Trong khuôn khổ đề tài cấp Bộ về “Nghiên cứu đổi mới công nghệ dự báo các đợt rét đậm, rét hại, mưa lớn trong mùa đông ở khu vực phía bắc việt nam hạn đến 10 ngày dựa trên quy luật hoạt động của dòng xiết cận nhiệt đới”, do TS. Trịnh Hoàng Dương làm chủ nhiệm, nhóm thực hiện đề tài đã đánh giá, phân tích và xác định được một số đặc điểm của các hình thế sy-nốp mưa lớn trong mùa đông ở khu vực Bắc Bộ.
Dựa trên đặc điểm khí tượng thủy văn của Tổng cục Khí tượng Thủy Văn và tham chiếu đến các đợt mưa lớn trong giai đoạn 1995-2021 có thể nhận thấy nhìn chung, trong mùa đông và mùa xuân chủ yếu hình thế thời tiết gây mưa lớn là KKL đơn thuần và KKL kết hợp với rãnh gió tây trên cao. Do vậy, dưới đây đề tài dẫn ra kết quả đã được phân tích về hai hình thế này trong mùa xuân (tháng 2-4) nhằm phân tích mối quan hệ của EASJS đối với mưa lớn trong mùa đông trên khu vực Bắc Bộ. Cụ thể nghiên cứu đã phân tích hai hình hình thế chinh là (1) KKL và sự di chuyển về phía nam của xoáy nước mực thấp và (2) tương tác của KKL với rãnh gió tây trên cao:
KKL và sự di chuyển về phía nam của xoáy nước mực thấp
Từ năm 1983 đến 2018, ở Bắc Bộ đã xảy ra 71 đợt mưa lớn có liên quan đến quá trình di chuyển của xoáy thấp tầng thấp xuống phía Nam. Có thể thấy rằng mưa nhẹ với giá trị 6 – 11mm bắt đầu xuất hiện ở khu vực phía Tây Bắc vào ngày -1, vào ngày thứ -2, mở rộng dần về phía đông và nam vào ngày -1. Vào ngày 0, lượng mưa tại hầu hết các trạm đều tăng mạnh, có nơi đạt trên 36mm. Tuy nhiên, sau đó mưa ngừng lại vào ngày +1 và chỉ quan trắc được tại 3 trạm ở Tây Bắc.
Trong một số sự kiện, lượng mưa có thể đạt giá trị rất lớn, ví dụ như đợt mưa lớn ngày 26 tháng 4 năm 1999. Một số giá trị cực đoan là 145mm/ngày (Bắc Quang), 128mm/ngày (Hà Giang), 121mm ngày (Yên Bái) và 82,1mm/ ngày (Hòa Bình). Lượng mưa lớn hơn 50mm/ngày lần đầu tiên xảy ra ở khu vực cực bắc vào ngày 25 tháng 4 và mở rộng về phía nam vào ngày 26 tháng 4. Sau khi đạt đỉnh vào ngày 26/4, lượng mưa giảm dần trong những ngày tiếp theo. Ngày 27/4, mặc dù mưa lớn hơn 20mm/ngày vẫn quan trắc được ở hơn một nửa số trạm, giá trị ngày lớn hơn 50mm/ngày chỉ tập trung ở các đài khu vực phía Nam. Đến ngày 28 tháng 4, lượng mưa đã ngừng ở hầu hết các trạm, đánh dấu sự kết thúc của sự đợt mưa.
Mô hình quy mô lớn liên quan đến các sự kiện mưa được hiển thị trong Hình 1. Vào ngày thứ -3, một xoáy quy mô trung bình liên quan đến mực thấp xuất hiện rõ ràng ở phía đông của Cao nguyên Tây Tạng. Vài ngày sau, xoáy lan truyền về phía nam dọc theo phía đông của Cao nguyên Tây Tạng, theo sau là một xoáy lớn, theo đó mưa lớn xảy ra. Xoáy tiến vào Bắc Bộ trong ngày -2, phù hợp với khả năng xuất hiện mưa lớn ở vùng núi. Trong ngày 0, trong khi xoáy mất cấu trúc và tan dần thì lượng mưa vẫn duy trì ở Bắc Bộ. Cuối cùng, không còn mưa vào ngày +2, đồng thời kết thúc mưa ở Bắc Bộ. Sự hình thành của xoáy có thể liên quan đến sự hình thành chu kỳ gió của Cao nguyên Tây Tạng. Khi gió mạnh thổi từ tây sang đông trên Cao nguyên Tây Tạng, tạo ra sóng và gió sườn khuất gió. Gió ở sườn khuất gió gây ra sự phân tách lớn hơn về đẳng entropi giữa tầng đối lưu trên và tầng dưới. Sự tách biệt này cho thấy sự bất ổn định tĩnh theo chiều thẳng đứng ngày càng tăng, do đó gây ra xoáy ở mực thấp. Theo đó, gió hội tụ mạnh và trung tâm mưa lớn liên quan của nó được quan trắc thấy ở khu vực phía nam của xoáy thuận.
Hình 1. Gió 850 hPa (vectơ, m/s), độ cao địa thế vị (công tua, m) và lượng mưa PERSIANN (tô màu, mm/ngày) liên quan đến KKL và xoáy mực thấp. Những khu vực có độ cao trên 1500 m được tô màu xám
Có những yếu tố chính khác góp phần vào đợt KKL từ các vùng ngoại nhiệt đới, một hệ thống áp cao được hình thành trên Biển Đông vào ngày thứ -3. Vào ngày thứ -2, trung tâm áp cao tiến về phía đông Biển Đông và mở rộng dần về phía Nam dẫn đến hình thành một dòng gió đông bắc trên Biển Đông (ES). Mặc dù hệ thống áp cao không mạnh lắm, nhưng giúp duy trì gió đông bắc trong suốt thời kỳ. Do đó, độ ẩm phong phú được cung cấp liên tục từ ES vào miền Bắc Việt Nam, gây ra lượng mưa lớn. Cần lưu ý các dãy núi cao thuộc khu vực Tây Bắc và Đông Bắc đóng vai trò cưởng bức gió mực thấp (cả gió đông và gió tây) hướng lên trên.
Hình 2. Gió 10 m (vectơ, m/s), MSLP (công tua, m) và tốc độ thay đổi tốc độ thời gian CAPE (tô màu, J/kg) liên quan đến KKL và xoáy mực thấp. Những khu vực có độ cao trên 1500 m được tô màu xám
Ngoài ra, đã có sự gia tăng đáng kể CAPE trước hệ thống áp cao từ ngày thứ -3 đến ngày thứ -1, cho thấy sự gia tăng bất ổn định khí quyển liên quan đến chuyển động của KKL (Hình 3). Sự gia tăng của CAPE có lẽ đã giúp kích hoạt lượng mưa nhẹ ở các khu vực phía Bắc vào ngày -2 đến ngày -1. Tuy nhiên, từ ngày 0 sau đó, CAPE giảm đột ngột sau khi KKL chi phối ở Bắc Bộ. Do đó, sự bất ổn định liên quan đến KKL không góp phần đến sự hình thành các đợt mưa lớn vào ngày 0. Ngược lại, CAPE giảm là nguyên nhân chính khiến mưa ngừng đột ngột ở các tiểu vùng vào ngày +1. Điều đáng lưu ý là sự hội tụ của gió đẳng áp được chỉ ra là nguyên nhân chính kích hoạt đối lưu sâu trước front lạnh.
KKL kết hợp rãnh gió tây trên cao
Từ năm 1983–2018, đã có 67 đợt mưa lớn liên quan đến sự tương tác giữa các đợt lạnh và rãnh gió tây tầng cao ở Bắc Bộ. Đặc biệt trong hai trường hợp ngày 11/4/1998 và 9/4/1985 có sự xuất hiện đồng thời rãnh trên cao và xoáy mực thấp. Tổng hợp lượng mưa quan trắc được trong các đợt này được hiển thị trong Hình 4. Cũng có thể thấy rằng lượng mưa đầu tiên xuất hiện ở vùng núi vào ngày thứ -2 và sau đó mở rộng nhanh chóng về phía nam và đông vào ngày thứ -1. Vào ngày 0, lượng mưa lớn đáng kể ở hầu hết các trạm. Tuy nhiên, đến ngày +1, lượng mưa giảm nhanh chóng, giống như trong các trường hợp KKL và xoáy mực thấp.
Hình 3. Lượng mưa trung bình các ngày của các trạm vùng TBB, ĐBB, và ĐBBB liên quan đến KKL và rãnh gió tây.
Trong một số trường hợp, tác động cộng hưởng của đợt KKL và rãnh gió tây có thể dẫn đến lượng mưa cực lớn ở miền Bắc Việt Nam. Ví dụ ngày 27/3/1999 có gần một nửa tổng số trạm có giá trị lượng mưa quan trắc lớn hơn 50mm ngày 1. Một số giá trị cực cao là 130,3mm/ngày tại Nguyên Bình, 115mm/ngày tại Cao Bằng ngày 26 tháng 3, 102,6mm ngày−1tại Lạng Sơn, ngày 101,6mm−1tại Mộc Châu vào ngày 27 tháng 3. Mặc dù tín hiệu mưa lớn ngày đầu tiên được quan trắc thấy ở các khu vực phía Tây Bắc vào ngày 27, nhưng tại một số khu vực, mưa lớn kéo dài liên tục dẫn đến gây ảnh hưởng nghiêm trọng.
Kiểu quy mô lớn liên quan đến các đợt mưa lớn do tương tác của KKL với rãnh gió tây được hiển thị trong Hình5. Một rãnh ở mực cao là khá rõ ràng trên khu vực từ Miến Điện đến Malaysia vào ngày -2 (rãnh được gọi là rãnh Ấn Độ-Miến Điện) và là một trong những hệ thống quan trọng nhất ảnh hưởng đến Nam Trung Quốc vào mùa đông. Về sự hình thành của rãnh, các nghiên cứu trước đây nhận thấy khi gió tây gặp cao nguyên Tây Tạng thì nó bị tách thành 2 nhánh và rãnh thấp là một phần của nhánh nam về phía nam của cao nguyên (rãnh thấp chủ yếu xuất hiện từ tháng 12 đến tháng 5 và một số nghiên cứu cho rằng nó đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển độ ẩm từ Bengal đến đông nam Trung Quốc, gây ra sự khởi đầu của mùa mưa ở các khu vực.
Vào ngày 1 (trước ngày xảy ra mưa lớn diện rộng 1 ngày), rãnh gió tây sâu và di chuyển về phía đông, đồng thời với thời điểm bắt đầu mưa quan trắc được ở phía Tây Bắc của tiểu vùng. Cơ chế trong đó rãnh gây ra lượng mưa lớn có thể được giải thích thông qua mối quan hệ phương trình omega. Ở khu vực phía đông của rãnh, bình lưu xoáy là lớn nhất và hiện tượng tựa địa chuyển được tạo ra. Kết quả là, chuyển động đi lên là được hình thành, thuận lợi cho sự xuất hiện mưa trên khu vực. Đến ngày 0 (ngày xảy ra mưa lớn diện rộng), rãnh và mưa kèm theo tiếp tục di chuyển về phía đông dẫn đến sự bùng phát mưa lớn ở Bắc Bộ. Cuối cùng đến ngày +1 (sau ngày xảy ra mưa lớn diện rộng), rãnh lan truyền xa về phía đông và không còn ảnh hưởng đến tiểu vùng, do đó mưa tạnh hẳn tại đây.
Hình 4. Gió mực 500 hPa (véc tơ, m/s), độ cao địa thế vị (đường, m) và lượng mưa PERSIANN (tô màu, mm/ngày) trung bình do KKL và rãnh gió tây.
Trong những trường hợp này, đợt KKL cũng góp phần đáng kể vào sự xuất hiện của lượng mưa lớn. Như thể hiện trong Hình 5, gió đông bắc mạnh kết hợp với một vùng áp cao rộng lớn xâm nhập từ Siberia vào phía đông nam Trung Quốc từ ngày -3 đến ngày -1. Vào ngày 0, gió đông bắc thịnh hành trên Biển Đông Bắc Việt Nam, đồng thời với sự xuất hiện của rãnh trên cao ở Bắc Bộ. Khi các dòng không khí bị đẩy lên bởi các dãy núi cao, nó được tăng tốc bởi lực nâng tựa địa tỉnh gây ra bởi rãnh tầng trên. Kết quả là đã gây ra chuyển động thẳng đứng mạnh mẽ, dẫn đến sự xuất hiện của mưa lớn ở miền Bắc, đặc biệt là ở khu vực miền núi.
Hình 5: Gió 10m (véc tơ, m/s), MSLP (đường, hpa) và CAPE thay đổi tốc độ thời gian (tô màu, J/kg) liên quan đến KKL và rãnh gió tây.
CAPE cũng hiển thị mức tăng đáng kể từ ngày thứ 3 đến ngày thứ nhất, nhưng nó giảm đáng kể từ ngày 0 trở đi. Do đó, sự bất ổn định tiềm ẩn liên quan đến đợt lạnh không góp phần hình thành mưa lớn ở miền Bắc Việt Nam.
Dựa trên lương mưa quan trắc, mưa vệ tinh PERSIANN và dữ liệu phân tích lại ERA5 đã phân tích hai hình thế thời tiết trong mùa xuân, đây cũng là hình thế chủ đạo trong mùa đông ở Bắc Bộ gây ra mưa lớn. Bên cạnh đó cho thấy vai trò rãnh gió tây trên cao liên quan đến EASJS gây mưa lớn trong mùa đông: (1) KKL mực thấp và xoáy mực thấp: Đầu tiên là sự tương tác của KKL và sự di chuyển về phía nam của xoáy quy mô trung bình. Trong mô hình này, đợt KKL gây ra gió đông bắc mạnh để vận chuyển hơi ẩm từ Biển Đông đến khu vực nghiên cứu và xoáy trung bình tăng cường đáng kể hội tụ mực thấp gây ra mưa lớn. (2) Sự tương tác của KKL và độ sâu của rãnh ở tầng trên: Trong hình thế này, lực nâng tựa địa tĩnh do rãnh ở tầng trên gây ra được tăng cường bởi lực nâng gây ra bởi đợt KKL. Do đó, lượng mưa lớn gây ra bởi hình thế này dường như nghiêm trọng hơn so với hình thế trên.