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 8 Dao động tự nhiên quy

mô mùa và nội mùa

2

|   Thực tế cho thấy dự báo thời tiết thường không chính

xác khi dự báo ở đâu, khi nào sẽ có mưa và hạn dự báo càng dài thì độ chính xác càng nhỏ

|   Vào những năm 1960 Edward N Lorenz đã chứng minh

rằng việc dự báo chi tiết các thông tin thời tiết, như vị trí của các fronts, hầu như là không thể đối với các hạn dự báo dài hơn 2 tuần

|   Đó là do sai số trong trường ban đầu tăng nhanh lấn át cả

các trường dự báo

|   Mặc dù vậy, chất lượng dự báo đã tăng đáng kể trong

những thập kỷ qua và do đó các dự báo hạn đến 10 ngày bây giờ là hữu ích

8.1 Mở đầu

3

8.1 Mở đầu

Tương quan giữa dự báo của mô hình thời tiết và dị thường quan

trắc trường độ cao mực 500hPa ở Bắc và Nam bán cầu

4

8.1 Mở đầu

|   Dự báo 3 ngày là rất tốt nhưng độ chính xác giảm rất nhanh khi

hạn dự báo dài hơn 5 ngày

|   Bắc bán cầu tốt hơn nhiều so với Nam bán cầu trong những năm

1980 và 1990

|   Giữa những năm 1990 dự báo cho Nam bán cầu được cải thiện

nhanh hơn Bác bán cầu

|   Từ 2002 dự báo ở cả hai bán cầu gần như tốt như nhau

5

|   Mặc dù không thể dự báo thời tiết dài hơn 2 tuần dù

chúng ta cải thiện hệ thống quan trắc và mô hình, nhưng

ta có thể đưa ra các thông tin dự báo hữu ích số liệu

thống kê về thời tiết dài hơn 2 tuần

|   Ví dụ: Có thể dự báo nhiệt độ trung bình tháng trong

mùa hè hoặc xác suất các sự kiện mưa lớn ở một vùng cụ thể vào một mùa cụ thể

|   Khả năng dự báo các đặc trưng thống kê về thời tiết dựa

trên hai nguyên tắc:

{   Hệ thống khí hậu có các mode (dạng) dao động có quy mô

thời gian dài hơn 2 tuần mà có thể dự báo được

{   Nếu ta biết khí hậu chịu tác động cưỡng bức như thế nào,

chẳng hạn bởi phát thải khí nhà kính, ta có thể dự báo những tác động đó (ví dụ phát thải bao nhiêu khí nhà kính) sẽ đóng góp trong tương lai

8.1 Mở đầu

6

8.2 Dao động trong khí quyển

|   Hệ thống khí hậu liên tục chịu tác động bởi sự đốt nóng

bề mặt do bức xạ mặt trời ở nhiệt đới và bị làm lạnh từ khí quyển và từ các vĩ độ cao do phát xạ sóng dài

|   Sự chênh lệch nhiệt tạo nên sự vận chuyển năng lượng

đi lên ở các khu vực đối lưu và hướng về cực trong các

hệ thống thời tiết vĩ độ trung bình hoặc trong các dòng chảy đại dương

|   Các hệ thống thời tiết và các hiện tượng đối lưu thường

phát triển từ độ bất ổn định khí quyển do gradient nhiệt làm tăng tính ngẫu nhiên của dao động

|   Năng lượng có thể được gom lại trên quy mô thời gian

và không gian lớn và sẽ được quan tâm từ quan điểm khí hậu

7

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

|   Cấu trúc năng lượng của khí quyển có quy mô hàng nghìn

km hoặc hơn è Mối quan tâm của thời tiết và khí hậu

|   Năng lượng trong các quy mô lớn liên quan với gradient độ

chiếu nắng mặt trời

|   Tương tác quy mô lớn trong các hệ thống thời tiết vĩ độ trung

bình chuyển năng lượng từ quy mô bất ổn định tà áp tạo ra các sóng ( ∼ 3000 km) đến các quy mô lớn hơn hoặc nhỏ hơn, trong đó năng lượng thường tập trung về các quy mô lớn hơn

|   Năng lượng của gió tây vĩ độ trung bình được cung cấp từ

các xoáy quy mô nhỏ hơn mà chúng xác định thời tiết ở các

vĩ độ trung bình

|   Do đó, tương tác giữa các hệ thống nhiễu động vĩ độ trung

bình và dòng xiết vĩ hướng rất mạnh, và cái đó chuyển thành các mode dao động trong đó các dòng xiết và cấu trúc xoáy của chúng di chuyển về bắc và về nam

8

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Độ lệch chuẩn (STD, m) của độ cao mực 500hPa so với trung bình khí hậu cho các quy

mô thời gian khác nhau trong nửa năm mùa đông Bắc bán cầu (tháng 10 đến tháng 3)

|   Dao động của H500 trong mùa đông

BBC là lớn nhất trên đại dương và nhỏ nhất ở các vùng núi

|   Dao động trên đại dương chủ yếu do

các hiện tượng có chu kỳ dài hơn 30 ngày

|   Dao động ở quy mô thời gian trung

bình giữa 7 và 30 ngày xuất hiện rõ ở phía cuối các dòng chảy biển (dòng hướng đông - on the downstream (eastward) sides of the oceans)

|   Dao động tần cao với quy mô thời

gian dưới 7 ngày xuất hiện ở bờ phía tây của các đại dương, một ở Thái Bình dương, một ở Đại Tây dương

9

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Độ lệch chuẩn (STD, m) của độ cao mực 500hPa so với trung bình khí hậu cho các quy

mô thời gian khác nhau trong nửa năm mùa đông Nam bán cầu (tháng 4 đến tháng 9)

|   Ở Nam bán cầu trong mùa đông

dao động đối xứng vĩ hướng lớn hơn nhiều (tại mọi kinh tuyến xung quanh 60°S), nhưng dao động lớn nhất ở thượng nguồn của địa hình chắn ngang bởi dãy Andes và bán đảo Palmer, và nhỏ nhất trên các dãy núi

|   Dao động tần cao là lớn nhất trong

một khu vực kéo dài theo vĩ tuyến

có đỉnh ở khoảng 50°S, 70°E trên

Ấn Độ dương

|   Dao động quy mô trung gian lớn

nhất ở phía cuối khu vực đó trên Thái Bình dương giữa Australia và Nam Mỹ

10

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm còn lại trong mùa đông Bắc bán cầu Các điểm được chọn là A, P Màu đỏ là hệ số tương quan dương, màu xanh là âm

|   Nhận thấy một chuỗi các sóng với bước sóng điển hình khoảng 50° kinh độ (7 sóng quanh một vòng vĩ tuyến hay 7 số sóng)

|   Các sóng xuất hiện gần các rãnh độ cao khí hậu hạ nguồn châu Á và Bắc Mỹ nơi gió tây vĩ hướng trung bình mạnh

|   Các sóng có xu hướng di chuyển về phía đông theo hướng của gió trung bình, nhưng chậm hơn gió trung bình trên mực 500hPa

|   Ở Bắc bán cầu mùa đông, các cấu trúc liên quan với dao động 7-30 ngày lớn hơn về quy mô không gian, tuy nhiên chúng không có cấu trúc sóng mạnh như các xoáy tần cao

|   Dao động với các chu kỳ trên 30 ngày

có cấu trúc đặc trưng nào đó

11

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có

biến động lớn với các điểm còn lại trong

mùa đông Bắc bán cầu Các điểm được

chọn là A, P Màu đỏ là hệ số tương quan

dương, màu xanh là âm

|  Điểm ở vĩ độ trung bình trên Thái Bình

dương nắm bắt được một chuỗi sóng quy

mô lớn chạy theo một vòng tròn lớn từ tây Thái Bình dương nhiệt đới đến vịnh Mexico (c)

|  Nó phát sinh từ dao động tự nhiên của khí

quyển nhưng chịu ảnh hưởng mạnh bởi biến động SST nhiệt đới liên quan với các sự kiện El Niño

|  Nó xuất hiện ở đây nhưng có dấu ngược với

dấu của cái liên quan đến các sự kiện El Niño mà nó tạo ra một trung tâm áp thấp ở Bắc Thái Bình Dương

|  Điểm ở Bắc Đại Tây dương thể hiện tương

quan cao với dạng lưỡng cực bắc-nam mạnh mà nó được biết đến như là “dao động Bắc Đại Tây dương” hay NAO

|  NAO là dạng (mode) thống trị của dao động

tần thấp ở Bắc Đại Tây dương

|   NAO kéo dài theo hướng đông-tây tạo nên

một lưỡng cực bắc-nam, trong khi các chuỗi sóng tần cao kéo dài theo hướng bắc nam và hình thành chuỗi sóng truyền về phía đông

12

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm còn lại trong mùa đông Nam bán cầu Các điểm được chọn là P, SP Màu đỏ là hệ số tương quan

dương, màu xanh là âm

|   Ở Nam bán cầu về mùa đông cũng có

các chuỗi sóng tần cao, các chuỗi có phương sai lớn nhất nằm trên Ấn Độ dương nơi phương sai tần cao lớn nhất (a)

|   Quy mô của chuỗi sóng trên Ấn Độ

dương lớn hơn trên Thái Bình dương

vì gió mạnh hơn

|   Do tính đối xứng vĩ hướng lớn hơn

và gió vĩ hướng mạnh hơn ở Nam bán cầu nên các quy mô trung gian cũng có các chuỗi sóng hướng đông-tây rõ nét, nhưng bước sóng vĩ

hướng gần 90° kinh, do đó chỉ có 4

số sóng vĩ hướng đối với chuỗi sóng tần cao (b)

13

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm còn lại trong mùa đông Nam bán cầu Các điểm được chọn là P, SP Màu đỏ là hệ số tương quan

dương, màu xanh là âm

|   Nếu chọn một điểm gần trung

tâm của dao động độ cao cực đại ngược về phía Nam Mỹ tại 65°S, có thể thấy một dạng tần thấp trông giống một chuỗi

sóng xuất hiện trải từ New Zealand đến Đại Tây dương cận nhiệt đới (c)

|   Một lưỡng cực bắc-nam nhỏ

xen lẫn với chuỗi sóng Rossby

vì các tâm cao hướng xích đạo của tâm tại 65°S có tương

quan âm với nó

14

8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm còn lại trong mùa đông Nam bán cầu Các điểm được chọn là P, SP Màu đỏ là hệ số tương quan

dương, màu xanh là âm

|   Nếu chọn điểm tham chiếu ngay tại

cực nam (d) thì tương quan không gian có dạng hình khuyên mạnh tại khoảng 45°S với dị thường cao ngược dấu tại hầu hết các kinh tuyến

|   Nó có dạng giống một chiếc bánh

rán với các tâm cao ở vĩ độ trung bình đi lên hoặc đi xuống trong khi các tâm cao ở cực đi xuống hoặc đi lên

|   Dạng (mode) dao động này được gọi

là dạng vành khuyên Nam bán cầu (Southern Annular Mode) hay SAM

|   SAM là kết quả của sự tương tác

giữa các xoáy tần cao và gió vĩ trung bình vĩ hướng

15

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Ở nhiệt đới, đối lưu giải phóng ẩn nhiệt chi phối hoàn lưu với các quy mô từ

các hệ thống đối lưu riêng biệt đến hoàn lưu quy mô toàn cầu

|   Năm 1971, Roland Madden và Paul Julian đã phát hiện thấy các trường gió và

khí áp nhiệt đới có một dạng dao động nổi trội với một quy mô thời gian dài trung bình khoảng 40-50 ngày nhưng biến thiên trong khoảng 25-60 ngày

|   Dao động đó được gọi là dao động nội mùa: Madden–Julian Oscillation, hay

MJO

|   MJO mạnh nhất ở tây Thái Bình dương và Ấn Độ dương vào mùa đông Bắc

bán cầu, nhưng xảy ra trong tất cả các mùa và có thể nhận thấy ở tất cả các kinh tuyến vùng nhiệt đới, và cũng có ảnh hưởng đến các vĩ độ trung bình

|   Nó xuất hiện do sự kết hợp giữa đối lưu nhiệt đới và các hình thế gió quy mô

toàn cầu gần xích đạo

|   Biên độ và sự duy trì lâu nó đủ để gây ra sự gián đoạn trong gió mùa mùa hè

châu Á (ASM) và sự chuyển tiếp trạng thái của hệ thống kết hợp khí quyển-đại dương nhiệt đới

|   Nó cũng có thể điều tiết sự xuất hiện và cường độ xoáy thuận nhiệt đới

(XTNĐ), bão

16

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Hai EOFs đầu tiên của biến

động gió ngày trung bình vĩ hướng ở Nam bán cầu cho tất cả các ngày trong năm

|   Các cấu trúc này tương ứng giải

thích được 40 và 21% phương sai ngày theo diện tích và khối lượng của gió trung bình vĩ hướng giữa 20°S và 90°S

|   Các đường đen đậm là gió trung

bình vĩ hướng trung bình năm khí hậu

|   Khoảng cách giữa các đường

đối với gió trung bình vĩ hướng

là 5m/s và đối với EOFs là 0.5m/s

|   Các màu chỉ dấu của dị thường

EOF

|   Mực trên cùng là 1 hPa

17

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Mặt cắt kinh độ-thời gian của dị thường OLR nhiệt đới đã lọc dải cho các giai

18

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Dị thường âm thể hiện

mây và mưa tăng cường

|   Dị thường thường di chuyển từ tây sang đông, bắt đầu ở khu vực Ấn

Độ dương và yếu đi ở tâm Thái Bình dương

|   Có thể thấy sự lan truyền sang hướng tây với các chu kỳ ngắn hơn của một số hiện tượng

19

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Hồi quy giữa các chuỗi

thời gian của vector gió

và OLR với EOF thứ nhất và thứ hai của gió vĩ hướng mực 200 hPa và

850 hPa trong nửa năm mùa đông Bắc bán cầu

|   Khoảng cách giữa các

đường là 2 W/m2

|   Đường màu đen chỉ OLR

nhỏ thể hiện mây cao và mưa

20

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Có một dị thường OLR âm lớn có tâm ở

khoảng 90°E trên Ấn Độ dương, thể hiện mưa và đối lưu mạnh ở đó

|   Dị thường OLR này liên quan với dị

thường gió đông mực 850 hPa gần xích đạo mở rộng về phía đông tới tâm Thái Bình dương và dị thường gió tây mở rộng về phía tây đến bờ biển châu Phi

|   Gió mực thấp hội tụ ở nơi có mưa xảy ra

Hồi quy của vector gió và OLR đối với

EOF thứ nhất

|   Trên mực 200 hPa, dị thường gió tây mạnh mở rộng về hướng tây từ vùng có OLR

nhỏ và đối lưu

|   Dị thường gió có độ đứt thẳng đứng lớn, gió tây gần bề mặt và gió đông gần đỉnh

tầng đối lưu trên Ấn Độ dương

|   Vào thời gian biểu diễn dao động bởi EOF-1, một hoàn lưu gió xoáy nghịch mạnh

xuất hiện trên Bắc Thái Bình dương có tâm ở khoảng 40°N ngay phía đông đường đổi ngày và rõ nhất trên mực 850 hPa

|   Do đó MJO có ảnh hưởng nhất quán đến hoàn lưu vĩ độ trung bình vào mùa đông

|   Dị thường nhiệt MJO tương tác với dòng xiết cận nhiệt đới ở Tây Thái Bình dương

để tạo ra dị thường sóng ngoại nhiệt đới này

21

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|   Dị thường OLR âm

dịch chuyển về phía đông và có tâm trên Indonesia và tây Thái Bình dương, với dị thường đối lưu mở rộng xuống dải hội tụ Nam Thái Bình dương

Hồi quy của vector gió và OLR đối với EOF thứ hai

|   Dị thường gió tây trên 850 hPa mở rộng về phía tây trên Ấn Độ

dương đến châu Phi với dị thường gió đông ở 200 hPa trên cùng khu vực

|   Dị thường gió đông mực thấp và di thường gió tây mực cao mở rộng

từ vùng đối lưu trên khắp Indonesia và kéo qua Thái Bình dương đến Nam Mỹ, do đó dị thường gió trên xích đạo kéo dài gần như toàn cầu

22

8.3 El Niño, La Niña và dao động nam

|   El Niño - dao động nam (E l N iño- S outhern O scillation

– ENSO ) là một dạng dao động kết hợp đại dương-khí

quyển nhiệt đới ở tâm Thái Bình dương, nhưng cũng gắn

cả với các hình thế thời tiết toàn cầu

|   Tên gọi El Niño xuất phát từ pha nóng của SST của

ENSO xuất hiện ở bờ tây Nam Mỹ xung quanh ngày lễ

Giáng sinh

|   La Niña là tên gọi thích hợp cho pha lạnh, hoặc phái nữ,

của ENSO

|   Southern Oscillation chỉ hình thế khí áp bề mặt được

phát hiện bởi Sir Gilbert Walker vào những năm 1920

23

El Niño, La Niña và dao động nam

|   Normal: Điều kiện bình

25

8.3 El Niño, La Niña và dao động nam

Vận tốc thẳng đứng của khí quyển (a) và nhiệt độ thế đại

dương (b) dọc xích đạo Mũi tên thẳng đứng chỉ hướng chuyển động thẳng đứng, mũi tên

ngang màu đen chỉ hướng gió bề mặt trên Thái Bình dương

26

8.3 El Niño, La Niña và dao động nam

|  Độ nghiêng nêm nhiệt hướng xuống

về phía tây với lớp xáo trộn ấm, sâu

ở Tây Thái Bình dương và lớp xáo trộn nông, nêm nhiệt mỏng ở phía đông

|  Cường độ gió đông được tăng cường

ở Thái Bình dương bởi chuyển động thăng do đối lưu trên Indonesia,

được cân bằng bởi chuyển động giáng nhờ làm lạnh bức xạ phía đông đường đổi ngày, nơi đối lưu có lẽ

yếu hơn nhiều

|  Nếu gió đông yếu đi thì lực khí áp sẽ “làm phẳng” nêm nhiệt và nước ấm

bề mặt sẽ chảy về phía đông Thái Bình dương

|  Điều đó làm mưa nhiều hơn trên SST ấm ở Đông Thái Bình dương và

gió đông trở nên yếu hơn

|  Đó là ý tưởng cơ bản giải thích hiện tượng ENSO nóng hay El Niño

27

Dao động mực nước biển và SST ở TBD xích đạo

28

8.3 El Niño, La Niña và dao động nam

Sơ đồ minh hoạ điều kiện khí quyển và đại dương dọc xích đạo trong các pha (a) La

Niña, (b) Bình thường, và (c) El Niño

|   Gradient SST hướng đông - tây lớn ở vùng nhiệt đới Thái Bình dương

|   è Liên quan với sự trồi lên của nước lạnh tại rìa đông Thái bình dương xích đạo

|   Nêm nhiệt phát triển xuống sâu nhất ở vùng đại dương nhiệt đới phía tây và nâng

lên phía bề mặt ở vùng xích đạo phía đông nơi có nước trồi xuất hiện

|   Gradient mật độ và áp suất liên quan với độ nghiêng đông - tây của nêm nhiệt ở

Thái Bình dương được tạo thuận lợi bởi ứng suất gió hướng về tây do gió đông

nhiệt đới

|   Cứ vài năm một lần sự cân bằng này bị phá vỡ:

{  Nếu nước ấm xuất hiện gần bờ Nam Mỹ, nơi nước thường rất lạnh: El Niño

{  Ngược lại: La Niña