Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng Duyên hải Miền Trung

Chia sẻ: Elysale Elysale | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:178

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá diễn biến hạn hán, xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ cho công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng Duyên hải Miền Trung. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng Duyên hải Miền Trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI HÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2019
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI HÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC Mã số: 9 58 02 12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1. PGS.TS. Nguyễn Đăng Tính 2. GS.TS. Nguyễn Văn Tỉnh HÀ NỘI, NĂM 2019
LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào và chưa từng được ai công bố trong bất cứ công trình nào khác. Việc tham khảo, trích dẫn các nguồn tài liệu đã được ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Nguyễn Thái Hà i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đăng Tính và GS.TS. Nguyễn Văn Tỉnh, là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này. Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật tài nguyên nước đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình nghiên cứu, thực hiện luận án. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã hỗ trợ, động viên, chia sẻ khó khăn trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận án. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................................... I LỜI CẢM ƠN ...............................................................................................................II MỤC LỤC ................................................................................................................... III DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ............................................................................... VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ...................................................................................VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. X MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án .................................................................................. 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 4. Nội dung nghiên cứu của luận án ................................................................................ 3 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3  Cách tiếp cận trong luận án: ........................................................................... 3  Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án: ....................................... 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 4  Ý nghĩa khoa học: ............................................................................................ 4  Ý nghĩa thực tiễn: ............................................................................................ 4 7. Cấu trúc của luận án .................................................................................................... 5 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN....... 7 1.1 Khái niệm về hạn hán ................................................................................................ 7 1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán. ................................................................. 7 1.1.2 Các chỉ số hạn.............................................................................................. 10 1.1.3 Các đặc trưng của hạn hán.......................................................................... 20 1.2 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới ............................... 21 1.2.1 Tình hình hạn hán trên thế giới ................................................................... 21 1.2.2 Các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới ..................................................... 23 1.3 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam ................................ 30 iii
1.3.1 Tình hình hạn hán ở Việt Nam ..................................................................... 30 1.3.2 Các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam ...................................................... 33 1.4 Tổng quan về vùng nghiên cứu ............................................................................... 36 1.5 Những thành tựu và hạn chế trong các nghiên cứu về hạn hán ............................... 39 1.6 Định hướng nghiên cứu của luận án ........................................................................ 40 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO HẠN KHÍ TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG .............................................. 43 2.1 Hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu ................................................................ 43 2.2 Giới thiệu về ENSO và các số liệu cần thu thập ..................................................... 47 2.2.1 Giới thiệu về ENSO...................................................................................... 47 2.2.2 Các số liệu cần thu thập .............................................................................. 50 2.3 Phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ...................................... 56 2.3.1 Lựa chọn chỉ số hạn ..................................................................................... 57 2.3.2 Phân tích đánh giá diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu bằng các chỉ số hạn ........................................................................................................................ 63 2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu ............................................................................................................................... 67 2.3.4 Thiết lập mô hình dự báo hạn khí tượng, đề xuất mô hình dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu ............................................................................................. 70 2.4 Kết luận chương 2 ................................................................................................... 84 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG ........................................................................ 85 3.1 Diễn biến hạn hán theo không gian, thời gian của vùng nghiên cứu ...................... 85 3.1.1. Phân tích kết quả kiểm định nội suy lượng mưa và nhiệt độ ...................... 85 3.1.2 Diễn biến hạn hán theo thời gian của vùng nghiên cứu .............................. 86 3.1.3 Diễn biến hạn hán theo không gian của vùng nghiên cứu .......................... 91 3.2 Ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu ....................103 3.2.1 Diễn biến hạn hán của vùng DHMT trong các thời kỳ phát sinh ENSO ...103 3.2.2 Đánh giá kết quả mối tương quan giữa SSTA và SOI với SPI và SPEI ....105 3.3. Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ...............108 iv
3.3.1 Đánh giá kết quả các mô hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu .............................................................................................................................108 3.3.2 Lựa chọn chỉ số để cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ....116 3.3.3 Lựa chọn mô hình dự báo hạn cho vùng nghiên cứu ................................117 3.3.4 Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu .....118 3.3.5 Bản đồ và số liệu cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ......120 3.4 Kết luận chương 3 .................................................................................................124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................127 1. Những kết quả đạt được của luận án .......................................................................127 2. Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................128 3. Những tồn tại và hạn chế của luận án......................................................................128 4. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo của luận án .................................................128 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................129 TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................130 PHỤ LỤC ...................................................................................................................138 v
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy ....................................................... 11 Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [9] ............................................................. 12 Bảng 1.3 Phân cấp hạn theo chỉ số K ............................................................................ 13 Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo chỉ số độ ẩm tương đối của đất RSMI ...................... 15 Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo chỉ số PDSI [13] ............................................................... 17 Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19] ........................................................................ 19 Bảng 2.1 Xu thế biển đổi lương mưa theo năm cho các trạm mưa vùng DHMT ......... 53 Bảng 2.2 Xu thế biển đổi nhiệt độ theo năm cho các trạm vùng DHMT ...................... 54 Bảng 2.3 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI, SPEI [9] .................................................. 62 Bảng 2.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo [103] .................................................... 81 Bảng 3.1. Độ tin cậy của phép nội suy mưa và nhiệt độ (%) ........................................ 85 Bảng 3.2 Giá trị nhỏ nhất của SPI, SPEI trong các thời kỳ phát sinh El Nino ...........104 Bảng 3.3 Tổng số tháng xảy ra hạn hán trong các thời kỳ phát sinh El Nino theo chỉ số SPI, SPEI .....................................................................................................................104 Bảng 3.4 Hệ số tương quan trung bình giữa SSTA, SOI với các chỉ số SPI, SPEI ....106 Bảng 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo các chỉ số hạn của các mô hình ......................109 Bảng 3.6 Cấp hạn và cấp cảnh báo sớm hạn khí tượng theo chỉ số SPEI3 .................116 Bảng 3.7 Các tham số của các mô hình dự báo cho 6 tháng tiếp theo ........................118 Bảng 3.8 Kết quả dự báo chỉ số SPEI3 tại các trạm (từ tháng 1/2015 đến 6/2015) ....123 vi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5]......................................................... 10 Hình 1.2 Bản đồ vùng Duyên hải Miền Trung .............................................................. 37 Hình 1.3 Sơ đồ nội dung và phương pháp nghiên cứu .................................................. 42 Hình 2.1 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy vùng BTB ............. 43 Hình 2.2 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy vùng NTB ............. 45 Hình 2.3 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy toàn vùng DHMT . 46 Hình 2.4 Vị trí khu vực theo dõi hoạt động ENSO (Nino3.4) ...................................... 48 Hình 2.5 Vị trí và tên các trạm Khí tượng ..................................................................... 51 Hình 2.6 Diễn biến giá trị SSTA từ năm 1984 đến năm 2014 ...................................... 55 Hình 2.7 Diễn biến giá trị SOI từ năm 1984 đến năm 2014 ......................................... 56 Hình 2.8 Sơ đồ minh họa các nội dung và phương pháp dự báo hạn khí tượng ........... 57 Hình 2.9 Ô lưới vùng nghiên cứu .................................................................................. 64 Hình 2.10 Các thành phần của mô hình dự báo thống kê đang được áp dụng trên thế giới [85]................................................................................................................................. 72 Hình 2.11 Cấu trúc mô hình ANFIS .............................................................................. 75 Hình 2.12 Sơ đồ khối của mô hình ANFIS ................................................................... 78 Hình 2.13 Cấu trúc của các mô hình dự báo ................................................................. 79 Hình 2.14 Sơ đồ khối của chương trình dự báo hạn khí tượng ..................................... 83 Hình 3.1 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 .............................. 86 Hình 3.2 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3 .............................. 86 Hình 3.3 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1.............................. 87 Hình 3.4 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3.............................. 87 Hình 3.5 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI1 và SPEI1 .................. 87 Hình 3.6 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI3 và SPEI3 .................. 88 Hình 3.7 Số tháng xảy ra hạn hán theo các chỉ số hạn .................................................. 89 vii
Hình 3.8 Tỷ lệ DT hạn theo từng tháng của 5 năm hạn điển hình theo chỉ số SPEI1 ... 90 Hình 3.9 Tỷ lệ DT hạn theo từng tháng của 5 năm hạn điển hình theo chỉ số SPEI3 .. 90 Hình 3.10 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI1, SPEI1 và thực tế sản xuất nông nghiệp của vùng DHMT ............................................................................................................ 92 Hình 3.11 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI3, SPEI3 và thực tế sản xuất nông nghiệp của vùng DHMT ............................................................................................................ 92 Hình 3.12 Tần suất (%) xảy ra hạn của các chỉ số theo không gian ............................. 93 Hình 3.13 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI1 theo không gian .............. 94 Hình 3.14 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI1 theo không gian ............ 94 Hình 3.15 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI3 theo không gian .............. 95 Hình 3.16 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI3 theo không gian ............ 95 Hình 3.17 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 3 của các chỉ số theo không gian .......... 96 Hình 3.18 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 4 của các chỉ số theo không gian .......... 96 Hình 3.19 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 6 của các chỉ số theo không gian .......... 96 Hình 3.20 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 7 của các chỉ số theo không gian .......... 97 Hình 3.21 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 8 của các chỉ số theo không gian .......... 97 Hình 3.22 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1988 .................................................. 98 Hình 3.23 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1993 ................................................... 99 Hình 3.24 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1998 .................................................100 Hình 3.25 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005 .................................................101 Hình 3.26 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005 .................................................102 Hình 3.27 Giá trị SPI, SPEI-1 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014) ..............103 Hình 3.28 Giá trị SPI, SPEI-3 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014) ..............103 Hình 3.29 Tương quan giữa SSTA với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = 3 tháng) ...................................................................................................................107 Hình 3.30 Tương quan giữa SOI với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = 2 tháng) .....................................................................................................................108 viii
Hình 3.31 So sánh chất lượng dự báo theo chỉ số SPEI3 giữa các mô hình ...............110 Hình 3.32 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 cho toàn vùng .....110 Hình 3.33 Chất lượng dự báo cho chỉ số SPEI3 bằng mô hình M4 theo không gian .111 Hình 3.34 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Cam Ranh .....................................................................................................................................112 Hình 3.35 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Rang .....................................................................................................................................112 Hình 3.36 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Thiết .....................................................................................................................................113 Hình 3.37 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1988) ....113 Hình 3.38 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1993) ....114 Hình 3.39 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1998) ....114 Hình 3.40 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2005) ....115 Hình 3.41 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2010) ....115 Hình 3.42 Sơ đồ mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ...........119 Hình 3.43 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 1, 2 năm 2015 .............121 Hình 3.44 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 3, 4 năm 2015 .............122 Hình 3.45 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 5, 6 năm 2015 .............123 ix
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ANFIS Mạng noron thích nghi mờ (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) ANN Mạng noron nhân tạo (Artificial Neural Networks) Mô hình tự hồi quy thích hợp (Autoregressive Integrated Moving ARIMA Average Model) BĐKH Biến đổi khí hậu BTB Bắc Trung Bộ CI Chỉ số hạn tích hợp (Integrated Drought Index) CMI Chỉ số độ ẩm cây trồng (Crop Moisture Index) CORR Hệ số tương quan (Correlation Coefficient) DBHH Dự báo hạn hán DBKH Dự báo khí hậu DHMT Duyên hải Miền Trung E Chỉ số hiệu quả (Efficiency) El Nino và dao động Nam bán cầu (El Nino and the Southern ENSO Oscillation) Tổ chức Lương thực & Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and FAO Agriculture Organization) FL Logic mờ (Fuzzy Logic) IDW Trọng số nghịch đảo khoảng cách (Inverse distance weighting) KHCH Khoa học Công nghệ KTTV Khí tượng thủy văn KT-XH Kinh tế - Xã hội M Mô hình MSDI Chỉ số tiêu chuẩn hóa đa biện (Multivariate Standardized Drought Index) NAWM Gió mùa đông bắc Á (Northeast Asian Winter Monsoon) NCDA Vùng hạn không kề giáp nhau (Non-contigous drought analysis) NTB Nam Trung Bộ x
PCA Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis) PDSI Chỉ số Palmer Hệ số thống kê giữa sai số căn quân phương và độ lệch chuẩn (RMSE - RSR observations standard deviation ratio) SASM Gió mùa hè Nam Á (South Asian Summer Monsoon) SOI Chỉ số dao động Nam bán cầu (Southern Oscillation Index) Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi (Standardized Precipitation SPEI Evapotranspiration Index) SPI Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index) SSI Chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index) SST Nhiệt độ mặt nước biển (Sea Surface Temperature) SSTA Nhiệt độ mặt nước biển dị thường (Sea Surface Temperature Anomalies) SWSI Chỉ số cung cấp nước mặt (Social Water Scarcity Index) TBD Thái Bình Dương WMO Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization) xi
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt lượng mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn là biến đổi đáng kể từ vùng này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn, bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một đặc trưng lâu dài của khí hậu. Vì vậy, hiện tượng hạn hán xảy ra trong từng năm với các đặc tính thời tiết và các tác động của nó là không giống nhau. Hạn hán khá phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh Duyên hải Miền Trung (DHMT). Theo số liệu thống kê của Tổng cục thủy lợi trong giai đoạn 1985 – 2014, toàn vùng đã có nhiều đợt hạn hán xảy ra, trong đó có 5 đợt xảy ra hạn hán nghiêm trọng, hạn xảy ra trong cả 3 vụ sản xuất làm thiệt hại đến hàng triệu hecta đất nông nghiệp và sự thiếu hụt nước trầm trọng cho hàng triệu người dân ở các vùng khác nhau trên cả nước, đặc biệt là khu vực DHMT. Sự khắc nghiệt của hiện tượng hạn hán không chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian, cường độ, không gian của một thời đoạn hạn hán cụ thể, mà còn phụ thuộc vào nhu cầu dùng nước từ các hoạt động của con người và cây trồng lên nguồn cung cấp nước của khu vực. Số liệu thống kê cho thấy rằng những thiệt hại về mặt kinh tế do hạn hán lớn hơn rất nhiều so với do lũ lụt. Để giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người dân địa phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước thì các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam nói chung và vùng DHMT nói riêng là rất quan trong và cần thiết. Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về hạn hán nhưng những kết quả đã nghiên cứu còn một số hạn chế như: (i) Công tác dự báo, cảnh báo hạn ở Việt Nam chưa thoả mãn yêu cầu để áp dụng rộng rãi trong công tác đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho các vùng, các tỉnh khác nhau; (ii) Việc đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho một vùng rộng lớn hoặc trên toàn quốc chủ yếu dựa vào các chỉ số hạn khí tượng. Còn các chỉ số hạn thủy văn và nông nghiệp mới chỉ được dùng để đánh giá, 1
dự báo và cảnh báo hạn cho những vùng nhỏ hoặc theo lưu vực sông; (iii) Phương pháp dự báo hạn chủ yếu là phương pháp thống kê, phương pháp động lực cũng đã được dùng để dự báo hạn nhưng chưa nhiều. Các sản phẩm dự báo, cảnh báo chủ yếu là theo điểm; (iv) Chưa có khung thể chế và pháp lý cho các hoạt động ứng phó và giảm nhẹ thiệt hại do hạn hán. Bởi vậy, cần nhiều nghiên cứu hơn nữa về hạn hán nhằm xác định được các chỉ số hạn và các chỉ tiêu phân cấp hạn phù hợp, trên cơ sở đó xây dựng các cấp cảnh báo hạn cho từng địa phương, đặc biệt ở các vùng hạn hán hay xảy ra. Đồng thời phải xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn hán phù hợp cho các vùng của Việt Nam. Với mong muốn kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp một phần trong việc giải quyết các nhiệm vụ nêu trên. Vì thế, tác giả đã đề xuất đề tài “Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng Duyên hải Miền Trung” để phân tích, đánh giá diễn biến hạn hán, xác định mức độ ảnh hưởng của hiện tượng El Nino và dao động Nam bán cầu (ENSO) đến hạn hán và xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu. 2. Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá diễn biến hạn hán, xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ cho công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng DHMT. Để đạt được mục tiêu trên thì các mục tiêu cụ thể được xác định như sau: Đánh giá mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng DHMT với các yếu tố ENSO, nhiệt độ mặt nước biển dị thường (SSTA) và chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI); Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu trong mối quan hệ giữa hạn hán với các yếu tố SSTA và SOI. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là: Hạn khí tượng, tính chất, mức độ, xu thế và phân bố của hạn hán. Phạm vi nghiên cứu của luận án này là: Nghiên cứu cảnh báo sớm hạn khí tượng vùng Duyên hải Miền Trung thông qua các chỉ số tương quan xa của vùng xích đạo TBD (vùng đặc trưng của El nino, SOI), bao gồm các tỉnh thành sau: Thanh Hóa, Nghệ An, 2
Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận. 4. Nội dung nghiên cứu của luận án  Lựa chọn chỉ số hạn, phân tích đánh giá diễn biến hạn hán theo các chỉ số hạn và so sánh với diễn biến hạn hán theo thực tế của vùng nghiên cứu;  Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu trong các đợt xảy ra ENSO;  Phân tích và đánh giá tương quan giữa hạn hán của vùng nghiên cứu với nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI) bằng phương pháp phân tích tương quan phục vụ cho việc lựa chọn biến đầu vào cho mô hình dự báo hạn;  Thiết lập cấu trúc các mô hình dự báo hạn khí tượng bằng phương pháp thống kê (Mạng noron thích nghi mờ, ANFIS) và lựa chọn mô hình dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu;  Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu bằng các bản đồ dự báo chỉ số hạn. 5. Phương pháp nghiên cứu  Cách tiếp cận trong luận án:  Tiếp cận thực tế: Điều tra, khảo sát và thu thập số liệu về khí tượng và hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu;  Tiếp cận kế thừa có chọn lọc và bổ sung các nghiên cứu đã có trong nước cũng như trên thế giới về hạn và cảnh báo hạn;  Tiếp cận các phương pháp, công cụ đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn mới trên thế giới.  Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:  Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham khảo;  Phương pháp thống kê, xác suất: Tổng hợp, xử lý và phân tích số liệu làm cơ sở để 3
phân tích đánh giá diễn biến hạn hán và xây dựng mô hình cảnh báo hạn;  Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu, công trình khoa học đã và đang thực hiện về đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn hán trên thế giới;  Phương pháp vùng hạn không kề giáp nhau (NCDA): Phân tích, đánh giá diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu theo không gian và thời gian;  Phương pháp phân tích tương quan: Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu với hiện tượng ENSO thông qua hệ số tương quan giữa các chỉ số hạn và nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI). Để làm cơ sở lựa chọn biến đầu vào cho các mô hình dự báo;  Phương pháp phân tích tổng hợp: Phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan để đề ra mục tiêu, nội dung nghiên cứu. Phân tích tổng hợp kết quả nghiên cứu để làm cơ sở để xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu;  Phương pháp mô hình toán: Thiết lập các mô hình dự báo hạn bằng phương pháp mô hình toán (mạng noron thích nghi mờ, ANFIS). 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn  Ý nghĩa khoa học:  Luận án đã góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học trong việc sử dụng và lựa chọn chỉ số hạn để đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho vùng nghiên cứu nói riêng và Việt Nam nói chung.  Luận án đã bổ sung thêm cơ sở khoa học trong việc xây dựng bản đồ hạn theo phương pháp vùng hạn không kề giáp nhau (NCDA).  Luận án đã cung cấp cơ sở khoa học để thiết lập các mô hình dự báo hạn khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo sớm hạn khí tượng.  Ý nghĩa thực tiễn:  Góp phần làm sáng tỏ xu thế và diễn biến hạn hán của khu vực Duyên hải Miền Trung ở quá khứ trong mối quan hệ với hiện tượng ENSO. 4
 Kết quả nghiên cứu của luận án có thế được ứng dụng để xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho khu vực nghiên cứu cũng như các khu vực khác.  Kết quả của luận án đưa ra được các bản đồ cảnh báo sớm hạn khí tượng bằng các chỉ số hạn. Giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người dân địa phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước. 7. Cấu trúc của luận án Luận án gồm 165 trang thuyết minh trong đó có: 62 hình vẽ, 18 bảng biểu minh họa, 1 trang liệt kê danh mục 2 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, 8 trang liệt kê 103 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục. Nội dung bao gồm phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và 3 chương: Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và dự báo hạn Chương này nêu tổng quan về vùng nghiên cứu; khái niệm về hạn hán, các chỉ số được dùng trong đánh giá và dự báo hạn hán; tổng hợp được tình hình hạn hán và các nghiên cứu có liên quan đến hạn hán trên Thế giới cũng như Việt Nam; những thành tựu và hạn chế của các nghiên cứu về hạn và tự báo hạn; định hướng mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của luận án. Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng Duyên hải Miền Trung Trong chương này đã nêu được các cơ sở khoa học để phục vụ cho nghiên cứu như: hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu; hiện tượng ENSO và ảnh hưởng của hiện tượng này đến khí hậu của vùng nghiên cứu; số liệu mưa, nhiệt độ của vùng nghiên cứu; số liệu về SSTA, SOI. Lựa chọn chỉ số hạn để đánh giá, dự báo hạn cho vùng nghiên cứu; sử dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu thông qua các chỉ số hạn; sử dụng mạng Nơron thích nghi mờ (ANFIS) để thiết lập các mô hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu với các biến đầu vào và ra khác nhau. Chương 3: Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng Duyên hải Miền Trung 5
Trong chương này đã đưa ra được kết quả diễn biến hán của vùng nghiên cứu theo không gian và thời gian bằng các chỉ số hạn, đồng thời có sự đánh giá sự phù hợp giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu bằng các chỉ số hạn so với tình hình hạn hán thực tế. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu. Phân tích kết quả dự báo của các mô hình dự báo, từ đó lựa chọn mô hình dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu. Xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng, đồng thời đưa ra được các bản đồ cảnh báo hạn cho vùng nghiên cứu. 6
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN 1.1 Khái niệm về hạn hán 1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán. Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn biến đổi đáng kể từ vùng này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn. Bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một đặc trưng lâu dài của khí hậu [1]. So với các thảm họa tự nhiên khác như: xoáy, lũ lụt, động đất, núi lửa phun trào và sóng thần có sự khởi đầu nhanh chóng, có ảnh hưởng trực tiếp và có cấu trúc, thì hạn hán lại ngược lại. Hạn hán khác với các thảm họa tự nhiên khác theo các khía cạnh quan trọng sau [2]:  Không tồn tại một định nghĩa chung về hạn hán.  Hạn hán có sự khởi đầu chậm, là hiện tượng từ từ, dẫn đến khó có thể xác định được sự bắt đầu và kết thúc một thời kỳ hạn.  Thời gian hạn dao động từ vài tháng đến vài năm, vùng trung tâm và vùng xung quanh bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể thay đổi theo thời gian.  Không có một chỉ thị hoặc một chỉ số hạn đơn lẻ nào có thể xác định chính xác sự bắt đầu và mức độ khắc nghiệt của sự kiện hạn cũng như các tác động tiềm năng của nó.  Phạm vi không gian của hạn hán thường lớn hơn nhiều so với các thảm họa khác, do đó các ảnh hưởng của hạn thường trải dài trên nhiều vùng địa lý lớn.  Các tác động của hạn nhìn chung không theo cấu trúc và khó định lượng. Các tác động tích lũy lại và mức độ ảnh hưởng của hạn sẽ mở rộng khi các sự kiện hạn tiếp tục kéo dài từ mùa này sang mùa khác hoặc sang năm khác.  Mặt khác, hạn hán ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực kinh tế và xã hội nên các định nghĩa 7