Bằng việc sử dụng số liệu tái phân tích ERA5 – Interim từ Trung tâm dự báo hạn vừa châu Âu (ECMWF) nghiên cứu mối quan hệ giữa sự xâm nhập lạnh xuống phía nam với rãnh xích đạo trong thời kỳ mùa đông. Kết quả cho thấy mối quan hệ giữa xâm nhập lạnh với rãnh xích đạo thông qua việc xây dựng bản đồ hệ số tương quan trong không gian khá đồng nhất với số liệu quan trắc. Với việc phân tích được quy luật hoạt đông, cách xác định phạm vi, cường độ của rãnh xích đạo nghiên cứu đã thu được một số điểm nhấn đáng chú ý từ đó xác định được mối quan hệ, sự tương tác qua lại giữa các hình thế thời tiết ảnh hưởng đến Việt Nam trong thời kỳ mùa đông.
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Tổng quan về xâm nhập lạnh
Áp cao Siberia là khối không khí khô lạnh hình thành từ tháng 9 đến tháng 4 ở đông bắc Âu-Á, chủ yếu tập trung quanh hồ Baikal, tọa độ 31-60˚N và 70-120˚E Vào mùa đông, áp cao này đạt kích thước và cường độ lớn nhất, với nhiệt độ gần trung tâm khu vực có thể xuống dưới −40°C và áp suất mực nước biển trung bình lên tới 1040mb.
Vào ngày 23 và 24 tháng 1 năm 2016, áp cao Siberia đạt cường độ mạnh nhất, với đỉnh áp cao bán vĩnh cửu mạnh nhất ở Bắc bán cầu Nhiệt độ thấp nhất từng ghi nhận tại đây là -67,8°C vào ngày 15 tháng 1 năm 1885 tại Verkhoyansk, trong khi khí áp cao nhất là 1083,8 mb tại Agata, Krasnoyarsk Krai vào ngày 26 tháng 12 năm 1968 Kỷ lục này đã bị phá vỡ vào ngày 23 tháng 1 năm 2016, khi khí áp đạt 1095,9 mb tại Tosontsengel.
(Mông Cổ) được ghi nhận
Cao nguyên Siberia có khí hậu giá rét và khắc nghiệt, dẫn đến sự khô hạn băng tuyết và sự thiếu hụt sông băng ở Siberia, Mông Cổ và Trung Quốc Vào mùa hè, áp cao Siberia thường bị thay thế bởi áp thấp từ Trung Hoa.
Theo nghiên cứu của Hansen và cộng sự (2010), nhiệt độ tại vùng Siberia đã gia tăng với tốc độ nhanh hơn Gong Dy và C.H Ho (2002) cũng chỉ ra rằng trong 100 năm qua, cường độ của áp cao Siberia đã có xu hướng mạnh lên vào những năm 60, nhưng lại suy yếu đáng kể trong những năm 80 và đầu những năm 90 Đặc biệt, trong giai đoạn 1976 – 2000, cường độ tại trung tâm áp cao này (40-60˚N; 70-120˚E) đã giảm khoảng 1,78 mb/thập kỷ trong các tháng 1, 2 và 3.
1.1.1 Khái niệm về xâm nhập lạnh
Xâm nhập lạnh xuống Việt Nam là hiện tượng không khí cực đới biến tính từ áp cao Siberia, chủ yếu xảy ra ở tầng thấp Hiện tượng này gây giảm nhiệt độ đáng kể và gió đông bắc, có thể tạo ra gió mạnh trên biển đạt cấp 6, cấp 7, khiến biển động.
Hình 1 2 Quá trình xâm nhập lạnh xuống Việt Nam
Không khí lạnh được coi là xâm nhập tới nước ta nếu thỏa mãn một trong hai điều kiện sau:
- Hướng gió lệch bắc, tại trạm Bạch Long Vỹ tốc độ gió đo được từ cấp 6
5 trở lên và kéo dài trên 3 giờ (hai kì quan trắc liên tục) [2]
- Nhiệt độ không khí trung bình ngày trên một nửa số trạm trên đất liền thuộc khu vực Đông Bắc giảm từ 3 độ trở lên [2]
Trong nửa năm lạnh, miền Bắc Việt Nam trải qua hai loại không khí lạnh: gió mùa đông bắc và không khí lạnh tăng cường Ngược lại, trong nửa năm nóng, các đợt không khí lạnh chỉ được gọi chung là các đợt xâm nhập lạnh.
Đợt gió mùa đông bắc mang theo không khí lạnh và front lạnh, gây ra biến đổi thời tiết mạnh mẽ khi xâm nhập vào nước ta Gió chuyển hướng lệch bắc với tốc độ cấp 3-4 trong đất liền, cấp 5 ở vùng ven biển, và từ cấp 6 trở lên ngoài khơi Diện mưa gia tăng, có thể xuất hiện dông mạnh kèm theo gió giật mạnh trên cấp 6, cùng với hiện tượng tố, lốc, và mưa đá Nhiệt độ trung bình trong ngày và nhiệt độ tối cao giảm mạnh.
Đợt không khí lạnh tăng cường xâm nhập vào Việt Nam mà không kèm theo front lạnh, trong khi miền Bắc vẫn duy trì lưỡi cao lạnh Sự tăng cường này làm tốc độ gió gia tăng, gây ra gió mạnh ngoài khơi và có thể khiến nhiệt độ giảm hoặc ít thay đổi Trong một số trường hợp, không khí lạnh khô làm giảm lượng mây, dẫn đến việc tăng nhiệt độ vào ban ngày Mặc dù không khí lạnh tăng cường không làm giảm nhiệt độ mạnh, nhưng nó cũng có thể kéo dài tình trạng rét trong mùa gió mùa đông bắc.
Cường độ của không khí lạnh được chia thành ba cấp độ:
- Mạnh: Vận tốc gió tại trạm Bạch Long Vĩ ≥ cấp 7 và kéo dài từ 2 kì trở lên hoặc cấp 6 nhưng kéo dài liên tục trên 8 obs quan trắc [1]
- Trung bình: Vận tốc gió tại trạm Bạch Long Vĩ ≥ cấp 6 và kéo dài từ 2 kì quan trắc hoặc cấp 7 nhưng không kéo dài quá 1 obs quan trắc [1]
- Yếu: Vận tốc gió tại trạm Bạch Long Vĩ < cấp 6 hoặc cấp 6 nhưng kéo dài không quá 1 obs quan trắc [1]
Trần Công Minh [10, 11] đã chỉ ra rằng, khi có sự xâm nhập lạnh sẽ kéo
Khi áp suất bề mặt tăng, nhiệt độ không khí bề mặt giảm mạnh từ 5-8°C và gió đông bắc trở nên mạnh mẽ, có thể đạt cấp 6-7 trên biển Đông, gây ra tình trạng biển động mạnh Tuy nhiên, vào đầu và cuối mùa đông, những hiện tượng này thường suy yếu đáng kể.
Bảng 1 1 Tần số KKL xâm nhập xuống miền Bắc Việt Nam [7]
Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Cả năm Tần số 4,5 3,5 3,4 3,1 2,2 1,0 0,15 0,1 1,2 1,9 3,0 3,9 28,75
Từ tháng 12 năm trước đến tháng 2 năm sau là thời kỳ KKL hoạt động mạnh nhất tại miền Bắc Việt Nam, với tháng 1 ghi nhận trung bình 4,5 đợt Số lượng đợt KKL giảm dần vào tháng 7 và 8, chỉ còn 0,15 và 0,1 đợt Tuy nhiên, vào tháng 9, số đợt KKL lại tăng lên, đạt 3,9 đợt vào tháng 12 Trung bình hàng năm, miền Bắc Việt Nam tiếp nhận khoảng 28,75 đợt KKL, với tần suất lớn hơn 3 đợt/tháng từ tháng 11 đến tháng 4, trong khi tháng 7-8 chỉ có khoảng 1 đợt sau 7-10 năm.
Rãnh xích đạo
Rãnh xích đạo là khu vực có hai đới áp cao ở hai bán cầu, nằm trong vùng cận nhiệt đới Giữa hai đới áp cao này là một dải áp thấp, được gọi là rãnh áp thấp vùng xích đạo.
Vào tháng 1, rãnh xích đạo chủ yếu hoạt động ở bán cầu Nam, với mực bề mặt đạt cao nhất trong khoảng 5 – 8 độ.
Vĩ Bắc, sự hấp thụ và phát xạ nhiệt giữa đất liền và đại dương khác nhau, dẫn đến hiện tượng rãnh xích đạo biến động mạnh mẽ hơn trên lục địa so với trên đại dương Điều này xảy ra vì đại dương ít chịu tác động từ áp cao lạnh lục địa, khiến nhiệt độ trên các đại dương luôn cao hơn so với trên đất liền.
Tại Việt Nam, mùa đông thường có gió chính từ hướng đông bắc, xuất phát từ áp cao lạnh lục địa Trong những năm có rãnh xích đạo hoạt động mạnh, gió đông bắc có thể di chuyển sâu hơn vào phía Nam, gây ra các đợt rét đậm, rét hại kéo dài cho khu vực Bắc Bộ.
Hình 1 3 Vị trí trung bình tại bề mặt của rãnh xích đạo trong thời kỳ tháng 1
Trục rãnh xích đạo, theo Nguyễn Viết Lành, di chuyển theo mùa cùng với hai đới áp cao cận nhiệt đới ở Bắc và Nam bán cầu Vào tháng 1, vị trí trung bình của trục này khoảng 5°S, dẫn đến việc vị trí trung bình năm của trục không trùng với xích đạo địa lý mà nằm ở khoảng 5°N Do đó, khu vực từ 5°N đến 5°S được gọi là xích đạo khí tượng.
Trục rãnh xích đạo không chỉ thay đổi theo mùa mà còn có sự khác biệt về vị trí ở các kinh tuyến khác nhau trong cùng một mùa Điều này dẫn đến sự biến đổi về độ cao của trục rãnh xích đạo trong tháng.
Vị trí của trục rãnh trên lục địa thay đổi theo mùa, với khoảng từ 17°S đến 8°N và trong tháng 7 là từ 5 đến 25°N Sự biến thiên này diễn ra mạnh mẽ hơn trên lục địa châu Á, đặc biệt là Nam Á, nơi có áp thấp nóng hoạt động mạnh mẽ vào mùa hè.
Rãnh xích đạo không phải là một dải liên tục bao quanh Trái đất, mà là một hệ thống các trung tâm được hình thành do áp cao cận nhiệt đới không đồng nhất ở hai bán cầu Hiện tượng này thể hiện rõ nhất trong khu vực chuyển tiếp giữa hai áp cao trên đại dương Rãnh xích đạo là một đới rộng lớn, nối kết các vùng hội tụ ở rìa phía đông của áp cao cận nhiệt đới với vùng phân kỳ ở rìa.
Rãnh xích đạo thường mang thời tiết xấu ở phía đông đại dương với hiện tượng đối lưu mạnh, mưa rào và dông, trong khi phía tây đại dương lại có thời tiết tốt hơn Trên bản đồ bề mặt, trung tâm rãnh thấp xích đạo trùng với khu vực nóng nhất, nơi gió có tốc độ nhỏ nhất, được gọi là đới lặng gió xích đạo (Doldrums).
Từ tháng 6 đến tháng 9 hàng năm, rãnh xích đạo hoạt động mạnh mẽ ở Bắc Ấn Độ Dương, bán đảo Đông Dương và Biển Đông, với sự xuất hiện của áp thấp Ấn - Miến và các áp thấp khác trên Biển Đông Khi rãnh xích đạo di chuyển ra xa xích đạo khí tượng, nó thường tạo ra các hoàn lưu khép kín, dẫn đến thời tiết xấu hơn, đặc biệt là tại hai rìa của đường hội tụ trong rãnh.
Trong thời kỳ chính đông, rãnh xích đạo thường dịch chuyển xuống phía nam theo hoạt động của mặt trời Lục địa Âu-Á chịu ảnh hưởng của áp cao lạnh từ Siberia, dẫn đến sự giảm nhiệt nhanh chóng, đặc biệt ở phía Bắc Việt Nam, nơi có mùa đông rất lạnh, thậm chí có tuyết và băng giá Tuy nhiên, trong những năm có hoạt động yếu của rãnh xích đạo, sự tương tác với áp cao lạnh cũng yếu, làm cho mùa đông trở nên ngắn hơn.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
Mối liên hệ giữa sự xâm nhập của áp cao lạnh lục địa xuống phía nam và rãnh xích đạo đang thu hút sự chú ý của nhiều nhà khí tượng học Theo nghiên cứu của Chen và cộng sự (2004), khu vực Đông Á trung bình mỗi tháng ghi nhận khoảng hai đợt không khí lạnh Những đợt xâm nhập này xuất phát từ sự di chuyển của áp cao lạnh Siberia, dẫn đến sự gia tăng của gió đông bắc và sự giảm nhiệt độ bề mặt đột ngột.
Vào năm 2001, Tsing Chang Chen, Ming Cheng Yen, Wan Ru Hoang và William A Gallus Jr đã đưa ra cái nhìn tổng quan về xâm nhập lạnh, nhấn mạnh rằng không khí lạnh và các hiện tượng thời tiết nguy hiểm liên quan ở Đông Nam Á chưa được nghiên cứu đầy đủ Sự chú ý đến vấn đề này đã bắt đầu từ nghiên cứu của Greenfield và Krishnamurti vào năm 1979 trong khuôn khổ Thí nghiệm gió mùa mùa đông (WMONEX), cho thấy sự tồn tại của quá trình tương tác giữa các yếu tố khí hậu trong khu vực.
Nghiên cứu cho thấy, không khí lạnh thường xuất hiện ở 9 khu vực nhiệt đới và khu vực vĩ độ trung bình, đặc trưng bởi sự giảm đột ngột của khí áp bề mặt (Ps), nhiệt độ bề mặt (Ts) và sự gia tăng cường độ gió bề mặt theo hướng bắc (Vs).
Qua phân tích trạng thái synop bề mặt, Chang và cộng sự (1983) [18] đã đưa ra nhận định rằng sự xuất hiện của không khí lạnh trải qua 2 bước:
- Khối không khí lạnh có sự gia tăng mạnh mẽ của khí áp bề mặt (Ps)
- Sự giảm đột ngột của nhiệt độ bề mặt xuống tới nhiệt độ điểm sương (Td)
Sự khác biệt giữa hai bước này ngày càng lớn khi không khí lạnh di chuyển sâu xuống phía nam
Theo nghiên cứu của Theo Zhang và cộng sự, việc xác định ảnh hưởng của không khí lạnh đến một khu vực phụ thuộc vào vị trí địa lý và khoảng cách đến vùng tâm áp cao lục địa Siberia Một số chỉ tiêu đã được áp dụng trong dự báo không khí lạnh tại các trung tâm khí tượng Trong khi Trung tâm khí tượng Hàn Quốc chỉ dựa vào chỉ số chênh lệch nhiệt độ để xác định đợt xâm nhập lạnh, Trung Quốc kết hợp chỉ tiêu biến thiên nhiệt độ trong 24 giờ với việc xác định tâm xoáy nghịch ở phía nam cao áp Siberia đạt giá trị lớn hơn 1030 mb.
Cơ quan khí tượng của Đài Loan, Hồng Kông, Thái Lan và Việt Nam sử dụng các chỉ tiêu như biến thiên nhiệt độ, khí áp và gió để xác định đợt xâm nhập lạnh Tại Hàn Quốc, KMA xác định không khí lạnh dựa trên sự sụt giảm nhiệt độ không khí bề mặt trên 10 độ C trong 24 giờ tại các trạm quan trắc chính, trong khi Ryoo và cộng sự đề xuất sụt giảm trên 7,5°C trong 48 giờ trên toàn quốc Chen, Lau và các cộng sự (1987) cũng xác định các chỉ tiêu gồm khí áp bề mặt tăng ít nhất 5 mb, nhiệt độ không khí bề mặt giảm ít nhất 4°C và tốc độ gió đạt tối thiểu 3m/s trong khoảng 24-48 giờ tại trạm Pengehiayu, cách Keelung 20 km về phía đông bắc, để xác định ảnh hưởng của không khí lạnh tới Đài Loan.
Ngoài ra, Wu và Chan [19] cũng xác định đảo Waglan (22.10°N – 114.18°E) của Hồng Kông làm địa điểm xác định không khí lạnh ảnh hưởng tới Hồng Kông
Bộ chỉ tiêu yêu cầu sự sụt giảm nhiệt độ trung bình ngày ít nhất 2°C sau hai ngày khi không khí lạnh tràn về, với tốc độ gió tối thiểu đạt 8m/s cho các trường hợp xâm nhập từ phía bắc (NS – North surge) Đối với các trường hợp xâm nhập lạnh từ phía đông (ES – East Surge), tốc độ của đới gió 16 đông phải tăng ít nhất 1,39 m/s trong ngày không khí lạnh tràn về.
Cục Khí tượng Thái Lan đã xác định trạm Udon Thani, nằm ở phía đông bắc của Thái Lan, là điểm quan trọng để theo dõi sự tràn về của không khí lạnh Các chỉ tiêu xác định bao gồm: áp suất bề mặt tăng ít nhất 1,8 mb, tốc độ gió ở độ cao 850mb tăng tối thiểu 2,6 m/s, nhiệt độ không khí giảm ít nhất 1,7°C và nhiệt độ điểm sương giảm tối thiểu 2,1°C.
Zhang và cộng sự (1997) [13], [28] đưa ra một bộ chỉ tiêu để xác định các đợt xâm nhập lạnh về Trung Quốc phải thỏa mãn hai điều kiện:
- Tại trung tâm của xoáy nghịch ở nam Siberia có giá trị lớn hơn 1030 mb
Trong vòng 24-48 giờ tới, nhiệt độ không khí bề mặt tại vùng trung tâm lục địa Trung Hoa cần giảm ít nhất 9.0°C, trong khi khu vực phía nam của Trung Quốc cũng phải ghi nhận mức giảm tối thiểu 6.0°C.
Áp cao Siberia (SH) đóng vai trò quan trọng trong mùa đông châu Á, theo nghiên cứu của Bingiyi Wu và Jia Wang (2002) về dao động cực (AO) và sự hoạt động của SH trong gió mùa mùa đông Đông Á (EAWM) Nghiên cứu chỉ ra rằng AO và SH tương đối độc lập trong ảnh hưởng đến EAWM, với SH có tác động trực tiếp và đáng kể hơn Tác động của SH đến nhiệt độ không khí bề mặt chủ yếu diễn ra ở phía nam vĩ tuyến 50˚N qua Đông Á, Tây Bắc Thái Bình Dương và biển Đông, do AO hạn chế ảnh hưởng của SH tới các vĩ độ châu Á Sử dụng dữ liệu từ NCEP/NCAR, các tác giả kết luận rằng hệ số tương quan giữa chỉ số AO và EAWM là 0,28, trong khi chỉ số tương quan giữa SH và EAWM đạt 0,8, cho thấy mối liên hệ mạnh mẽ giữa SH và EAWM.
SH có thể hiện cường độ của EAWM [17]
Wallace và Gutzler (1981) đã đề xuất mô hình Á-Âu (EU) thông qua phân tích trường độ cao địa thế vị của bán cầu Bắc Mô hình này đặc trưng bởi sự tồn tại của các sóng hành tinh với ba trung tâm hoạt động chính: (1) Trung tâm tại khu vực Scandinavia và Ba Lan (55˚N; 22˚E), (2) Trung tâm tại khu vực Siberia (55˚N; 75˚E).
11 trên khu vực Nhật Bản (40˚N; 145˚E) Tác giả xác định chỉ số trung bình tháng của EU như sau:
Trong đó: z là độ cao địa thế vị mực 500hPa
Các tác giả nhận định rằng mối quan hệ giữa EU và EAWM mang tính tương quan âm, đặc biệt liên quan đến sự biến đổi của áp cao Siberia, thường mạnh hơn khi chỉ số EU có giá trị dương Tuy nhiên, mối quan hệ này cũng chịu ảnh hưởng từ các yếu tố địa phương tại Nhật Bản.
Nghiên cứu của Sirapong Sooktawe và các cộng sự (2014) về sự thay đổi của gió mùa mùa đông trên bán đảo Đông Dương cho thấy mối liên hệ giữa gió mùa này với EAWM và sự dị thường nhiệt độ bề mặt biển (SSTA) ở Thái Bình Dương Trong mùa đông Bắc, khí hậu của khu vực này chủ yếu bị chi phối bởi hoàn lưu đông bắc của Nam Bán cầu, phản ánh rõ nét đặc điểm của gió mùa Đông Á EAWM có tác động mạnh mẽ đến cả quy mô ngoại nhiệt đới và nhiệt đới, ảnh hưởng đến sự đối lưu trên biển phía tây, đồng thời sự biến đổi của EAWM cũng liên quan chặt chẽ đến SSTA trong khu vực nhiệt đới Thái Bình Dương Dữ liệu mùa đông ở Bắc Bán cầu, đặc biệt trong tháng 1, đã được sử dụng để phân tích những hiện tượng này.
2) cho giai đoạn 1979 – 2010 được sử dụng trong nghiên cứu này [30]
Áp thấp Aleut đóng vai trò quan trọng trong quá trình xâm nhập không khí lạnh vào Đông Nam Á và Việt Nam, đặc biệt là mối quan hệ với áp cao Siberia Nghiên cứu của Zhu và Wang đã chỉ ra mối liên hệ giữa áp thấp Aleut (AL) trong các tháng 12, 1 và 2 với gió mùa mùa hè Úc (ASM) thông qua các phương pháp thống kê như tương quan và hồi quy, sử dụng dữ liệu từ NCEP/NCAR Kết quả cho thấy có bảy năm AL mạnh và tám năm AL yếu trong giai đoạn 1948-2005, với chỉ số NPI nhỏ hơn -0.5 và lớn hơn 0.5 tương ứng Đồng thời, ASM ghi nhận 11 năm mạnh và 10 năm yếu với chỉ số ASM vượt ngưỡng ± 0.5 trong cùng giai đoạn.
5 năm El Nino trong 10 năm ASM yếu, trong khi chỉ có 1 năm La Nina giữa 11
Trong 12 năm quan sát, có 6 năm ASM mạnh và 8 năm AL mạnh, trong đó 6 năm ASM mạnh mẽ trùng với các năm AL mạnh Ngược lại, chỉ có một năm AL yếu trùng với năm ASM yếu Bảng 1.2 chỉ ra sự liên kết "bất đối xứng" giữa ASM và AL, cũng như giữa ASM và ENSO.
Bảng 1 2 Thống kê các sự kiện trong những năm mạnh và yếu của ASM, AL và
ENSO trong 1979-2005 (Con số trong ngoặc đơn là số năm xảy ra sự kiện)
Kết hợp với phân tích hồi quy tuyến tính giữa NPI với trường gió, lượng mưa và bức xạ sóng dài, Zhu và Wang [35] đã kết luận:
Một áp lực thấp mạnh thường gắn liền với sự tăng cường của dòng xiết phía tây trong tầng đối lưu trên, cùng với sự xuất hiện của xoáy nghịch bất thường ở phía nam dòng xiết Điều này dẫn đến sự di chuyển bất thường theo hướng đông, trực tiếp ảnh hưởng đến khu vực gió mùa.
Cơ sở số liệu
2.1.1 Số liệu tái phân tích
Nguồn số liệu cho khóa luận là bộ dữ liệu tái phân tích ERA5-Interim từ Trung tâm Dự báo hạn vừa châu Âu (ECMWF), kéo dài từ năm 1993 đến 2018 với độ phân giải 1,0x1,0 tại hai mực khí áp 1000mb và 850mb Dữ liệu có thể được tải về dưới định dạng GRIB và NetCDF từ website: [Copernicus Climate Data Store](https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#!/dataset/reanalysis-era5-pressure-levels-monthly-means?tab=form).
Khóa luận này sử dụng số liệu trung bình tháng về trường độ cao địa thế vị (HGT), gió vĩ hướng (u), gió kinh hướng (v), và nhiệt độ tại hai mực đẳng áp 1000mb và 850mb để nghiên cứu hoạt động của rãnh trong mùa đông Giai đoạn nghiên cứu từ năm 1993 đến 2018, cung cấp một chu kỳ khí hậu 27 năm, đảm bảo độ tin cậy của kết quả Khu vực nghiên cứu trải dài từ 40°S đến 70°N và từ 40°E đến 140°W.
Trong giai đoạn 1993 - 2018, số liệu về số đợt không khí lạnh tác động đến miền Bắc Việt Nam đã được tổng hợp từ các cuốn Đặc điểm Khí tượng thủy văn, do Trung tâm Dự báo Khí tượng thủy văn Trung ương biên soạn và xuất bản hàng năm.
Khóa luận này sử dụng số liệu quan trắc nhiệt độ không khí và nhiệt độ tối thấp tại trạm Lạng Sơn, tọa độ 21°50'N, 106°46'E, trong giai đoạn từ năm
Từ năm 1993 đến 2018, Lạng Sơn, một tỉnh miền núi thuộc vùng Đông Bắc Việt Nam, nằm ở phía đông bắc giáp với Trung Quốc Địa hình chủ yếu là đồi núi, với cánh cung Bắc Sơn chạy theo hướng đông bắc - tây nam, tạo thành một trong những cửa ngõ quan trọng đón không khí lạnh xâm nhập vào miền Bắc Việt Nam.
Do vậy khi nghiên cứu về không khí lạnh, khóa luận sẽ lựa chọn số liệu tại trạm Lạng Sơn để phân tích
Phương pháp nghiên cứu
2.2.1 Phương pháp xác định nghiên cứu sự biến đổi của một số số đợt không khí lạnh
Khóa luận sử dụng phương pháp thống kê để xác định tổng số đợt không khí lạnh trong 30 năm (từ mùa đông năm 1989 – 1990 đến mùa đông năm 2018 –
Năm 2019, số đợt không khí lạnh trong từng năm đã được xác định nhằm đánh giá sự biến động so với giá trị trung bình Bên cạnh đó, tổng số đợt GMĐB và KKLTC cũng được ghi nhận.
Xu thế biến đổi của các đợt không khí lạnh trong mùa đông giai đoạn 1990 – 1991 được phân tích thông qua phương trình tuyến tính bậc nhất y=a₀+a₁.t, trong đó y đại diện cho số đợt không khí lạnh xâm nhập trung bình hàng tháng Hệ số hồi quy a₀ và a₁ cho biết xu hướng tăng hay giảm của các đợt không khí lạnh theo thời gian, với a₁ dương cho thấy sự gia tăng và a₁ âm chỉ ra sự giảm sút Trị số tuyệt đối của a₁ phản ánh mức độ biến động của các đợt không khí lạnh, với giá trị lớn hơn tương ứng với mức độ tăng hoặc giảm mạnh hơn.
Hệ số tương quan giữa áp cao lạnh lục địa và rãnh xích đạo có thể được xác định thông qua phương pháp phân tích bản đồ kết hợp với việc sử dụng chuỗi số liệu thống kê và tái phân tích.
2.2.2 Phương pháp phân tích synop
Phương pháp synop là công cụ quan trọng trong việc theo dõi và phân tích thời tiết, sử dụng hệ thống bản đồ synop bề mặt, các mực trên cao, giản đồ, ảnh vệ tinh và radar thời tiết Phương pháp này giúp phản ánh diễn biến khí quyển và xác định các đặc điểm thời tiết hiện tại, cũng như các hình thế và hệ thống thời tiết trong những ngày tới Thông qua các bản đồ và ảnh vệ tinh, chúng ta có thể nhận diện các hệ thống thời tiết ảnh hưởng đến Việt Nam, từ đó dự báo chính xác hơn về các hiện tượng như đợt xâm nhập lạnh liên quan đến rãnh Xích đạo.
Trong đó: xt là trị số của yếu tố x vào năm (t = 1, 2, 3, , n) n là dung lượng mẫu
- Cực đại của chuỗi: Max (x) = Max (x1, x2, x3, , xn)
- Cực tiểu của chuỗi: Min (x) = Min(x1, x2, x3, , xn)
- Phương pháp phân tích hệ số tương quan Pearson
Trong bài luận này, chúng tôi áp dụng phương pháp phân tích tương quan để khảo sát mối liên hệ giữa giá trị độ cao địa thế vị và các yếu tố khí hậu được chọn Hệ số tương quan Pearson (kí hiệu r) được sử dụng để đo lường mức độ tương quan tuyến tính giữa hai biến, với công thức xác định rõ ràng.
√[∑ 𝑛 𝑡=1 ((𝑥 𝑡 − 𝑥̅)) 2 ∑ 𝑛 𝑡=1 (𝑦 𝑡 − 𝑦̅) 2 ] Trong đó : n là dung lượng mẫu xt, yt là giá trị các biến tại t
𝑥, 𝑦 là giá trị trung bình của biến x, y
Hệ số tương quan Pearson sẽ nhận giá trị từ +1 đến -1
- r > 0 cho biết một sự tương quan thuận giữa hai biến
- r < 0 cho biết một sự tương quan nghịch giữa hai biến
- r = 0 cho biết hai biến số không có liên hệ gì với nhau
Giá trị tuyệt đối của r càng lớn thì sự tương quan giữa hai biến càng mạnh, cho thấy dữ liệu càng phù hợp với mối quan hệ tuyến tính giữa chúng.
2.2.4 Phương pháp phân tích các trung tâm khí áp a Xác định cường độ
Cường độ của các trung tâm khí áp được xác định dựa trên giá trị Pmsl và HGT trung bình tại vùng trung tâm của chúng.
Hình 2 1 Bản đồ trường khí áp trung bình năm của rãnh xích đạo
Cường độ của rãnh xích đạo được xác định là Pmsl trung bình trong vùng từ 10°S đến 10°N và 100°E đến 160°W, nằm ở phía Tây của rãnh Khu vực này có khí áp trung bình trong năm thấp hơn 1010 hPa.
Phạm vi hoạt động của trung tâm khí áp được xác định là khu vực không gian mà nó ảnh hưởng, có thể được đo qua đường đẳng áp hoặc đường đẳng cao ngoài cùng trong một khoảng thời gian nhất định.
Cường độ của các trung tâm khí áp thường thay đổi theo thời gian, dẫn đến sự biến đổi của các đường đẳng áp Ảnh hưởng của các trung tâm khí áp chủ yếu chỉ diễn ra ở một phía, do đó, trong nghiên cứu này, sự biến đổi phạm vi hoạt động của các trung tâm khí áp được xác định qua sự dịch chuyển, mở rộng hoặc thu hẹp của đường đẳng áp theo từng thập kỷ và tháng Đặc biệt, đường đẳng áp 1010mb được sử dụng để phân tích sự biến đổi của rãnh xích đạo.
2.2.5 Phần mềm xử lý số liệu
Phần mềm GrADS (Hệ thống Phân tích và Hiển thị Lưới) là công cụ miễn phí lý tưởng cho việc phân tích và hiển thị dữ liệu khoa học trái đất GrADS cho phép người dùng vẽ nhiều biến trên cùng một bản đồ, tính toán số liệu thống kê và hiển thị dữ liệu dưới dạng lưới Với ưu điểm dễ sử dụng, tốc độ nhanh và khả năng tương thích với nhiều hệ điều hành, GrADS là lựa chọn hàng đầu cho các nhà nghiên cứu và nhà khoa học trong lĩnh vực này.
Microsoft Excel là phần mềm bảng tính trong bộ Microsoft Office, được thiết kế để ghi chép và trình bày thông tin dưới dạng bảng Nó cho phép thực hiện các phép tính và tạo ra số liệu thống kê trực quan Trong khóa luận này, các phần tính toán sẽ được thực hiện trên Excel bằng cách sử dụng các hàm tương ứng.
Đặc điểm cấu trúc và quy luật hoạt động của rãnh xích đạo
Khóa luận này phân tích bản đồ trung bình tháng trong 26 năm để làm rõ cấu trúc và quy luật hoạt động của rãnh xích đạo trong mùa đông Dữ liệu được sử dụng là bộ số liệu ERA5 từ năm 1993 đến 2018, nhằm xây dựng bản đồ trường đường dòng, đường đẳng áp bề mặt và đường đẳng cao cho hai mực khí áp chính: mực bề mặt và mực 850 mb, trong khoảng từ 40°S.
- 70°N; 40°E - 140°W, khóa luận đã thu được kết quả như sau:
Trên bản đồ bề mặt, rãnh xích đạo hoạt động ở vào khoảng 12 0 S; 50 0 E hướng lên đông bắc tới khoảng 0 0 ; 90 0 E rồi lại hướng về đông nam tới khoảng
Hình 3 1 Bản đồ trường đường dòng và độ cao địa thế vị trung bình mực
Trên mực 850mb, rãnh xích đạo được thể hiện rất rõ rệt và ít lượn hơn mực thấp và cũng chạy dài từ khoảng 12 0 S; 50 0 E tới khoảng 12 0 S; 165 0 W (hình 3.2)
Hình 3 2 Bản đồ trường đường dòng và độ cao địa thế vị mực 850mb trung bình tháng 1
Trên bản đồ bề mặt, cường độ rãnh xích đạo tương đối ổn định, nhưng có xu hướng dịch chuyển chậm về phía nam, đặc biệt từ 12-17°S, với một tâm thấp nhất tại khoảng 19°S, 130°E, và sự mở rộng này rõ rệt hơn so với tháng 1.
Hình 3 3 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) trung bình mực 1000mb tháng 2
Trên mực 850mb, rãnh xích đạo cũng thể hiện sự hoạt động mạnh hơn mực bề mặt (hình 3.4)
Hình 3 4 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) mực 850mb trung bình tháng 2
Hiện tại, áp cao lạnh lục địa đang suy yếu, trong khi rãnh nâng trục di chuyển dần lên phía bắc, với vị trí trung bình khoảng 3°N-11°S, chênh lệch đáng kể so với hai tháng trước Đồng thời, một trung tâm thấp được xác định tại khoảng 11°S; 170°W.
Hình 3 5 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) trung bình mực 1000mb tháng 3
Trên mực 850mb rãnh xích đạo nằm trong khoảng 3°N-11°S khá tương đồng so với bề mặt, một xoáy thấp trên rãnh này đang hoạt động ở vào khoảng 11°S-170°W (hình 3.6)
Hình 3 6 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) mực 850mb trung bình tháng 3
Trên bản đồ bề mặt, rãnh xích đạo ở vào khoảng 8°N-3°S với hai xoáy thấp hoạt động trên đó (hình 3.7)
Hình 3 7 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) trung bình mực 1000mb tháng 11
Trên mực 850mb, rãnh có vị trí 5°N-3°S với hoạt động của hai xoáy thấp (hình 3.8)
Hình 3 8 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) mực 850mb trung bình tháng 11
Vào tháng 12, trung tâm áp thấp của rãnh nằm ở khoảng 8-11°S, trong khi trung tâm khác xuất hiện ở vị trí khoảng 12°S; 175°E So với tháng 3, rãnh xích đạo di chuyển lên phía bắc hơn.
Hình 3 9 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) trung bình mực 1000mb tháng 12
Trên mực 850mb, tồn tại một tâm thấp được bao quanh bởi đường đẳng cao 1460mtv, kéo dài từ 12°S; 170°E, khu vực hội tụ (hình 3.10)
Hình 3 10 Bản đồ SH (đường dòng và độ cao địa thế vị) mực 850mb trung bình tháng 12
Quá trình phân tích bộ bản đồ trường đường dòng và độ cao địa thế vị trong
Trong suốt 26 năm quan sát các tháng chính đông, rãnh xích đạo cho thấy hoạt động ổn định, với vị trí nằm trong khoảng 10°N - 22°S và trung tâm khí áp thấp nhất dao động từ 5 - 12°S, 163-173°E Ở độ cao 850mb, cấu trúc của rãnh trong tháng 12, tháng 1 và tháng 2 có xu hướng dịch chuyển chậm về phía nam Dòng hội tụ vào rãnh chủ yếu bắt nguồn từ các áp cao lạnh lục địa Siberia, áp cao cận nhiệt đới Bắc Thái Bình Dương, áp cao cận nhiệt đới Nam Ấn Độ Dương và áp cao châu Úc.
Trong các tháng đông, đặc biệt là tháng 1 và tháng 2, cấu trúc của rãnh hầu như ổn định và ít thay đổi so với tháng 12, với độ nghiêng khoảng 7°S Trục của rãnh có xu hướng nghiêng dần về phía tây bắc, tạo thành dải hướng tây bắc – đông nam.
Trong suốt các tháng mùa đông, cấu trúc và hoạt động của rãnh xích đạo cho thấy xu hướng dịch chuyển về phía đông nam Đặc biệt, vào tháng 1 và tháng 2, trục rãnh có xu hướng nâng lên phía bắc, dao động trong khoảng 10°S.
Mối quan hệ giữa xâm nhập lạnh xuống lãnh thổ Việt Nam và RXĐ trong giai đoạn 1993-2018
3.2.1 Đặc điểm hoạt động của xâm nhập lạnh trong giai đoạn 1993-2018
Từ các cuốn "Đặc điểm khí tượng thủy văn" trong giai đoạn 1993-2015, tôi đã thực hiện thống kê số lần không khí lạnh xâm nhập vào nước ta, và kết quả được trình bày trong bảng 3.1.
Bảng 3 1 Số đợt xâm nhập lạnh ảnh hưởng đến nước ta từ năm 1993-2018 Tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Tổng
Số đợt XNL 126 92 100 63 52 5 0 3 22 64 94 118 739 Trung bình 4.8 3.5 3.8 2.4 2.0 0.2 0.0 0.1 0.8 2.5 3.6 4.5 28.4
Từ năm 1993 đến 2018, Việt Nam ghi nhận tổng cộng 744 đợt xâm nhập lạnh, trung bình mỗi năm có 28,4 đợt Các đợt này chủ yếu xảy ra trong các tháng 1, 2, 3, 11 và 12, chiếm 71,71% tổng số đợt Tháng 1 là tháng có nhiều đợt xâm nhập lạnh nhất với trung bình 4,8 đợt (17,05%), tiếp theo là tháng 12 với 4,5 đợt (15,96%) Các tháng 2, 3 và 11 lần lượt có trung bình 3,5; 3,8 và 3,6 đợt Đáng chú ý, tháng 7 không có đợt xâm nhập lạnh nào, trong khi tháng 6 có 5 đợt và tháng 8 có 3 đợt trong suốt 30 năm.
3.2.2 Mối quan hệ giữa sự xâm nhập lạnh xuống lãnh thổ Việt Nam với rãnh xích đạo trong giai đoạn 1993-2018
Rãnh xích đạo, mặc dù không phải là trung tâm phát động của không khí lạnh, vẫn có ảnh hưởng nhất định đến thời tiết Việt Nam trong mùa đông Để đánh giá mối quan hệ giữa rãnh xích đạo và sự xâm nhập lạnh, khóa luận đã tiến hành tính toán hệ số tương quan hàng tháng ở hai mực 1000mb và 850mb trong các tháng mùa đông Các yếu tố được xem xét bao gồm nhiệt độ tối thấp trung bình mùa, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối mùa, nhiệt độ trung bình mùa, số ngày rét đậm và số ngày rét hại.
32 mùa (RH) ở Lạng Sơn và số đợt không khí lạnh xâm nhập đến nước ta trong mùa (KKL) nhằm làm sáng tỏ mối quan hệ này
Tính toán hệ số tương quan giữa các yếu tố khí tượng như nhiệt độ tối thấp trung bình, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối, nhiệt độ trung bình, số ngày rét đậm, số ngày rét hại tại trạm Lạng Sơn và số đợt không khí lạnh xâm nhập xuống Việt Nam cho thấy mối liên hệ chặt chẽ với trị số khí áp RXĐ ở mực bề mặt và mực 850mb.
1 Mối quan hệ mùa Để xác định mối quan hệ mùa, khóa luận tiến hành tính toán hệ số tương quan giữa khí áp trung bình mùa (5 tháng mùa đông, từ tháng 11 đến tháng 3) tại RXĐ với các yếu tố nhiệt độ tối thấp trung bình mùa (Tmtb), nhiệt độ tối thấp tuyệt đối mùa (Tmtd), nhiệt độ trung bình mùa (Ttb), số ngày rét đậm mùa (RĐ), số ngày rét hại mùa (RH) ở Lạng Sơn và số đợt không khí lạnh xâm nhập đến nước ta trong mùa (KKL) Kết quả tính toán được dẫn ra trong bảng 3.2
Bảng 3 2 Hệ số tương quan trung bình mùa mực 1000mb và 850mb
Yếu tố Giá trị mực 1000mb Giá trị mực 850mb
Hệ số tương quan trung bình mùa giữa khí áp tại bề mặt RXĐ và các yếu tố khí tượng liên quan đến sự xâm nhập lạnh vào Việt Nam có giá trị tuyệt đối dao động từ 0,115 đến 0,388.
Nghiên cứu cho thấy 33 yếu tố Tmtd, Tmtb và Ttb có mối tương quan đồng biến với giá trị khí áp của rãnh xích đạo, trong khi số ngày RĐ, số ngày RH và số ngày KKL lại có mối tương quan nghịch biến Điều này chỉ ra rằng rãnh xích đạo càng sâu thì sự xâm nhập lạnh vào lãnh thổ Việt Nam càng mạnh mẽ Tại mực 850mb, hệ số tương quan trung bình mùa giữa khí áp trong rãnh xích đạo và các yếu tố khí tượng thể hiện sự xâm nhập lạnh có giá trị từ 0,015 đến 0,319 Tuy nhiên, mối quan hệ này trái ngược với mực bề mặt, khi mực bề mặt có quan hệ đồng biến thì mực 850mb lại nghịch biến và ngược lại Sự phát triển không cao của không khí lạnh ở bán cầu Nam và rãnh xích đạo hoạt động ở độ cao không lớn giải thích cho hiện tượng này, cho thấy mối quan hệ trên mực 850mb không chặt chẽ bằng mối quan hệ trên mực bề mặt.
2 Mối quan hệ tháng Để xác định mối quan hệ tháng, khóa luận tiến hành tính toán hệ số tương quan giữa giá trị khí áp trung bình tháng (ở đây chỉ tính cho ba tháng chính đông là tháng 1, tháng 2 và 12) tại RXĐ với các yếu tố: nhiệt độ tối thấp trung bình tháng (Tmtb), nhiệt độ tối thấp tuyệt đối tháng (Tmtd), nhiệt độ trung bình tháng (Ttb) cũng như các hiện tượng: số ngày rét đậm tháng (RD), số ngày rét hại tháng (RH) ở Lạng Sơn và số đợt không khí lạnh xâm nhập đến Việt Nam trong tháng (KKL) Kết quả tính toán các hệ số tương quan được dẫn ra trong bảng 3.3
Hệ số tương quan trung bình mùa giữa khí áp tại RXĐ và các yếu tố khí tượng liên quan đến xâm nhập lạnh vào Việt Nam dao động từ 0,007 đến 0,415 Mối quan hệ giữa các yếu tố khí tượng không đồng nhất như đối với quan hệ mùa, ngoại trừ tháng 1, khi không khí lạnh hoạt động mạnh nhất và có quan hệ cùng pha với mùa.
Bảng 3 3 Hệ số tương quan từng tháng thángở mực bề mặt và mực 850mb
Hệ số tương quan giữa các yếu tố khí tượng và giá trị khí áp bề mặt cũng như khí áp mực 850mb trong các tháng 1, 2 và 12 cho thấy sự biến động đáng chú ý Cụ thể, trong tháng 1, hệ số tương quan của Tttd là 0.004, Tttb là 0.119 và Ttb là 0.242 Đến tháng 2, Tttd giảm nhẹ xuống -0.007, trong khi Tttb giữ ổn định ở 0.118 và Ttb giảm xuống 0.08 Vào tháng 12, Tttd tăng lên 0.128, Tttb giảm xuống 0.034 và Ttb có giá trị âm -0.089 Đối với khí áp mực 850mb, tháng 1 ghi nhận Tttd là -0.172, Tttb là -0.127 và Ttb là 0.084; tháng 2 có Tttd là -0.020, Tttb là 0.190 và Ttb là 0.199; tháng 12, Tttd là -0.050, Tttb giảm xuống -0.136 và Ttb có giá trị âm -0.304.
3.2.3 Mối quan hệ không gian giữa sự xâm nhập lạnh xuống lãnh thổ Việt Nam với rãnh xích đạo
Mục tiêu của khóa luận là xác định yếu tố khí tượng tại một khu vực trên hai mức khí áp, phản ánh sự xâm nhập lạnh vào lãnh thổ Việt Nam Qua đó, nghiên cứu sẽ xây dựng bản đồ hệ số tương quan cho trường hợp có giá trị tương quan cao nhất.
Để xây dựng bản đồ tương quan, cần có số liệu không gian, đặc biệt là số liệu tái phân tích Do đó, trong bài viết này, chỉ có thể tạo ra bản đồ cho ba yếu tố khí tượng: nhiệt độ trung bình, nhiệt độ tối thấp trung bình và nhiệt độ tối thấp tuyệt đối Ba hiện tượng khí tượng còn lại không được thực hiện trong nghiên cứu này.
Dựa vào bảng 3.2 và bảng 3.3, chúng ta tiến hành lựa chọn các yếu tố và hiện tượng tại các mực cho từng thời đoạn, đảm bảo rằng các hệ số tương quan đáp ứng đủ điều kiện đã đề ra.
- Tháng 1: nhiệt độ trung bình tháng với khí áp bề mặt (hệ số tương quan là 0,242);
- Tháng 2: nhiệt độ trung bình tháng với độ cao địa thế vị mực 850mb (hệ số tương quan là 0,199);
- Tháng 12: nhiệt độ trung bình tháng với độ cao địa thế mực 850mb (hệ số tương quan là -304);
- Mùa: nhiệt độ tối thấp tuyệt đối mùa với khí áp bề mặt (hệ số tương quan là 0,388); a) Tháng 1:
Kết quả xây dựng bản đồ tương quan không gian giữa nhiệt độ trung bình tháng với khí áp bề mặt được dẫn ra trong hình 3.11
Hình 3 11 Hệ số tương quan giữa nhiệt độ trung bình tháng 1 với khí áp trên mực 1000mb giai đoạn 1993 – 2018
Hệ số tương quan cao nhất được xác định trong khoảng 3-11°S; 118-155°E, với giá trị đạt đến 0.4, cho thấy mối quan hệ đồng biến với yếu tố nhiệt độ trung bình Điều này cũng chứng tỏ sự ảnh hưởng của rãnh xích đạo trong tháng.
1 càng sâu (khí áp càng nhỏ) thì sự xâm nhập lạnh xuống lãnh thổ Việt Nam càng mạnh (nhiệt độ trung bình tháng thấp)
Kết quả xây dựng bản đồ tương quan không gian giữa nhiệt độ trung bình tháng với độ cao địa thế vị được dẫn ra trong hình 3.12
Hình 3 12 Hệ số tương quan giữa nhiệt độ trung bình tháng 2 với độ cao địa thế vị mực 850 giai đoạn 1993 – 2018
Hệ số tương quan cao nhất được xác định ở khu vực 3-3°S và 120-125°E với giá trị đạt 0.2, cho thấy mối liên hệ đồng biến giữa yếu tố nhiệt độ trung bình và rãnh xích đạo trong tháng.
1 càng sâu (khí áp càng nhỏ) thì sự xâm nhập lạnh xuống lãnh thổ Việt Nam càng mạnh (nhiệt độ trung bình tháng thấp) c) Tháng 12:
Kết quả xây dựng bản đồ tương quan không gian giữa số ngày rét hại với khí áp mực 850mb được dẫn ra trong hình 3.13
Hình 3 13.Hệ số tương quan giữa nhiệt độ trung bình tháng 12 với độ cao địa thế vị mực 850mb giai đoạn 1993 – 2018
