Để xác định vai trò của địa hình tới cấu trúc của hoàn lƣu khí quyển quy mô lớn, luận văn này tiến hành thí nghiệm mô phỏng lại các giai đoạn bùng nổ gió mùa với mô hình RAMS trong trƣờng hợp không có địa hình. Những kết quả của thí nghiệm này sẽ đƣợc so sánh với trƣờng hợp mô phỏng có địa hình đã đƣợc phân tích ở các mục trƣớc nhằm đƣa ra những thảo luận về các quá trình vận chuyển động lƣợng trong khí quyển và cuối cùng đi tìm lí giải cho nguyên nhân hình thành của dòng xiết vƣợt xích đạo mực thấp từ nam bán cầu lên bắc bán cầu.
3.6.1. Trường mưa mô phỏng
Trƣờng mƣa mô phỏng trong trƣờng hợp không có địa hình cho giai đoạn bùng nổ gió mùa các năm đƣợc biểu diễn trên Hình 3.38 cho thấy, khi không có địa hình, mƣa gió mùa gần nhƣ không xuất hiện tại Việt Nam. Các vùng mƣa chỉ tập trung ở một khu vực nhỏ, thƣờng ở phía Đông Á (khu vực rìa phía trên của áp cao Tây Thái Bình Dƣơng). Dải mƣa xích đạo bị suy yếu và thậm chí trong một số năm dải mƣa này hầu nhƣ bị biến mất (các năm 1999, 2004 và 2010). Ở các năm còn lại là 1998 và 2001 cũng không nhận thấy sự di chuyển của dải mƣa này lên phía bắc. Yếu tố chính gây lên sự bùng nổ gió mùa tại Nam Bộ là đối lƣu trong trƣờng hợp này đã không còn. Chỉ sau khoảng bảy ngày tích phân khi loại bỏ địa hình, các hình thế mƣa mô phỏng đã thay đổi hoàn toàn so với trƣờng hợp có địa hình ban đầu.
57
Hình 3.38. Mưa mô phỏng trong
các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1.
3.6.2. Trường hoàn lưu mô phỏng
Tƣơng ứng với sự thay đổi của trƣờng mƣa, trƣờng hoàn lƣu trong trƣờng hợp không có địa hình cho thấy sự thay đổi đáng kể. Các hình thế đƣợc biểu diễn trong Hình 3.39 cho thấy, trong ngày bùng nổ gió mùa, đới gió tây vƣợt xích đạo không xuất hiện tại Nam Bộ mà thay vào đó là đới gió đông thịnh hành ở vùng nhiệt đới. Trong hầu hết các trƣờng hợp đều nhận thấy một đới gió đông rất lớn trải dài từ xích đạo tới
58
khiến gió tây ở nam bán cầu không thể phát triển đƣợc lên phía bắc. Khu vực ngoại nhiệt đới, nơi vốn là cao nguyên Tibet, trong trƣờng hợp không địa hình này đƣợc thay thế bởi hệ thống sóng quy mô hành tinh phát triển sâu xuống phía nam. Đây chính là các sóng Rossby vốn chỉ đƣợc quan sát tại các mực trên cao nhƣng do không có địa hình nên đã hình thành ngay ở các mực thấp. Nhìn chung, các cấu trúc khí quyển gần nhƣ đã thay đổi hoàn toàn chỉ sau chín ngày tích phân.
Hình 3.39. Trường gió mô phỏng
trong các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1.
59
3.6.3. Quá trình vận chuyển động lượng ngang
Do có ma sát ở bề mặt nên giữa trái đất và khí quyển luôn tồn tại một quá trình trao đổi động lƣợng. Động lƣợng sẽ đƣợc truyền từ trái đất vào khí quyển ở vùng nhiệt đới khi gió bề mặt là gió đông, sau đó động lƣợng đƣợc vận chuyển lên cao và theo phƣơng ngang về phía cực. Cuối cùng, động lƣợng đƣợc vận chuyển thẳng đứng xuống dƣới và truyền trở lại trái đất ở các vĩ độ cao, nơi gió bề mặt là gió tây. Nếu tính toán đƣợc các dòng vận chuyển này có thể giúp chuẩn đoán ngƣợc lại đƣợc những thành phần chính gây nên sự tăng cƣờng hoặc suy yếu của trƣờng gió vĩ hƣớng trong quá khứ, thậm chí có thể đƣa ra đƣợc dự báo đƣợc sự phát triển của dòng vĩ hƣớng hƣớng này trong tƣơng lai. Do đó, để giải thích cho sự hình thành và phát triển của các dòng vƣợt xích đạo, việc nghiên cứu các dòng vận chuyển động lƣợng trong khí quyển là cực kì quan trọng.
Có rất nhiều yếu tố dẫn đến sự thay đổi của dòng vận chuyển động lƣợng vĩ hƣớng nhƣ địa hình, ma sát bề mặt, ma sát nhớt của khí quyển... Xét về khía cạnh địa hình, vai trò chính của các dãy núi là làm tăng các thông lƣợng động lƣợng bề mặt, đồng thời gây nên sự thay đổi do sự chênh lệch áp suất ở bờ đông và bờ tây của các dãy núi này. Tuy nhiên nếu xét đến tất các các yếu tố này sẽ rất phức tạp, vì vậy nội dung của mục này chỉ đề cập đến sự thay đổi của dòng vận chuyển động lƣợng ngang đƣợc gây bởi địa hình, đặc biệt nhấn mạnh sự thay đổi của các dòng động lƣợng đƣợc vận chuyển từ vùng cận nhiệt đới về các vùng nhiệt đới trong giai đoạn bùng nổ gió mùa.
Công thức biểu diễn sự thay đổi động lƣợng của một mặt cắt vĩ độ đƣợc đƣa ra bởi Widger (1949) [34]:
Biểu thức vế trái biểu diễn sự biến đổi động lƣợng toàn phần của một dải vĩ độ. Thành phần đầu tiên của vế phải biểu diễn thông lƣợng động lƣợng tƣơng đối đƣợc vận chuyển theo phƣơng ngang qua dải vĩ độ.Thành phần thứ hai vế phải biểu diễn thông lƣợng động lƣợng thẳng đứng đƣợc vận chuyến tới dải vĩ độ.Thành phần thứ ba
60
vế phải biểu diễn tác động của sự chênh lệch áp suất giữa sƣờn phía đông và sƣờn phía tây của dãy núi. Thành phần cuối cùng vế phải biểu diễn tác động của lực ma sát.
Ở đây ρ là mật độ khối không khí; M là động lƣợng toàn phần của khối không
khí; V là Thể tích khối không khí; R là bán kính trái đất; u là tốc độ gió vĩ hƣớng; v là
tốc độ gió kinh hƣớng; ω là vận tốc góc của trái đất; r là khoảng cách tới trục trái đất;
x là khoảng cách theo phƣơng đông tây; z là khoảng cách theo phƣơng thẳng đứng; y là khoảng cách theo phƣơng nam bắc; S là diện tích bề mặt; p là áp suất; σlà hình chiếu của S lên mặt kinh hƣớng; τ là hệ số ma sát và Ø là vĩ độ.
Hình 3.40. Vận chuyển momen
động lượng tương đối của khí quyển mô phỏng có địa hình năm ngày trước bùng nổ gió mùa, trung bình từ 50oE – 140oE, đơn vị 1022g.m.s-1.
61
Hình 3.41. Vận chuyển momen
động lượng tương đối của khí quyển mô phỏng không địa hình năm ngày trước bùng nổ gió mùa, trung bình từ 50oE – 140oE, đơn vị 1022g.m.s-1.
Hình 3.40 và Hình 3.41 lần lƣợt biểu diễn sự vận chuyển thông lƣợng động lƣợng tƣơng đối của khí quyển (thành phần thứ nhất của vế phải) trong trƣờng hợp có địa hình và không có địa hình năm ngày trƣớc bùng nổ gió mùa Nam Bộ. Hình thế chung đƣợc nhận thấy trong cả hai trƣờng hợp đó là giá trị động lƣợng đƣợc vận chuyển trong khí quyển tăng đần theo độ cao đồng thời tồn tại hai xu hƣớng vận chuyển động lƣợng lớn, một từ nam bán cầu lên bắc bán cầu và một từ khoảng vĩ độ
62
20o N về phía cực. Khu vực từ -10o S – 10o N là khu vực nhận đƣợc nhiều động lƣợng
nhất, cả từ phía nam vận chuyển lên và từ phía bắc vận chuyển xuống. Hình thế vận chuyển ở phía trên cao trong hai trƣờng hợp là tƣơng đối giống nhau, tuy nhiên sự khác nhau lớn lại nằm ở các giá trị động lƣợng đƣợc vận chuyển. Trong trƣờng hợp có
địa hình, động lƣợng đƣợc vận chuyển từ nam bán cầu tới khu vực nhiệt đới (-10o
S –
10o N) lớn hơn nhƣng sự vận chuyển động lƣợng từ 20o N về phía cực lại nhỏ hơn rất
nhiều so với trƣờng hợp không có địa hình.
Do có sự hiện diện của các dãy núi, các dòng vận chuyển động lƣợng mực thấp lên phía bắc trong trƣờng hợp có địa hình bị giảm đi rất nhanh. Ngƣợc lại, trong trƣờng hợp không địa hình, hệ thống sóng Rossby vĩ độ cao lấn sâu xuống phía nam lại giúp tăng cƣờng các dòng này. Sự tồn tại của đới gió đông tại xích đạo cũng khiến cho động lƣợng từ nam bán cầu lên bắc bán cầu giảm đi rất nhiều. Do đó khi so sánh hai trƣờng hợp có thể thấy, vùng khí quyển nhiệt đới của trƣờng hợp mô phỏng có địa hình nhận đƣợc nhiều động lƣợng hơn so với trƣờng hợp không có địa hình, đây có thể chính là nguyên nhân gây bùng phát gió mùa.
63
Chương 4
XÂY DỰNG CHỈ SỐ GIÓ MÙA VÀ TRƯỜNG HỢP DỰ BÁO CHO NĂM 2012
4.1. Xây dựng các chỉ số gió mùa
Xây dựng các chỉ số cảnh báo vào chỉ số dự báo cho ngày gió bùng nổ gió mùa có vai trò cực kì quan trọng trong nghiên cứu cũng nhƣ dự báo sự xuất hiện của gió mùa mùa hè. Hiện nay tại Châu Á, các chỉ số mƣa, chỉ số phát xạ sóng dài OLR, chỉ số đối lƣu, chỉ số nhiệt và chỉ số gió vĩ hƣớng là những chỉ số đƣợc dùng khá phổ biến. Vì mỗi chỉ số phản ánh những đặc trƣng nhiệt động lực khác nhau của gió mùa nên nhiều nghiên cứu đã kết hợp nhiều chỉ số để tạo ra một chỉ số chỉ thị cuối cùng. Ở Việt Nam cũng có rất nhiều chỉ số đƣợc đƣa ra, trong đó những chỉ số đƣợc sử dụng nhiều nhất là chỉ số mƣa và chỉ số gió vĩ hƣớng.
4.1.1.Chỉ số mưa
Một chỉ số mƣa gió mùa thƣờng đặt ra hai chỉ tiêu, một về diện mƣa (mƣa diễn ra trên quy mô lớn) và một về lƣợng mƣa (mƣa diễn ra trong một thời gian đủ dài). Đối với các khu vực gió mùa điển hình nhƣ gió mùa Ấn Độ hoặc gió mùa Đông Á, ngày bùng nổ gió mùa thƣờng đƣợc đánh dấu bởi sự xuất hiện của mƣa lớn và kéo dài liên tục trong nhiều ngày. Tuy nhiên theo phân tích dựa trên các thành phân trực giao tự nhiên trong Hình 2.5, Nam Bộ không nằm trong khu vực gió mùa điển hình mà thuộc đới chuyển tiếp của các hệ thống gió mùa. Trong giai đoạn đầu mùa hè, khu vực này đồng thời chịu tác động của hai hệ thống hoàn lƣu quy mô lớn, một là đới gió tây nam nhiệt đới vƣợt xích đạo và một là đới gió đông ở rìa phía tây của áp cao cận nhiệt đới Tây Thái Bình Dƣơng, do đó mƣa gió mùa tại Nam Bộ cũng không thực sự điển hình nhƣ các vùng gió mùa khác. Lƣợng mƣa quan trắc đƣợc biểu diễn trong Hình 3.6 đến Hình 3.15 cho thấy, trong một số năm La Nina mạnh, mƣa thƣờng xuất hiện sớm bất thƣờng từ khoảng đầu Tháng Tƣ, nhƣng trong các năm El Niño, mƣa thƣờng xuất hiện rất muộn, thậm chí không xuất hiện tại một số trạm. Sau ngày bùng nổ gió mùa, mƣa tại hầu hết trạm cũng không kéo dài đủ năm ngày. Do đó, nếu áp dụng các chỉ số bùng nổ gió mùa của các khu vực gió mùa điển hình cho Nam Bộ thì một số năm sẽ không xác định đƣợc ngày bùng nổ gió mùa. Vì vậy, luận văn đề xuất ngƣỡng chỉ tiêu
64
cho chỉ số mƣa quan trắc tại các trạm Nam Bộ nhƣ sau:
- Ngày bùng nổ gió mùa là ngày mƣa xuất hiện tại trên 50% các trạm tại các
trạm tại Nam Bộ.
- Lƣợng mƣa đo đƣợc ở các trạm phải đạt trên 5 mm.ngày-1
và duy trì trong ít nhất ba ngày tiếp theo.
Ngày bùng nổ gió mùa mùa hè tại Nam Bộ và Đông Dƣơng đƣợc xác định tƣơng ứng bởi chỉ số mƣa quan trắc trạm và mƣa mô phỏng đƣợc nội suy về trạm (Hình 3.6 tới Hình 3.15) đƣợc biểu diễn trong Bảng 4.1.
1998 1999 2001 2004 2010
Chỉ số mƣa
quan trắc 15/05 21/04 11/05 12/05 21/05
Chỉ số mƣa
mô phỏng 15/05 20/04 10/05 11/05 21/05
Bảng 4.1. Ngày bùng nổ gió mùa được xác định bởi chỉ số mưa quan trắc
và mưa mô phỏng
Theo Bảng 4.1, thời điểm bùng nổ gió mùa đƣợc xác định bởi hai chỉ số là tƣơng đối gần nhau, cho thấy chỉ số mƣa quan trắc và mƣa mô phỏng đều chỉ thị tốt sự xuất hiện của mƣa gió mùa quy mô lớn tại Nam Bộ. Do đó, ngƣỡng chỉ tiêu áp dụng cho các chỉ số mƣa trạm đƣợc đƣa ra là hợp lí. Đồng thời theo Bảng 4.1, sự chênh lệch giữa ngày bùng nổ gió mùa xác định bởi mƣa quan trắc và mƣa mô phỏng là rất nhỏ cho thấy RAMS đã mô phỏng tốt trƣờng mƣa. Trong các năm El Niño, ngày bùng nổ gió mùa xác định bởi hai chỉ số là trùng nhau còn trong các năm La Nina và năm trung tính, mƣa mô phỏng thƣờng cho ngày bùng nổ gió mùa thƣờng sớm hơn một ngày so với mƣa quan trắc.
4.1.2. Chỉ số gió vĩ hướng
Chỉ số gió vĩ hƣớng là chỉ số gió mùa phổ biến nhất đƣợc sử dụng trên thế giới. Những điểm mạnh của chỉ số này là mang đƣợc những đặc trƣng của hoàn lƣu quy mô lớn, ít chịu tác động của các yếu tố địa phƣơng và có hệ số tƣơng quan rất cao với trƣờng mƣa. Những phân tích về hoàn lƣu mực thấp đƣợc biểu diễn trong Hình 2.3 cho thấy trong ngày bùng nổ gió mùa mùa hè có một đới gió tây rất mạnh thổi vịnh Bengal
65
tới Nam Bộ. Các thành phần trực giao trong Hình 2.5 cũng cho thấy, về phƣơng diện khí hậu, đới gió tây này trải dài từ Đông Phi tới Philipine và mở rộng từ xích đạo tới
gần 20o N. Vì vậy luận văn này đề xuất giá trị trung bình của trƣờng gió vĩ hƣớng mực
850 hPa trong miền 10o N – 15o N; 100o E – 110o E là chỉ số để xác định ngày bùng nổ
gió mùa mùa hè cho khu vực Nam Bộ. Với chỉ số này, ngày bùng nổ gió mùa là ngày
có giá trị gió vĩ hƣớng đạt trên 0,5 m.s-1 và duy trì liên tục trong ít nhất ba ngày tiếp
theo. Điều kiện đòi hỏi chỉ số phải thỏa mãn trong ba ngày tiếp theo nằm loại bỏ những khả năng gió tây hình thành do các nhiễu động nhiệt đới hoặc các hiện tƣợng thời tiết không phải quy mô lớn.
Hình 4.2. Trung bình gió vĩ
hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) mô phỏng bởi RAMS.
66
Hình 4.3. Trung bình gió vĩ
hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) số liệu tái phân tích NCAR/NCEP .
Theo Hình 4.2, trong giai đoạn trƣớc bùng nổ gió mùa, chỉ số gió vĩ hƣớng mang dấu âm, cho thấy sự duy trì của đới gió đông yếu trên khu vực Nam Bộ. Tuy nhiên đến gần ngày bùng nổ, giá trị gió vĩ hƣớng này tăng rất nhanh (trong hầu hết các
trƣờng hợp giá trị gió thay đổi từ -2 m.s-1
tới 7 m.s-1 trong vòng ba ngày) và giữ
nguyên giá trị dƣơng đó trong nhiều ngày tiếp theo. Sự đảo dấu đột ngột này của chỉ số gió vĩ hƣớng cho thấy sự phát triển rất nhanh và mạnh của gió tây nhiệt đới từ vịnh Bengal sang khu vực Nam Bộ. Chỉ trong khoảng ba ngày, gió tây nhiệt đới đã thay thế hoàn toàn đới gió đông yếu tồn tại trƣớc đó và thống trị hình thế thời tiết nơi đây.
67
Ngày bùng nổ gió mùa của các trƣờng hợp nghiên cứu đƣợc biểu diễn trong Bảng 4.2 cho thấy chỉ số gió mùa đƣợc xác định bởi trƣờng gió tây mô phỏng tƣơng đồng rất tốt với chỉ số gió mùa đƣợc xác định bởi trƣờng gió tây tái phân tích. Khi so sánh các thời điểm bùng nổ đƣợc xác định bởi chỉ số mƣa và chỉ số gió vĩ hƣớng, ngày bùng nổ gió mùa đƣợc xác định bởi chỉ số gió vĩ hƣớng thƣờng sớm hơn từ một đến
bốn ngày so với ngày bùng nổ gió mùa xác định bởi trƣờng mƣa. Ví dụ năm 2001, chỉ
số gió tây tái phân tích và gió tây mô phỏng đều thỏa mãn sớm hơn so với chỉ số mưa
quan trắc từ 4 đến 5 ngày. Chỉ có duy nhất năm 1999, chỉ số gió vĩ hƣớng cho ngày
bùng nổ gió mùa muộn hơn một ngày so với chỉ số mƣa quan trắc. Các trƣờng hợp còn lại, chỉ số gió vĩ hƣớng đều cho ngày bùng nổ sớm hơn so với chỉ số mƣa, cho thấy đây là một chỉ số cảnh báo sớm tốt cho sự xuất hiện của mƣa gió mùa tại Nam Bộ.