Luận văn Nghiên cứu một số đặc trưng nhiệt động lực quy mô lớn thời kỳ bùng nổ gió mùa mùa hè trên khu vực Nam Bộ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Minh Tuân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG LỰC QUY MÔ LỚN THỜI KỲ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ TRÊN KHU VỰC NAM BỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2012 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN --------------------- Bùi Minh Tuân NGHIÊN CỨU MỘT SỐ ĐẶC TRƯNG NHIỆT ĐỘNG LỰC QUY MÔ LỚN THỜI KỲ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ TRÊN KHU VỰC NAM BỘ Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học Mã số: 62.44.87 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Minh Trường Hà Nội – 2012 LỜI CẢM ƠN Trước hết, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS. Nguyễn Minh Trường, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Tôi xin cảm ơn các thầy cô và các cán bộ trong Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học đã cung cấp cho tôi những kiến thức chuyên môn quý giá, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi về cơ sở vật chất trong suốt thời gian tôi học tập và thực hành ở Khoa. Tôi cũng xin cảm ơn Phòng Sau đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên đã tạo điêu kiện cho tôi trong thời gian hoành thành luận văn. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới gia đình, người thân và bạn bè, những người đã luôn ở bên cạnh cổ vũ, động viên và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập tại trường. Hà Nội ngày 11 tháng 12 năm 2012 Bùi Minh Tuân MỤC LỤC CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ BÙNG NỔ GIÓ MÙA MÙA HÈ KHU VỰC CHÂU Á .............................................................................................................................................................................1 1.1. Ý nghĩa của nghiên cứu gió mùa mùa hè ................................................................. 1 1.2. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè ở Việt Nam ................................................. 2 1.3. Thực tiễn nghiên cứu gió mùa mùa hè trên thế giới ................................................. 5 1.4. Các chỉ tiêu nghiệp vụ ............................................................................................ 11 CHƯƠNG 2: NHIỆT ĐỘNG LỰC QUI MÔ LỚN THỜI KÌ BÙNG NỔ GIÓ MÙA QUA SỐ LIỆU TÁI PHÂN TÍCH ....................................................................................................... 13 2.1. Lựa chọn các năm và giai đoạn nghiên cứu ........................................................... 13 2.1.1. Lựa chọn các năm nghiên cứu ......................................................................... 13 2.1.2. Lựa chọn các giai đoạn nghiên cứu ................................................................. 14 2.2. Đặc trưng trường mưa GPCP giai đoạn bùng nổ gió mùa ..................................... 15 2.2.1. Đặc trưng về khu vực phân bố của mưa .......................................................... 15 2.2.2. Đặc trưng trường bức xạ sóng dài ................................................................... 16 2.3. Đặc trưng trường gió tái phân tích ......................................................................... 19 2.3.1. Đặc trưng trường gió ngày bùng nổ gió mùa .................................................. 19 2.3.2. Đặc trưng khí hậu của trường gió giai đoạn đầu mùa hè ................................ 22 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MÔ HÌNH RAMS ...................................... 27 3.1. Các điều kiện biên, điều kiện ban đầu và cấu hình miền tính ................................ 27 3.2. Phân bố mưa mô phỏng .......................................................................................... 28 3.2.1. Đặc trưng phân bố mưa mô phỏng về diện ..................................................... 28 3.2.2. Đặc trưng mưa mô phỏng về lượng ................................................................. 31 3.3. Đặc trưng trường hoàn lưu mô phỏng .................................................................... 39 3.3.1. Đặc trưng của hoàn lưu mực thấp ................................................................... 39 3.3.2. Đặc trưng hoàn lưu các mực trên cao .............................................................. 42 3.4. Đặc trưng của trường nhiệt mô phỏng ................................................................... 47 3.4.1. Đặc trưng của trường nhiệt mực thấp .............................................................. 47 3.4.2. Đặc trưng của trường nhiệt mực cao ............................................................... 50 3.5. Vai trò của giải phóng ẩn nhiệt quy mô lớn ........................................................... 53 3.6. Thí nghiệm với mô phỏng không có địa hình ........................................................ 56 3.6.1. Trường mưa mô phỏng .................................................................................... 56 3.6.2. Trường hoàn lưu mô phỏng ............................................................................. 57 3.6.3. Quá trình vận chuyển động lượng ngang ........................................................ 59 CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CHỈ SỐ GIÓ MÙA VÀ TRƯỜNG HỢP DỰ BÁO CHO NĂM 2012 ...................................................................................................................................................... 63 4.1. Xây dựng các chỉ số gió mùa.................................................................................. 63 4.1.1.Chỉ số mưa ........................................................................................................ 63 4.1.2. Chỉ số gió vĩ hướng ......................................................................................... 64 4.1.3. Chỉ số gradient nhiệt độ mực cao .................................................................... 67 4.2. Áp dụng các chỉ số để dự báo cho trường hợp năm 2012 ...................................... 70 4.2.1. Đặc trưng trường mưa quan trắc giai đoạn bùng nổ gió mùa năm 2012 ......... 70 4.2.2. Trường mưa và trường hoàn lưu dự báo ......................................................... 72 4.2.3. Chỉ số mưa dự báo ........................................................................................... 73 4.2.4. Chỉ số gió vĩ hướng dự báo ............................................................................. 75 KẾT LUẬN .................................................................................................................................................... 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................................... 79 DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Vai trò của độ ẩm ngưng kết tới hoàn lưu quy mô lớn.Nguồn: Webster (1998). ............................................................................................................................................................... 16 Hình 1.2. Hoàn lưu khí quyển trong mùa hè và mùa đông bắc bán cầu. Nguồn: Webster (1998). ............................................................................................................... 7 Hình 1.3. Dị thường OLR trung bình từ tháng Mười Hai tới tháng Hai (a) và hoàn lưu được sinh ra theo lí thuyết của Gill (b). Nguồn: Gill (1980). .......................................... 9 Hình 1.4. Mô hình hoàn lưu phi tuyến đối xứng (a) và bất đổi xứng (b) của Held-Hou. Nguồn: Held-Hou (1980). ............................................................................................... 9 Hình 2.1. Mưa GPCP tích lũy ngày trong ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ...................................................................................................... 16 Hình 2.2. Trường OLR trung bình pentad tại các thời điểm trước bùng nổ 2 pentad (pentad -2), trước bùng nổ 1 pentad (pentad -1) và pentad bùng nổ (pentad 0). .......... 17 Hình 2.3. Hoàn lưu mực 850 hPa NCAR/NCEP ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001 2004 và 2010. ............................................................................................. 20 Hình 2.4. Hoàn lưu mực 200 hPa NCAR/NCEP ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001 2004 và 2010. ............................................................................................. 21 Hình 2.5. Hai thành phần trực giao chiếm lượng thông tin lớn nhất của trường gió vĩ hướng tái phân tích NCAR/NCEP trong ba tháng: tháng Tư, tháng Năm, tháng Sáu từ năm 1980 tới 2010. ........................................................................................................ 23 Hình 2.6. Trường nhiệt mực 850 hPa số liệu tái phân tích NCAR/NCEP cho ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ................................................. 24 Hình 2.7. Trường nhiệt trung bình từ mực 500 hPa tới 200 hPa số liệu tái phân tích NCAR/NCEP cho ngày bùng nổ gió mùa các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. 25 Hình 3.1. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ....................... 29 Hình 3.2. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999 ........................ 29 Hình 3.3. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001 ........................ 30 Hình 3.4. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004 ........................ 30 Hình 3.5. Phân bố mưa mô phỏng thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010 ........................ 31 Hình 3.6. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 08/05 đến 21/05 năm 1998, đơn vị mm.ngày-1 .......................................................................................................... 32 Hình 3.7. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 08/05 đến 21/05 năm 1998, đơn vị mm.ngày-1 ................................................................................................................. 32 Hình 3.8. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/04 đến 23/04 năm 1999, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 33 Hình 3.9. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 14/04 đến 23/04 năm 1999, đơn vị mm.ngày-1 .................................................................................................................. 33 Hình 3.10. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 02/05 đến 15/05 năm 2001, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 34 Hình 3.11. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 02/05 đến 15/05 năm 2001, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 34 Hình 3.12. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 17/05 năm 2004, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 35 Hình 3.13. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 04/05 đến 17/05 năm 2004, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 35 Hình 3.14. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 27/05 năm 2010, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 36 Hình 3.15. Lượng mưa mô hình tại các trạm Nam Bộ từ 14/05 đến 27/05 năm 2010, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 36 Hình 3.16. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ..... 40 Hình 3.17. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999 ...... 40 Hình 3.18. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001. ..... 41 Hình 3.19. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004. ..... 41 Hình 3.20. Hoàn lưu mô phỏng mực 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010. ..... 42 Hình 3.21. Hoàn lưu mô phỏng mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998. ..... 44 Hình 3.22. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999. ....................... 44 Hình 3.23. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001. ....................... 45 Hình 3.24. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004. ....................... 45 Hình 3.25. Hoàn lưu mực 200 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010. ....................... 46 Hình 3.26. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1998.47 Hình 3.27. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 1999.48 Hình 3.28. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2001.48 Hình 3.29. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2004.49 Hình 3.30. Trường nhiệt mực mô phỏng 850 hPa thời kì bùng nổ gió mùa năm 2010.49 Hình 3.31. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 1998. ........... 50 Hình 3.32. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 1999. ........... 51 Hình 3.33. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2001. ........... 51 Hình 3.34. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2004. ........... 52 Hình 3.35. Trường nhiệt mô phỏng trung bình mực 500 – 200 hPa năm 2010. ........... 52 Hình 3.37. Tốc độ giải phóng ẩn nhiệt do đối lưu trung bình năm ngày trước thời điểm bùng nổ gió mùa trung bình từ 80oE – 100oE, đơn vị K.s-1 . ......................................... 55 Hình 3.38. Mưa mô phỏng trong các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1. ............................................................................................ 57 Hình 3.39. Trường gió mô phỏng trong các trường hợp không có địa hình bởi mô hình RAMS, đơn vị mm.ngày-1. ............................................................................................ 58 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 1022 g.m.s-1. ....................................................................................................................................... 60 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 1022 g.m.s -1 ............................................................................................................................ 61 Hình 4.2. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) mô phỏng bởi RAMS. ................................................................................................... 65 Hình 4.3. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN-15oN, 100oE-110oE) số liệu tái phân tích NCAR/NCEP . .............................................................................. 66 Hình 4.4. Đồ thị của nhiệt độ trung bình từ 500 tới 200 hPa, đường đứt là miền (100 o E-110 o E; 5 o S-5 oN) và đường liền là (100oE-110oE;15oN-25oN) mô phỏng bởi RAMS. ........................................................................................................................... 68 Hình 4.5. Đồ thị của nhiệt độ trung bình từ 500 tới 200 hPa, đường đứt là miền (100 o E-110 o E; 5 o S-5 oN) và đường liền là (100oE-110oE;15oN-25oN) số liệu tái phân tích NCAR/NCEP . ........................................................................................................ 69 Hình 4.6. Lượng mưa quan trắc tại các trạm Nam Bộ từ 01/05 đến 15/05 năm 2012, đơn vị mm.ngày-1 ........................................................................................................... 71 Hình 4.7. Lượng mưa tích lũy ngày trung bình từ (5oN – 15oN, 100oE – 110oE ), đơn vị mm.ngày-1. Nguồn: CPC (Gauge – Based) Unified Precipitation. .......... 71 Hình 4.8. Trường mưa dự báo thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ 2012. ....................................................................................................................................... 72 Hình 4.9. Trường hoàn lưu mực 850 hPa dự báo cho thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ 2012. .................................................................................................. 73 Hình 4.10. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10oN – 15oN, 100oE – 110 o E) số liệu dự báo (trái) và số liệu tái phân tích NCAR/NCEP (phải). ................... 75 Hình 4.11. Trung bình gió vĩ hướng mực 850 hPa khu vực (10o N – 15o N, 100o E – 110 o E) số liệu dự báo (trái) và số liệu tái phân tích NCAR/NCEP (phải). ................... 76 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1. Dị thường nhiệt độ mặt nước biển trung bình trượt ba tháng tại vùng Niño 3.4 (5 o N–5oS, 120oW–170oW). Nguồn .gov/products/analysis_monitoring/ensostuff/ensoyears.shtml. .................................... 14 Bảng 2.2. Thời gian mô phỏng giai đoạn bùng nổ gió mùa mùa hè của các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010. ............................................................................................ 15 Bảng 4.1. Ngày bùng nổ gió mùa được xác định bởi chỉ số mưa quan trắc và mưa mô phỏng ............................................................................................................................. 64 Bàng 4.2. Ngày bùng nổ gió mùa dựa vào chỉ số gió vĩ hướng mô phỏng và tái phân tích NCAR/NCEP. ......................................................................................................... 67 Bảng 4.3. Ngày bùng nổ gió mùa dựa vào chỉ số gradient nhiệt độ mô phỏng và gradient nhiệt độ tái phân tích NCAR/NCEP ................................................................ 70 Bảng 4.6. Lượng mưa dự báo tại các trạm Nam Bộ từ 04/05 đến 09/05 năm 2012, đơn vị mm.ngày-1. Các số bôi đậm chỉ giá trị mưa trên 5 mm.ngày-1 .................................. 74 DANH MỤC KÍ HIỆU VIẾT TẮT BAO: Bảo Lộc BMT: Buôn Ma Thuột CAM: Cà Mau CAN: Cần Thơ DAL: Đà Lạt DAR: DarkNong ENSO: Dao động nam (El Niño–Southern Oscillation) GPCP: Mưa phân tích toàn cầu của NOAA (Global Precipitation Climatology Project) NOAA: Cơ Quan Khí Quyển và Đại Dương Quốc Gia Hoa Kì (National Oceanic and Atmospheric Administration) PCR: Hồi quy thành phần chính (Principle Component Regression) PHU: Phú Quốc PLE: Pleiku RAC: Rạch Giá RAMS: Mô hình khí quyển khu vực (the Regional Atmospheric Model System) SOI: Chỉ số dao động nam (Southern Oscillation Index) VUN: Vũng Tàu MỞ ĐẦU Gió mùa châu Á là hệ thống gió mùa lớn nhất, đặc trưng nhất trong hệ thống khí hậu toàn cầu. Sự hoạt động của nó có vai trò cực kì quan trọng tới sự phát triển kinh tế, xã hội của các quốc gia nơi đây, đặc biệt với một quốc gia nông nghiệp như Việt Nam. Trong luận văn này, mô hình RAMS được sử dụng để mô phỏng sự phát triển của hoàn lưu khí quyển quy mô lớn thời kì bùng nổ gió mùa mùa hè khu vực Nam Bộ trong các năm 1998, 1999, 2001, 2004 và 2010 nhằm xác định những đặc trưng cơ bản và cơ chế nhiệt động lực của quá trình bùng nổ gió mùa, trong đó đặc biệt nhấn mạnh vai trò của lục địa – địa hình trong sự tương phản với các đại dương xung quanh. Kết quả nghiên cứu cho thấy, giai đoạn bùng nổ gió mùa mùa hè Nam Bộ gắn liền với sự hình thành của một trung tâm nhiệt lớn phía trên khu vực Nam Á. Trung tâm nhiệt này gây nên sự đảo ngược của gradient nhiệt độ kinh hướng tại các mực trên cao với bán cầu mùa hè trở thành bán cầu có nhiệt độ cao hơn. Trung tâm nhiệt này cũng đồng thời tạo nên một xoáy nghịch mực cao rất lớn với hoàn lưu mở rộng từ vùng biển Ả rập tới Việt Nam. Ở các mực dưới thấp, một dòng xiết gió tây kéo dài từ vùng biển Đông Phi tới phía nam vịnh Bengal, đồng thời xoáy kép Sri Lanka xuất hiện và tăng cường rất mạnh trường gió tây nhiệt đới xích đạo này. Cùng thời điểm đó, áp cao cận nhiệt Tây Thái Bình Dương đột ngột thay đổi