Luận văn: Dao động Madden – Julian và mối liên hệ với mưa lớn ở Việt Nam - Đỗ Thùy Trang

Luận văn thạc sĩ phân tích dao động Madden-Julian và mối liên hệ với hiện tượng mưa lớn tại Việt Nam, cung cấp cái nhìn sâu sắc về khí hậu.

• Tác giả: Đỗ Thùy Trang
• Người hướng dẫn: PGS. Ngô Đức Thành
• Trường học: Trường Đại Học Khoa Học Tự Nhiên – Đại Học Quốc Gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Khí Tượng và Khí Hậu Học
• Đề tài: Dao Động Madden – Julian Và Mối Liên Hệ Với Mưa Lớn Ở Việt Nam
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG MADDEN – JULIAN
• 1.1. Dao động Madden – Julian
• 1.2. Sự phát hiện và nghiên cứu ban đầu về MJO
• 1.3. Các đặc trưng cơ bản của MJO
• 1.4. Chỉ số đa biến thời gian thực RMM (Real­time Multivariate MJO)
• 1.5. Một số nghiên cứu về MJO và về ảnh hưởng của MJO đến lượng mưa
• 2. CHƯƠNG 2: SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH
• 2.1. Nguồn số liệu
• 2.2. Số liệu tái phân tích NCEP/NCAR
• 2.3. Số liệu quan trắc phát xạ sóng dài đỉnh tầng khí quyển (OLR)
• 2.4. Các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam
• 2.5. Bộ chỉ số RMM của Cơ quan Khí tượng Úc
• 2.6. Xác định hoạt động của MJO
• 2.7. Thống kê các đợt mưa lớn diện rộng ở Việt Nam trong thời gian có MJO
• 2.8. Sự xuất hiện trong các pha hoạt động của MJO
• 2.9. Sự xuất hiện trong các pha theo từng khu vực trên cả nước
• 2.10. Sự xuất hiện trong các pha theo từng hình thế thời tiết gây mưa
• 3. CHƯƠNG 3: MỐI LIÊN HỆ CỦA MJO VỚI MƯA LỚN Ở KHU VỰC VIỆT NAM
• 3.1. Kết quả trong việc xác định hoạt động của MJO
• 3.2. Hoạt động của MJO trên khu vực Việt Nam
• 3.3. Xem xét mối liên hệ của MJO với mưa lớn diện rộng ở Việt Nam
• 3.4. Phân bố các đợt mưa lớn trong từng pha MJO
• 3.5. Phân bố các đợt mưa lớn ở từng khu vực trên cả nước
• 3.6. Phân bố các đợt mưa lớn theo nguyên nhân gây mưa
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về dao động Madden Julian và mưa lớn ở Việt Nam

Dao động Madden-Julian (MJO) là một hiện tượng khí tượng quan trọng, ảnh hưởng đến thời tiết và khí hậu ở nhiều khu vực, bao gồm cả Việt Nam. MJO có chu kỳ khoảng 30-90 ngày và thường liên quan đến sự thay đổi trong lượng mưa. Ở Việt Nam, mưa lớn thường xảy ra trong các giai đoạn MJO hoạt động mạnh, gây ra nhiều hệ lụy như ngập lụt và sạt lở đất. Nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn giúp hiểu rõ hơn về các hiện tượng thời tiết cực đoan tại khu vực này.

1.1. Đặc điểm của dao động Madden Julian

MJO được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1971 và đã được nghiên cứu sâu rộng. Đặc điểm nổi bật của MJO là sự lan truyền theo hướng đông với tốc độ khoảng 5m/s. MJO có ảnh hưởng lớn đến lượng mưa, đặc biệt là trong mùa mưa ở Việt Nam. Các nghiên cứu cho thấy MJO có thể làm tăng cường lượng mưa trong các giai đoạn hoạt động mạnh.

1.2. Tác động của MJO đến thời tiết Việt Nam

MJO ảnh hưởng đến nhiều yếu tố thời tiết như lượng mây, gió và nhiệt độ. Sự thay đổi trong hoạt động của MJO có thể dẫn đến các hiện tượng thời tiết cực đoan như mưa lớn, gây ra ngập lụt và thiệt hại về tài sản. Việc hiểu rõ mối liên hệ này là rất quan trọng để dự báo thời tiết chính xác hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về MJO, nhưng việc xác định mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn ở Việt Nam vẫn gặp nhiều thách thức. Địa hình phức tạp và sự đa dạng của các hình thế thời tiết gây mưa là những yếu tố làm cho việc dự đoán lượng mưa trở nên khó khăn. Ngoài ra, sự biến đổi khí hậu cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động của MJO và lượng mưa.

2.1. Địa hình và ảnh hưởng đến mưa lớn

Địa hình Việt Nam rất đa dạng, từ núi cao đến đồng bằng, điều này ảnh hưởng lớn đến sự phân bố và cường độ của mưa. Các khu vực miền núi thường chịu ảnh hưởng mạnh mẽ từ các đợt mưa lớn, dẫn đến nguy cơ sạt lở đất. Việc nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn cần xem xét kỹ lưỡng các yếu tố địa hình.

2.2. Biến đổi khí hậu và tác động đến MJO

Biến đổi khí hậu đang làm thay đổi các mô hình thời tiết, trong đó có hoạt động của MJO. Nhiệt độ mặt nước biển tăng có thể làm thay đổi cường độ và tần suất của MJO, từ đó ảnh hưởng đến lượng mưa. Nghiên cứu cần phải cập nhật thường xuyên để theo kịp những thay đổi này.

III. Phương pháp nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn

Để nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn, các nhà khoa học thường sử dụng các phương pháp thống kê và mô hình hóa khí hậu. Việc thu thập dữ liệu từ các trạm quan trắc khí tượng và phân tích số liệu là rất quan trọng. Các chỉ số như RMM (Real-time Multivariate MJO) được sử dụng để xác định hoạt động của MJO và so sánh với dữ liệu mưa.

3.1. Sử dụng dữ liệu quan trắc khí tượng

Dữ liệu từ các trạm quan trắc khí tượng cung cấp thông tin quan trọng về lượng mưa và các yếu tố khí tượng khác. Việc phân tích dữ liệu này giúp xác định mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn. Các nghiên cứu thường sử dụng dữ liệu từ nhiều năm để có cái nhìn tổng quát hơn.

3.2. Mô hình hóa khí hậu để dự đoán mưa lớn

Mô hình hóa khí hậu là một công cụ hữu ích trong việc dự đoán lượng mưa dựa trên hoạt động của MJO. Các mô hình này giúp mô phỏng các điều kiện khí tượng và dự đoán các hiện tượng thời tiết cực đoan. Việc cải thiện độ chính xác của các mô hình này là rất cần thiết.

IV. Kết quả nghiên cứu mối liên hệ giữa MJO và mưa lớn ở Việt Nam

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có mối liên hệ rõ ràng giữa hoạt động của MJO và lượng mưa lớn ở Việt Nam. Các giai đoạn MJO hoạt động mạnh thường đi kèm với sự gia tăng lượng mưa, đặc biệt là trong mùa mưa. Kết quả này có thể giúp cải thiện dự báo thời tiết và giảm thiểu thiệt hại do mưa lớn gây ra.

4.1. Phân tích số liệu mưa lớn trong các giai đoạn MJO

Phân tích số liệu cho thấy rằng trong các giai đoạn MJO hoạt động mạnh, lượng mưa trung bình tăng lên đáng kể. Các khu vực miền Trung và miền Bắc thường chịu ảnh hưởng nhiều nhất từ các đợt mưa lớn này. Việc theo dõi hoạt động của MJO có thể giúp dự đoán chính xác hơn về lượng mưa.

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn

Kết quả nghiên cứu có thể được ứng dụng trong việc cải thiện hệ thống dự báo thời tiết. Các cơ quan khí tượng có thể sử dụng thông tin về MJO để đưa ra cảnh báo sớm về mưa lớn, từ đó giúp người dân chủ động hơn trong việc ứng phó với thiên tai.

V. Kết luận và triển vọng nghiên cứu về MJO và mưa lớn

Mối liên hệ giữa dao động Madden-Julian và mưa lớn ở Việt Nam là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng. Kết quả nghiên cứu hiện tại đã chỉ ra rằng MJO có ảnh hưởng lớn đến lượng mưa, nhưng vẫn cần nhiều nghiên cứu hơn để hiểu rõ hơn về cơ chế này. Triển vọng nghiên cứu trong tương lai có thể bao gồm việc áp dụng công nghệ mới và cải thiện mô hình dự báo.

5.1. Tầm quan trọng của nghiên cứu tiếp theo

Nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc xác định rõ hơn các cơ chế tác động của MJO đến mưa lớn. Việc này sẽ giúp cải thiện độ chính xác của các dự báo thời tiết và giảm thiểu thiệt hại do thiên tai.

5.2. Ứng dụng công nghệ mới trong nghiên cứu

Công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và học máy có thể được áp dụng để phân tích dữ liệu khí tượng và dự đoán mưa lớn. Việc kết hợp các công nghệ này với nghiên cứu về MJO sẽ mở ra nhiều cơ hội mới trong việc cải thiện dự báo thời tiết.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam nằm trọn trong khu vực nhiệt đới gió mùa châu Á, sở hữu đường bờ biển dài hơn 3.260 km và địa hình phức tạp, hàng năm phải gánh chịu từ 10 đến 15 đợt mưa lớn diện rộng cùng nhiều hình thái thời tiết cực đoan. Các đợt mưa lớn kéo dài thường gây ra ngập lụt nghiêm trọng tại các đô thị đồng bằng, lũ quét và sạt lở đất tại các vùng núi dốc, làm thiệt hại kinh tế ước tính hàng nghìn tỷ đồng mỗi năm. Vấn đề nghiên cứu cốt lõi được đặt ra là làm thế nào để nâng cao độ chính xác trong dự báo hạn vừa và hạn mở rộng đối với các đợt mưa lớn diện rộng, khi các mô hình thời tiết quy mô synop truyền thống thường gặp giới hạn về thời gian dự báo trước từ 3 đến 5 ngày.

Mục tiêu cụ thể của đề tài là khảo sát toàn diện quy luật hoạt động của dao động Madden – Julian, xác định các đặc trưng động lực học khí quyển và làm sáng tỏ mối liên hệ định lượng giữa 8 pha hoạt động của dao động này với tần suất, cường độ và phân bố không gian của các đợt mưa lớn diện rộng trên toàn lãnh thổ Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu về mặt không gian bao phủ dải vĩ độ từ 15°N đến 15°S trên quy mô toàn cầu đối với trường hoàn lưu khí quyển và 6 khu vực khí hậu trọng điểm của Việt Nam.

Về mặt thời gian, luận văn sử dụng chuỗi số liệu khí hậu toàn cầu kéo dài 42 năm từ năm 1974 đến năm 2016, cùng chuỗi quan trắc các đợt mưa lớn diện rộng chi tiết trong 14 năm từ năm 2000 đến năm 2013. Ý nghĩa thực tiễn của công trình thể hiện qua việc cung cấp các căn cứ khoa học giúp nâng cao năng lực cảnh báo sớm mưa lớn trước từ 10 đến 20 ngày, hỗ trợ giảm thiểu tối đa rủi ro thiên tai và tối ưu hóa quy trình điều tiết hồ chứa thủy điện, thủy lợi.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên lý thuyết dao động nội mùa nhiệt đới do hai nhà khoa học Roland Madden và Paul Julian phát hiện vào các năm 1971 và 1972. Dao động Madden – Julian là hiện tượng ghép đôi động lực học giữa hoàn lưu khí quyển quy mô lớn và hoạt động đối lưu nhiệt đới sâu, đặc trưng bởi chu kỳ biến động từ 30 đến 90 ngày, phổ biến nhất trong khoảng 40 đến 50 ngày. Hệ thống này có quy mô không gian theo phương ngang rộng từ 12.000 km đến 20.000 km, lan truyền có hệ thống từ tây sang đông dọc theo xích đạo với vận tốc trung bình khoảng 5 m/s, nhanh hơn tốc độ chuyển động của các khối mây riêng lẻ nhưng chậm hơn đáng kể so với sóng Kelvin tự do đạt từ 15 đến 17 m/s.

Khung mô hình nghiên cứu thứ hai được áp dụng là mô hình không gian pha hai chiều của Wheeler và Hendon công bố năm 2004. Mô hình này phân chia chu trình tiến triển của dao động thành 8 pha không gian tương ứng với vị trí tâm đối lưu tăng cường: pha 1 (Bán cầu Tây và châu Phi), pha 2 và 3 (Ấn Độ Dương), pha 4 và 5 (khu vực Lục địa biển), pha 6 và 7 (Tây Thái Bình Dương), pha 8 (tiến vào Tây Bán Cầu). Các khái niệm then chốt gồm: Phát xạ sóng dài đỉnh khí quyển OLR đo lường mức độ phát triển của mây đối lưu, trường gió vĩ hướng tầng đối lưu thấp tại mực 850 hPa, trường gió vĩ hướng tầng đối lưu trên tại mực 200 hPa, và chỉ số cường độ dao động tổng hợp RMM với ngưỡng hoạt động mạnh được xác lập khi giá trị vượt qua 1,0.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu đầu vào bao gồm: bộ số liệu tái phân tích hoàn lưu khí quyển toàn cầu từ Trung tâm Dự báo Môi trường Quốc gia Mỹ và Trung tâm Nghiên cứu Khí quyển Quốc gia Mỹ NCEP/NCAR trên lưới độ phân giải 2,5° x 2,5°; dữ liệu quan trắc phát xạ sóng dài OLR từ Cơ quan Quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia Mỹ NOAA từ năm 1981 đến năm 2013; chuỗi chỉ số RMM thực tế từ Cục Khí tượng Úc BoM gồm 9.299 ngày có dao động hoạt động mạnh giai đoạn 1974 – 2016; và tài liệu tổng kết các đợt mưa lớn diện rộng từ Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia giai đoạn 2000 – 2013. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hàng trăm đợt mưa lớn diện rộng được chọn mẫu toàn bộ theo tiêu chí chuẩn: mưa xảy ra trên 50% diện tích của một vùng địa lý và trùng khớp với những ngày có chỉ số dao động lớn hơn 1,0.

Phương pháp phân tích chủ đạo là phân tích hàm trực giao tự nhiên EOF kết hợp kỹ thuật lọc dải tần số Lanczos chu kỳ 20 đến 100 ngày với 201 trọng số, được lập trình tự động hóa thông qua ngôn ngữ NCL để tái tạo bộ chỉ số ReCal. Lý do lựa chọn phương pháp phân tích trực giao trên dữ liệu lọc dải tần là khả năng triệt tiêu triệt để các sóng nhiễu tần số cao dưới 10 ngày và khử dao động liên năm của chu kỳ ENSO, giúp hai vector riêng đầu tiên EOF1 và EOF2 nắm bắt trọn vẹn 43,2% tổng phương sai biến động của hoàn lưu nhiệt đới.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, nghiên cứu đã xác định quy luật phân bố số ngày hoạt động mạnh của dao động nội mùa. Thống kê 9.299 ngày trong chuỗi 1974 – 2016 của BoM cho thấy số ngày xuất hiện nhiều nhất ở pha 5 với tỷ lệ 13,53% và ít nhất ở pha 8 với tỷ lệ 11,53%. Khi so sánh với chuỗi chỉ số ReCal giai đoạn 1981 – 2013, hệ số tương quan giữa hai thành phần trực giao PC1-RMM1 và PC2-RMM2 đạt mức rất cao, dao động từ 0,717 đến 0,945 ở hầu hết các năm, khẳng định tính ổn định vượt trội của quy trình lọc dữ liệu.

Thứ hai, tần suất xuất hiện mưa lớn diện rộng tại Việt Nam có sự phụ thuộc mật thiết vào vị trí các pha. Trong giai đoạn 2000 – 2013, các đợt mưa lớn diện rộng tập trung với mật độ cao áp đảo khi dao động hoạt động tại pha 4, pha 5, pha 6 và pha 7, chiếm trên 68% tổng số đợt mưa lớn có dao động mạnh. Ngược lại, tại pha 1 và pha 8, tần suất xảy ra mưa lớn diện rộng suy giảm rõ rệt, chỉ chiếm khoảng 12% đến 15%.

Thứ ba, sự phân bố mưa lớn có tính phân hóa không gian và mùa vụ sâu sắc. Mưa lớn diện rộng có liên quan đến dao động xuất hiện chủ yếu từ tháng 5 đến tháng 12 hàng năm. Tại khu vực Trung Trung Bộ và Nam Trung Bộ, mưa lớn cực đoan đạt đỉnh vào các tháng 10 và 11 khi dao động ở pha 6 và 7. Điển hình như đợt mưa lịch sử từ ngày 12 đến ngày 19 tháng 10 năm 2010 tại Nghệ An và Quảng Bình ghi nhận lượng mưa tích lũy từ 500 mm đến 900 mm, diễn ra trùng khớp với thời điểm dao động ở pha 6 có cường độ RMM đạt mức 1,84.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý dẫn đến sự gia tăng đột biến của lượng mưa tại Việt Nam bắt nguồn từ sự dịch chuyển của vùng hội tụ ẩm và chuyển động thẳng đứng. Khi tâm đối lưu của dao động di chuyển qua khu vực Lục địa biển ở pha 4 và 5, đới gió tây nam tầng thấp tại mực 850 hPa được tăng cường mạnh mẽ, vận chuyển khối lượng hơi nước khổng lồ từ Ấn Độ Dương vào Nam Bộ và Tây Nguyên. Khi dao động tiến sang Tây Thái Bình Dương ở pha 6 và 7, trường chuẩn sai khí áp bề mặt chuyển sang giá trị âm, kích hoạt rãnh áp thấp và tạo điều kiện thuận lợi cho các xoáy thuận nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh tràn xuống từ phía bắc, gây mưa cực đoan kéo dài tại miền Trung.

Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các công bố quốc tế của Wheeler và Hendon năm 2009 tại khu vực châu Úc cũng như Zhang năm 2009 tại khu vực Đông Nam Trung Quốc, đồng thời bổ sung bằng chứng thực nghiệm quan trọng về ảnh hưởng của hiệu ứng địa hình chắn gió dãy Trường Sơn tại Việt Nam. Về mặt trình bày dữ liệu, các kết quả nghiên cứu có thể được trực quan hóa tối ưu thông qua biểu đồ không gian trạng thái hai chiều giữa PC1 và PC2 mô tả quỹ đạo ngược chiều kim đồng hồ của dao động, biểu đồ cột so sánh tần suất mưa theo 8 pha, và bản đồ trường chuẩn sai khí áp mực biển với các đường đẳng trị cách nhau 20 hPa kết hợp vector gió tầng 850 hPa để hiển thị rõ các tâm xoáy quy mô hành tinh.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp module giám sát và dự báo chỉ số pha RMM và ReCal thời gian thực vào quy trình nghiệp vụ của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Hành động cụ thể là xây dựng công cụ giải đoán tự động tích hợp trong các mô hình dự báo số trị toàn cầu, hướng đến mục tiêu nâng cao hạn dự báo các đợt mưa lớn diện rộng từ 3 ngày lên từ 10 đến 15 ngày, thực hiện lộ trình áp dụng thử nghiệm và chuẩn hóa trong giai đoạn 2026 – 2027.

Thứ hai, cập nhật quy trình vận hành liên hồ chứa trên các lưu vực sông trọng điểm miền Trung như sông Mã, sông Vu Gia – Thu Bồn và sông Ba. Cơ quan chủ trì là Bộ Tài nguyên và Môi trường phối hợp cùng Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn cùng Tập đoàn Điện lực Việt Nam, áp dụng chỉ số cảnh báo pha 6 và 7 để chủ động hạ dung tích đón lũ trước từ 7 đến 10 ngày, hướng đến mục tiêu giảm thiểu 25% nguy cơ ngập lụt vùng hạ du và nâng cao hiệu quả tích nước phát điện trong giai đoạn 2026 – 2028.

Thứ ba, xây dựng cẩm nang chỉ dẫn ứng phó thiên tai chuyên biệt dựa trên chu kỳ nội mùa cho Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng, chống Thiên tai. Giải pháp này giúp các địa phương từ Thanh Hóa đến Bình Định chủ động rà soát các điểm có nguy cơ lũ quét, sạt lở đất ngay khi nhận bản tin dao động bước vào pha kích hoạt đối lưu, đặt mục tiêu giảm thiểu ít nhất 20% thiệt hại về người và tài sản trong mùa mưa bão, hoàn thành ban hành tài liệu trong năm 2026.

Thứ tư, thiết lập cơ sở dữ liệu mở về 8 dạng hình thế synop kết hợp dao động nội mùa phục vụ nghiên cứu và đào tạo đại học. Trường Đại học Khoa học Tự nhiên phối hợp cùng Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu chủ trì triển khai nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu ứng dụng cho cán bộ khí tượng trẻ, thời gian thực hiện liên tục từ năm 2026 đến năm 2029.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm dự báo viên và chuyên viên khí tượng thủy văn tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia và các Đài Khí tượng Thủy văn khu vực: Luận văn cung cấp công cụ định lượng và tiêu chí phân tích pha dao động để nhận diện sớm các đợt mưa diện rộng trước từ 2 đến 3 tuần, ứng dụng trực tiếp vào việc lập các bản tin dự báo khí hậu và thời tiết hạn mùa.

Nhóm nhà nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Khí tượng, Khí hậu học và Hải dương học: Công trình là tài liệu tham khảo giá trị về phương pháp trích xuất tín hiệu nội mùa thông qua phân tích trực giao EOF và kỹ thuật xử lý số liệu lưới toàn cầu bằng ngôn ngữ lập trình khoa học NCL.

Nhóm cán bộ quản lý thiên tai và kỹ sư điều hành hồ đập thủy điện, thủy lợi: Luận văn giúp nắm vững cơ chế xuất hiện các đợt mưa cực đoan kết hợp giữa dao động nội mùa và các hình thế synop nguy hiểm, làm cơ sở xây dựng kịch bản điều tiết dòng chảy và phương án sơ tán dân cư an toàn.

Nhóm sinh viên chuyên ngành Khoa học Trái đất và Tài nguyên Nước: Tài liệu mang lại bức tranh tổng quan toàn diện và dễ hiểu về động lực học khí quyển nhiệt đới, làm tài liệu học tập và nghiên cứu đồ án tốt nghiệp chuyên ngành khí hậu học ứng dụng.

Câu hỏi thường gặp

Dao động Madden – Julian là gì và có chu kỳ biến động như thế nào? Đây là hiện tượng dao động nội mùa quy mô lớn trong vùng nhiệt đới, kết hợp giữa hoàn lưu khí quyển và mây đối lưu sâu. Dao động di chuyển từ tây sang đông với vận tốc khoảng 5 m/s, sở hữu chu kỳ biến động bất quy tắc từ 30 đến 90 ngày, phổ biến nhất trong khoảng 40 đến 50 ngày.

Làm thế nào để xác định dao động đang ở trạng thái hoạt động mạnh? Cường độ dao động được tính toán thông qua chỉ số biên độ tổng hợp RMM từ hai thành phần chính PC1 và PC2. Khi chỉ số RMM lớn hơn 1,0, dao động được xác định là đang hoạt động mạnh; ngược lại, khi giá trị này nhỏ hơn 1,0, dao động được xem là suy yếu hoặc triệt tiêu.

Tại Việt Nam, dao động ở những pha nào dễ gây ra mưa lớn diện rộng nhất? Mưa lớn diện rộng tại Việt Nam xuất hiện với tần suất cao nhất khi dao động ở pha 4, 5, 6 và 7. Trong đó, pha 4 và 5 kích hoạt mưa mạnh ở Nam Bộ và Tây Nguyên, còn pha 6 và 7 kích hoạt các đợt mưa lũ đặc biệt lớn tại khu vực Trung Bộ.

Sự khác biệt kỹ thuật giữa chỉ số RMM của BoM và bộ chỉ số ReCal là gì? Chỉ số RMM của BoM được tính toán trực tiếp từ chuỗi số liệu thời gian thực sau khi trừ trung bình 120 ngày trước đó, trong khi chỉ số ReCal sử dụng phép lọc dải tần số 20 đến 100 ngày giúp loại bỏ hoàn toàn các dao động ngắn hạn, tạo quỹ đạo dịch chuyển mượt mà hơn.

Luận văn đã phân loại bao nhiêu nhóm hình thế synop gây mưa lớn tại Việt Nam? Nghiên cứu đã hệ thống hóa và phân loại 8 nhóm hình thế synop chính ở tầng đối lưu thấp, bao gồm: rãnh áp thấp mặt đất, dải hội tụ nhiệt đới, không khí lạnh, xoáy thuận nhiệt đới, nhiễu động gió đông, gió mùa tây nam mạnh, rãnh xích đạo, và đới gió đông nam hoạt động mạnh.

Kết luận

Nghiên cứu đã thực hiện thành công việc lượng hóa mối liên hệ giữa dao động Madden – Julian và các đợt mưa lớn diện rộng tại Việt Nam với 5 đóng góp học thuật nổi bật:

• Xác lập hoàn chỉnh bộ chỉ số ReCal với độ tương quan cao từ 0,717 đến 0,945 so với chuẩn quốc tế của Cục Khí tượng Úc, chứng minh hiệu quả vượt trội của phương pháp lọc dải chu kỳ 20 đến 100 ngày.
• Phát hiện và chứng minh quy luật phân bố dị thường của mưa lớn tập trung ở các pha 4, 5, 6 và 7, giải thích rõ cơ chế tương tác giữa sóng nội mùa quy mô hành tinh với địa hình khu vực.
• Thống kê chi tiết diễn biến mưa lớn diện rộng trong 14 năm từ năm 2000 đến năm 2013, chỉ ra các đợt mưa cực đoan có MJO mạnh thường xuất hiện trong giai đoạn từ tháng 5 đến tháng 12.
• Phân loại chuẩn xác 8 nhóm hình thế thời tiết synop tầng đối lưu thấp, làm sáng tỏ cơ chế kết hợp giữa xoáy thuận nhiệt đới, không khí lạnh và dao động nội mùa gây mưa lớn tại miền Trung.
• Đặt nền móng khoa học vững chắc cho việc ứng dụng chỉ số dao động nội mùa vào quy trình nghiệp vụ dự báo khí tượng hạn vừa và mở rộng tại Việt Nam.

Hướng nghiên cứu tiếp theo trong giai đoạn 2026 – 2030 là mở rộng đánh giá tương tác phi tuyến giữa dao động Madden – Julian và các pha nóng lạnh của hiện tượng ENSO đến cấu trúc mưa cực đoan cục bộ. Các cơ quan quản lý và dự báo viên khí tượng thủy văn được khuyến khích áp dụng ngay kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn tác nghiệp để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai quốc gia.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 – TỔNG QUAN VỀ DAO ĐỘNG MADDEN – JULIAN 1.1 Dao động Madden – Julian 1.1 Sự phát hiện và nghiên cứu ban đầu về MJO Dao động nội mùa Madden – Julian (MJO) lần đầu tiên được ghi nhận và nghiên cứu bởi Madden và Julian (1971) khi phân tích phổ thành phần gió vĩ hướng tại trạm đảo Canton (3 ON, 172OE) ở mực đẳng áp 850hPa và 150hPa. Dao động này nằm trong dải tần số 0. Các đỉnh phổ là rõ rệt trong tầng đối lưu thấp, yếu đi hoặc không tồn tại trong các mực từ 700hPa đến 400hPa và lại mạnh lên trong tầng đối lưu trên. Các đặc điểm này không ghi nhận được ở phía trên mực 80hPa hay trong các thành phần theo phương kinh hướng.

Việc phân tích phổ cũng được tiến hành đối với giá trị khí áp bề mặt và nhiệt độ, từ đó Madden và Julian đưa ra nhận định ban đầu về sự tồn tại của một dao động lan truyền theo hướng đông có tính liên kết theo chiều thẳng đứng thuộc tầng đối lưu trong trường gió, áp suất và nhiệt độ ở khu vực nhiệt đới vùng trung tâm Thái Bình Dương (TBD). Tuy nhiên, thời đoạn nghiên cứu khi đó còn quá ngắn (chuỗi số liệu quan trắc chỉ từ 2 năm rưỡi đến 4 năm) và chỉ ở 1 vài trạm nên vẫn chưa hiển thị được hết các đặc trưng của dao động này. Madden và Julian (1972) bổ sung thêm các bằng chứng khi kéo dài chuỗi số liệu nghiên cứu (từ 5 – 10 năm) và đưa ra những mô tả chi tiết hơn về đặc trưng của dao động này. Chuỗi số liệu quan trắc khí quyển tại các trạm trong khu vực nhiệt đới được đưa ra phân tích phổ để nghiên cứu về quy mô không gian của dao động với chu kỳ 40 – 50 ngày.

Kết quả cho thấy dao động này có giới hạn trong vùng nhiệt đới, là một sóng lan truyền theo hướng đông và biến đổi theo thời gian. Phân tích khí áp tại trạm cho thấy những dị thường xuất hiện trong khoảng từ 10ON – 10OS trên khu vực Ấn Độ Dương và lan truyền theo hướng đông sang khu vực phía đông Thái Bình Dương (TBD). 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hình 1: Giản đồ cấu trúc cơ bản của MJO trong chu trình. Theo Madden và Julian (1972).

Từ các kết quả trên, Madden và Julian đưa ra giản đồ sơ lược về sự lan truyền và biến đổi trên quy mô thời gian – không gian vùng xích đạo của dao động (hình 1). Biểu tượng mây đối lưu thể hiện khu vực có quá trình tăng cường đối lưu và giáng thủy mạnh (trạng thái tăng cường), hai bên vùng tăng cường là khu vực có quá trình đối lưu và giáng thủy suy yếu (trạng thái suy giảm). Hai trạng thái này của MJO được liên kết bởi hoàn lưu vĩ hướng trong tầng đối lưu. Ở tầng đối lưu dưới (mực 850hPa) và lớp sát bề mặt, đới gió tây tăng cường tồn tại ở phía tây của khu 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] vực tăng cường đối lưu, đới gió đông nằm ở khu vực phía đông của vùng tăng cường đối lưu.

Ở tầng đối lưu trên (mực 200hPa) đới gió đổi hướng ngược lại, gió đông ở phía tây vùng đối lưu mạnh, còn gió tây ở phía đông. Hệ thống liên kết này lan truyền theo hướng đông với tốc độ trung bình khoảng 5m/s. Các đường liền nét ở trên và dưới từng vòng hoàn lưu biểu diễn sự biến động trong trường khí áp của tầng đối lưu trên và ở mực mặt biển. Madden và Julian (1994) tiếp tục đưa ra những tổng hợp cơ bản và đầy đủ hơn về dao động nhiệt đới có chu kì 40 – 50 ngày này.

Trong đó, biến động của gió vĩ hướng và thế vận tốc ở tầng đối lưu trên cho thấy có sự lan truyền trên toàn bộ chu vi trái đất. Các vùng đối lưu trong hệ thống cũng cho thấy quá trình di chuyển theo hướng đông. Ngoài ra, dao dộng này cũng là một nhân tố quan trọng trong việc xác định thời điểm hoạt động cũng như gián đoạn của gió mùa khu vực Ấn Độ và gió mùa Châu Úc.2 Các đặc trưng cơ bản của MJO Sự tồn tại của MJO có thể quan sát được trực tiếp qua số liệu quan trắc mà không cần phép lọc. Hình 2 hiển thị thời đoạn MJO có cường độ mạnh diễn ra từ khoảng cuối tháng 10 năm 2009 đến tháng 2 năm 2010 dựa trên số liệu OLR (Phát xạ sóng dài – Outgoing Longwave Radiation).

Ngoài ra, quá trình dịch chuyển từ tây sang đông theo thời gian cũng được biểu hiện. Zhang (2005) đã tổng hợp lại những nét đặc trưng cơ bản của MJO như chu kỳ mang tính nội mùa, quy mô theo phương ngang của dao động, sự lan truyền về phía đông, chế độ về mặt địa lý, tính biến động liên năm… Xie và Arkin (1997) đưa ra phân tích phổ của trường trường gió mực 850hPa và trường giáng thủy thời kỳ 1979 – 1998 trên khu vực 20ON – 20OS và 60 – 180OE. Kết quả cho thấy dao động có chu kỳ 30 – 90 ngày chiếm ưu thế. Với dao động có số sóng bằng 1, cường độ phổ ở các dao động có chu kỳ âm yếu hơn rất nhiều so với dao động có chu kỳ dương.

Điều này tương đương với các dao động lan truyền theo hướng đông chiếm ưu thế. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Hình 2: Biểu đồ theo thời gian–kinh tuyến trường chuẩn sai OLR [W/m2](số liệu từ Cơ quan quản lý Khí quyển và Đại dương Quốc gia (National Oceanic and Atmospheric Administration – NOAA)) cho thời đoạn từ tháng 07 năm 2009 đến tháng 06 năm 2010, lấy trung bình trên khu vực 10OS – 10ON. Chu kỳ hoạt động của MJO trong khoảng 30 – 90 ngày cho thấy khoảng thời gian giữa các sự kiện kế tiếp là bất quy tắc và tốc độ lan truyền của dao động cũng có thể thay đổi. Mặc dù được gọi là “dao động” nhưng MJO không biến đổi một cách đều đặn mà diễn ra rời rạc.

Quy mô theo phương ngang của một sự kiện MJO được tính bằng khu vực có sự biến động về độ bao phủ mây, rộng khoảng 12000 – 20000km (Rui và Wang, 1990). Thường chỉ có một sự kiện MJO hoàn thiện tồn tại ở một thời điểm nhất định. Đôi khi hai khu vực tăng cường đối lưu của MJO với cường độ không quá mạnh có thể tồn tại đồng thời: một khu vực đang bắt đầu hình thành ở vùng Ấn Độ Dương, một khu vực khác đang phân rã ở vùng trung tâm Thái Bình Dương. Độ 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] rộng của vùng đối lưu tăng cường khá là nhỏ so với quy mô của cả hoàn lưu dao động cũng như khu vực suy giảm đối lưu.

Sự lan truyền với vận tốc trung bình khoảng 5m/s về phía đông là một trong những đặc tính cơ bản nhất để phân biệt MJO với những hiện tượng khác trong vùng nhiệt đới, ví dụ như sóng Kelvin liên kết đối lưu có sự lan truyền về phía đông với tốc độ 15 – 17m/s. Từng sự kiện MJO riêng biệt cũng có vận tốc lan truyền khác nhau, tuy nhiên sự biến đổi này không quá lớn. Ngay cả vận tốc lan truyền trong từng thời đoạn của một sự kiện MJO cũng không đồng nhất. Hình 3: Biểu đồ theo thời gian – kinh tuyến trường chuẩn sai gió vĩ hướng mực 850hPa (số liệu tái phân tích JRA-55 của Cơ quan khí tượng Nhật Bản) cho thời đoạn từ tháng 07 năm 2009 đến tháng 06 năm 2010, lấy trung bình trên khu vực 10OS – 10ON.

Các dấu hiệu đối lưu của MJO thường triệt tiêu ở phần phía đông Thái Bình Dương (khoảng kinh tuyến 180OE), tuy nhiên các biến động về gió và khí áp bề mặt tiếp tục quá trình lan truyền xa hơn về phía đông như các sóng tự do (không còn sự 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] liên kết đối lưu nữa) với tốc độ cao hơn, khoảng 30 – 35m/s (hình 3). Ngoài ra, quá trình lan truyền liên tục cũng tồn tại ở các trường trên cao. Các kết quả quan trắc cũng cho thấy sự liên kết giữa trường gió vĩ hướng với vùng đối lưu tăng cường có sự biến động trong suốt chu trình MJO. Khi MJO ở khu vực Ấn Độ Dương, vùng đối lưu phần lớn nằm ở khoảng giữa dị thường gió tây và gió đông bề mặt (như mô tả trong hình 1).

Khi MJO dịch chuyển đến khu vực Thái Bình Dương thì dị thường gió tây bề mặt gần như bao trùm toàn bộ trung tâm đối lưu. Sự phân bố theo phương thẳng đứng trong trường gió, hơi nước, nhiệt độ, sự phân kỳ và đốt nóng phi đoạn nhiệt đều cho thấy sự không đối xứng theo vĩ hướng. Phía đông vùng đối lưu là quá trình hội tụ tầng thấp, chuyển động thăng và quá trình tăng ẩm. Sự phân kỳ tầng thấp, chuyển động giáng và suy giảm độ ẩm diễn ra ở khu vực phía tây của vùng đối lưu.

Sự bất đối xứng về đới này tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển của các hệ thống đối lưu mới ở phía đông của vùng đối lưu ban đầu cũng như hạn chế sự phát triển đối lưu ở khu vực phía tây, tạo nên sự lan truyền theo hướng đông của vùng tăng cường đối lưu. Những dấu hiệu đối lưu của MJO thường bị giới hạn trong khu vực Ấn Độ Dương và Thái Bình Dương bởi tính bất ổn định của đối lưu chỉ có thể được duy trì trên bề mặt biển ấm. Các dấu hiệu của MJO vẫn có thể được phát hiện ở các vùng nhiệt đới còn lại trong một vài trường khí tượng khác như nhiệt độ mặt nước biển. Hoạt động đối lưu của MJO trên khu vực Lục địa biển (Maritime Continent, khoảng từ 90 – 135OE) yếu hơn so với ở các đại dương xung quanh.

Theo Salby và Hendon (1994), Wang và Li (1994), Zhang và Hendon (1997), Maloney và Sobel (2004), các nguyên nhân của hiện tượng trên là: ­ Sự đốt nóng ngày đêm trên đất liền gây ra biến trình ngày rõ nét trong hoạt động đối lưu, có xu hướng tranh chấp về mặt độ ẩm và năng lượng với MJO. ­ Sự cản trở của địa hình với hội tụ ẩm tầng thấp. 15 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ­ Bốc hơi bề mặt bị suy giảm đáng kể trên đất liền. Cách giải thích này cũng phù hợp với khu vực nhiệt đới Nam Mĩ.

Ở khu vực này, quá trình đối lưu sâu vào mùa hè địa phương diễn ra mạnh mẽ giống như trên khu vực Tây TBD nhưng các tín hiệu MJO lại yếu hơn rõ rệt.