràng trong các pha MJO hoạt động mạnh. Sự phân bố này phù hợp với đặc điểm địa hình và khí hậu gió mùa của Việt Nam.

  4. Hình thế thời tiết gây mưa lớn:
    Các hình thế gây mưa lớn phổ biến gồm rãnh áp thấp bị nén, dải hội tụ nhiệt đới (ITCZ), không khí lạnh kết hợp với rãnh áp thấp, và xoáy thuận nhiệt đới. Trong các pha MJO hoạt động mạnh, hình thế liên quan đến rãnh áp thấp và ITCZ xuất hiện nhiều nhất, chiếm trên 60% các đợt mưa lớn. Xoáy thuận nhiệt đới cũng có sự xuất hiện rõ rệt, đặc biệt trong các pha 4 và 5.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy MJO có ảnh hưởng rõ rệt đến sự xuất hiện và phân bố các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam, đặc biệt trong các pha hoạt động mạnh của MJO. Sự lan truyền theo hướng đông của MJO tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển và duy trì các hình thế thời tiết gây mưa lớn như rãnh áp thấp và ITCZ. Các pha MJO tương ứng với vị trí vùng tăng cường đối lưu trên khu vực Lục địa biển và Tây Thái Bình Dương có mối liên hệ mật thiết với các đợt mưa lớn ở miền Trung và Bắc Bộ.

So sánh với các nghiên cứu ở khu vực Đông Nam Á và Trung Quốc, kết quả nghiên cứu phù hợp với nhận định rằng MJO điều chỉnh hoạt động của các hình thế gây mưa và ảnh hưởng đến lượng mưa nội mùa. Sự khác biệt trong số ngày MJO hoạt động giữa bộ chỉ số RMM và ReCal phản ánh tính nhạy bén của phương pháp phân tích và ảnh hưởng đến việc xác định chính xác thời điểm hoạt động của MJO.

Việc phân tích bản đồ chuẩn sai trung bình các trường khí áp và gió tầng thấp trong các pha MJO cũng minh họa rõ sự biến đổi không gian của các hình thế thời tiết gây mưa, hỗ trợ cho việc dự báo mưa lớn nội mùa. Các biểu đồ và bảng số liệu trong nghiên cứu cung cấp bằng chứng định lượng cho mối liên hệ này, giúp nâng cao độ chính xác trong dự báo khí tượng thủy văn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống dự báo mưa lớn nội mùa dựa trên chỉ số MJO:
    Áp dụng bộ chỉ số RMM và phương pháp phân tích trực giao để theo dõi hoạt động MJO, kết hợp với dữ liệu mưa quan trắc để dự báo sớm các đợt mưa lớn diện rộng. Mục tiêu nâng cao độ chính xác dự báo trong vòng 1–2 tuần, thực hiện bởi Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương.

  2. Phát triển bản đồ cảnh báo mưa lớn theo pha MJO và khu vực:
    Thiết lập bản đồ phân bố mưa lớn theo từng pha MJO và vùng địa lý, giúp các cơ quan quản lý và địa phương chủ động trong công tác phòng chống thiên tai. Thời gian triển khai trong 1–2 năm, phối hợp giữa các viện nghiên cứu khí tượng và các đơn vị địa phương.

  3. Tăng cường nghiên cứu về ảnh hưởng phối hợp của MJO với các hình thế thời tiết khác:
    Nghiên cứu sâu hơn về sự tương tác giữa MJO, không khí lạnh, xoáy thuận nhiệt đới và các nhiễu động gió đông để hiểu rõ cơ chế gây mưa lớn phức tạp tại Việt Nam. Thực hiện trong 3–5 năm bởi các viện nghiên cứu khí tượng và trường đại học.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ dự báo:
    Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phân tích MJO và ứng dụng trong dự báo mưa lớn cho cán bộ dự báo khí tượng thủy văn. Mục tiêu nâng cao năng lực dự báo nội mùa trong vòng 1 năm, do Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà khí tượng thủy văn và dự báo thời tiết:
    Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại giúp nâng cao độ chính xác dự báo mưa lớn nội mùa, hỗ trợ công tác cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại thiên tai.

  2. Các nhà nghiên cứu khí hậu và biến đổi khí hậu:
    Nghiên cứu chi tiết về dao động MJO và ảnh hưởng đến lượng mưa giúp hiểu rõ hơn về các yếu tố khí hậu nội mùa, phục vụ cho các nghiên cứu về biến đổi khí hậu và mô hình khí hậu khu vực.

  3. Cơ quan quản lý thiên tai và phòng chống lụt bão:
    Thông tin về mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn diện rộng hỗ trợ xây dựng các kế hoạch ứng phó thiên tai hiệu quả, đặc biệt trong việc dự báo và chuẩn bị cho các đợt mưa lớn kéo dài.

  4. Các trường đại học và sinh viên chuyên ngành khí tượng, thủy văn:
    Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp phân tích dữ liệu khí tượng, ứng dụng phân tích trực giao và chỉ số MJO, giúp nâng cao kiến thức và kỹ năng nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. MJO là gì và tại sao nó quan trọng đối với khí hậu Việt Nam?
    MJO là dao động nội mùa lan truyền theo hướng đông trong vùng nhiệt đới, ảnh hưởng đến lượng mưa và gió. Ở Việt Nam, MJO tác động đến các đợt mưa lớn diện rộng, giúp dự báo sớm các hiện tượng thời tiết cực đoan.

  2. Bộ chỉ số RMM được sử dụng như thế nào để xác định hoạt động của MJO?
    RMM dựa trên phân tích trực giao các trường OLR và gió tầng thấp, cao để xác định pha và cường độ MJO. Giá trị RMM > 1 cho biết MJO hoạt động mạnh, giúp theo dõi và dự báo dao động này.

  3. Mối liên hệ giữa MJO và các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam được thể hiện ra sao?
    Các đợt mưa lớn thường xuất hiện trong các pha hoạt động mạnh của MJO, đặc biệt là pha 4, 5 và 6. MJO ảnh hưởng đến sự hình thành các hình thế thời tiết gây mưa như rãnh áp thấp và ITCZ.

  4. Phân tích trực giao (EOF) có vai trò gì trong nghiên cứu này?
    Phân tích trực giao giúp tách các thành phần dao động chính trong dữ liệu khí tượng, xác định các chỉ số PC1 và PC2 đại diện cho hoạt động MJO, từ đó phân tích mối liên hệ với mưa lớn.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào dự báo khí tượng thủy văn?
    Kết quả giúp xây dựng hệ thống dự báo mưa lớn nội mùa dựa trên theo dõi hoạt động MJO, kết hợp với phân tích hình thế thời tiết gây mưa, nâng cao khả năng cảnh báo sớm và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

Kết luận

  • MJO là dao động nội mùa quan trọng ảnh hưởng đến lượng mưa lớn diện rộng ở Việt Nam, đặc biệt trong các pha hoạt động mạnh.
  • Bộ chỉ số RMM và phương pháp phân tích trực giao (ReCal) là công cụ hiệu quả để xác định pha và cường độ MJO, hỗ trợ nghiên cứu và dự báo.
  • Các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam phân bố không đồng đều theo pha MJO và khu vực địa lý, chủ yếu liên quan đến các hình thế thời tiết như rãnh áp thấp, ITCZ và xoáy thuận nhiệt đới.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống dự báo mưa lớn nội mùa, góp phần nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển bản đồ cảnh báo mưa lớn theo pha MJO, đào tạo cán bộ dự báo và nghiên cứu sâu hơn về tương tác giữa MJO và các hình thế thời tiết khác.

Hành động tiếp theo là áp dụng kết quả nghiên cứu vào hệ thống dự báo khí tượng thủy văn quốc gia, đồng thời mở rộng nghiên cứu để nâng cao khả năng dự báo và cảnh báo sớm các hiện tượng thời tiết cực đoan tại Việt Nam.