Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực Đoan Ở việt nam

Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực Đoan Ở việt nam Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực Đoan Ở việt nam Danh

i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

ii

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

BÙI THỊ KHÁNH HÒA

NGHIÊN CỨU PHÂN PHỐI VÀ TẦN SUẤT LẶP LẠI CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ VÀ HIỆN TƯỢNG KHÍ HẬU CỰC ĐOAN

Ở VIỆT NAM

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam” là nghiên cứu độc

lập của tôi Các số liệu được thu thập từ Tổng cục Khí tượng Thủy văn (KTTV) và kết quả nghiên cứu hoàn toàn trung thực Luận văn không đạo nhái hay sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào khác Tất cả tài liệu trích dẫn đều được ghi rõ nguồn gốc

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường nếu phát hiện bất cứ sự sai phạm hay sao chép trong đề tài này!

Tác giả

Bùi Thị Khánh Hòa

thầy bằng tất cả tấm lòng và sự biết ơn của mình

Tôi xin trân trọng cảm ơn sự nhiệt tình của Ban lãnh đạo Đài Khí tượng cao không, Tổng cục KTTV đã bố trí thời gian, tạo điều kiện tối đa cho tôi trong quá trình nghiên cứu để học tập và hoàn thành luận văn Giúp cho quá trình hoàn thành luận văn được nhanh chóng và hiệu quả nhất

Tôi xin cảm ơn sự hỗ trợ nhiệt tình, sự hướng dẫn chỉnh chu, cặn kẽ của các cán

bộ Khoa Các khoa học liên ngành trong quá trình 2 năm học tập tại Khoa, quá trình từ

xây dựng đề cương đến bảo vệ thành công luận văn thạc sĩ

Sau cùng, tôi xin tỏ lòng biết ơn đến gia đình, người thân và bạn bè đã luôn bên cạnh ủng hộ, động viên tôi trong cuộc sống cũng như trong thời gian hoàn thành luận

văn thạc sĩ

Xin chân thành cảm ơn tất cả mọi người!

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 6

1.1 Các khái niệm được sử dụng trong luận văn 6

1.1.1 Khái niệm về yếu tố và hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan 6

1.1.2 Khái niệm về các chỉ số cực đoan 9

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ngoài nước 11

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 17

1.4 Một số nhận xét 21

CHƯƠNG 2 SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 22

2.1 Số liệu 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu và tính toán 23

2.2.1 Phương pháp luận/ cách tiếp cận 23

2.2.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng và xử lý dữ liệu quan trắc 25

2.2.3 Lựa chọn chỉ số khí hậu cực đoan và Phương pháp tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan 31

2.2.4 Phương pháp đánh giá xu thế các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan 35

2.2.5 Phương pháp tính toán hàm phân phối cho các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan 38

2.2.6 Phương pháp tính toán tần suất lặp lại của các sự kiện cực đoan 40

2.2.7 Cách tiếp cận để đánh giá tác động của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan lên lĩnh vực xây dựng, nông nghiệp, y tế 41

2.3 Một số nhận xét 43

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 44

3.1 Đánh giá xu thế biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan theo định nghĩa của IPCC 44

iv

3.2 Xu thế biến đổi của các hiện tượng khí hậu cực đoan tính theo đợt và theo

diện 53

3.3 Phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan 56

3.3.1 Phân phối của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan 56

3.3.2 Chu kỳ và giá trị lặp lại của sự kiện cực đoan 69

3.4 Thảo luận, đánh giá về tác động của các hiện tượng khí hậu cực đoan đến lĩnh vực xây dựng, nông nghiệp và y tế tại Việt Nam 80

3.4.1 Lĩnh vực xây dựng 81

3.4.2 Lĩnh vực nông nghiệp 89

3.4.3 Lĩnh vực y tế 96

3.5 Một số nhận xét 102

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 104

TÀI LIỆU THAM KHẢO 108

v

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

1 AR5 Báo cáo lần thứ 5 của Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí

hậu (Fifth Assessment Report - IPCC)

2 AR6 Báo cáo lần thứ 6 của Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí

hậu (Sixth Assessment Report – IPCC)

3 BĐKH Biến đổi khí hậu

4 BM Cực trị khối (Block Maximum)

5 CLIVAR Chương trình đánh giá sự biến động và khả năng dự báo khí

hậu (Climate Variability and Predictability)

6 CDD Tổng số ngày khô liên tiếp

8 DTR Khoảng dao động nhiệt độ trong ngày (Diurnal Temperature

Range)

9 ETCCDI Nhóm chuyên gia về Giám sát BĐKH và cực đoan khí hậu

(Expert Team (ET) on Climate Change Detection and Indices)

10 ENSO Dao động Nam (El Niño-Southern Oscillation)

11 EVT Lý thuyết Giá trị cực đoan (Extreme Value Theory)

12 GEV Phân phối giá trị cực đoan suy rộng (Generalized extreme

value distribution)

13 GP Phân phối suy rộng Pareto (Generalized Pareto distribution)

14 IPCC Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

(Intergovernmental Panel on Climate Change)

15 POT Các giá trị vượt ngưỡng (Peaks over Threshold)

16 RCP4.5 Đường nồng độ khí nhà kính đại diện kịch bản 4.5

(Representative Concentration Pathway 4.5 scenario)

17 RCP8.5 Đường nồng độ khí nhà kính đại diện kịch bản 8.5

(Representative Concentration Pathway 8.5 scenario)

18 RX1day Lượng mưa ngày hàng năm lớn nhất

vi

19 SREX Báo cáo đặc biệt của IPCC về Quản lý rủi ro thiên tai và các

hiện tượng cực đoan ứng phó với Biến đổi khí hậu (Special Report on Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaption)

20 SP1.5 Báo cáo đặc biệt của Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí

hậu công bố năm 2018 (IPCC Special Report)

21 TXx Nhiệt độ ngày ấm nhất

22 TNn Nhiệt độ đêm lạnh nhất

23 TNMT Tài nguyên môi trường

24 TP HCM Thành phố Hồ Chí Minh

25 20RV Giá trị lặp lại sau 20 năm (20 years return value)

27 WMO Tổ chức Khí tượng thế giới (World Meteorological

Organization)

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các chỉ số khí hậu cực đoan và cách tính toán các chỉ số được sử dụng trong luận văn 31 Bảng 3.1 Xu thế biến đổi của các hiện tượng khí hậu cực đoan (* biểu diễn xu thế có ý nghĩa thống kê, N/A: không đánh giá được xu thế do hiện tượng không quan trắc được trong quá khứ) Đơn vị ngày/thập kỷ đối với các chỉ số được định nghĩa theo ngày (bắt đầu bằng ký tự SN) Đơn vị đợt/thập kỷ đối với các chỉ số được định nghĩa theo đợt (bắt đầu bằng ký tự SD) 54 Bảng 3.2 Dạng phân phối xác suất của các chỉ số khí hậu cực đoan được định nghĩa theo diện và đợt (từ chỉ số 27 đến 40) Trong đó zeta là tham số hình dạng,

mu là tham số vị trí và sigma là tham số quy mô 66 Bảng 3.3 Bảng khoảng giá trị lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ứng với các chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 71 Bảng 3.4 Bảng giá trị lặp lại của các chỉ số 27 đến 40 ứng với các chu kỳ 2 năm,

5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 77 Bảng 3.5 Bảng 2.14 Chu kỳ lặp lại trận mưa gây tràn cống tối thiểu (năm) 81 Bảng 3.6 Bảng giá trị lặp lại ứng với các chu kỳ khác nhau của chỉ số RX1day 82 Bảng 3.7 Bảng giá trị lặp lại của lượng mưa ứng với các chu kỳ khác nhau của chỉ số R50mm 84 Bảng 3.8 Bảng giá trị lặp lại của chỉ số PRCPTOT ứng với các chu kỳ khác nhau Đơn vị: mm 90 Bảng 3.9 Bảng giá trị lặp lại theo thời gian của chỉ số cực đoan R50mm ứng với các chu kỳ khác nhau Đơn vị: ngày 93 Bảng 3.10 Bảng giá trị lặp lại của chỉ số SU35 cho một số trạm nằm trong các khu công nghiệp của các tỉnh thành phố Các dòng màu xanh thể hiện các trạm này có thể được sử dụng làm đại diện cho các khu công nghiệp chính của từng tỉnh tương ứng Giá trị -99.0 nghĩa là không có khả năng xảy ra giá trị lặp lại ở chu kỳ này Đơn vị: oC 97 Bảng 3.11 Bảng giá trị lặp lại của chỉ số SU37 cho một số trạm nằm trong các khu công nghiệp của các tỉnh thành phố Các dòng màu xanh thể hiện các trạm này có thể được sử dụng làm đại diện cho các khu công nghiệp chính của từng tỉnh tương ứng Giá trị -99.0 nghĩa là không có khả năng xảy ra giá trị lặp lại ở chu kỳ này Đơn vị: oC 99 Bảng 3.12 Yêu cầu điều kiện nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động không khí và cường độ bức xạ nhiệt ở nơi làm việc (Trích Bảng 1 trong TCVN-5508:2009 về Không khí vùng làm việc – yêu cầu về điều kiện vi khí hậu và Phương pháp đo) 102

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Phân phối xác suất của các sự kiện cực đoan 9 Hình 2.1 Cấu trúc minh họa của file dữ liệu mưa thu thập được từ trạm khí tượng SYNOP Bắc Cạn 23 Hình 2.2 Định dạng dữ liệu đầu vào của phần mềm Climpact2 27 Hình 2.3 Minh họa kiểm tra đánh giá chất lượng dữ liệu lượng mưa (R), nhiệt độ cực tiểu (TN), nhiệt độ cực đại (TX) của trạm SYNOP A Lưới 29 Hình 2.4 Bản đồ phân bố của 95 trạm SYNOP theo độ cao được dùng trong luận văn Các phân vùng khí hậu Việt Nam được minh họa dựa theo kết quả nghiên cứu của Nguyễn Trọng Hiệu (2017), trong đó các vùng khí hậu được ký hiệu tương ứng như sau N1: Tây Bắc Bộ, N2: Đông Bắc Bộ, N3: Đồng bằng Bắc Bộ, N4: Bắc Trung Bộ, S1: Nam Trung Bộ, S2: Tây Nguyên, S3: Nam Bộ 30 Hình 3.1 Xu thế biến đổi của các chỉ số khí hậu cực đoan (TXx, TNn, DTR) giai đoạn 1961-2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống

kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị:

độ C/thập kỷ 45 Hình 3.2 Xu thế biến đổi của các chỉ số TN10p, TX90p giai đoạn 1961-2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị: %/thập kỷ 46 Hình 3.3 Xu thế biến đổi của các chỉ số CSDI, WSDI giai đoạn 1961-2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị: đợt/ thập kỷ 47 Hình 3.4 Xu thế biến đổi của các chỉ số SDII, PRCPTOT, RX1day, RX5day giai đoạn 1961-2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống

kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị: mm/thập kỷ 48 Hình 3.5 Xu thế biến đổi của các chỉ số R50mm, CDD, CWD giai đoạn 1961-

2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị: ngày/thập

kỷ 49 Hình 3.6 Xu thế biến đổi của các chỉ số SU35, SU37, FD15, FD13 giai đoạn 1961-2018 (hình tròn: xu thế tăng hoặc giảm nhưng không có ý nghĩa thống kê, hình tam giác ngược (xuôi): xu thế giảm (tăng) có ý nghĩa thống kê) Đơn vị: ngày/thập kỷ 51 Hình 3.7 Xu thế biến đổi của tất cả các chỉ số khí hậu cực đoan của các trạm SYNOP có ý nghĩa thống kê với mức ý nghĩa 0,05 trong giai đoạn 1961-2018 Trục tung là giá trị thể hiện mức độ tăng/giảm của các chỉ số khí hậu cực đoan trong từng thập kỷ; trục hoành là các chỉ số khí hậu cực đoan 53 Hình 3.8 Tần suất và hàm mật độ xác suất ứng với dạng phân phối phù hợp nhất của các chỉ số RX1day, RX5day và R50mm tại trạm Thái Bình 58

ix

Hình 3.9 Tần suất và hàm mật độ xác suất ứng với dạng phân phối phù hợp nhất của các chỉ số SU35, SU37 tại trạm Thái Bình 59 Hình 3.10 Tần suất và hàm mật độ xác suất ứng với dạng phân phối phù hợp nhất của các chỉ số FD15 và FD13 tại trạm Thái Bình 60 Hình 3.11 Dạng phân phối của các chỉ số RX1day, RX5day qua các giai đoạn khác nhau (1961-2018, 1961-1981, 1998-2018) 62 Hình 3.12 Dạng phân phối của các chỉ số R50mm qua các giai đoạn khác nhau (1961-2018, 1961-1981, 1998-2018) 63 Hình 3.13 Dạng phân phối của các chỉ số SU35, SU37, FD15, FD13 qua các giai đoạn khác nhau (1961-2018, 1961-1981, 1998-2018) 65 Hình 3.14 Giá trị lặp lại của các chỉ số TXx, TNn, DTR ứng với các chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 70 Hình 3.15 Giá trị lặp lại của các chỉ số CSDI, WSDI ứng với các chu kỳ 2 năm,

5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 72 Hình 3.16 Giá trị lặp lại của các chỉ số SU35, SU37, FD15, FD13 ứng với các chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 74 Hình 3.17 Giá trị lặp lại của các chỉ số RX1day, RX5day, PRCPTOT ứng với các chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 75 Hình 3.18 Giá trị lặp lại của các chỉ số SDII, R50mm ứng với các chu kỳ 2 năm,

5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 76 Hình 3.19 Giá trị lặp lại của các chỉ số CDD, CWD ứng với các chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm, 20 năm và 50 năm 77 Hình 3.20 Giá trị lặp lại của chỉ số RX1day ứng với chu kỳ 2 năm, 5 năm và 10 năm trong lĩnh vực xây dựng 87 Hình 3.21 Giá trị lặp lại của R50mm ứng với chu kỳ 2 năm, 5 năm, 10 năm trong lĩnh vực xây dựng 88 Hình 3.22 Các chỉ tiêu thiết kế chính về khí hậu 90

Báo cáo của WMO (World Meteorological Organization - Tổ chức Khí tượng thế giới) về hiện trạng BĐKH năm 2021 đã đưa ra những dẫn chứng việc BĐKH đang ngày càng gia tăng và tác động của nó lên mọi lĩnh vực của đời sống xã hội ngày một nghiêm trọng hơn (WMO, 2021) BĐKH không những khiến nhiệt độ tăng, lượng mưa thay đổi

và khó lường hơn, nước biển dâng trên phạm vi toàn cầu mà còn làm cho các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan xảy ra với tần suất nhiều hơn và bất thường hơn Sự gia tăng các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan xảy ra ở khắp mọi nơi, điển hình là các hiện tượng nắng nóng, bão, mưa lớn, lũ lụt, … nghiêm trọng đã xảy ra ở các quốc gia trên thế giới Theo báo cáo này, đợt nắng nóng mùa hè ở miền tây Bắc Mỹ trong tháng 6 và tháng 7 đã gây thiệt hại cho các sông băng trên núi trong khu vực này với thiệt hại nghiêm trọng, đặc biệt ở Cascade, bờ biển phía nam và dãy núi Rocky; nhiệt độ đo được

ở trung tâm Tây Nam British Columbia là 49,6 ºC vào ngày 19/6/2021 phá vỡ kỷ lục quốc gia trước đó của Canada là 4,6 ºC; những tổn thất hàng loạt tại một số sông băng

ở Tây Nam British Columbia là lớn nhất trong kỷ lục những năm qua (1965-2021) Hay cơn bão Ida ở Bắc Đại Tây Dương đổ bộ vào Lousiana vào ngày 19/8/2021 với sức gió duy trì trong 1 phút là 240km/h với thiệt hại do gió lớn và triều cường gây ngập lụt Đây

là cơn bão mạnh nhất ghi nhận ở bang này gây thiệt hại kinh tế Hoa Kỳ ước tính 63,8 tỷ USD

Theo báo cáo “Hiện trạng môi trường quốc gia giai đoạn năm 2016-2020” của Bộ Tài nguyên và Môi trường (TNMT) thì Việt Nam đứng thứ 5 về chỉ số rủi ro khí hậu toàn cầu và đứng thứ 8 về chỉ số rủi ro khí hậu dài hạn, là một trong những nước chịu ảnh hưởng nặng nhất bởi các hiện tượng cực đoan (HTCĐ) giai đoạn 2007-2016 (Bộ TNMT, 2021) Trước đây các hiện tượng thời tiết cực đoan diễn ra có quy luật theo mùa Tuy nhiên những năm gần đây HTCĐ diễn ra quanh năm, kể cả những tháng được xem

là hiếm có HTCĐ Các HTCĐ trải dài khắp cả nước, trong đó điển hình là hiện tượng khô hạn và mưa cực đoan ở miền Trung, rét đậm và rét hại ở miền núi phía Bắc; hạn

2

hán và xâm nhập mặn ở miền Nam Điển hình là sự kiện mưa đá xảy ra vào chiều 30 tết

âm lịch Canh Tý năm 2020 với đường kính hạt mưa đá to từ 1-2 cm tại nhiều tỉnh thuộc khu vực miền núi phía Bắc (Phổ Yên – Thái Nguyên, Việt Trì – Phú Thọ, Ba Vì – Hà Nội, …) Đây là hiện tượng hiếm gặp trong điều kiện thời tiết tháng 1 tại khu vực này Trong đợt nắng nóng năm 2019 ở Hương Khê (Hà Tĩnh) nhiệt độ đo được có ngày lên tới 43,4 ºC, mức cao nhất trong lịch sử quan trắc của Việt Nam đến nay

Như vậy, hậu quả tác động của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan là rất nghiêm trọng nên trong những năm gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế giới và ở Việt Nam tập trung vào bài toán khí hậu cực đoan Tuy nhiên, những nghiên cứu này ở Việt Nam đa phần đánh giá cho các giai đoạn trước năm 2015, tập trung vào phân tích về xu thế biến đổi của một số các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan, nhưng chưa đề cập nhiều tới phân phối cũng như tần suất lặp lại của các hiện tượng này một cách tổng quát cho toàn bộ Việt Nam Đây là một khoảng trống cần được nghiên cứu

Như chúng ta đã biết Việt Nam nằm trong khu vực châu Á gió mùa với đường bờ biển dài và hẹp, hàng năm phải đối mặt với nhiều hiện tượng thời tiết nguy hiểm, chịu tác động của nhiều hình thế thời tiết phức tạp nên các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan xảy ra hầu như quanh năm và trên khắp lãnh thổ Việt Nam Vì vậy, việc nghiên cứu đặc điểm phân phối và tần suất lặp lại một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan tại Việt Nam trong bối cảnh BĐKH là rất cần thiết Nghiên cứu này thành công sẽ góp phần hỗ trợ các nhà dự báo, kiến trúc sư, nhà phân tích hoạch định chính sách kinh tế xã hội (KTXH) nắm được đặc điểm phân phối và tần suất lặp lại của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan; nâng cao hiệu quả phòng tránh thiên tai tạo tiền đề cho việc đề xuất, xây dựng các giải pháp giảm nhẹ và thích ứng với BĐKH

Theo kịch bản BĐKH năm 2021 thì khu vực Đồng bằng sông Cửu Long là khu vực có nguy cơ ngập rất cao, nếu mực nước biển dâng 80 cm thì sẽ có khoảng 31,94 % diện tích có nguy cơ bị ngập và các địa phương ven biển mỗi năm dự kiến sụt lún khoảng 1-1,5 cm (Bộ TNMT, 2021) Đồng thời tác động của BĐKH ở khu vực này cũng ngày càng rõ nét, hiện tượng khí hậu cực đoan như hạn hán, triều cường, xâm nhập mặn thường xuyên xảy ra không những ảnh hưởng trực tiếp đến sản xuất nông nghiệp mà còn làm thay đổi các cấu trúc hạ tầng, địa chất, kết cấu trầm tích, … gây ra hiện tượng

3

sạt lở bờ sông và hệ thống sông Mekong phía thượng nguồn Còn đối với hệ thống giao thông đường bộ, đường thuỷ kết nối giữa các vùng miền cũng bị ảnh hưởng Đây là một trong những thách thức to lớn cho toàn vùng Đồng bằng sông Cửu Long, ảnh hưởng đến phát triển KTXH, trong đó có lĩnh vực xây dựng, giao thông, nông nghiệp, … Đây cũng

là một ví dụ điển hình cho thấy việc hiểu rõ, nắm rõ đặc điểm phân phối và tần suất lặp lại của các HTCĐ có ý nghĩa như thế nào trong việc điều chỉnh, thích ứng với BĐKH

Do đó, các kết quả nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan cũng góp phần quan trọng trong việc giải quyết các bài toán liên ngành như thiết kế hệ thống tưới tiêu nông nghiệp, xây dựng các công trình giao thông, quy hoạch đô thị, … để có thể chống chịu được với các mức độ gia tăng khác nhau của các hiện tượng khí hậu cực đoan trong bối cảnh BĐKH

2 Mục đích nghiên cứu

Mục đích của đề tài “Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố

và hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam” nhằm:

Xác định được phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan trên lãnh thổ Việt Nam dựa trên bộ dữ liệu quan trắc thu thập được trong những thập kỷ gần đây

Thảo luận, đánh giá về tác động tiềm tàng của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan đến một số lĩnh vực KTXH ở Việt Nam

3 Nhiệm vụ nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam” có các nhiệm vụ sau:

Giải quyết bài toán ở mức độ tổng quát về những biến đổi của khí hậu Việt Nam thông quan việc phân tích, đánh giá phân bố và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan

Căn cứ vào những phân tích đánh giá về phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan để từ đó đánh giá tác động của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan này lên một số lĩnh vực của đời sống KTXH tại Việt Nam

4 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

4

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài tập trung vào phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan:

Yếu tố bao gồm: nhiệt độ, lượng mưa

Hiện tượng khí hậu cực đoan bao gồm: mưa lớn, rét đậm, rét hại, nắng nóng, nắng nóng gay gắt được tính toán thông qua các chỉ số khí hậu cực đoan

Đánh giá tác động lên các lĩnh vực: xây dựng, nông nghiệp, y tế

4.2 Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi không gian: trên toàn lãnh thổ Việt Nam

Phạm vi thời gian: giai đoạn 1961-2018

Giới hạn nội dung nghiên cứu: tập trung vào phân tích xu thế biến đổi, phân phối

và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan đã lựa chọn được, đưa ra thảo luận về đánh giá tác động của khí hậu cực đoan lên một số lĩnh vực đời sống KTXH Việt Nam như xây dựng, nông nghiệp, y tế

5 Giả thuyết nghiên cứu

Giả thuyết nghiên cứu có thể đưa ra là:

Các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan trên các khu vực khác nhau của Việt Nam tuân theo các phân phối toán học cụ thể

Tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan điển hình trên các khu vực của Việt Nam đang được rút ngắn hơn ở những thập kỷ gần đây so với các thập

kỷ trước

6 Giới thiệu về kết cấu của luận văn

Kế thừa những kết quả nghiên cứu từ nước ngoài và trong nước, luận văn “Nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam” có hai mục tiêu chính là:

1) Xác định được phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan trên lãnh thổ Việt Nam dựa trên bộ dữ liệu quan trắc thu thập được trong những thập kỷ gần đây

Chương 1: Tổng quan

Trong chương này tác giả sẽ đưa ra các khái niệm về yếu tố, hiện tượng thời tiết

và khí hậu cực đoan bao gồm cả các khái niệm, cách tính toán các chỉ số cực đoan; tổng quan vấn đề nghiên cứu về khí hậu cực đoan, phân phối và tần suất lặp lại của các chỉ

số khí hậu cực đoan trên thế giới và tại Việt Nam

Chương 2: Số liệu và phương pháp nghiên cứu

Trong chương này, tác giả tập trung làm rõ đối tượng và phạm vi của nghiên cứu, các nguồn số liệu được sử dụng và các phương pháp kiểm tra chất lượng số liệu, đánh giá sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan; phương pháp tính toán phân phối và tần suất lặp lại, phương pháp kiểm định ý nghĩa thống kê

Chương 3: Phân phối và tần suất lặp lại của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan tại Việt Nam

Chương này trình bày kết quả nghiên cứu về xu thế biến đổi, phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan đã lựa chọn ở chương 2 dựa trên

cơ sở tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan thời kỳ 1961-2018, phân tích phân bố theo không gian và đưa ra các nhận xét về xu thế biến đổi của các chỉ số khí hậu cực đoan Đánh giá sự biến đổi về dạng phân phối của các chỉ số khí hậu cực đoan qua các giai đoạn khác nhau

Dựa trên những kết quả thu được từ việc tính toán tần suất lặp lại của một số chỉ

số khí hậu cực đoan để đưa ra một vài luận điểm thảo luận về khả năng tác động tiềm tàng của các chỉ số khí hậu cực đoan lên lĩnh vực xây dựng, nông nghiệp và y tế

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Các khái niệm được sử dụng trong luận văn

1.1.1 Khái niệm về yếu tố và hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan

Hiện nay tồn tại hai khái niệm là “yếu tố thời tiết, khí hậu cực đoan” và “hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan”, trong đó “yếu tố thời tiết, khí hậu cực đoan” bắt nguồn từ tên gọi của các biến khí hậu cực trị mà tập giá trị của chúng là tập hợp các giá trị “cực đại” hoặc “cực tiểu” của các biến khí quyển quan trắc được từ mạng lưới quan trắc thời tiết Ví dụ như tập hợp các giá trị quan trắc nhiệt độ cực đại ngày, tập hợp giá trị quan trắc tốc độ gió lớn nhất, … Còn “hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan” thì được định

nghĩa theo IPCC (IPCC-Intergovernmental Panel on Climate Change) như sau “hiện tượng thời tiết cực đoan (Extreme weather event) là một hiện tượng hiếm khi xảy ra tại một địa điểm và thời điểm cụ thể trong năm Định nghĩa về hiếm có nhiều cách hiểu khác nhau, nhưng một hiện tượng thời tiết cực đoan thường hiếm bằng hoặc hiếm hơn phân vị thứ 10 hoặc 90 của hàm mật độ xác suất được ước tính từ các quan trắc” (IPCC,

2012) Tại Việt Nam các “hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan” được hiểu là những hiện tượng có ảnh hưởng xấu đến môi trường, kinh tế, xã hội, con người, …

1.1.1.1 Yếu tố thời tiết và khí hậu cực đoan

Mọi yếu tố khí hậu hay biến khí quyển được xem là một đại lượng ngẫu nhiên có tập giá trị thay đổi trong một giới hạn nào đó Giới hạn này có thể bị chặn hoặc không

bị chặn, có thể bị chặn một phía hoặc cả hai phía (Phan Văn Tân, 2010)

Một biến khí quyển được gọi là yếu tố khí hậu cực trị nếu miền giá trị của nó thiên

về một phía nào đó của tập giá trị có thể của biến khí quyển được xét Ví dụ nhiệt độ không khí hàng ngày (tại một địa điểm nào đó) là một biến khí quyển, hoặc lượng mưa hàng ngày (ở một trạm quan trắc nào đó) cũng là một biến khí quyển Miền giá trị của

nó có thể biến thiên từ a0 đến b0 Mỗi ngày có một giá trị nhỏ nhất (nhiệt độ cực tiểu ngày hay nhiệt độ thấp nhất ngày) và một giá trị lớn nhất (nhiệt độ cực đại ngày hay nhiệt độ cao nhất ngày) Tập hợp tất cả các giá trị nhiệt độ cực tiểu (cực đại) ngày được xem là tập giá trị cỏ thể của một đại lượng ngẫu nhiên gọi là yếu tố khí hậu cực tiểu (cực đại), gọi chung là yếu tố khí hậu cực trị hay biến khí hậu cực trị Khi đó nhiệt độ cực

{ x Є X, x ≤ xm | P(X < xm) = p } (1.1.1) Hoặc

{ x Є X, x ≥ xM | P(X > xM) = p } (1.1.2) Với

Thay cho các trị số xm hoặc xM ứng với xác suất p trong khí hậu người ta thường

sử dụng khái niệm phân vị Phân vị thứ q của biến ngẫu nhiên X là giá trị xq của X thỏa mãn điều kiện:

Hay nói cách khác, xq là nghiệm của phương trình F(x) = q

Các biến khí hậu cực trị được xem xét thường là các đại lượng khí hậu cực đại hoặc cực tiểu Đối với đại lượng khí hậu cực tiểu những giá trị nhỏ hơn phân vị thứ q được xem là cực đoan, khi đó q=p Đối với các đại lượng khí hậu cực đại, những giá trị lớn hơn phân vị thứ 1 được xem là cực đoan khi đó q=1-p

1.1.1.2 Hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan

Theo định nghĩa của IPCC (2012) thì các đặc điểm của “thời tiết cực đoan” có thể khác nhau tùy từng nơi theo một nghĩa tuyệt đối Khi một kiểu thời tiết cực đoan vẫn

8

tồn tại trong một thời gian, chẳng hạn như một mùa, nó có thể được xếp vào loại hiện tượng khí hậu cực đoan, đặc biệt nếu nó được đặc trưng bởi trung bình hoặc các cực trị tuyệt đối của các hiện tượng thời tiết cực đoan trên một khoảng thời gian nhất định (ví

dụ hạn hán hoặc mưa lớn trong một mùa)

Lý thuyết giá trị cực đoan (EVT-Extreme Value Theory) là một cách tiếp cận được

sử dụng để ước tính các giá trị cực trị (Coles, 2001) nhằm mục đích lấy ra phân phối xác suất của các sự kiện từ phần đuôi của phân phối xác suất, nghĩa là phần cuối của phần trên hoặc phần dưới phạm vi phân phối xác suất (thường xảy ra ít thường xuyên hơn 1 lần/năm hoặc 1 lần/chu kỳ xác định tức là ít hơn 1 đến 5% của tập mẫu được xem xét) EVT được sử dụng để lấy phân phối xác suất hoàn chỉnh cho các sự kiện có xác suất thấp như vậy, điều này cũng có thể giúp phân tích xác suất xuất hiện của các sự kiện nằm ngoài phạm vi dữ liệu quan trắc (thông thường dữ liệu quan trắc này có giới hạn) Hai cách tiếp cận có thể được sử dụng để ước tính các tham số cho các phân phối xác suất, đó là cách tiếp cận theo khối hoặc theo ngưỡng Trong cách tiếp cận khối cực trị các tham số phân phối xác suất được ước tính cho các giá trị lớn nhất của các khối liên tiếp theo một chuỗi thời gian Trong cách tiếp cận theo ngưỡng các ước tính dựa trên các sự kiện vượt quá một ngưỡng xác định Cả hai cách tiếp cận này đều được sử dụng trong nghiên cứu khí hậu

Không phải tất cả các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan đều có tác động cực đoan Sự phân biệt giữa các hiện tượng thời tiết cực đoan và các hiện tượng khí hậu cực đoan không chính xác, nhưng có liên quan đến quy mô thời gian cụ thể của chúng:

- Một hiện tượng thời tiết cực đoan thường liên quan đến việc thay đổi các kiểu thời tiết, nghĩa là trong các khung thời gian từ dưới một ngày đến vài tuần

- Một hiện tượng khí hậu cực đoan xảy ra trên quy mô thời gian dài hơn Nó có thể

là sự tích lũy của một số hiện tượng thời tiết (cực đoan hoặc không cực đoan) (ví dụ, sự tích lũy số ngày mưa trung bình dưới mức trung bình trong một mùa dẫn đến lượng mưa tích lũy và điều kiện hạn hán về cơ bản dưới mức trung bình đáng kể)

Từ định nghĩa này, có thể thấy rằng các hiện tượng khí hậu cực đoan có thể được xác định một cách định lượng theo hai cách: 1) Liên quan đến xác suất xuất hiện của chúng; 2) Liên quan đến một ngưỡng cụ thể (có thể liên quan đến tác động)

9

1.1.2 Khái niệm về các chỉ số cực đoan

1.1.2.1 Các chỉ số cực đoan của IPCC

Báo cáo đánh giá lần thứ tư của IPCC về BĐKH đã định nghĩa một hiện tượng khí hậu cực đoan là một sự kiện hiếm khi xảy ra tại một địa điểm và thời gian cụ thể (Hegerl

và cs, 2007) Tiếp đó tại Báo cáo đặc biệt của IPCC về Quản lý rủi ro của các HTCĐ và thiên tai định nghĩa về hiện tượng khí hậu cực đoan đã được hoàn thiện hơn Trong báo cáo này đã nêu rõ rằng “một hiện tượng cực đoan (thời tiết hoặc khí hậu) thường được định nghĩa là sự xuất hiện của một giá trị của biến thời tiết hoặc khí hậu cao hơn (hoặc thấp hơn) một giá trị ngưỡng gần phía trên (hoặc dưới) của chuỗi giá trị quan trắc của biến” (Seneviratne, 2012) Ý tưởng về việc xác định cực đoan là các sự kiện trong phần đuôi của phân phối xác suất được minh họa trong Hình 1.1

Hình 1.1 Phân phối xác suất của các sự kiện cực đoan

(Nguồn: Zhang và cs, 2013)

Để giải quyết các yêu cầu của các khía cạnh khác nhau của nghiên cứu khí hậu về các cực đoan và tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát sự biến đổi của các cực đoan

10

khí hậu, Nhóm chuyên gia CCl1/CLIVAR2/JCOMM3 về Phát hiện và Xác định chỉ số BĐKH (ETCCDI-Expert Team on Climate Change Detection and Indices) đã xác định một tập hợp các chỉ số mô tả về các chỉ số cực đoan (Frich và cs, 2002; Alexander và

cs, 2006; Klein Tank và cs, 2009; Zhang và cs, 2011) Các chỉ số dựa trên các chỉ số Đánh giá Khí hậu Châu Âu (Klein Tank và cs, 2003) Chúng có thể được tính toán từ các giá trị hàng ngày của nhiệt độ cực đại và cực tiểu cũng như lượng mưa ngày và được thiết kế để có thể cập nhật dễ dàng khi có nhiều dữ liệu hơn tạo điều kiện thuận lợi cho việc giám sát Năm 2009, WMO đã đưa ra tài liệu kỹ thuật WCDMP-N0.72 về “Hướng dẫn phân tích cực đoan trong BĐKH phục vụ thích ứng” nhằm hỗ trợ các nước thành viên của WMO trong việc xác định các chỉ số, tính toán và phân tích cho các khu vực quan tâm Trong tài liệu này, WMO đã trình bày 27 chỉ số cực đoan khí hậu liên quan đến nhiệt độ và lượng mưa được tính toán từ chuỗi dữ liệu quan trắc hàng ngày (chi tiết xem Phụ lục 2)

1.1.2.3 Các chỉ số cực đoan được sử dụng tại Việt Nam

Hầu hết các hiện tượng cực đoan khí hậu là những hiện tượng không quan trắc được, mà được tính toán và xác định thông qua các chỉ số Chẳng hạn, nếu coi rét đậm

là một hiện tượng khí hậu cực đoan thì ở Việt Nam một ngày được gọi là có hiện tượng này xuất hiện nếu nhiệt độ trung bình ngày nhỏ hơn 15 0C

Việt Nam nằm ở khu vực nhiệt đới gió mùa nên chịu ảnh hưởng của hầu hết các loại cực đoan khí hậu Có nhiều chỉ số khác nhau đã được sử dụng để phản ánh tính chất cực đoan khí hậu ở Việt Nam Về cơ bản có thể phân thành các loại thông tin phản ánh trạng thái cực trị và cực đoan sau:

1) Cực trị ngày của các yếu tố khí tượng về nhiệt độ, lượng mưa, độ ẩm, gió, … (ví dụ nhiệt độ cao nhất tuyệt đối, nhiệt độ thấp nhất tuyệt đối, lượng mưa ngày lớn nhất,

độ ẩm tương đối thấp nhất, tốc độ gió lớn nhất, …)

2) Giá trị cực trị và hiện tượng cực đoan được xác định bằng số ngày/số đợt có trị

số yếu tố vượt qua các ngưỡng cao hoặc dưới các ngưỡng thấp quy định Các đặc trưng phổ biến của loại cực đoan này bao gồm: số ngày có nhiệt độ tối cao trên 35 0C, số ngày

ít nắng, số đợt nắng nóng, số ngày có nhiệt độ thấp nhất dưới 15 0C, số ngày có nhiệt độ thấp nhất dưới 13 0C, số ngày có độ ẩm dưới 20%, tần suất lặng gió, tần suất tốc độ gió lớn hơn hoặc bằng 5 m/s, …

11

3) Tần số hoặc số ngày xảy ra bao gồm: tần suất xoáy thuận nhiệt đới, tần suất front lạnh, số ngày sương muối, …

4) Trị số cao nhất, thấp nhất ứng với các chu kỳ;

5) Thời gian bắt đầu và kết thúc sớm nhất, muộn nhất của mùa mưa;

6) Chỉ số khô hạn và tần suất hạn

Có thể nói, bộ chỉ số này đã góp phần đắc lực phục vụ công tác giám sát và đánh giá BĐKH cho Việt Nam Đồng thời, đây cũng là cơ sở khoa học cơ bản phục vụ việc tính toán các chỉ số trong quá khứ và tương lai theo các kịch bản trong nghiên cứu về thời tiết và BĐKH

1.2 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ngoài nước

Khí hậu thay đổi dẫn đến những thay đổi về tần suất, cường độ, phạm vi không gian, thời gian và thời điểm của các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan, và có thể dẫn đến những cực đoan chưa từng có Ngoài ra, các sự kiện thời tiết hoặc khí hậu, ngay

cả khi không phải là cực đoan theo nghĩa thống kê, vẫn có thể dẫn đến các điều kiện hoặc tác động cực đoan, bằng cách vượt qua ngưỡng tới hạn của hệ thống xã hội, sinh thái hoặc vật lý hoặc xảy ra đồng thời với các sự kiện khác Một số cực đoan khí hậu (ví

dụ, hạn hán, lũ lụt) có thể là kết quả của sự tích tụ của các hiện tượng thời tiết hoặc khí hậu riêng lẻ, không phải là cực đoan (mặc dù sự tích tụ của chúng là cực đoan) Không phải mọi HTCĐ đều dẫn đến những tác động nghiêm trọng Những thay đổi về HTCĐ cũng có thể liên quan trực tiếp đến những thay đổi của khí hậu trung bình, bởi vì các điều kiện trung bình trong tương lai ở một số biến được dự đoán nằm trong đuôi của các điều kiện hiện tại Do đó, định nghĩa về các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan rất phức tạp và việc đánh giá những thay đổi của khí hậu liên quan đến các tác động cực đoan và thiên tai cần phải xem xét trên nhiều khía cạnh

Các nghiên cứu gần đây đã sử dụng các phương pháp tiếp cận khác nhau để đánh giá đặc điểm của các HTCĐ hoặc sự thay đổi ở các hiện tượng này, chẳng hạn, phân tích xu thế trong các sự kiện được ghi lại hoặc điều tra xem các bản ghi dữ liệu trong chuỗi thời gian được quan trắc đang được thiết lập xảy ra thường xuyên hơn dự kiến trong điều kiện khí hậu không bị xáo trộn (Meehl và cs, 2009c)

sự kiện cực đoan, cung cấp một cái nhìn tổng quan toàn diện về các sự kiện cực đoan bao gồm định nghĩa, phân loại và kết quả nghiên cứu (IPCC, 2012)

Nhiều nghiên cứu về các sự kiện cực đoan đã được thực hiện trong những năm vừa qua Nghiên cứu của Karl và cs (1984), là một trong những nghiên cứu sớm nhất, đã đánh giá về nhiệt độ cực đoan và khoảng dao động nhiệt độ trong ngày Các cực đoan

về lượng mưa đã trở thành tiêu điểm sau đó; một nghiên cứu ban đầu khác là nghiên cứu

về lượng mưa cực đoan ở Nhật Bản của Iwashima và Yamamoto (1993)

Kể từ đầu những năm 1990, các nỗ lực nghiên cứu quốc tế về các HTCĐ (Karl và

cs, 1986; Karl và cs, 1991; Plantico và cs, 1990; Horton, 1995; Easterling và cs, 1997; Zhai và cs, 1997; Collins và cs, 2000) được kích hoạt mạnh mẽ bởi hai sự kiện lớn Sự kiện đầu tiên là sự thành lập của IPCC vào năm 1988 và một loạt các báo cáo đánh giá

từ năm 1990 trở lại đây, sự kiện thứ hai là Chương trình BĐKH và Khả năng dự báo (CLIVAR – Climate Variability and Predictability) được khởi động vào năm 1993 Tiếp

đó là hai sự kiện nổi bật khác, đó là hội thảo về các chỉ số khí hậu cực đoan được tổ chức tại Hoa Kỳ vào năm 1997, và sự ra đời của Nhóm chuyên gia về giám sát BĐKH

và các chỉ số cực đoan đã đẩy mạnh các nghiên cứu về các khía cạnh khác nhau của các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan

Một số tài liệu đã được công bố từ hội thảo năm 1997 và các hội thảo khu vực sau

đó (Karl và cs, 1998; Ren và cs, 1998; Suppiah và cs, 1998; Groisman và cs, 1999; Jones

và cs, 1999; Plummer và cs, 1999; Zhai và cs, 1999) Các nghiên cứu toàn cầu hoặc khu vực cũng xuất hiện, đã củng cố kết quả của các hội thảo khu vực trước đó và bắt đầu xuất hiện nhiều các nghiên cứu độc lập (Easterling và cs, 2000; Frich và cs, 2002; Groisman và cs, 2005; Alexander và cs, 2006; Zhang và cs, 2011)

Các nghiên cứu mới ở quy mô toàn cầu, khu vực và quốc gia đã tiếp tục được công

bố ở hầu hết khắp nơi trên thế giới (Klein Tank và cs, 2006; Kenyon và cs, 2008; Kenyon

13

và cs, 2010; Kunkel và cs, 2008; Peterson và cs, 2008; Alexander và cs, 2009; Choi và

cs, 2009; Lupikasza, 2010; Morak và cs, 2011; Morak và cs, 2013; Zwiers và cs, 2011; Meehl và cs, 2012; Villarini và cs, 2013) Các nghiên cứu này đã tạo cơ sở cho các kết luận về những thay đổi của các hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan trong Báo cáo đánh giá lần thứ năm của IPCC về BĐKH (AR5 - Fifth Assessment Report) (IPCC, 2013) AR5 cho thấy số ngày có đêm lạnh giảm và số ngày có đêm ấm tăng trên phạm

vi toàn cầu (IPCC, 2013) Các loại HTCĐ khác cũng được xem xét trong AR5, chẳng hạn như lũ lụt, hạn hán, bão nhiệt đới và ngoại nhiệt đới và các hiện tượng khắc nghiệt quy mô nhỏ (dông bão, mưa đá và lốc xoáy) Kể từ năm 1997, các chỉ số về nhiệt độ và lượng mưa cực đoan ngày càng được nghiên cứu nhiều hơn ETCCDI đã dẫn đầu việc tiêu chuẩn hóa các chỉ số cực đoan liên quan đến nhiệt độ và lượng mưa với sự phát triển của bộ 27 chỉ số tiêu chuẩn, đã được sử dụng với số liệu trên nhiều trạm và lưới tính khác nhau

Ngoài ra, các công trình trên bên cạnh việc xem xét cường độ thực tế của các giá trị cực đoan (được định lượng bằng xác suất/ tần suất lặp lại hoặc ngưỡng tuyệt đối), các khía cạnh liên quan khác để định nghĩa các cực đoan khí hậu từ góc độ tác động bao gồm thời gian của sự kiện, khu vực không gian bị ảnh hưởng, thời gian, tần suất, sự khởi đầu ngày tháng, tính liên tục (ví dụ, liệu có “không liên tục” trong quá trình HTCĐ xảy

ra hay không), và các điều kiện trước đó (ví dụ về hiện tượng hạn hán, sự chuyển đổi nhanh chóng từ hạn hán khí tượng phát triển chậm thành hạn hán nông nghiệp như thế nào) cũng được nghiên cứu Tuy nhiên những khía cạnh này, cùng với sự thay đổi theo mùa của các cực đoan khí hậu không được kiểm tra thường xuyên trong các mô hình khí hậu hoặc phân tích dữ liệu quan trắc, do đó chỉ có thể đánh giá được một phần sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan này

WMO đã ban hành “Hướng dẫn Phân tích cực đoan trong BĐKH hỗ trợ đưa ra quyết định để thích nghi” (WMO, 2009) Đây là một hướng dẫn quốc tế đầy đủ và cô đọng nhất về việc phân tích khí hậu cực đoan cho thấy sự phát triển ngày một hoàn chỉnh của việc nghiên cứu về hiện tượng khí hậu cực đoan

Zwiers và cs (2011) đã đánh giá xem liệu có ảnh hưởng nào đối với con người khi nhiệt độ cực đoan xảy ra thường xuyên hơn Trong nghiên cứu này họ đã sử dụng giá trị nhiệt độ hàng năm giai đoạn 1961-2000 bao gồm giá trị nhiệt độ lớn nhất năm của nhiệt

mà các thông số vị trí thay đổi theo thời gian theo hồi đáp mô phỏng của mô hình khí hậu Các tác giả này đã ước tính rằng tần suất lặp lại cho các sự kiện cực đoan nhiệt độ cực tiểu ngày TNn và cực đại ngày TXn nhỏ nhất hàng năm sẽ tái diễn lại một lần sau mỗi 20 năm trong giai đoạn những năm 1960, khoảng thời gian chờ giá trị TNn và TXn nhỏ nhất hàng năm quay trở lại dự kiến tăng lên tương ứng là 35 năm và 30 năm Ngược lại thời gian chờ đợi cho sự kiện cực đoan lặp lại 20 năm của TNx và TXx được ước tính sẽ giảm xuống tương ứng dưới 10 năm và 15 năm

Báo cáo của IPCC (2012) dự đoán rằng nhiệt độ cực đại ngày đạt được 20 năm một lần trong quá khứ (1981-2000) sẽ có khả năng xuất hiện 5 năm một lần trong giai đoạn tương lai gần (2046-2065) và xuất hiện cứ 1 đến 2 lần những năm cuối thế kỷ (2081-2100) Tần suất lặp lại của nhiệt độ cực đại ngày tăng nhanh hơn cùng với sự gia tăng và phát triển dân số thế giới, điều này làm gia tăng hậu quả của các hiện tượng khí hậu cực đoan đối với con người và thiên nhiên

Báo cáo đánh giá lần thứ 6 của IPCC (AR6 – Sixth Assessment Report) (IPCC, 2021) đã tập trung trình bày về các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan trên quy mô toàn cầu, khu vực, địa phương và đưa ra các nguyên nhân gây ra việc xuất hiện các hiện tượng khí hậu cực đoan này trong chương thứ 11 Các hiện tượng khí hậu cực đoan được xem xét trong chương 11 bao gồm nhiệt độ, lượng mưa, lũ lụt, khô hạn, bão (xoáy thuận nhiệt đới) cũng như các hiện tượng kết hợp giữa chúng (như số ngày nắng nóng/ khô hạn, …) Kể từ AR5 đã có những phát triển và bổ sung thêm nhiều kiến thức mới về thời tiết và khí hậu cực đoan, đặc biệt là về ảnh hưởng của con người đối với các HTCĐ riêng lẻ, về những thay đổi của hạn hán, xoáy thuận nhiệt đới và các sự kiện hỗn hợp ở các mức độ nóng lên toàn cầu khác nhau Những điều này cùng với bằng chứng mới ở quy mô khu vực cung cấp cơ sở vững chắc và nhiều thông tin khu vực hơn cho những

15

đánh giá của AR6 về hiện tượng thời tiết và khí hậu cực đoan Một thực tế đã chứng minh là phát thải khí nhà kính do con người gây ra đã làm tăng tần suất, cường độ của một số hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan kể từ thời kỳ tiền công nghiệp, đặc biệt là nhiệt độ cực đoan Bằng chứng về những thay đổi quan trắc được ở các hiện tượng khí hậu cực đoan và sự phân bố của chúng đối với ảnh hưởng của con người (bao gồm phát thải khí nhà kính và thay đổi sử dụng đất) đã được ghi nhận ở AR5, đặc biệt đối với lượng mưa cực đoan, hạn hán, xoáy thuận nhiệt đới và các cực đoan hỗn hợp Báo cáo cũng chỉ ra một số hiện tượng nắng nóng gần đây sẽ rất khó xảy ra nếu không có ảnh hưởng của con người đến hệ thống khí hậu Những thay đổi trong khu vực về cường độ

và tần suất của các cực đoan quy mô khí hậu nói chung tương ứng với sự nóng lên toàn cầu Bằng chứng mới củng cố kết luận từ Báo cáo đặc biệt 1.5 của IPCC (SR1.5) công

bố năm 2018 rằng ngay cả những gia tăng tương đối nhỏ về sự nóng lên toàn cầu (+0,5

0C) cũng gây ra những thay đổi có ý nghĩa thống kê về các hiện tượng khí hậu cực đoan trên quy mô toàn cầu và cho các khu vực rộng lớn có độ tin cậy cao (IPCC, 2018) Đặc biệt, đây là trường hợp nhiệt độ cực đoan (rất có thể xảy ra), tần suất mưa lớn gia tăng

có độ tin cậy cao bao gồm cả hiện tượng liên quan đến xoáy thuận nhiệt đới (ở mức độ tin cậy trung bình) và hạn hán ở một số vùng (ở mức độ tin cậy cao); sự xuất hiện của các HTCĐ chưa từng có trong dữ liệu quan trắc được sẽ tăng lên khi sự nóng lên toàn cầu ngày càng gia tăng, thậm chí ở mức 1,5 0C của hiện tượng nóng lên toàn cầu và tỷ

lệ phần trăm thay đổi dự kiến về tần suất cao hơn đối với các sự kiện cực đoan hiếm hơn (có độ tin cậy cao) (IPCC, 2021)

Công trình nghiên cứu gần đây của De Paola và cs (2018) đã sử dụng chuỗi dữ liệu 53 năm (1958-2010) và 47 năm (1964-2010) về giá trị lượng mưa ngày lớn nhất để phân tích tần suất mưa cực đoan cho thành phố Dar Es Salaam và thành phố Addis Ababa ở Châu Phi Nghiên cứu cho thấy dữ liệu của cả hai trạm đo mưa lại đều phù hợp với các hàm phân phối giá trị cực đoan Nghiên cứu sử dụng các mô hình tham khảo là

mô hình ước tính giá trị lớn nhất và mô hình Bayesian để xem xét tác động của các dạng phân phối với tham số hình dạng và độ rộng của khoảng tin cậy Đánh giá so sánh giữa

mô hình hồi quy không cố định và cố định cũng được thực hiện trong nghiên cứu này Ngoài ra, liên quan đến giá trị lặp lại với chu kỳ 100 năm thể hiện trên đường cong IDF (cường độ - thời lượng – tần suất) được ước tính bằng cách tiếp cận ước tính giá trị lớn nhất cho kết quả là các giá trị lặp lại này như một hàm của khoảng tin cậy phân vị 2,5%

16

và 97,5% Kết quả cũng chỉ ra rằng sự phụ thuộc của các mô hình hàm phân phối xấp xỉ không cố định trong bối cảnh biến đổi khí hậu có ảnh hưởng tới việc thiết kế và quản lý

kỹ thuật phòng chống lũ tại Châu Phi

Phân tích tần suất cũng là một phương pháp được sử dụng phổ biến nhất để nghiên cứu các hiện tượng cực đoan, đó là việc thiết lập hàm phân phối xác suất dưới góc độ thống kê toán học để nghiên cứu đặc điểm biến đổi của các hiện tượng cực đoan, bù lắp những thiếu xót của các phương pháp vật lý và động lực học ở một mức độ nhất định (Bella và cs, 2020) Nghiên cứu của Bella và cs (2020) đã thiết lập mô hình lượng mưa lớn nhất năm dựa trên lý thuyết giá trị cực trị cho lưu vực sông Oued El Gourxi ở Algeria; phân phối GEV đã được sử dụng để xác định phân phối xác suất của các giá trị cực đoan

và sự phụ thuộc của chúng vào thời gian đối với 5 trạm đo mưa ở lưu vực sông này; các

mô hình GEV không cố định được sử dụng để biểu diễn các tham số GEV trong đó giả định được đưa ra là tham số hình dạng là không đổi, và các tham số vị trí và quy mô biến đổi tuyến tính theo thời gian Các mô hình tốt nhất được lựa chọn bằng tiêu chí Akaike và Bayesian; các giá trị lặp lại cố định và không cố định cho các chu kỳ khác nhau cũng đã được đề xuất cho khu vực nghiên cứu này

Phương pháp phân tích tần suất dựa trên lý thuyết giá trị cực đoan, sử dụng phân phối xác suất để xấp xỉ phù hợp với phân phối thực nghiệm của nhiệt độ và lượng mưa cực trị; hoặc để phân tích thống kê theo ngưỡng nhiệt độ và lượng mưa trong khoảng thời gian lặp lại đã xác định (Mo và cs, 2019) Mo và cs (2019) đã sử dụng phương pháp ước tính khả năng lớn nhất để phân tích xu hướng biến đổi của các tham số, sử dụng hệ thống biến phân thủy văn để xác định sự thay đổi đột ngột theo thời gian, sử dụng hàm phân phối GEV và GP để phân tích tần suất của các cực đoan lượng mưa và phương pháp tổ hợp để lựa chọn các hàm xấp xỉ phân phối phù hợp nhất; tác giả sử dụng chuỗi

dữ liệu lượng mưa ngày giai đoạn 1963-2014 của 8 trạm đo mưa ở lưu vực sông Chengbi (Nam Trung Quốc) Kết quả của nghiên cứu chỉ ra rằng lượng mưa đã thay đổi vào năm

1993 và toàn bộ tập dữ liệu có thể chia làm 2 giai đoạn từ 1963-1992 và 1993-2014; và BĐKH được phát hiện là có một số tác động đến lượng mưa cực đoan và các tham số của mô hình GEV và GP có thể thay đổi trong bối cảnh BĐKH; mô hình phân phối GP cho kết quả vượt trội so với mô hình phân phối GEV Các phân phối thống kê để đánh giá theo thời gian chuỗi số liệu cực đoan khí hậu thường rất dài Việc ước tính giá trị lặp

17

lại thông thường dựa trên ba dạng phân phối giá trị cực đoan như Gumbel, Fréchet và Weibull được cung cấp bởi Fisher và Tippet (1928) cho các hiện tượng ngẫu nhiên có tập mẫu lớn Các phân phối GEV thường được ứng dụng thành công với các mô hình cực đoan liên quan đến yếu tố mưa ở nhiều quốc gia và khu vực (Fowler và Kilsby, 2003; Gilleland và Katz, 2006; Katz và cs, 2002; Nadarajah và Choi, 2003; Nguyen và

cs, 2002) Những phân phối thống kê khác như Wakeby và Kappa cũng được sử dụng trong các mô hình mưa cực đoan mùa hè ở Hàn Quốc (Park và cs, 2001; Park và Jung, 2002) Tuy nhiên ở nghiên cứu của Nadarajah và Choi (2003) không có sự điều chỉnh của phân phối thực nghiệm và phân phối lý thiết với dữ liệu mưa ngày lớn nhất năm bằng phân phối Wakeby và Kappa, mặc dù thực tế họ có thể cung cấp hàm xấp xỉ có thể tin cậy

Nhìn chung việc nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan đã được nhiều nhà nghiên cứu trên thế giới thực hiện Tuy nhiên quy mô thực hiện là cho toàn cầu, khu vực hoặc cho từng quốc gia riêng lẻ

1.3 Tổng quan về tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây đã có một số công trình nghiên cứu về các hiện tượng khí hậu cực đoan của Nguyễn Văn Thắng (2005), Vũ Thanh Hằng và cs (2011), Lương Quang Huy (2012), Phan Văn Tân và Ngô Đức Thành (2013), Nguyễn Văn Thắng (2017), Nguyễn Thị Tuyết và cs (2021), … Ngoài các công trình kể trên còn có các Thông báo quốc gia về BĐKH của Việt Nam, các Kịch bản BĐKH và nước biển dâng cho Việt Nam do Bộ TNMT công bố

Nguyễn Văn Thắng (2005) đã xác định quy luật phân bố theo không gian và diễn biến theo thời gian của các hiện tượng khí hậu cực đoan trên khu vực Hà Nội và ứng dụng các thông tin khí hậu cực đoan trong việc định hướng các giải pháp phòng tránh, giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai đối với một số lĩnh vực KTXH

Vũ Thanh Hằng và cs (2011) đã phân tích về xu thế biến đổi của lượng mưa cực đại ngày ở Việt Nam cho giai đoạn 1961-2007 để đưa ra một số kết quả như lượng mưa cực đại tăng trên hầu khắp các vùng Việt Nam trừ khu vực Đồng bằng Bắc Bộ Trong giai đoạn 1961-1990 mưa cực đại tăng ở hầu hết các vùng trừ khu vực Tây Bắc; tăng mạnh nhất là khu vực Bắc Trung Bộ và Nam Trung Bộ Trong giai đoạn 1991-2000,

18

lượng mưa cực đại ở khu vực Tây Bắc và Đông Bắc có xu thế giảm, các vùng còn lại có

xu thế tăng Còn giai đoạn 2001-2007 thì lượng mưa cực đại ngày tăng mạnh ở tất cả các vùng trên lãnh thổ Việt Nam

Lương Quang Huy (2013) đã xây dựng bộ chỉ số khí hậu cực đoan riêng cho Việt Nam, đồng thời đưa ra hướng dẫn phân tích khí hậu cực đoan phục vụ quản lý nhà nước

về BĐKH Đề tài TNMT.2012.05.24 của tác giả cũng đã đánh giá sự biến đổi của điều kiện khí hậu cực đoan ở Việt Nam dựa trên các chỉ số cực đoan của IPCC; đánh giá sự biến đổi của khí hậu cực đoan trên cơ sở các kịch bản BĐKH cho 7 vùng khí hậu ở Việt Nam

Thực hiện nhiệm vụ của Thủ tướng Chính phủ giao, năm 2014 Bộ TNMT đã ra Quyết định số 1857/QĐ-BTNMT ngày 29/8/2014 về việc phê duyệt và công bố kết quả phân vùng bão và xác định nguy cơ bão, nước dâng do bão cho khu vực ven biển Việt Nam Quyết định này dựa trên các kết quả nghiên cứu về hoạt động và ảnh hưởng của bão tính đến năm 2013 và chia khu vực ven biển nước ta thành 5 vùng ven biển có sự khác nhau về ảnh hưởng của bão dựa trên các tiêu chí về mùa bão, các tháng nhiều bão nhất trong năm; tần số bão trong năm và tình hình mưa do bão; từ đó đưa ra các nhận định về nguy cơ bão và nước dâng cho bão cho khu vực ven biển Việt Nam

Trong nghiên cứu của Phan Văn Tân và Ngô Đức Thành (2013) cũng đã chỉ ra sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan như sự gia tăng của nhiệt độ cực đại điển hình là vùng Tây Bắc và Bắc Trung Bộ, nhiệt độ cực tiểu tại Việt Nam có xu thế tăng nhưng tốc độ nhanh hơn nhiều so với nhiệt độ cực đại và phù hợp với xu thế chung của BĐKH toàn cầu; sự gia tăng của nhiệt độ cực đại và cực tiểu phù hợp với sự gia tăng của số ngày nắng nóng và sự giảm đi số ngày rét đậm ở các vùng khí hậu tại Việt Nam Ngoài yếu tố nhiệt độ, các tác giả cũng đưa ra các kết quả về độ ẩm tương đối cực tiểu, lượng mưa ngày, hạn hán, tần số bão trên biển Đông, tốc độ gió cực đại Tuy nhiên bộ số liệu sử dụng cho nghiên cứu này là từ 1961-2007 chỉ đánh giá cho một thời kỳ cơ sở là 1961-1990 cho các vùng khí hậu của Việt Nam, không đưa ra phân phối

và tần suất lặp lại của các HTCĐ này

Nghiên cứu của Nguyễn Văn Thắng (2017) tập trung vào việc xây dựng bản đồ mức độ khắc nghiệt của các hiện tượng khí hậu cực đoan như nắng nóng, mưa lớn và điều kiện khô/hạn trên lãnh thổ Việt Nam Bộ số liệu sử dụng từ 150 trạm quan trắc

19

KTTV được cập nhật đến năm 2014, phương pháp xây dựng bản đồ là phương pháp phân tích chuyên gia Nghiên cứu đã chỉ ra được mức độ khắc nghiệt của nắng nóng cao nhất xảy ra ở Bắc Trung Bộ và mở rộng đến Phú Quốc với số ngày nắng nóng là trên 40 ngày/năm; mức độ khắc nghiệt của mưa lớn cao nhất ở Bắc Quang (Hà Giang) với số ngày mưa lớn là trên 40 ngày/năm; mức độ khắc nghiệt của hạn hán cao nhất là ở khu vực từ Phú Yên đến Bình Thuận, đặc biệt cao từ Khánh Hoà đến Ninh Thuận; các hiện tượng khí hậu cực đoan trong nghiên cứu có phân hoá theo không gian thể hiện tính chất cục bộ địa phương trong cùng một vùng khí hậu Điều này chứng tỏ việc nghiên cứu các hiện tượng khí hậu cực đoan cần được thực hiện ở quy mô càng nhỏ càng tốt, càng thể hiện được rõ ràng sự biến đổi của mức độ khắc nghiệt các hiện tượng khí hậu cực đoan trên từng vùng miền của Việt Nam

Nghiên cứu của Lê Thị Hòa Bình và Đặng Đồng Nguyên (2020) đã phân tích tần suất của mưa cực đoan tại trạm Tân Sơn Hòa (Thành phố Hồ Chí Minh) cũng như tính toán giá trị mưa thiết kế tương ứng với các chu kỳ lặp lại là 2, 20 và 100 năm sử dụng

bộ số liệu mưa ngày từ năm 1982-2018 của trạm Tân Sơn Hòa Các tác giả đã sử dụng các chỉ số AIC (The Akaike Information Criterion), BIC (the Bayesian Information Criterion) và kiểm định likelihood ration để lựa chọn mô hình xấp xỉ hàm phân phối xác suất GEV phù hợp nhất Kết quả chỉ ra rằng mô hình phân bố xác suất dựa trên giả thiết

về tính không dừng qua phương pháp ước lượng hợp lý cực đại phù hợp hơn với mô hình phân phối xác suất dựa trên giả thiết về tính dừng, và giả thiết về tính dừng trong chuỗi số liệu mưa có thể dẫn đến việc đánh giá thấp các sự kiện mưa cực đoan và các giá trị lượng mưa lặp lại ứng với các chu kỳ lặp lại được nghiên cứu trong trường hợp này Tuy nhiên nghiên cứu này mới chỉ xem xét đến các tham số vị trí và quy mô của hàm GEV như một biến số theo thời gian mà chưa xem xét đến các yếu tố khác nên kết quả nghiên cứu còn nhiều hạn chế

Gần đây, Nguyễn Thị Tuyết và cs (2021) đã sử dụng số liệu trong 30 năm 2018) về lượng mưa, nhiệt độ của 3 trạm khí tượng Tuy Hoà, Nha Trang, Phan Thiết để đánh giá xu thế biến đổi lượng mưa và nhiệt độ của khu vực Nam Trung Bộ trong nghiên cứu “Nghiên cứu đặc điểm, xu thế biến đổi nhiệt độ và lượng mưa trên khu vực Nam Trung Bộ giai đoạn 1989-2018” Kết quả của nghiên cứu cho thấy xu thế biến đổi nhiệt

(độ trung bình của 3 trạm này trong 10 năm gần đây tăng gấp đôi so với giai đoạn

1989-20

1998 và xu thế biến đổi nhiệt độ trung bình theo không gian tương đối nhỏ Nghiên cứu cũng chỉ ra xu thế biến đổi nhiệt độ cực trị là đáng kể với nhiệt độ tối thấp tăng ~0,4 ºC /thập kỷ, nhiệt độ tối cao tăng ~0,1 ºC /thập kỷ; còn xu thế biến đổi về lượng mưa không nhất quán giữa các khu vực và các thời kỳ

Ngoài ra, trong QCVN 02:2021/BXD đã sử dụng thông tin vận tốc gió 3 giây với chu kỳ lặp 20 năm và 50 năm để tính toán thiết kế cho các công trình ở Việt Nam Mặt khác QCVN này cũng sử dụng số liệu vận tốc gió, áp lực gió 10 phút với chu kỳ lặp 50 năm sau đó phân vùng các dữ liệu này theo 63 tỉnh thành phố theo địa danh hành chính

để tính toán thiết kế công trình ở Việt Nam khi sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế với số liệu đầu vào là vận tốc gió 10 phút, chu kỳ lặp lại 50 năm ở độ cao 10m, địa hình dạng

B hoặc tương đương Như vậy với QCVN này thì chỉ được áp dụng tính toán giá trị lặp lại cho yếu tố gió với chu kỳ lặp lại 20 năm, 50 năm để thiết kế các công trình tại Việt Nam còn không đề cập tới công thức tính toán giá trị lặp lại cho các yếu tố nhiệt độ hay lượng mưa ứng với các chu kỳ khác nhau

Bắt đầu từ năm 2009, Bộ TNMT đã công bố các kịch bản BĐKH và nước biển dâng cho Việt Nam lần đầu đầu tiên, tiếp theo là các kịch bản cập nhật 2012, 2016 và

2021 Các kịch bản này mô tả sự thay đổi của nhiệt độ, lượng mưa, đến năm 2100 cho

7 vùng khí hậu và các tỉnh thành trên cả nước Ngoài các yếu tố trung bình, các kịch bản sau 2009 còn đề cập đến các yếu tố cực trị như nhiệt độ cao nhất, thấp nhất, lượng mưa ngày lớn nhất, số ngày nắng nóng, rét đậm, v.v (BTNMT, 2012; BTNMT, 2016) Theo Kịch bản BĐKH và nước biển dâng cho Việt Nam của Bộ TNMT phiên bản cập nhật năm 2021 thì theo kịch bản RCP4.5 (Representative Concentration Pathway 4.5) thì vào giữa thế kỷ và cuối thế kỷ số ngày rét đậm, rét hại có xu thế giảm trên khu vực Bắc Bộ;

số ngày nắng nóng có xu thế tăng trên cả nước; và cuối thế kỷ xu hướng giảm nhiều hơn

so với giữa thế kỷ; lượng mưa cực trị có xu hướng tăng trên phạm vi cả nước trong các giai đoạn của thế kỷ 21 theo cả 2 kịch bản RCP4.5 và RCP8.5; số tháng hạn hán có sự tăng hoặc giảm khác nhau trên các vùng khí hậu (BTNMT, 2021)

Nhìn chung các công trình nghiên cứu tại Việt Nam mới chỉ tập trung đánh giá tích chất, mức độ biến đổi và xu thế của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan hoặc nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại chủ yếu sử dụng các hàm phân phối dạng GEV cho từng trạm riêng lẻ chứ chưa có nghiên cứu nào tập trung vào việc tính toán phân

21

phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ổng quát cho toàn lãnh thổ Việt Nam mà sử dụng hàm phân phối dạng GP; chưa đánh giá so sánh dạng phân phối qua các thời kỳ khác nhau để thấy được mức độ biến đổi về hàm phân phối mật độ xác suất được xấp xỉ từ các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan này trong từng giai đoạn khác nhau như thế nào; các nghiên cứu chưa mang tính tổng quát cho toàn Việt Nam mà chia theo khu vực hay vùng khí hậu riêng biệt Do vậy, hướng nghiên cứu của đề tài về phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan cho toàn lãnh thổ Việt Nam sử dụng cả phân phối GEV và phân phối GP sẽ bù đắp cho khoảng trống này

1.4 Một số nhận xét

Trong chương 1 đã đưa ra các khái niệm về yếu tố và hiện tượng thời tiết cực đoan, hiện tượng khí hậu cực đoan cũng như các định nghĩa về các chỉ số khí hậu cực đoan của IPCC và các chỉ số khí hậu cực đoan được nghiên cứu xem xét ở Việt Nam Thông qua chương 1 tổng quan về tình hình nghiên cứu sử dụng các chỉ số khí hậu cực đoan trong nghiên cứu BĐKH và việc tìm hiểu về phân phối, tần suất lặp lại của các hiện tượng khí hậu cực đoan trên thế giới và tại Việt Nam đã được trình bày, qua đó thấy được việc nghiên cứu này đã được nhiều tác giả nghiên cứu, đánh giá cho các khu vực, vùng lãnh thổ khác nhau trên thế giới nhưng cho Việt Nam thì chưa phổ biến Các công trình nghiên cứu tại Việt Nam mới chỉ dừng lại ở việc đánh giá tích chất, mức độ biến đổi và xu thế của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan và dự báo xu thế biến đổi của các hiện tượng này dựa trên các kịch bản BĐKH; hoặc nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại tại từng trạm riêng lẻ chứ chưa có nghiên cứu nào tập trung vào việc tính toán phân phối và tần suất lặp lại của các yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan tổng quát trên toàn lãnh thổ Việt Nam Việc nghiên cứu phân phối và tần suất lặp lại của các hiện tượng khí hậu cực đoan tại Việt Nam mở ra một hướng nghiên cứu mới, đặc biệt

và ứng dụng kết quả nghiên cứu đó trong các ngành hay lĩnh vực khác nhau của đời sống xã hội

(1961-số liệu nhỏ hơn 10% trên cả giai đoạn) và (1961-số liệu có chất lượng tốt để thực hiện tính toán các chỉ số cực đoan Việc kiểm tra chất lượng dữ liệu ở nội dung 2.2.2 sẽ được trình bày chi tiết hơn để làm rõ căn cứ cho việc lựa chọn danh sách các trạm để tính toán các chỉ

số cực đoan khí hậu Thời kỳ được sử dụng để tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan liên quan đến phân vị là thời kỳ 1961-2018

Phương pháp phân định vùng khí hậu: phân vùng khí hậu được sử dụng trong luận văn là theo kết quả công trình nghiên cứu của Nguyễn Trọng Hiệu và các cộng sự (2017)

Về cơ bản 7 vùng khí hậu bao gồm: (1) Tây Bắc Bộ , (2) Đông Bắc Bộ, (3) Đồng bằng Bắc Bộ, (4) Bắc Trung Bộ, (5) Nam Trung Bộ, (6) Tây Nguyên, (7) Nam Bộ Việc phân vùng khí hậu này sẽ được sử dụng để tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan của Việt Nam, bởi vì các tính toán các chỉ số này liên quan đến số lượng các trạm trên một vùng khí hậu

Cấu trúc của file dữ liệu ngày thu thập được minh họa ở Hình 2.1, dòng đầu tiên

là thông tin về tên trạm; dòng thứ hai là kinh độ, vĩ độ, độ cao và vùng khí hậu của trạm; dòng thứ ba là năm quan trắc; các dòng tiếp theo là mảng hai chiều bao gồm thông tin giá trị yếu tố đo đạc của 12 tháng trong năm được ghi ở dòng thứ ba tương ứng với từng ngày của tháng (cột đầu của mảng là thứ tự ngày trong tháng, 12 cột tiếp theo là giá trị yếu tố đo của ngày và tháng tương ứng) Với các ngày không có dữ liệu sẽ được ký hiệu

23

liệu 181 trạm này vào chương trình kiểm soát chất lượng Climpact thì cần phải xử lý dữ liệu về đúng định dạng mà chương trình Climpact2 yêu cầu Chương trình xử lý dữ liệu đầu vào được viết trên ngôn ngữ python 3.0

Hình 2.1 Cấu trúc minh họa của file dữ liệu mưa thu thập được từ trạm khí

tượng SYNOP Bắc Cạn

2.2 Phương pháp nghiên cứu và tính toán

2.2.1 Phương pháp luận/ cách tiếp cận

2.2.1.1.Phương pháp tiếp cận liên ngành

“Liên ngành” hiểu theo nghĩa là “sự kết hợp nhuần nhuyễn về phương pháp và cách tiếp cận” của nhiều khoa học chuyên ngành là vấn đề đã được bàn luận nhiều Việc kết hợp như thế nào là một câu hỏi mở đặt ra và kết hợp theo nguyên tắc bình đẳng giữa các hướng tiếp cận hay trên cơ bản của một cách tiếp cận nào đó, rồi mở rộng sang các cách tiếp cận chuyên ngành khác cũng được đưa ra thảo luận Tùy theo yêu cầu của mục đích nghiên cứu mà lựa chọn cách kết hợp liên ngành khác nhau

Liên ngành liên quan đến việc tập hợp các thành phần đặc biệt của hai hoặc nhiều ngành lại với nhau Trong luận văn này, nghiên cứu liên ngành được hiểu là sự kết hợp các thành phần đặc biệt của hai hoặc nhiều lĩnh vực trong việc tìm kiếm hoặc tạo ra kiến thức mới, quy trình hoạt động, … Do vậy phương pháp liên ngành này sẽ được áp dụng trong phần đánh giá tiềm năng tác động của các hiện tượng khí hậu cực đoan lên các ngành nghề, lĩnh vực khác thông qua việc tìm ra mối liên hệ giữa việc tính toán được khả năng xảy ra các sự kiện khí hậu cực đoan với các văn bản quy định nhà nước liên

24

quan đến việc tính toán, thiết kế, xây dựng hệ thống cơ sở hạ tầng phục vụ kinh tế xã hội, quy hoạch đô thị hay xác định để điều chỉnh môi trường làm việc cho các cơ sở sản xuất tại Việt Nam

2.2.1.2 Lý thuyết giá trị cực trị

EVT (Extreme Value Theory - Lý thuyết Giá trị cực trị) là một nhánh của thống

kê xử lý độ lệch cực trị so với trung bình của phân bố xác suất EVT tìm cách đánh giá

từ một mẫu có thứ tự nhất định của một biến ngẫu nhiên nhất định, tính toán xác suất của các sự kiện cực đoan từ các sự kiện được quan sát trước đó Phân tích giá trị cực trị được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành, chẳng hạn như kỹ thuật kết cấu, tài chính, khoa học trái đất, dự đoán giao thông và kỹ thuật địa chất, … Ví dụ, EVT có thể được

sử dụng trong lĩnh vực thủy văn để ước tính xác suất của một sự kiện lũ lụt lớn bất thường, chẳng hạn như trận lũ lụt 100 năm Tương tự, đối với việc thiết kế đê chắn sóng, một kỹ sư ven biển sẽ tìm cách ước tính sóng 50 năm và thiết kế cấu trúc cho phù hợp

Có hai cách tiếp cận chính để phân tích giá trị cực trị thực tế Phương pháp đầu tiên là phân tích các cực đại khối BM (Block Maximum –BM) và phương pháp thứ hai

là phân tích các giá trị vượt ngưỡng POT (Peaks over Threshold – POT)

Phương pháp BM chia các giá trị của X thành các khối và gọi X1 , X* , …, Xm* là các cực trị của các khối này Theo kết quả của Fisher, Tippett và Gnedenko (Alexander, 2005) khi m đủ lớn thì phân phối chuẩn hóa của giá trị lớn nhất: Mm = max (X1 , X* ,

…, Xm*) sẽ xấp xỉ với một trong các phân phối: Fréchet, Weibull hay Gumbel

Phương pháp POT xét phân phối của các giá trị X vượt một ngưỡng u nào đó (Eric, 2006) Khi sử dụng phương pháp POT một vấn đề đặt ra là các giá trị của X lớn hơn u nên cần ước lượng hàm phân phối vượt ngưỡng Fu như sau:

𝐹𝑢(𝑦) = 𝑃(𝑋 − 𝑢 ≤ 𝑦 |𝑋 > 𝑢), 0 ≤ 𝑦 ≤ 𝑥𝐹 − 𝑢 (2.1.1)

Ở đây u là một ngưỡng cho trước (u thường được chọn sao cho số lượng quan trắc vượt ngưỡng không quá 10% tổng số lượng quan trắc), y = x – u là giá trị vượt quá ngưỡng u và xF = x* = sup(x: F(x) < 1) Người ta chứng minh được rằng hàm phân phối vượt ngưỡng có mối quan hệ với hàm phân phối ban đầu theo công thức sau:

𝐹𝑢(𝑦) = 𝐹(𝑢+𝑦)

1−𝐹(𝑢) = 𝐹(𝑥)−𝐹(𝑢)

1−𝐹(𝑢) (2.1.2)

25

2.2.2 Phương pháp kiểm tra chất lượng và xử lý dữ liệu quan trắc

Dữ liệu sau khi thu thập được từ 181 trạm quan trắc khí tượng SYNOP trước khi được đưa vào tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan sẽ được kiểm tra chất lượng nhằm loại bỏ những giá trị sai gây ảnh hưởng tới chất lượng tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan Độ dài của chuỗi dữ liệu quan trắc và chất lượng của tập số liệu đó đóng vai trò quyết định việc tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan Có ba loại sai số quan trắc thường gặp phải đó là sai số hệ thống, sai số ngẫu nhiên và sai số thô Trong đó, sai số hệ thống

là loại sai số khó phát hiện nhất trong ba loại sai số kể trên Đối với luận văn này vì nguồn số liệu thu thập được từ 181 trạm khí tượng SYNOP là những nguồn số liệu chính thống và có đánh giá chất lượng dữ liệu trước khi đưa vào lưu trữ nên ta giả thiết rằng các sai số hệ thống đã được kiểm tra và loại bỏ Đối với sai số ngẫu nhiên thì gần như

nó luôn tồn tại trong mọi chuỗi số liệu quan trắc Việc loại bỏ sai số ngẫu nhiên này cũng rất khó thực hiện Sai số thô là sai số được sinh ra bởi các thao tác nhầm lẫn của người quan trắc hoặc người nhập liệu

Ngoài ra, việc kiểm tra chất lượng tính đồng nhất của bộ dữ liệu cũng rất quan trọng Tính đồng nhất ám chỉ tính nhất quán của một chuỗi dữ liệu theo thời gian Mặc

dù nhiều chuỗi thời gian được sử dụng để tính toán các chỉ số cực đoan đã được điều chỉnh để cải thiện tính đồng nhất nhưng một số khía cạnh nào đó của bản ghi dữ liệu này có thể không đồng nhất và nó nên được lưu ý khi diễn giải các thay đổi trong các chỉ số khí hậu cực đoan Ví dụ, hầu hết các phương pháp để đánh giá tính đồng nhất không xem xét những thay đổi về sự biến đổi hàng ngày hoặc những thay đổi trong việc tạo ra chuỗi dữ liệu Tuy nhiên có thể xảy ra trường hợp phương sai có sự thay đổi nhưng nhiệt độ trung bình không bị thay đổi như trường hợp một trạm di chuyển từ vị trí ven biển đến một vị trí xa hơn trong đất liền, việc di chuyển trạm như vậy khiến nhiệt độ cực đại ngày tăng lên và nhiệt độ cực tiểu hàng ngày của trạm giảm đi, hoặc trong trường hợp số lượng trạm đóng góp vào một chuỗi dữ liệu tổng hợp bị thay đổi Việc điều chỉnh tính đồng nhất của dữ liệu hàng ngày là khó khăn do dữ liệu hàng ngày có sự biến động cao khi so sánh với dữ liệu hàng tháng hoặc hàng năm hoặc lý do không đồng nhất là do thay đổi vị trí trạm hoặc thiết bị quan trắc yếu tố đó tại trạm thay đổi trong các điều kiện thời tiết, khí hậu khác nhau Tại Việt Nam, với 181 trạm SYNOP phân bố trải dài khắp

cả nước và từ năm 1961 tới 2018 thì ít có sự di chuyển vị trí hay độ cao quan trắc của các trạm này, cũng như việc sử dụng công cụ quan trắc tại trạm vẫn là sử dụng song

26

song cả quan trắc tự động và quan trắc bởi con người nên trong luận văn này không xem xét đến tính đồng nhất của các trạm và coi như hệ thống 181 trạm này là đã có tính đồng nhất (do hàng năm cũng đều được kiểm định và đo đạc kiểm tra chất lượng giữa quan trắc bởi con người và quan trắc tự động, không ghi nhận sự di chuyển hay thay đổi môi trường hoặc thiết bị quan trắc tại các trạm này) Do đó, dữ liệu quan trắc sau khi được thu thập từ mạng lưới các trạm quan trắc KTTV sẽ được kiểm tra chất lượng bằng cách

sử dụng mô đun chương trình được tích hợp trong phần mềm Climpact2

Climpact2 là một gói phần mềm viết trên ngôn ngữ R được sử dụng để tính toán các chỉ số khí hậu cực đoan ETCCDI cũng như các chỉ số khác về khí hậu cực đoan từ

dữ liệu được lưu trữ định dạng text hoặc dạng netCDF Phần mềm này kết hợp các gói thư việc R bao gồm climdex.pcic và climdex.pcic.ncdf do Hiệp hội Tác động Khí hậu Thái Bình Dương (PCIC) phát triển (Alexander và Herold, 2016); trong đó phần xử lý kiểm soát chất lượng dữ liệu trạm cũng được tích hợp sẵn Chương trình Climpact2 này

sẽ tiến hành kiểm tra chất lượng dữ liệu từng trạm khí tượng SYNOP thông qua việc: kiểm tra và xác định các giá trị dị thường đối với các biến nhiệt độ cực đại, nhiệt độ cực tiểu và lượng mưa ngày; kiểm tra và xác định giá trị nhiệt độ cực đại và nhiệt độ cực tiểu mà bị lặp lại liên tiếp 4 lần hoặc nhiều hơn; kiểm tra giá trị những ngày bị lặp lại; kiểm tra những giá trị vượt ngưỡng như nhiệt độ lớn hơn 50 °C, lượng mưa vượt quá 200mm/ngày; kiểm tra những giá trị nhiệt độ mà ngày hôm trước và hôm sau chênh lệch nhau 20 °C hoặc hơn; kiểm tra và xác định các trường hợp nhiệt độ cực đại nhỏ hơn nhiệt độ cực tiểu; liệt kê các giá trị bị thiếu đối với các yếu tố nhiệt độ cực đại, nhiệt độ cực tiểu và lượng mưa ngày của mỗi năm Kết quả kiểm tra chất lượng dữ liệu từng trạm

sẽ được lưu dưới dạng hình ảnh và file số liệu dạng excel để dễ dàng tra cứu và đánh giá Thông tin chi tiết của chương trình này có thể tham khảo ở đường link sau: https://github.com/ARCCSS-

extremes/climpact/blob/master/www/user_guide/Climpact_user_guide.md#toc

Dữ liệu đầu vào từ 181 trạm SYNOP này sẽ được xử lý theo đúng chuẩn đầu ra của phần mềm Climpact2 theo định dạng như sau, trong đó cột 1, 2, 3 tương ứng biểu thị năm, tháng, ngày quan trắc, cột 4 biểu thị giá trị lượng mưa ngày, cột 5 và 6 biểu thị tương ứng là giá trị nhiệt độ cực đại ngày và giá trị nhiệt độ cực tiểu ngày (minh họa Hình 2.2)

27

Hình 2.2 Định dạng dữ liệu đầu vào của phần mềm Climpact2

Kết quả của quá trình kiểm tra chất lượng của các trạm bằng phần mềm Climpact2 được thể hiện thông tin như Hình 2.3 Với Hình 2.3a là biểu đồ dạng hộp biểu diễn các giá trị ngoại lai theo tháng dựa trên giá trị phần tư (IQR-Interquartile: các điểm ngoại lai là các điểm nằm ngoài khoảng bội số của phân vị từ 25% đến 75%, với nhiệt độ thì lấy bội số ba của IQR để xác định các giá trị ngoại lai, đối với lượng mưa là bội số năm của IQR), có thể dễ dàng nhận ra các điểm ngoại lai của trạm A Lưới với yếu tố nhiệt

độ cực tiểu TN vào tháng 4, 5, 9, 10 và 12; phía trên là những giá trị ngoại lai của TN đại diện lớn hơn p75+3*IQR (xảy ra vào tháng 4) và phía dưới là những giá trị ngoại lai của TN nhỏ hơn p25-3*IQR (xảy ra vào tháng 4, 5, 9, 10, 12); tương tự như đối với TX, DTR (chỉ có giá trị ngoại lai thấp vào tháng 7) và R (chỉ có giá trị ngoại lai cao) Trong Hình 2.3b là biểu đồ giá trị ngoại lai theo năm của trạm A Lưới, cũng tương tự như Hình 2.3a nhưng là thống kê theo năm Hình 2.3c, 2.3d, 2.3e và 2.3f là biến trình theo thời gian của giá trị DTR, R, TN và TX; có thể nhận diện được sự biến thiên của các biến quan trắc này theo thời gian 10 năm một và các điểm dữ liệu bị thiếu được đánh dấu bằng vòng tròn màu đỏ hoặc các điểm không đáng tin cậy Hình 2.3g là biểu đồ giá trị thập phân được làm tròn của các biến R, TX, TN; nó cho biết tần suất từng giá trị trong

số 10 giá trị có thể được sử dụng với độ chính xác 1 chữ số thập phân (tức là 0,0 đến 0,9)

28

a Các giá trị ngoại lai theo tháng b Các giá trị ngoại lai theo năm

c Biến trình theo thời gian của dao động

biên độ nhiệt độ ngày DTR

d Biến trình theo thời gian của lượng mưa ngày

Hình 2.3 Minh họa kiểm tra đánh giá chất lượng dữ liệu lượng mưa (R), nhiệt độ

cực tiểu (TN), nhiệt độ cực đại (TX) của trạm SYNOP A Lưới

Nói chung việc sử dụng phần mềm này chỉ loại bỏ được các sai số thô do sai sót trong quá trình nhập liệu, như vậy với các trạm nghi ngờ thì cần tiến hành kiểm chứng lại và điều chỉnh (nếu có thể), với các trường hợp dữ liệu bị sai thì sẽ bị gán bằng -99.9