Nghiên cứu sử dụng số liệu lượng mưa vệ tinh để đánh giá hạn khí tượng cho khu vực tinhe thanh hóa

, BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƢA VỆ TINH ĐỂ ĐÁNH GIÁ HẠN KHÍ TƢỢNG KHU VỰC TỈNH THANH HĨA CHUN NGÀNH: KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGUYỄN VĂN DŨNG HÀ NỘI, NĂM 2019 BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI LUẬN VĂN THẠC SĨ NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƢA VỆ TINH ĐỂ ĐÁNH GIÁ HẠN KHÍ TƢỢNG KHU VỰC TỈNH THANH HÓA NGUYỄN VĂN DŨNG CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC MÃ SỐ: 8440222 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Viết Lành HÀ NỘI, NĂM 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Viết Lành Cán chấm phản biện 1: TS.Phạm Thị Ngà Cán chấm phản biện 2:TS Vũ Thanh Hằng Luận văn thạc sĩ bảo vệ tại: HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI Ngày 11 tháng 01 năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung, số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác TÁC GIẢ LUẬN VĂN Nguyễn Văn Dũng LỜI CÁM ƠN Em xin trân trọng cảm ơn Thầy, Cơ giáo hoa hí tượng Thủy văn Trư ng i học T i nguy n v i trư ng i cung cấp kiến thức chuy n m n quý giá giúp đỡ v t o điều kiện thuận lợi suốt th i gian em học tập hoa v đồng ý cho em thực luận văn Em c ng xin chân th nh cảm ơn Phòng o t o t o điều kiện cho em th i gian học tập v hoàn th nh luận văn Luận văn n y thực hướng dẫn, góp ý quý báu Thầy, Cơ giáo Khoa hí tượng Thủy văn c ng giúp đỡ cán b thu c Viện hoa học hí tượng Thủy văn v Biến đổi khí hậu đặc biệt l hướng dẫn trực tiếp PGS TS guyễn Viết L nh Cuối xin gửi l i cảm ơn tới gia đình v b n bè giúp đỡ đ ng vi n nhiều suốt trình học tập v thực luận văn gư i viết luận văn trân trọng biết ơn hướng dẫn góp ý giúp đỡ v hỗ trợ quý báu Do th i gian v kinh nghiệm h n chế n n luận văn kh ng tránh khỏi thiếu sót Vì mong nhận đóng góp quý báu từ Thầy C v đ c giả quan tâm Nguyễn Văn Dũng i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN Tóm tắt: (tiếng Việt) iv THESIS ABSTRACT (dịch sang tiếng Anh) v DANH MỤC BẢNG vii CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái ni m v h n h n và nguy n nh n g y h n h n 1.1.1 Khái niệm hạn hán 1.1.2 Nguyên nhân gây hạn khí tượng 1.2 Kh i qu t v u ki n tự nhi n tỉnh Thanh Hóa 1.3 T nh h nh nghi n cứu h n h n và ngoài nƣ c 1.3.1 T nh h nh nghiên c u hạn hán ngo i nư c 1.3.2 T nh h nh nghiên c u nư c 11 CHƢƠNG 15 SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 15 2.1 Số li u nghi n cứu 15 2.1.1 Số liệu quan trắc 15 2.1.2 Số liệu, báo cáo liên quan đến hạn hán Thanh Hóa 16 2.1.3 Số liệu mưa khai thác từ vệ tinh 17 2.1.4 Chỉ số s c khỏe thực vật khai thác từ vệ tinh AVHRR 20 2.2 Phƣơng ph p tính to n và x c định ti u h n khí tƣợng 21 2.3 Phƣơng ph p n i suy số li u v m tr m 24 2.4 Phƣơng ph p đ nh gi mối quan h hai iến và sai số 26 2.5 Phƣơng ph p đ nh gi h n khí tƣợng 28 CHƢƠNG 29 ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN KHÍ TƢỢNG DỰA TRÊN LƢỢNG MƢA 29 3.1 So s nh lựa chọn số h n khí tƣợng 29 3.1.1 So sánh số số hạn khí tượng 29 3.1.2 Lựa chọn số hạn 36 3.2 Mối quan h và sai số lƣợng mƣa v tinh và quan trắc 37 3.2.1 Mối quan hệ lượng mưa vệ tinh quan trắc 37 3.2.1 Sai số lượng mưa vệ tinh quan trắc 39 3.3 H n khí tƣợng dựa tr n số SPI 41 ii 3.3.1 Lựa chọn quy mô thời gian cho đánh giá hạn khí tượng 41 3.3.2 Diễn biến hạn khí tượng theo thời gian 43 3.3.3 Thời gian hạn khí tượng thời kỳ 1981-2016 47 3.3.4 Các kiện hạn khí tượng điển h nh 52 3.4 Tác động hạn hán đến thực vật v trồng 54 K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 iii TÓM TẮT LUẬN VĂN Họ tên học viên: Nguyễn Văn Dũng Lớp CH3A.K Khóa: 2017-2018 Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Viết Lành Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng số liệu mưa vệ tinh để đánh giá hạn khí tượng khu vực tỉnh Thanh Hóa Tóm tắt: (tiếng Việt) Tóm tắt luận văn cao học: Nghi n cứu sử dụng số li u lƣợng mƣa v tinh đ đ nh gi h n khí tƣợng cho khu vực tinhe Thanh Hóa Mục ti u luận văn Đánh giá khả sử dụng số liệu mưa vệ tinh diễn biến hạn khí tượng khu vực tỉnh Thanh Hóa Ph m vi nghi n cứu: Về nội dung nghiên cứu: Luận văn đánh giá khả sử dụng số sản phẩm mưa tháng từ phân tích ảnh vệ tinh, so sánh số số hạn khí tượng chủ yếu đánh giá hạn khí tượng sở số chuẩn hóa lượng mưa (SPI), thời kỳ 1981-2016 Về phạm vi không gian, luận văn đánh giá hạn khí tượng cho tỉnh Thanh Hóa; Ý nghĩa luận văn - Về ý nghĩa khoa học: Đã đánh giá khả sử dụng lượng mưa vệ tinh, đánh giá đặc điểm tình trạng hạn hán tỉnh Thanh Hóa - Về ý nghĩa thực tiễn: Đã cung cấp sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống giám sát, cảnh báo sớm hạn cho khu vực tỉnh Thanh Hóa Kết Bằng việc sử dụng 56 năm số liệu quan trắc trạm KT, 36 năm trạm TV, ND 36 năm số liệu mưa số sức kh e thực vật tính tốn từ ảnh vệ tinh để tính tốn đánh giá diễn biến hạn khí tượng cho khu vực tỉnh Thanh Hoa, luận văn thu số kết đáng ch ý sau: 1) Đã phân tích so sánh số hạn khí tượng SPI, PN, K, Pt SE Sa.I Kết cho thấy, mối quan hệ diễn biến số phù hợp Tuy nhiên, phân cấp mức độ hạn số có khác rõ ràng Điều cho thấy cần thiết sử dụng nhiều số hạn quản lý hạn khí tượng khu vực; 2) Đã so sánh lượng mưa tháng quan trắc lượng mưa từ phân tích vệ tinh CHIRPS, CDR CCS Kết cho thấy, số liệu mưa vệ tinh phù hợp với lượng mưa quan trắc: Hệ số tương quan mưa quan trắc với CHIRPS, CDR cao, có độ tin cậy từ 95-99% sai số MAE (RMSE) phổ biến từ 5% đến 10% Hệ số tương quan giữ lượng mưa quan trắc CCS thấp có sai số cao so iv với CHIRP CDR 3) Đã tính tốn đánh giá hạn KT số SPI dựa lượng mưa CHIRPS Kết xác định kiện hạn hán điển hình thời kỳ 1981-2016 kiện phù hợp với kết tính tốn từ mưa quan trắc Hạn KT có xu xảy hầu khắp tỉnh Thanh Hóa Theo mức hạn nặng nặng SPI12 cho thấy, hạn nặng trội phía bắc phía tây bắc với tần suất 8-9%, hạn nặng trội vùng phía đơng nam tây nam tỉnh Thanh Hóa với tần suất 3-4%, vùng dễ bị hạn nghiêm trọng huyện Thạch Thành, Vĩnh Lộc, Yên Định, Hà Trung, Thường Xuân, Lang Chánh, Quan Hóa, Như Xuân, ngọc Lặc, Nga Sơn, Cẩm Thủy 4) Đã so sánh số SPI-3 với số STD VHI số liệu thực trạng hạn hán vụ đông xuân 2015-2016 Kết cho thấy, sức kh e thực vật trồng Thanh Hóa bị ảnh hưởng hạn hán điển hình gián tiếp cho thấy mức độ phù hợp khả sử dụng mưa CHIRP quản lý hạn Thanh Hóa THESIS ABSTRACT (dịch sang tiếng Anh) Summary of master's thesis: Research on using satellite rainfall data to assess meteorological drought for Thanh Hoa province Objectives of the thesis Assessing the ability to use satellite rain data and the evolution of meteorological term in Thanh Hoa province Scope of study: Study content: Assesses the ability to use a monthly rain products of CHIRPS (Climate Hazards Group Infrared Precipitation with Station) from satellite image analysis, comparing some meteorological indicators and assessing meteorological drought base on standardization of rainfall (SPI) Regarding the scope of space, the thesis evaluates meteorological drough for Thanh Hoa province; The meaning of the thesis - Scientific significance: The ability to use satellite rainfall has been assessed, and the characteristics of meteorological drought in Thanh Hoa province have been evaluated - Practical significance: The thesis has provided a scientific basis for the early monitoring and warning system for Thanh Hoa province Results The thesis has obtained some remarkable results: 1) Comparative analysis of meteorological indexes SPI, PN, K, Pt, SE and Sa.I The results show that the relationship and evolution of these indicators are quite appropriate However, when decentralized, the indexes are quite different This indicates the need to use some indicators in meteorological drought management in each area; v 2) Comparison between observed precipitation and precipitation of CHIRPS, CDR and CCS satellite analysis The results showed that the satellite prepitation is quite suitable with observed Prepitation: The correlation coefficient between the observed prepitation with CHIRPS, the CDR is quite high, with the reliability of 9599% and the MAE error (RMSE) Popular from 5% to 10% 3) Evaluate meteorological drought base on SPI from prepitation of CHIRPS The results identified typical drought events in the period 1981-2016 and these events are also quite consistent with the calculation results from the observation prepitation Drought tends to occur in most of Thanh Hoa province The heavy and very severe drought of SPI-12, the drought was dominant in the north and northwest with the frequency of 8-9%, severe drought prevailed in the southeast and southwestern of Thanh Hoa province about 3-4% frequency, severely drought areas such as Thach Thanh, Vinh Loc, Yen Dinh, Ha Trung, Thuong Xuan, Lang Chanh, Nhu Xuan, Ngoc Lac, Nga Son, and Cam Thuy 4) Comparing the SPI-3 index with the STD_VHI index and the data of the drought situation of the winter-spring season in 2015-2016 The results showed that plant and plant health in Thanh Hoa is affected by drought typical and indirectly shows the suitability of the use of CHIRP in drought management in Thanh Hoa province vi Tổng số TGH TGH mức hạn nặng b) c) TGH mức nặng d) SPI-3 a) TGH mức hạn vừa f) g) h) SPI-6 e) k) j) i) SPI-12 i) Hình 13 Phân bố kh ng gian th i gian h n hán (TG ) quy m th i th i gian khác nhau: tháng (a – d); ) tháng (e – h); 12 tháng (i – l) theo mức đ h n hán khác (h n vừa nặng v nặng) 50 Tần suất xuất hạn vừa, hạn nặng hạn nặng (hình 3.14) dựa quy mô 12 tháng cho thấy: Tần suất xuất hạn vừa khoảng từ 14-20%, trội khu vực phía tây bắc tỉnh Thanh Hóa (huyện Quan Sơn, Quan Hóa) với tần suất khoảng 16-18% Tần suất xuất hạn nặng khoảng từ 3-10%, xuất trội phần phía Bắc tỉnh Thanh Hóa 5%, khoảng 9% khu vực huyện Quan Sơn Tần suất xuất hạn nặng nặng khoảng từ 1-4%, xuất trội khu vực huyện Thường Xuân, Như Xuân, Hà Trung với tần suất khoảng 3-4% a) b) c) Hình 14 Tần suất xuất h n khí tượng (%) theo mức đ h n dựa tr n quy m th gian 12 tháng: h n vừa (a) h n nặng (b) h n nặng (c) 51 3.3.4 Các kiện hạn khí tượng điển hình Phân bố khơng gian khía cạnh quan trọng để hiểu kiện hạn hán Phân bố không gian số hạn khí tượng (MĐH, I DA cao đợt hạn) cho kiện hạn hán điển hình liệt kê bảng 3.4 thể hình 3.15 Bốn kiện hạn khí tượng có đặc điểm không gian khác Theo giá trị MDHe (e = 1, 4, 5) (hình 3.15a, i m), kiện (đợt hạn) D1, D4 D5 nghiêm trọng kiện Đối với kiện D4, hạn khí tượng chủ yếu giới hạn phần phía tây bắc bắc Thanh Hóa, phía đơng, đơng nam kiện D4 D5 Trong kiện này, cường độ hạn khí tượng kiện D1 D5 trội có giá trị khoảng khoảng 1.5-2 (hình 3.15 b, n), tháng có diện tích hạn cao chiếm phần đa diện tích tồn tỉnh (hình 3.15 c, o) Theo giá trị MDH e cao (e=2, 3, 6), kiện lại, kiện D2 hạn khí tượng nghiêm trọng nhất, sau đến kiện hạn D6 D3, bao trùm phần đa diện tích tỉnh Thanh Hóa, ngoại trừ vùng phía nam tỉnh Thanh Hóa có MĐH nh (hình 3.15 d, g p): - Sự kiện hạn khí tượng nghiệm trọng D2 cho thấy, MDH cao vùng phía bắc tỉnh Thanh Hóa, khơng cho thấy cường độ cao Điều cho thấy giá trị lớn MĐH chủ yếu thời gian hạn khí tượng dài Sự kiện D3 gần tương tự với kiện D2 có MDH cao vùng phía tây bắc bắc tỉnh Thanh Hóa, phân bố cường độ tương đối phù hợp với MDH - Sự kiện D6 trái ngược với kiện D2 D3, vùng xảy hạn khí tượng nghiêm trọng (có MDH cao hơn) xuất phần tây nam tỉnh Thanh Hóa, cường độ hạn giá trị SPI tháng có DA lớn tương đồng Tham chiếu tới bảng 3.4 nhận thấy, kiện hạn D3 kéo dài 10 tháng, D6 gần (năm 2015, đầu 2016) kéo dài 15 tháng dường có mức độ hạn cao, thời gian hạn hán tương đối ngắn so với kiện D2 Tuy nhiên, D3 kiện hạn hán nghiêm trọng với giá trị cao I, tháng hạn hán cao điểm có tới 100% diện tích Thanh Hóa bị hạn nặng, khoảng 50.5% diện tích tỉnh Thanh Hóa bị hạn nặng (giá trị SPI nh