Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI HÀ XÂY DỰNG MƠ 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 MƠ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ CƠNG 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: 58 02 12 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS Nguyễn Đăng Tính GS.TS Nguyễn Văn Tỉnh HÀ NỘI, NĂM 2019 LỜI CAM ĐOAN Tác giả luận án xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân tác giả Các kết nghiên cứu kết luận luận án trung thực, không chép từ nguồn nào, hình thức chưa công bố cơng trình khác Việc tham khảo, trích dẫn nguồn tài liệu ghi rõ nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận án Nguyễn Thái Hà i LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS Nguyễn Đăng Tính GS.TS Nguyễn Văn Tỉnh, người tận tình bảo hướng dẫn tơi hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo Đại học Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật tài nguyên nước tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ động viên tơi q trình nghiên cứu, thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè, gia đình hỗ trợ, động viên, chia sẻ khó khăn suốt thời gian nghiên cứu 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 Tính cấp thiết đề tài luận án Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu luận án Phương pháp nghiên cứu  Cách tiếp cận luận án:  Các phương pháp nghiên cứu luận án: Ý nghĩa khoa học thực tiễn  Ý nghĩa khoa học:  Ý nghĩa thực tiễn: Cấu trúc luận án CHƯƠNG TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN 1.1 Khái niệm hạn hán 1.1.1 Định nghĩa phân loại hạn hán 1.1.2 Các số hạn 10 1.1.3 Các đặc trưng hạn hán 20 1.2 Tình hình hạn hán nghiên cứu hạn hán giới 21 1.2.1 Tình hình hạn hán giới 21 1.2.2 Các nghiên cứu hạn hán giới 23 1.3 Tình hình hạn hán nghiên cứu hạn hán Việt Nam 30 iii 1.3.1 Tình hình hạn hán Việt Nam 30 1.3.2 Các nghiên cứu hạn hán Việt Nam 33 1.4 Những thành tựu hạn chế nghiên cứu hạn hán 36 1.5 Tổng quan vùng nghiên cứu 38 1.6 Định hướng nghiên cứu luận án 40 CHƯƠNG 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 vùng nghiên cứu 43 2.2 Giới thiệu ENSO số liệu cần thu thập 47 2.2.1 Giới thiệu ENSO 47 2.2.2 Các số liệu thu thập 50 2.3 Phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 56 2.3.1 Lựa chọn số hạn 57 2.3.2 Phân tích đánh giá diễn biến hạn theo không gian vùng nghiên cứu 63 2.3.3 Phân tích ảnh hưởng ENSO đến diễn biến hạn hán vùng nghiên cứu 67 2.3.4 Thiết lập mơ hình dự báo hạn khí tượng đề xuất mơ hình dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu 70 2.4 Kết luận chương 84 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ 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 vùng nghiên cứu 85 3.1.1 Phân tích kết kiểm định nội suy lượng mưa nhiệt độ 85 3.1.2 Diễn biến hạn hán theo thời gian vùng nghiên cứu 86 3.1.3 Diễn biến hạn hán theo không gian vùng nghiên cứu 91 3.2 Ảnh hưởng ENSO đến diễn biến hạn hán vùng nghiên cứu 103 3.2.1 Diễn biến hạn hán vùng DHMT thời kỳ phát sinh ENSO 103 3.2.2 Đánh giá kết mối tương quan SSTA SOI với SPI SPEI 105 3.3 Xây dựng mơ hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu .108 3.3.1 Đánh giá kết mơ hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu iv 108 3.3.2 Xác định số để cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 116 3.3.3 Lựa chọn mơ hình dự báo hạn cho vùng nghiên cứu 117 3.3.4 Xây dựng mơ hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu .118 3.3.5 Bản đồ số liệu cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 121 3.4 Kết luận chương 124 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127 Những kết đạt luận án .127 Những đóng góp luận án 128 Những tồn hạn chế luận án 128 Kiến nghị nghiên cứu luận án 128 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ .129 TÀI LIỆU THAM KHẢO .130 PHỤ LỤC 138 v DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo số giáng thủy 11 Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo số SPI [9] 12 Bảng 1.3 Phân cấp hạn theo số K 13 Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo số độ ẩm tương đối đất RSMI 15 Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo số PDSI [13] 17 Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19] 19 Bảng 2.1 Xu biển đổi lượng mưa theo năm cho trạm mưa vùng DHMT 53 Bảng 2.2 Xu biển đổi nhiệt độ theo năm cho trạm vùng DHMT 54 Bảng 2.3 Phân cấp hạn hán theo số SPI, SPEI [9] 62 Bảng 2.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo [103] 81 Bảng 3.1 Độ tin cậy phép nội suy mưa nhiệt độ (%) 85 Bảng 3.2 Giá trị nhỏ SPI, SPEI thời kỳ phát sinh El Nino 104 Bảng 3.3 Tổng số tháng xảy hạn hán thời kỳ phát sinh El Nino theo số SPI, SPEI .104 Bảng 3.4 Hệ số tương quan trung bình SSTA, SOI với số SPI, SPEI 106 Bảng 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo số hạn mô hình 109 Bảng 3.6 Cấp hạn cấp cảnh báo sớm hạn khí tượng theo số SPEI3 116 Bảng 3.7 Các tham số mơ hình dự báo cho tháng 118 Bảng 3.8 Kết dự báo số SPEI3 trạm (từ tháng 1/2015 đến 6/2015) 123 vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ loại hạn hán [5] 10 Hình 1.2 Bản đồ vùng Duyên hải Miền Trung 38 Hình 1.3 Sơ đồ nội dung 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 tồn vùng DHMT 46 Hình 2.4 Vị trí khu vực theo dõi hoạt động ENSO (Nino3.4) 48 Hình 2.5 Vị trí tên 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 nội dung phương pháp dự báo hạn khí tượng 57 Hình 2.9 Ơ lưới vùng nghiên cứu 64 Hình 2.10 Các thành phần mơ hình dự báo thống kê áp dụng giới [85] 72 Hình 2.11 Cấu trúc mơ hình ANFIS 75 Hình 2.12 Sơ đồ khối mơ hình ANFIS 78 Hình 2.13 Cấu trúc mơ hình dự báo 79 Hình 2.14 Sơ đồ khối chương trình dự báo hạn khí tượng 83 Hình 3.1 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo số SPI1 SPEI1 86 Hình 3.2 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo số SPI3 SPEI3 86 Hình 3.3 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo số SPI1 SPEI1 87 Hình 3.4 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo số SPI3 SPEI3 87 Hình 3.5 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo số SPI1 SPEI1 87 Hình 3.6 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo số SPI3 SPEI3 88 Hình 3.7 Số tháng xảy hạn hán theo số hạn 89 vii Hình 3.8 Tỷ lệ DT hạn theo tháng năm hạn điển hình theo số SPEI1 90 Hình 3.9 Tỷ lệ DT hạn theo tháng năm hạn điển hình theo số SPEI3 90 Hình 3.10 Tỷ lệ DT hạn hán theo số SPI1, SPEI1 thực tế sản xuất nông nghiệp vùng DHMT 92 Hình 3.11 Tỷ lệ DT hạn hán theo số SPI3, SPEI3 thực tế sản xuất nông nghiệp vùng DHMT 92 Hình 3.12 Tần suất (%) xảy hạn số theo khơng gian 93 Hình 3.13 Tần suất (%) xảy cấp hạn số SPI1 theo khơng gian 94 Hình 3.14 Tần suất (%) xảy cấp hạn số SPEI1 theo khơng gian 94 Hình 3.15 Tần suất (%) xảy cấp hạn số SPI3 theo khơng gian 95 Hình 3.16 Tần suất (%) xảy cấp hạn số SPEI3 theo khơng gian 95 Hình 3.17 Tần suất (%) xảy hạn vào tháng số theo khơng gian 96 Hình 3.18 Tần suất (%) xảy hạn vào tháng số theo khơng gian 96 Hình 3.19 Tần suất (%) xảy hạn vào tháng số theo khơng gian 96 Hình 3.20 Tần suất (%) xảy hạn vào tháng số theo khơng gian 97 Hình 3.21 Tần suất (%) xảy hạn vào tháng số theo khơng gian 97 Hình 3.22 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, năm 1988 98 Hình 3.23 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, năm 1993 99 Hình 3.24 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, năm 1998 100 Hình 3.25 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, năm 2005 101 Hình 3.26 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, năm 2005 102 Hình 3.27 Giá trị SPI, SPEI-1 thời kỳ xảy ENSO (1985-2014) 103 Hình 3.28 Giá trị SPI, SPEI-3 thời kỳ xảy ENSO (1985-2014) 103 Hình 3.29 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = tháng) 107 Hình 3.30 Tương quan SOI với số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = tháng) .108 viii - Trạm Trà My, tỉnh Quảng Nam - Trạm Quảng Ngãi, tỉnh Quảng Ngãi 151 - Trạm Ba Tơ, tỉnh Quảng Ngãi - Trạm Hồi Nhơn, tỉnh Bình Định 152 - Trạm Quy Nhơn, tỉnh Bình Định - Trạm Tuy Hịa, tỉnh Phú Yên 153 - Trạm Sơn Hòa, tỉnh Phú Yên - Trạm Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa 154 - Trạm Cam Ranh, tỉnh Khánh Hòa - Trạm Nha Hố, tỉnh Ninh Thuận 155 - Trạm Phan Rang, tỉnh Ninh Thuận - Trạm Hàm Tân, tỉnh Bình Thuận 156 - Trạm Phan Thiết, tỉnh Bình Thuận * Ghi chú: Đường nét đứt màu đỏ thể giá trị số SPI, cột màu xanh thể giá trị số SPEI Phụ lục 3.2 Tương quan SSTA, SOI với số SPI, SPEI theo không gian Phụ lục 3.2.1 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 157 Phụ lục 3.2.2 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.3 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.4 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 158 Phụ lục 3.2.5 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.6 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.7 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 159 Phụ lục 3.2.8 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.9 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.10 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = 10 tháng) 160 Phụ lục 3.2.11 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = 11 tháng) Phụ lục 3.2.12 Tương quan SSTA với số SPI, SPEI (độ trễ j = 12 tháng) Phụ lục 3.2.13 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 161 Phụ lục 3.2.14 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.15 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.16 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 162 Phụ lục 3.2.17 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.18 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.19 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) 163 Phụ lục 3.2.20 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.21 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = tháng) Phụ lục 3.2.22 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = 10 tháng) 164 Phụ lục 3.2.23 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = 11 tháng) Phụ lục 3.2.24 Tương quan SOI với số SPI, SPEI (độ trễ j = 12 tháng) 165 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGUYỄN THÁI HÀ XÂY DỰNG MƠ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI NGUYÊN NƯỚC VÙNG... đến hạn hán xây dựng mơ hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu Mục tiêu nghiên cứu Mục tiêu tổng quát luận án đánh giá diễn biến hạn hán, xây dựng mơ hình cảnh báo sớm hạn khí tượng. .. quản lý tài nguyên nước nước;  Xây dựng cơng nghệ, quy trình ứng dụng sản phẩm dự báo mơ hình tồn cầu cảnh báo hạn Việt Nam Xây dựng đồ dự báo cảnh báo hạn cho tỉnh vùng khí hậu Việt Nam hạn