Tổng quan nghiên cứu

Hoạt động của không khí lạnh và các đợt xâm nhập lạnh là một trong những hiện tượng thời tiết nguy hiểm đặc trưng nhất trong các tháng mùa đông tại Việt Nam. Trung bình mỗi năm có khoảng 27 đến 28 đợt xâm nhập lạnh ảnh hưởng trực tiếp đến miền Bắc, gây sụt giảm nhiệt độ trung bình ngày từ 3 đến 5 độ C sau 24 giờ, đi kèm gió mạnh cấp 6 đến cấp 7 và giật cấp 8 đến cấp 9 trên khu vực vịnh Bắc Bộ. Trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu, tần suất và cường độ của các đợt không khí lạnh diễn biến ngày càng phức tạp, điển hình như đợt rét đậm, rét hại kỷ lục từ ngày 22 đến 27 tháng 1 năm 2016 khiến nhiệt độ tại Sa Pa và Mẫu Sơn giảm xuống mức âm 4 độ C, gây xuất hiện băng tuyết trên diện rộng và thiệt hại nghiêm trọng cho sản xuất nông nghiệp.

Vấn đề đặt ra là các phương pháp dự báo truyền thống chủ yếu tập trung vào hạn ngắn và hạn vừa từ 24 đến 48 giờ, trong khi nhu cầu thực tiễn đòi hỏi khả năng nhận định định lượng hạn mùa trước nhiều tháng. Nghiên cứu này được thực hiện nhằm xác lập cơ sở khoa học về mối liên hệ giữa hoạt động xâm nhập lạnh với các trường khí quyển quy mô lớn, từ đó xây dựng công cụ dự báo định lượng hạn mùa số đợt không khí lạnh và rét đậm, rét hại tại Việt Nam.

Phạm vi nghiên cứu bao quát chuỗi số liệu 24 mùa đông liên tục từ năm 1992 đến năm 2016, tập trung vào 3 tháng chính đông gồm tháng 12, tháng 1 và tháng 2 trên khu vực Bắc Bộ và Bắc Trung Bộ. Luận văn đã thiết lập phương trình hồi quy đa biến với hệ số tương quan bội đạt 0,78 và tổng biến sai thặng dư 10,748, cho phép nâng cao khả năng dự báo sớm trước 1 đến 7 tháng qua mô hình số trị, tạo tiền đề quan trọng giúp giảm thiểu rủi ro thiên tai và bảo vệ sinh kế cộng đồng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết hoàn lưu chung khí quyển và hệ thống gió mùa châu Á. Theo các tiêu chuẩn phân vùng khí hậu kinh điển, khu vực gió mùa được xác định khi góc chuyển hướng gió thịnh hành giữa tháng 1 và tháng 7 đạt từ 120 độ trở lên, tần suất gió thịnh hành vượt ngưỡng 40% và tốc độ gió tổng hợp trung bình lớn hơn 3 m/s. Hệ thống gió mùa mùa đông Đông Á được vận hành dưới sự chi phối của áp cao lạnh Siberia ở tầng thấp dưới mực 700 hPa kết hợp với rãnh xích đạo và dòng xiết gió tây cận nhiệt đới trên cao.

Bên cạnh đó, nghiên cứu vận dụng lý thuyết động lực học sóng hành tinh và mô hình tương tác hoàn lưu quy mô lớn như dao động Bắc Cực và mô hình sóng Á - Âu. Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa trong luận văn bao gồm: Gió mùa mùa đông Đông Á, Xâm nhập lạnh, Gió mùa Đông Bắc đi kèm front lạnh gây giảm nhiệt trên một nửa số trạm quan trắc từ 3 độ C trở lên, Không khí lạnh tăng cường làm tăng tốc độ gió ngoài khơi tại trạm đảo Bạch Long Vĩ từ cấp 6 kéo dài trên 3 giờ, và Bộ chỉ số gió mùa mùa đông Đông Á đại diện cho gradient khí áp mặt biển, trường gió kinh hướng và gió vĩ hướng tầng đối lưu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu của luận văn được tích hợp đồng bộ từ 3 hệ thống cơ sở dữ liệu lớn. Thứ nhất là chuỗi số liệu quan trắc thực tế 24 mùa đông từ năm 1992 đến năm 2015 của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia với thống kê chi tiết các đợt không khí lạnh mạnh, trung bình và yếu. Thứ hai là bộ số liệu tái phân tích ERA-Interim của Trung tâm Dự báo hạn vừa Châu Âu với độ phân giải không gian 0,25 độ kinh vĩ, bao gồm các biến bề mặt và 7 mực áp suất chuẩn từ 1000 hPa đến 200 hPa. Thứ ba là sản phẩm dự báo tổ hợp hạn mùa từ hệ thống mô hình khí hậu 41 thành phần với hạn dự báo 7 tháng được khởi tạo định kỳ vào các tháng 8, 9 và 10.

Phương pháp chọn mẫu toàn bộ chuỗi 24 năm liên tục được lựa chọn nhằm bảo đảm tính đồng nhất của hệ thống quan trắc hiện đại, tránh sai số do ngắt quãng dữ liệu và đáp ứng độ tin cậy thống kê khí hậu đa thập kỷ. Về xử lý dữ liệu, tác giả áp dụng phương pháp phân tích tương quan Pearson đơn biến và phương pháp hồi quy từng bước để chọn lọc các biến dự báo tối ưu từ 6 chỉ số gió mùa thành phần. Việc kiểm định mô hình được thực hiện nghiêm ngặt thông qua chỉ số kiểm định Fisher, chuẩn sai thặng dư, sai số trung bình hệ thống và sai số trung bình tuyệt đối nhằm loại bỏ hiện tượng đa cộng tuyến và tối ưu hóa độ chính xác dự báo.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình phân tích đã làm sáng tỏ 4 phát hiện quan trọng có giá trị khoa học và ứng dụng thực tiễn cao:

Thứ nhất, mức độ tương quan giữa 6 chỉ số gió mùa mùa đông Đông Á với số đợt không khí lạnh ở miền Bắc Việt Nam có sự phân hóa rõ rệt. Chỉ số phản ánh gradient khí áp mặt biển Đông - Tây đạt hệ số tương quan cao nhất là 0,59, tiếp theo là chỉ số chênh lệch gió kinh hướng tầng 10m và chỉ số dòng xiết gió tây tầng 200 hPa. Ngược lại, các chỉ số gió kinh hướng mực 850 hPa và độ cao địa thế vị mực 500 hPa có mức tương quan đơn biến thấp hơn khi xét riêng cho khu vực Việt Nam.

Thứ hai, phương trình hồi quy đa biến tối ưu được thiết lập thành công thông qua thuật toán từng bước với việc kết hợp 4 chỉ số gió mùa, đạt hệ số tương quan bội 0,78 và giải thích được trên 60% biến thiên của số đợt không khí lạnh thực tế qua 24 mùa đông.

Thứ ba, sự biến đổi của các trường khí quyển quy mô lớn thể hiện rõ nét qua các năm không khí lạnh hoạt động mạnh: Áp cao Siberia có trị số tâm đạt từ 1035 đến 1040 hPa dịch chuyển về phía nam vĩ tuyến 50 độ Bắc và mở rộng mạnh về phía đông nam; trên mực 850 hPa hình thành tâm cao đóng kín 1530 m địa thế vị tại tọa độ 30 độ Bắc và 100 đến 115 độ Đông; trên mực 500 hPa đường đẳng cao 5820 m địa thế vị hạ thấp sát vĩ tuyến 20 độ Bắc; trên mực 300 hPa rãnh Đông Á tại khu vực 50 đến 70 độ Bắc và 120 đến 160 độ Đông khơi sâu rõ rệt so với trung bình 30 năm.

Thứ tư, thử nghiệm dự báo hạn mùa dựa trên sản phẩm mô hình khí hậu từ tháng 8, tháng 9 và tháng 10 cho thấy khả năng nắm bắt xu thế số đợt xâm nhập lạnh và các đợt rét đậm, rét hại diện rộng đạt độ chính xác từ 80% đến 85% trước khi mùa đông bắt đầu từ 2 đến 4 tháng.

Thảo luận kết quả

Cơ chế vật lý giải thích cho sự gia tăng đột biến của các đợt xâm nhập lạnh nằm ở sự tương tác tầng đối lưu giữa rãnh Đông Á khơi sâu trên tầng 300 hPa và sự mạnh lên của áp cao Siberia ở tầng sát mặt đất. Khi rãnh trên cao phát triển mạnh, nó đóng vai trò như một máng dẫn động lực hút không khí lạnh cực đới tràn sâu xuống phía nam qua vịnh Bắc Bộ.

So sánh với các công trình quốc tế, kết quả này hoàn toàn nhất quán với nghiên cứu của các tác giả nước ngoài khi chỉ ra hệ số tương quan giữa áp cao Siberia và gió mùa đạt 0,80, đồng thời tương đồng với phân tích về gradient khí áp đạt hệ số tương quan 0,95. Tuy nhiên, đóng góp mới vượt bậc của luận văn là đã chuyển hóa các mối tương quan hoàn lưu quy mô lớn thành công thức định lượng cụ thể áp dụng trực tiếp cho lãnh thổ Việt Nam, giải quyết triệt để hạn chế chỉ dừng lại ở phân tích định tính của các nghiên cứu trong nước giai đoạn trước.

Dữ liệu nghiên cứu được trực quan hóa hiệu quả thông qua hệ thống biểu đồ đường biến trình so sánh giữa số đợt không khí lạnh quan trắc và tính toán qua 24 năm, kết hợp bảng ma trận hệ số tương quan và bản đồ phân bố dị thường khí áp mặt biển chuẩn hóa 30 năm, giúp người đọc dễ dàng nhận diện ngưỡng chuẩn sai 0,6 của chỉ số khí áp như một dấu hiệu cảnh báo mùa đông lạnh cực đoan.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa kết quả nghiên cứu vào thực tiễn nghiệp vụ và giảm thiểu rủi ro thời tiết nguy hiểm, luận văn đưa ra 4 khuyến nghị trọng tâm:

Thứ nhất, tích hợp ngay thuật toán hồi quy từng bước và bộ 4 chỉ số gió mùa vào hệ thống công nghệ dự báo hạn mùa của Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia. Mục tiêu đặt ra là nâng độ chính xác dự báo hạn mùa số đợt không khí lạnh lên trên 85%, thực hiện định kỳ vào các tháng 8, tháng 9 và tháng 10 hàng năm trước khi bước vào mùa đông chính thức.

Thứ hai, xây dựng cơ sở dữ liệu số hóa tự động trích xuất các trường hoàn lưu từ mô hình khí hậu ECMWF với độ phân giải lưới 0,25 độ kinh vĩ. Chủ thể thực hiện là Cục Khí tượng Thủy văn, hướng tới kiểm soát sai số trung bình tuyệt đối ở mức dưới 1,2 đợt mỗi mùa trong lộ trình giai đoạn 2024 đến 2026.

Thứ ba, thiết lập quy trình cảnh báo sớm rét đậm, rét hại diện rộng trước từ 30 đến 45 ngày cho các tỉnh vùng núi phía Bắc như Lào Cai, Lạng Sơn, Hà Giang và Cao Bằng. Ban Chỉ đạo Quốc gia về Phòng chống Thiên tai phối hợp cùng Sở Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn các địa phương triển khai kế hoạch che chắn chuồng trại, trữ thức ăn cho gia súc nhằm giảm từ 35% đến 40% thiệt hại kinh tế trong giai đoạn 2025 đến 2030.

Thứ tư, mở rộng nghiên cứu hiệu chỉnh bộ chỉ số động lực cho khu vực miền Trung và Nam Trung Bộ. Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu chủ trì thử nghiệm mô hình kết hợp tương tác địa hình dãy Trường Sơn trong thời gian 12 tháng để cảnh báo sớm nguy cơ mưa lũ cực đoan do không khí lạnh tăng cường.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang giá trị chuyên khảo sâu sắc và là nguồn tài liệu hữu ích cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các chuyên gia dự báo khí tượng và cán bộ kỹ thuật tại Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia cùng các Đài Khí tượng Thủy văn khu vực. Luận văn cung cấp phương trình toán học thực chứng và quy trình khai thác dữ liệu tái phân tích để nâng cao chất lượng bản tin dự báo khí hậu hạn mùa.

Nhóm thứ hai là giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học thuộc các chuyên ngành Khí tượng học, Khí hậu học, Hải dương học và Biến đổi khí hậu tại các trường đại học khối khoa học tự nhiên. Tài liệu đóng vai trò là một case study mẫu mực về ứng dụng phương pháp hồi quy đa biến và phân tích hoàn lưu quy mô lớn.

Nhóm thứ ba là các nhà quản lý rủi ro thiên tai và hoạch định chính sách phát triển nông nghiệp tại Bộ Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Cán bộ quản lý có thể khai thác các chỉ số dự báo sớm trước 2 đến 4 tháng để chủ động điều chỉnh lịch thời vụ gieo cấy lúa vụ đông xuân và ban hành chỉ thị bảo vệ vật nuôi vùng cao.

Nhóm thứ tư là các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực vận tải hàng hải, khai thác dầu khí trên biển Đông, các công ty năng lượng và các đơn vị du lịch nghỉ dưỡng vùng núi. Thông tin về tần suất gió giật cấp 8 đến cấp 9 trên biển và hiện tượng băng tuyết giúp doanh nghiệp tối ưu hóa kế hoạch vận hành và bảo đảm an toàn tài sản.

Câu hỏi thường gặp

Luận văn đã sử dụng những chỉ số gió mùa mùa đông Đông Á nào để đánh giá hoạt động không khí lạnh? Nghiên cứu khảo sát 6 chỉ số gió mùa quốc tế điển hình gồm: chỉ số gió kinh hướng tầng 10m, chỉ số gió kinh hướng mực 850 hPa, chỉ số hiệu gió vĩ hướng tầng 300 hPa, chỉ số gradient khí áp mặt biển chuẩn hóa Đông - Tây, chỉ số địa thế vị mực 500 hPa và chỉ số động lực gió vĩ hướng tầng 200 hPa.

Trong 6 chỉ số gió mùa, chỉ số nào có mối liên hệ chặt chẽ nhất với số đợt xâm nhập lạnh tại Việt Nam? Chỉ số phản ánh gradient khí áp mặt biển chuẩn hóa Đông - Tây thể hiện tương quan cao nhất với hệ số 0,59. Khi chuẩn sai chỉ số này vượt giá trị 0,6, số đợt không khí lạnh tràn xuống nước ta trong mùa đông đó luôn có xu thế cao hơn trung bình nhiều năm rõ rệt.

Phương trình hồi quy đa biến xây dựng trong luận văn đạt mức độ tin cậy và sai số như thế nào? Phương trình hồi quy từng bước kết hợp 4 chỉ số gió mùa đạt hệ số tương quan bội 0,78 với chuỗi số liệu 24 năm và tổng biến sai thặng dư 10,748. Kết quả kiểm định theo tiêu chuẩn Fisher ở mức ý nghĩa 0,05 chứng minh mô hình hoàn toàn đáp ứng độ tin cậy phục vụ dự báo nghiệp vụ.

Các trường khí quyển quy mô lớn biến đổi ra sao trong các mùa đông có không khí lạnh hoạt động mạnh? Vào những năm không khí lạnh mạnh, trung tâm áp cao Siberia đạt cường độ 1035 đến 1040 hPa dịch sâu về phía nam vĩ tuyến 50 độ Bắc, mực 850 hPa xuất hiện tâm cao 1530 m địa thế vị di chuyển về phía Nam Trung Quốc, mực 500 hPa hạ thấp sát vĩ tuyến 20 độ Bắc và rãnh Đông Á tầng 300 hPa khơi sâu đáng kể.

Phương pháp của luận văn có thể ứng dụng để dự báo sớm thời hạn bao lâu trong thực tế? Bằng việc khai thác số liệu dự báo hạn mùa của mô hình khí hậu ECMWF khởi tạo từ tháng 8, tháng 9 và tháng 10, phương pháp này cho phép nhận định trước từ 2 đến 4 tháng về tổng số đợt không khí lạnh cũng như số đợt rét đậm, rét hại diện rộng với độ chính xác trên 80%.

Kết luận

Luận văn Thạc sĩ Khoa học của tác giả Đinh Hữu Dương đã hoàn thành xuất sắc mục tiêu nghiên cứu với 5 kết luận then chốt:

  • Làm rõ quy luật tác động của các trường khí quyển quy mô lớn và xác định hệ thống chỉ số gió mùa mùa đông chi phối hoạt động xâm nhập lạnh tại Việt Nam.
  • Khẳng định chỉ số gradient khí áp mặt biển Đông - Tây và chỉ số động lực gió vĩ hướng tầng 200 hPa là hai yếu tố có tương quan mật thiết nhất với số đợt không khí lạnh.
  • Xây dựng thành công phương trình hồi quy đa biến tối ưu với hệ số tương quan bội đạt 0,78, kiểm định qua 24 mùa đông liên tục.
  • Chứng minh tính khả thi của việc sử dụng dữ liệu dự báo tổ hợp hạn mùa ECMWF để đưa ra cảnh báo sớm trước từ 2 đến 4 tháng với độ tin cậy trên 80%.
  • Xác lập cơ chế động lực hoàn lưu quy mô lớn từ tầng 1000 hPa đến 200 hPa trong các đợt rét đậm, rét hại lịch sử.

Đóng góp lớn nhất của luận văn là đã đặt nền móng phương pháp luận định lượng hạn mùa cho hiện tượng xâm nhập lạnh tại Việt Nam, thu hẹp khoảng cách giữa lý thuyết khí tượng động lực và bài toán thực tiễn dự báo. Trong giai đoạn 2024 đến 2026, hướng phát triển tiếp theo của nghiên cứu là mở rộng chuỗi số liệu tái phân tích ERA5 và tích hợp các thuật toán trí tuệ nhân tạo để tự động hóa hoàn toàn quy trình dự báo. Các cơ quan quản lý, viện nghiên cứu và chuyên gia khí tượng thủy văn được khuyến khích tiếp cận, tham khảo và ứng dụng rộng rãi kết quả công trình này vào thực tế nhằm nâng cao năng lực chủ động ứng phó thiên tai mùa đông trên cả nước.