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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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 luanvanchat@agmail.com 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.