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

PHẦN 1: KHÍ HẬU HỌC
Chương 8. Dao động tự nhiên quy
mô mùa và nội mùa


8.1 Mở đầu
|  Thực tế cho thấy dự báo thời tiết thường khơng 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 thơng 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
2


8.1 Mở đầu

Tương quan giữa dự báo của mơ hình thời tiết và dị thường quan
trắc trường độ cao mực 500hPa ở Bắc và Nam bán cầu

3


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

4


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

chúng ta cải thiện hệ thống quan trắc và mơ hình, nhưng
ta có thể đưa ra các thơng 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 ngun tắc:
{  Hệ thống khí hậu có các mode (dạng) dao động có quy mơ

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

5


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 dịng
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
6


8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM
|  Cấu trúc năng lượng của khí quyển có quy mơ hàng nghìn
| 
| 

| 

| 

km hoặc hơn è Mối quan tâm của thời tiết và khí hậu
Năng lượng trong các quy mơ 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 mơ bất ổn định tà áp tạo ra
các sóng (∼3000 km) đến các quy mơ 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 xốy quy mơ 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 dịng xiết vĩ hướng rất mạnh, và cái đó chuyển thành
các mode dao động trong đó các dịng xiết và cấu trúc xoáy
của chúng di chuyển về bắc và về nam

7


8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM
|  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 dịng chảy biển (dịng
hướng đơng - 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
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)
8


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

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)
9


8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM
|  Nhận thấy một chuỗi các sóng với bước

| 

| 

| 

| 

sóng điển hình khoảng 50° kinh độ (7
sóng quanh một vịng 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 đơng 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 xốy tần cao
Dao động với các chu kỳ trên 30 ngày
có cấu trúc đặc trưng nào đó

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm cịn 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 10
âm


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 cịn lại trong | 
mùa đơng 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
mơ lớn chạy theo một vịng trịn 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 Niđo
Nó xuất hiện ở đây nhưng có dấu ngược với
dấu của cái liên quan đến các sự kiện El
Niđo 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 đơng
11


8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM
|  Ở Nam bán cầu về mùa đơng 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 mơ 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 mơ trung gian
cũng có các chuỗi sóng hướng đơngtây 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)
Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm cịn lại trong
mùa đơng Nam bán cầu. Các điểm được chọn là P, SP. Màu đỏ là hệ số tương quan
12
dương, màu xanh là âm


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

Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm cịn lại trong
mùa đông Nam bán cầu. Các điểm được chọn là P, SP. Màu đỏ là hệ số tương quan
13
dương, màu xanh là âm


8.2.1 Các dao động ngoại nhiệt đới: PNA, NAO, SAM
|  Nếu chọn điểm tham chiếu ngay tại

cực nam (d) thì tương quan khơng
gian có dạng hình khun 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
Bản đồ tương quan giữa H500 tại điểm có biến động lớn với các điểm cịn lại trong
mùa đơng Nam bán cầu. Các điểm được chọn là P, SP. Màu đỏ là hệ số tương quan
14
dương, màu xanh là âm

8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO
|  Ở nhiệt đới, đối lưu giải phóng ẩn nhiệt chi phối hồn lưu với các quy mô từ
| 

| 
| 

| 
| 

các hệ thống đối lưu riêng biệt đến hồn lưu quy mơ tồn 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 mơ 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 mơ
tồn 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
15

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.
16


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

đoạn 1996–1997 và 2009–2010
|  OLR lấy trung bình từ 15°S-15°N và các chu kỳ dài hơn 90 ngày và ngắn hơn 15
ngày đã được lọc bỏ
|  Màu xanh là âm, khoảng cách giữa các đường là 10W/m2

17


8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO
|  Dị thường âm thể hiện

mây và mưa tăng
cường
|  Dị thường lớn nhất là
± 40 Wm−2 – rất lớn
|  Mạnh nhất vào nửa
năm mùa đơng Bắc
bán cầu
| Gián đoạn và khơng có một chu kỳ cố định nhưng biên độ dao động

lớn của OLR xuất hiện với các quy mô thời gian đặc trưng dài hơn 1

tháng
| 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
18


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

19


8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO
|  Có một dị thường OLR âm lớn có tâm ở

Hồi quy của vector gió và OLR đối với

EOF thứ nhất

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 đơng mực 850 hPa gần xích
đạo mở rộng về phía đơng 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

|  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 đơng gần đỉnh
tầng đối lưu trên Ấn Độ dương
Vào thời gian biểu diễn dao động bởi EOF-1, một hồn lưu gió xốy nghịch mạnh
xuất hiện trên Bắc Thái Bình dương có tâm ở khoảng 40°N ngay phía đơng đường
đổi ngày và rõ nhất trên mực 850 hPa
Do đó MJO có ảnh hưởng nhất quán đến hồn lưu vĩ độ trung bình vào mùa đơng
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
20


8.2.2 Các dao động nhiệt đới: MJO

|  Dị thường OLR âm

dịch chuyển về phía
đơng 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 đơng ở 200 hPa trên cùng khu
vực
|  Dị thường gió đơng 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
21
Nam Mỹ, do đó dị thường gió trên xích đạo kéo dài gần như toàn cầu


8.3 El Niño, La Niña và dao động nam
|  El Niño - dao động nam (El Niño-Southern Oscillation

– 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 tồn cầu
|  Tên gọi El Niđo xuất phát từ pha nóng của SST của

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

Giáng sinh
|  La Niđa 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
22


El Niño, La Niña và dao động nam

|  Normal: Điều kiện bình

thường
|  El Niđo: Pha nóng của
ENSO
|  La Niđa: Pha lạnh của
ENSO
23


El Niño, La Niña và dao động nam

|  Normal:
{  H: Tahiti; L: Darwin

|  El Niño:
{  H: Darwin; L: Tahiti

|  La Niña:
{  H: Tahiti; L: Darwin
24


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
25