Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học): Chương 8 – Phan Văn Tân

Bài giảng Khí hậu học và Khí hậu Việt Nam (Phần 1: Khí hậu học) - Chương 8: Dao động tự nhiên quy mô mùa và nội mùa. Những nội dung chính trong chương gồm có: Dao động trong khí quyển; El Nino, La Nina và dao động nam; biến động thập kỷ của thời tiết và khí hậu.

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC Chương Dao động tự nhiên quy mô mùa nội mùa 8.1 Mở đầu |  Thực tế cho thấy dự báo thời tiết thường khơng xác dự báo đâu, có mưa hạn dự báo dài độ xác nhỏ |  Vào năm 1960 Edward N Lorenz chứng minh việc dự báo chi tiết thơng tin thời tiết, vị trí fronts, hạn dự báo dài tuần |  Đó sai số trường ban đầu tăng nhanh lấn át trường dự báo |  Mặc dù vậy, chất lượng dự báo tăng đáng kể thập kỷ qua dự báo hạn đến 10 ngày hữu ích 8.1 Mở đầu Tương quan dự báo mô hình thời tiết dị thường quan trắc trường độ cao mực 500hPa Bắc Nam bán cầu 8.1 Mở đầu |  Dự báo ngày tốt độ xác giảm nhanh hạn dự báo dài ngày |  Bắc bán cầu tốt nhiều so với Nam bán cầu năm 1980 1990 |  Giữa năm 1990 dự báo cho Nam bán cầu cải thiện nhanh Bác bán cầu |  Từ 2002 dự báo hai bán cầu gần tốt 8.1 Mở đầu |  Mặc dù dự báo thời tiết dài tuần dù cải thiện hệ thống quan trắc mơ hình, ta đưa thơng tin dự báo hữu ích số liệu thống kê thời tiết dài tuần |  Ví dụ: Có thể dự báo nhiệt độ trung bình tháng mùa hè xác suất kiện mưa lớn vùng cụ thể vào mùa cụ thể |  Khả dự báo đặc trưng thống kê thời tiết dựa hai ngun tắc: {  Hệ thống khí hậu có mode (dạng) dao động có quy mơ thời gian dài tuần mà dự báo {  Nếu ta biết khí hậu chịu tác động cưỡng nào, chẳng hạn phát thải khí nhà kính, ta dự báo tác động (ví dụ phát thải khí nhà kính) đóng góp tương lai 8.2 Dao động khí |  Hệ thống khí hậu liên tục chịu tác động đốt nóng bề mặt xạ mặt trời nhiệt đới bị làm lạnh từ khí từ vĩ độ cao phát xạ sóng dài |  Sự chênh lệch nhiệt tạo nên vận chuyển lượng lên khu vực đối lưu hướng cực hệ thống thời tiết vĩ độ trung bình dòng chảy đại dương |  Các hệ thống thời tiết tượng đối lưu thường phát triển từ độ bất ổn định khí gradient nhiệt làm tăng tính ngẫu nhiên dao động |  Năng lượng gom lại quy mơ thời gian không gian lớn quan tâm từ quan điểm khí hậu 8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM |  Cấu trúc lượng khí có quy mơ hàng nghìn |  |  |  |  km è Mối quan tâm thời tiết khí hậu Năng lượng quy mô lớn liên quan với gradient độ chiếu nắng mặt trời Tương tác quy mô lớn hệ thống thời tiết vĩ độ trung bình chuyển lượng từ quy mô bất ổn định tà áp tạo sóng (∼3000 km) đến quy mơ lớn nhỏ hơn, lượng thường tập trung quy mơ lớn Năng lượng gió tây vĩ độ trung bình cung cấp từ xốy quy mô nhỏ mà chúng xác định thời tiết vĩ độ trung bình Do đó, tương tác hệ thống nhiễu động vĩ độ trung bình dịng xiết vĩ hướng mạnh, chuyển thành mode dao động dịng xiết cấu trúc xoáy chúng di chuyển bắc nam 8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM |  Dao động H500 mùa đông BBC lớn đại dương nhỏ vùng núi |  Dao động đại dương chủ yếu tượng có chu kỳ dài 30 ngày |  Dao động quy mơ thời gian trung bình 30 ngày xuất rõ phía cuối dịng chảy biển (dịng hướng đơng - on the downstream (eastward) sides of the oceans) |  Dao động tần cao với quy mô thời gian ngày xuất bờ phía tây đại dương, Thái Bình dương, Đại Tây dương Độ lệch chuẩn (STD, m) độ cao mực 500hPa so với trung bình khí hậu cho quy mơ thời gian khác nửa năm mùa đông Bắc bán cầu (tháng 10 đến tháng 3) 8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM |  Ở Nam bán cầu mùa đông dao động đối xứng vĩ hướng lớn nhiều (tại kinh tuyến xung quanh 60°S), dao động lớn thượng nguồn địa hình chắn ngang dãy Andes bán đảo Palmer, nhỏ dãy núi |  Dao động tần cao lớn khu vực kéo dài theo vĩ tuyến có đỉnh khoảng 50°S, 70°E Ấn Độ dương |  Dao động quy mô trung gian lớn phía cuối khu vực Thái Bình dương Australia Nam Mỹ Độ lệch chuẩn (STD, m) độ cao mực 500hPa so với trung bình khí hậu cho quy mơ thời gian khác nửa năm mùa đông Nam bán cầu (tháng đến tháng 9) 8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM |  Nhận thấy chuỗi sóng với bước |  |  |  |  sóng điển hình khoảng 50° kinh độ (7 sóng quanh vịng vĩ tuyến hay số sóng) Các sóng xuất gần rãnh độ cao khí hậu hạ nguồn châu Á Bắc Mỹ nơi gió tây vĩ hướng trung bình mạnh Các sóng có xu hướng di chuyển phía đơng theo hướng gió trung bình, chậm gió trung bình mực 500hPa Ở Bắc bán cầu mùa đông, cấu trúc liên quan với dao động 7-30 ngày lớn quy mô không gian, nhiên chúng khơng có cấu trúc sóng mạnh xoáy tần cao Dao động với chu kỳ 30 ngày có cấu trúc đặc trưng Bản đồ tương quan H500 điểm có biến động lớn với điểm cịn lại mùa đơng Bắc bán cầu Các điểm chọn A, P Màu đỏ hệ số tương quan dương, màu xanh 10 âm 8.3 El Niño, La Niña dao động nam |  Khi SST Đơng Thái Bình dương xích đạo dị thường nóng đối lưu tăng cường trung tâm đông TBD, giảm Indonesia Australia |  Dị thường đối lưu nhiệt đới nằm phía tây dị thường SST lớn SST thường tăng từ đơng sang tây |  Phản ứng đối lưu dị thường SST lớn vùng nước ấm Hồi quy dị thường OLR tháng với Niño-3 |  Dạng lưỡng cực dị thường OLR biểu thị dịch SST cho tháng 11 đến tháng (a) tháng chuyển đông vùng đối đến tháng (b) Các đường cách W/m2 lưu xa phía đơng TBD 31 8.3 El Niđo, La Niđa dao động nam |  Dấu cho điều kiện El Niño |  |  |  |  Hồi quy dị thường H500 với số Niño-3 SST cho tháng 11-tháng tháng 5-tháng Các đường cách 2m với Đông TBD nhiệt đới ấm, đảo dấu cho điều kiện La Niđa Tồn tầng đối lưu nhiệt đới nóng lên El Niđo, H500 tăng nơi nhiệt đới từ khoảng 20°S đến 20°N Điều làm mạnh gió cận nhiệt đới di chuyển chúng hướng xích đạo Tình hình ngược lại có La Niđa Vào tháng 11-tháng 3, phản ứng ngoại nhiệt đới có phần đối xứng qua xích đạo với phản ứng Bắc Nam bán cầu tương tự 32 Chỉ số dao động nam (SOI) |  Cơng thức tính SOI theo NOAA {  https://www.ncdc.noaa.gov/teleconnections/enso/indicators/ soi/#soi-calculation (Standardized Tahiti - Standardized Darwin) MSD (Actual Tahiti SLP - Mean Tahiti SLP) Standardized Tahiti= Standard Deviation Tahiti SOI = Standard Deviation Tahiti= Standardized Darwin= ∑(actual Tahiti SLP - mean Tahiti SLP) /N (Actual Darwin SLP - Mean Darwin SLP) Standard Deviation Darwin ∑(actual Darwin SLP - mean Darwin SLP) / N MSD (Monthly Standard Deviation)= ∑ (Standardized Tahiti - Standardized Darwin) Standard Deviation Darwin= 2 /N N = number of months Note: Anomalies are departures from the 1981-2010 base period 33 Xác định pha ENSO Timeseries of the Southern Oscillation Index (SOI) 34 El NINO La NINA Ảnh hưởng ENSO ENSO and Global Impacts (https://www.climate.gov/enso) 37 Ảnh hưởng ENSO ENSO-related weather conditions |  The maps show worldwide climatic conditions associated with the occurrence of El Niño and La Niña events, for the periods of December–February and June–August |  While the indicated conditions often appear during ENSO events, they not occur with all El Niños or La Niñas 38 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  Nghiên cứu biến động quy mơ thời gian thập kỷ thách thức dao động tự nhiên hệ thống khí hậu trở nên khó tách biệt khỏi ảnh hưởng người |  Các phương pháp có phân biệt biến đổi tự nhiên biến đổi người số liệu quan trắc, chúng có hiệu hay khơng thường khó phán xét |  Các đồ SST tồn cầu sử dụng để khảo sát tính dao động thập kỷ |  Những phân tích SST tồn cầu năm 1854, quan trắc trước dựa vào việc ngoại suy từ số liệu thưa thớt, năm gần đáng tin cậy 39 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  Để tìm dao động tự nhiên quy mơ thời gian thập kỷ trước hết |  |  |  |  ta bắt đầu việc loại bỏ biến trình năm SST trung bình tồn cầu khỏi số liệu trung bình tháng Loại bỏ trung bình tồn cầu từ tháng có ảnh hưởng việc loại bỏ xu trung bình tồn cầu liên quan với ảnh hưởng người với biến đổi gắn kết với hệ thống quan trắc Do đó, ta hy vọng phần giữ lại để khảo sát cấu trúc khơng gian dao động khí hậu nội Một phương pháp khách quan việc tìm dạng dao động quan trọng SST phân tích EOF Ví dụ, ta bắt đầu với dị thường SST tháng tồn cầu, dạng thứ ENSO giải thích khoảng 17% phương sai SST toàn cầu, lớn dạng (mode) dao động khác 40 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  Cấu trúc khơng gian đặc trưng dị thường nóng rộng lớn dọc theo xích đạo phía đơng TBD dị thường lạnh vĩ độ trung bình bán cầu |  Chuỗi thời gian mode ENSO toàn cầu cho thấy dao động quy mô thời gian 2-6 năm, phù hợp với mật độ phổ số Niño-3 Cấu trúc El Niño (a) Phân bố không gian ENSO; hồi quy SST tháng lên EOF-1 SST toàn cầu từ 1880 đến tháng 1/2015 Các đường cách 0.1K (b) Cấu trúc thời gian ENSO; chuỗi thời gian biên độ phân bố không gian 41 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  Dao động thập kỷ TBD (The Pacific Decadal Oscillation - PDO) dao động nhiều thập kỷ Đại Tây dương (Pacific Decadal Oscillation - PDO) thường sử dụng |  Để tách dao động ta thực phân tích EOF ENSO, thay cho việc khảo sát đại dương toàn cầu ta xét Bắc TBD Bắc ĐTD |  PDO xác định EOF thống trị SST bắc 20°N TBD |  AMO đặc trưng dị thường nhiệt độ trung bình khu vực Bắc ĐTD 42 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  PDO trơng giống ENSO, với nhấn mạnh chút dấu hiệu ngoại nhiệt đới quy mô thời gian dài |  Có thể chứng tỏ PDO thành phần tần thấp ENSO, thấy chuỗi thời gian ENSO PDO tương quan với Cấu trúc PDO (a) Phân bố không gian PDO; hồi quy SST tháng lên EOF-1 SST bắc 20°N TBD từ 1880 đến tháng 1/2015 Các đường cách 0.1K (b) Cấu trúc thời gian PDO; chuỗi thời gian biên độ phân bố không gian 43 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  Phù hợp với hai tâm dị thường SST dương cận nhiệt đới tây Phi ngoại nhiệt đới đông Newfound-land |  Chuỗi thời gian dạng cho thấy biến động thập kỷ mạnh, với chuyển tiếp thú vị từ dị thường âm năm 1970 đến cuối năm 1990 sang dị thường dương vào cuối năm 1990 đến 2015 Cấu trúc AMO (a) Phân bố không gian AMO; hồi quy SST tháng lên EOF-1 SST bắc 20°N ĐTD từ 1880 đến tháng 1/2015 Các đường cách 0.1K (b) Cấu trúc thời gian AMO; chuỗi thời gian biên độ phân bố không gian 44 8.4 Biến động thập kỷ thời tiết khí hậu |  |  |  |  |  Hồi quy dị thường H500 từ chuỗi thời gian SL tái phân tích kỷ 20 chuỗi thời gian (a) PDO (b) AMO mùa từ tháng 11 đến tháng Các đường cách m Dị thường H500 liên quan với PDO giống với phản ứng ENSO với đồ tương quan điểm Đó phản ứng ngoại nhiệt đới vào mùa đơng El Niđo Khí áp mực thấp Bắc TBD gió mạnh hơn, nhiệt độ lạnh liên quan với chi phối dị thường SST lạnh Bắc TBD Dị thường độ cao liên quan với AMO lưỡng cực bắc-nam Bắc ĐTD mà giống với đồ tương quan điểm dao động tần thấp, thường gọi dao động Bắc ĐTD (NAO) Tâm áp cao phía bắc có liên quan đến gió yếu tạo dị thường SST dương thông 45 qua việc giảm trao đổi hiển nhiệt mùa đông ... vài năm lần cân bị phá vỡ: {  {  Nếu nước ấm xuất gần bờ Nam Mỹ, nơi nước thường lạnh: El Niño Ngược lại: La Niña 28 8.3 El Niño, La Niña dao động nam |  Các kiện ấm nhiều xảy năm 1 982 –1 983 ... 1 982 –1 983 199 7– 19 98 |  Dị thường SST lớn xuất từ bờ biển Nam Mỹ ? ?80 °W) đến đường đổi ngày ( 180 °W) |  Đôi dị thường SST xuất bờ biển Nam Mỹ trước (1966 1973), đơi ngồi khơi trước (1 982 1992) | ... tác động cưỡng nào, chẳng hạn phát thải khí nhà kính, ta dự báo tác động (ví dụ phát thải khí nhà kính) đóng góp tương lai 8. 2 Dao động khí |  Hệ thống khí hậu liên tục chịu tác động đốt nóng bề