CHƯƠNG 1. 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 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 (1.8) 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. 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/m2 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]. 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.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 của cao 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 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.Roberto Mechoso, các tác giả đã sử dụng OLR để xác định thời điểm gió mùa bột phát.
Theo các tác giả, thời điểm gió mùa bộc phát là khi OLR dưới 200W/m2. Định nghĩa đó đảm bảo cho một quá trình thiết lập gió mùa với gió Tây Bắc xuống Đông Nam và quá trình suy thoái gió mùa từ Đông Nam lên Tây Bắc [9]. Omogbai và J Hum Ecol trong công trình nghiên cứu “Một dự báo thử nghiệm mưa gió mùa ở Nigeria” đã sử dụng OLR và SSTA làm nhân tố dự báo để dự báo lượng mưa mùa ở Nigeria. Trong nghiên cứu này các tác giả đã chỉ ra hệ số tương quan giữa OLR và lượng mưa trên lãnh thổ Nigeria là khá tốt, khoảng 0,32-0,62 [24].
Các công trình nghiên cứu trong nước liên quan đến bức xạ sóng dài Vào những năm 1975-1976 Nguyễn Trọng Hiệu đề cập đến phân bố bức xạ sóng dài mặt đất thông qua công trình nghiên cứu cán cân bức xạ thực nghiệm ở Việt Nam [1]. Năm 2006, báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu cấp bộ “Nghiên cứu ảnh hưởng cùa gió mùa Úc đến thời tiết khí hậu Việt Nam” của Nguyễn Viết Lành và ctv đã dùng chuẩn sai của OLR để xây dựng các chỉ số đối lưu [4].