353 Tạp chí Khoa học và Công nghệ Biển; Tập 17, Số 4; 2017 353 363 DOI 10 15625/1859 3097/17/4/9921 http //www vjs ac vn/index php/jmst XÁC ĐỊNH CỰC TRỊ MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG BIỂN VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA[.]
Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Biển; Tập 17, Số 4; 2017: 353-363 DOI: 10.15625/1859-3097/17/4/9921 http://www.vjs.ac.vn/index.php/jmst XÁC ĐỊNH CỰC TRỊ MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ TƯỢNG BIỂN VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG VỚI TIỀM NĂNG TÀI NGUYÊN NƯỚC MẶT ĐẢO LÝ SƠN Bùi Xuân Thông1*, Lê Tuấn Đạt2, Trương Việt Châu1 Viện Hải văn Môi trường, Bộ Tài nguyên Môi trường Nhà xuất Khoa học tự nhiên Công nghệ, Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam *E-mail: buixuanthonghunre@gmail.com Ngày nhận bài: 11-3-2017 TĨM TẮT: Biến đổi khí hậu thơng qua cực trị khí tượng biển có tác động trực tiếp đến phân bố nguồn tài nguyên nước mặt đảo Dựa số liệu khí tượng, hải văn quan trắc thời kỳ 1985 - 2012 trạm Khí tượng Hải văn Lý Sơn xác định cực trị yếu tố mưa, bốc hơi, nhiệt, mực nước biển số yếu tố hải văn khác đảo Bài báo đánh giá mối quan hệ cực trị với phân bố tài nguyên nước mặt đảo Lý Sơn Tổng lượng mưa có xu tăng tất thời kỳ khoảng 0,1 mm/năm Tần suất lượng mưa đảo Lý Sơn chủ yếu < 50 mm chiếm 57,8%, lượng mưa từ 50 - 100 mm chiếm 20,7%, lại lượng mưa 100 mm chiếm 21,5% Nhiệt độ khơng khí trung bình, tối cao tối thấp có xu tăng hầu hết tháng năm Mực nước biển trung bình có xu gia tăng, tượng hải văn khác Kết tính tốn tổng lượng dịng chảy tràn trung bình nhiều năm 13,9 × 106 m3/năm, lượng nước bình quân đầu người đảo đạt khoảng 678 m3/người/năm Theo tiêu đánh giá Hội Tài ngun nước quốc tế đâu có lượng nước bình quân đầu người thấp 4.000 m3/người/năm xem là thiếu nước Từ khóa: Biến đổi khí hậu, cực trị khí tượng biển, tài nguyên nước mặt, Lý Sơn Xác định giá trị cực trị khí tượng biển điều kiện đảo có giá trị thực tiễn cao Đặc biệt xu biến đổi khí hậu (BĐKH) cực trị trị số mưa, nhiệt, mực nước biển dâng, biến động khí tượng biển cực đoan khác… có vai trị tác động mạnh đến q trình hình thành tài nguyên nước (TNN) đảo mặt (TNNM) đảo TNNM đảo Lý Sơn chưa nghiên cứu đầy đủ giải pháp cơng trình trữ nước chưa phát huy hết khả năng, nước đất chưa có quy hoạch khai thác,… nguyên nhân dẫn đến tình trạng nước ngày cạn kiệt đảo Lý Sơn Dựa sở cực trị khí tượng biển xác định, báo đánh giá tổng quan khả sinh thuỷ thông qua việc tính tốn dịng chảy tràn từ phương trình cân nước Dựa số liệu khí tượng biển thu đo trạm Lý Sơn thời kỳ 1985-2012 xử lý Trung tâm Khí tượng thủy văn Quốc gia áp dụng phương pháp thống kê để xác định số cực trị có liên quan đến trình hình thành tài nguyên nước Bài báo kết nghiên cứu bước đầu đề tài mã số KC.09.04/16-20: “Đánh giá tiềm năng, biến động tài nguyên nước mặt, nước ngầm đề xuất giải pháp sử dụng hợp lý tài nguyên phục vụ phát triển kinh tế - xã hội số đảo trọng điểm” MỞ ĐẦU 353 Bùi Xuân Thông, Lê Tuấn Đạt,… PHƯƠNG PHÁP TÍNH TỐN Phương pháp tính cực trị khí tượng biển Phương pháp tính tần suất thống kê Gọi mij số lần xuất kiện đảm bảo điều kiện A B Khi tần suất xuất Pij nhóm ij tính sau: Pi,j = mi,j/N hoặc: %Pi,j = mi,j/N.100% (1) Còn tần suất tích luỹ Fj đại lượng xác định bởi: j Fj pi P( xi b ), ( j 1,2, , N ) j i 1 (2) Nếu f(t) hàm tuyến tính ta có xu biến đổi tuyến tính Để nghiên cứu xu biến đổi tuyến tính ta thành lập phương trình hồi qui: y = ax + b Trong phương trình hồi quy hệ số a có ý nghĩa tốc độ biến thiên đại lượng đơn vị thời gian Dấu hệ số a xác định xu tăng (khi a > 0) giảm (khi a < 0), trị tuyệt đối a cho biết mức độ tăng hay giảm chuỗi tốc độ gió Phương pháp tính tốn cân nước mặt cho đảo Phương trình cân nước mặt cho đảo trình bày sau [7]: P - ETa - SR - GWR - ΔV = Trong đó: N tổng số số liệu Phương pháp tính tốn cực trị Theo lý thuyết cực trị với kích thước mẫu m đủ lớn, phân bố xác suất giá trị cực đại quy chuẩn Y ( m ) ( X ( m ) u m ) / bm , bm xấp xỉ ba dạng hàm tiệm cận sau [2, 4]: Hàm Weibull: G3( y ) exp(( y ) ), y 0, k 1/ k (3) Hàm Gumbel: G1( y ) exp(e y ) (4) Hàm Frechet: G2( y ) exp( y1/ k ), y 0, k (5) Và tương tự cho giá trị cực tiểu: H1( y ) exp(e y ) (6) H 2( y ) exp(( y )1/ k ), y 0, k (7) H 3( y ) exp( y ), y 0, k 1/ k (9) Trong đó: P (precipitation): Giáng thủy (mm); ETa (actual evapotranspiration): Lượng bốc thoát nước thực tế từ tất nguồn (đọng lại, trữ lại mặt đất trữ lượng ẩm đất) (mm); SR (surface run off): Dòng chảy mặt chảy đi; GWR (ground water recharge): Lượng bổ cập nước ngầm; ΔV (increases in soil water storage): Sự tăng trữ lượng nước đất Sau phân tích số liệu xác định yếu tố đầu vào, bỏ qua thành phần gia tăng trữ lượng nước ΔV sử dụng số liệu nhiều năm Từ phương trình ta viết lại phương trình cân nước mặt để tính tốn dịng chảy bề mặt cho đảo sau: P - ET - SR - GWR = (10) SR = P – ETa – GWR (11) Đánh giá tiềm tài nguyên nước mặt đảo Lý Sơn thông qua kết tổng lượng dịng chảy tính theo trung bình nhiều năm, lớp nước mặt chảy tràn diện tích lưu vực Tính tốn tổng lượng dịng chảy năm cho đơn vị diện tích theo cơng thức: Wnăm = Ynăm(Flv * 1000) (12) (8) Phương pháp phân tích xu Trong đó: Ynăm (SR): Lớp nước mặt chảy tràn năm (mm); Wnăm: Tổng lượng dòng chảy năm (m3); Flv: Diện tích lưu vực (km2) Một phương pháp phân tích xu thường xét đến phương pháp hồi qui, trung bình trượt Phương pháp hồi qui đề cập hồi qui đại lượng x thời gian t, tức biến đổi x theo t: x = f(t) Trên sở phương pháp nêu chúng tơi thực tính tốn xác định đặc trưng thống kê, giá trị cực trị, xu biến động chúng tính tốn cân nước mặt đảo Lý Sơn 354 Xác định cực trị số yếu tố khí tượng biển… KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Số ngày trung bình cực đại theo tháng với lượng mưa >100mm Thời kỳ: 1985-2012 (Lý Sơn) Tính tốn cực trị mưa đảo Lý Sơn Đặc trưng thống kê mưa đảo Lý Sơn Theo kết thống kê khí hậu Lý Sơn khu vực có lượng mưa so với khu vực khác tỉnh Quảng Ngãi, tổng lượng mưa hàng năm dao động từ 1.200 - 3.300 mm phân bố không đồng tháng năm Trong chuỗi số liệu thời kỳ 1985 - 2012 [6, 7] lượng mưa cực đại vào tháng trung bình lượng mưa cực đại nhiều năm thường xảy vào tháng 10 lượng mưa cực đại ngày rơi vào tháng tháng Số n g y (R > 0 m m ) 10 TBINH MAX 2 10 11 12 Tháng Hình Số ngày mưa theo tháng Lý Sơn với lượng mưa >100 mm (1985-2012) 2000 Cực đại Trung bình L ợ n g m a (m m ) 1500 1000 500 10 11 12 Tháng Hình Lượng mưa cực đại trung bình tháng Lý Sơn (1985-2012) Hình Tốc độ biến đổi lượng mưa cực đại ngày Lý Sơn theo thời kỳ Rmax_DAY(1985-2012) Rmax_DAY (1985 - 2012) L ợ n g m a (m m ) 500 Lượng m ưa (m m ) Linear (Rmax_DAY(1985-2012)) 500 400 300 200 100 y = -1.2197x + 2681.7 R = 0.0158 400 300 200 100 Năm 10 11 12 Tháng Hình Lượng mưa cực đại ngày theo tháng Lý Sơn (1985-2012) 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi lượng mưa cực đại ngày Lý Sơn (1985-2012) 12 Sử dụng số liệu mưa cực đại ngày để đánh giá, phân tích cường độ mưa Qua phân tích lượng mưa cực đại ngày Lý Sơn mức trung bình, tổng lượng mưa lớn ngày ghi nhận đạt gần 420 mm Lượng mưa ngày vùng nghiên cứu phổ biến 50 mm, chiếm 57,8% Tần suất mưa phân cấp mưa to (trên 100 mm) mức (21,5%) Hình Số ngày mưa theo tháng Lý Sơn với lượng mưa 50-100 mm (1985-2012) Trong bảng 1, tần suất lượng mưa chủ yếu đảo Lý Sơn < 50% với tần suất 57,8% lượng mưa từ 50 - 100 mm có tần suất 20,7% Số ngày (R50-100mm) 10 Số ngày trung bình cực đại theo tháng với lượng mưa 50-100mm Thời kỳ: 1985-2012 (Lý Sơn) TBINH MAX 2 10 11 Tháng 355 Bùi Xuân Thông, Lê Tuấn Đạt,… Bảng Tần suất lượng mưa cực đại ngày (%) Lý Sơn (1985-2012) Tần suất mưa cực đại ngày 1985-1990 1991-2000 2001-2012 1985-2012 Phân cấp mưa (mm) < 50 50 100 100 200 200 300 ≥ 300 51,2 58,3 61,1 57,8 26,2 18,3 19,4 20,7 10,7 15,8 12,5 13,2 8,3 5,8 4,2 5,7 3,6 1,7 2,8 2,6 hình hình Kết tính tốn rằng, tổng lượng mưa theo tháng Lý Sơn có tốc độ biến đổi lớn khơng có quy luật rõ ràng Vào thời kỳ mưa (tháng I) lượng mưa có xu tăng, tháng thời kỳ đầu mùa mưa năm (tháng VII) tổng lượng mưa lại có xu giảm mạnh với mức độ giảm khoảng - mm/năm Tháng (1985-2012) Sử dụng tổng lượng mưa tháng, năm lượng mưa cực đại ngày để phân tích xu Số liệu chia làm giai đoạn: Trước năm 1991, 1991 - 2000, 2001 - 2012 toàn thời kỳ từ 1985 - 2012 Theo giai đoạn, nhận thấy lượng mưa có biến đổi rõ, thời kỳ gần (2001 - 2012) lượng mưa có xu giảm khoảng 100 - 150 mm so với hai thời kỳ trước (thời kỳ trước năm 1991 1991 - 2000), tương ứng với giảm khoảng 70 mm so với trung bình nhiều năm (TBNN) tồn thời kỳ Bảng Lượng mưa trung bình (Rm) trạm Lý Sơn theo thời kỳ Đặc trưng lượng mưa Rm (mm) So với TBNN (1985-2012) L ượ ng mư a (mm ) Xu biến động lượng mưa trung bình 1991-2000 2001-2012 2363 2340 2220 + + - y = 1.5789x - 3028.8 R = 0.0164 300 200 100 Năm 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Xu biến đổi lượng mưa Lý Sơn tháng I (1985-2012) Tháng (1985-2012) Linear (Tháng (1985-2012)) 500 Thời kỳ 1985-1990 400 1985 Lư ợ n g m a (m m ) Xu biến động lượng mưa trung bình mưa cực đại Lý Sơn Linear (Tháng (1985-2012)) 500 400 y = -2.8118x + 5666.1 R = 0.0791 300 200 100 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009Năm2012 Hình Xu biến đổi lượng mưa Lý Sơn tháng VII (1985-2012) Ghi chú: + tăng so với TBNN; - giảm so với TBNN 1991-2000 Linear (1991-2000) L ợ n g m a (m m ) 4000 3000 2000 y = 79.911x - 157122 R = 0.2698 1000 Năm 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 2012 Hình Biểu đồ lượng mưa trung bình tháng Lý Sơn theo thời đoạn so với TBNN Hình 10 Xu biến đổi lượng mưa Lý Sơn (1991-2000) Xu biến đổi lượng mưa Lý Sơn với số tháng đại diện trình bày Tổng lượng mưa có xu tăng tất thời kỳ, tăng mạnh thời kỳ 356 Xác định cực trị số yếu tố khí tượng biển… 1991 - 2000 với tốc độ tăng 79,9 mm/năm Trong gần 30 năm từ 1985 - 2012 lượng mưa có tăng khơng đáng kể, khoảng 0,1 mm/năm (hình 10, 11) (1985-2012) Linear ((1985-2012)) Lư ợ ng m a (mm ) 4000 y = 0.1142x + 2065.4 R2 = 4E-06 3000 2000 Hình 12 Tốc độ biến đổi lượng mưa cực đại ngày Lý Sơn theo thời kỳ 1000 Năm 1985 1988 1991 1994 1997 2000 2003 2006 2009 Rmax_DAY(1985-2012) 2012 Linear (Rmax_DAY(1985-2012)) Hình 11 Xu biến đổi lượng mưa Lý Sơn (1985 - 2012) Xu biến động lượng mưa cực đại ngày Liên quan đến lượng mưa cực đại ngày, từ kết tính tốn cho thấy khơng có biến động nhiều tần suất qua thời kỳ Trong tất thời kỳ có phân bố tuyến tính Theo phân cấp mưa, tần suất mưa cực đại ngày chủ yếu nhỏ 50 mm (chiếm 50%), tần suất mưa vừa dao động từ 18 - 27% Lượng mưa đặc biệt lớn 24 (≥ 300 mm) chiếm tỷ trọng không lớn, dao động từ 1,7 - 3,6% trung bình tồn thời kỳ 2,6% (bảng 3) Bảng Tần suất lượng mưa cực đại ngày (%) Lý Sơn theo thời kỳ Phân cấp mưa (mm) Thời kỳ 100mm Thời kỳ: 1985-2012 (Lý Sơn) Tính tốn cực trị mưa đảo Lý Sơn Đặc trưng thống kê mưa đảo Lý Sơn Theo kết thống kê khí hậu Lý Sơn khu vực có lượng mưa so với khu vực