Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất và mô hình mưa thiết kế tại Hà Nội

Biến đổi khí hậu (BĐKH) là một vấn đề nóng hiện nay với những tác động mạnh mẽ tới các hiện tượng thời tiết cực đoan, trong đó có sự thay đổi của mưa cực trị. Bài viết này nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất và mô hình mưa thiết kế tại Hà Nội.

BÀI BÁO KHOA HỌC NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN ĐƯỜNG QUAN HỆ CƯỜNG ĐỘ MƯA - THỜI ĐOẠN - TẦN SUẤT VÀ MÔ HÌNH MƯA THIẾT KẾ TẠI HÀ NỘI Ngơ Lê An1, Phạm Mỹ Linh2, Nguyễn Thanh Thuỷ1 Tóm tắt: Biến đổi khí hậu (BĐKH) vấn đề nóng với tác động mạnh mẽ tới tượng thời tiết cực đoan, có thay đổi mưa cực trị Bài báo nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng BĐKH đến đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất mô hình mưa thiết kế Hà Nội Nghiên cứu sử dụng phương pháp Tỷ lệ đơn giản nhằm chi tiết hoá lượng mưa thời đoạn dài thiết kế thời đoạn ngắn Mơ hình mưa thiết kế xây dựng theo phương pháp Khối xen kẽ Sự thay đổi lượng mưa tương lai theo kịch BĐKH mơ bốn mơ hình khí hậu vùng (RCM) Kết mơ mơ hình hiệu chỉnh sai số nhằm phù hợp với điều kiện địa phương Kết nghiên cứu cho thấy, dù có khác biệt định lượng đáng kể mơ hình khí hậu, đường IDF có xu tăng mạnh hai trạm đo Láng Hà Đông tần suất thời đoạn khác Tương ứng, mơ hình mưa thiết kế cho gia tăng đỉnh mưa so với thời kì Từ khố: Biến đổi khí hậu, IDF, mơ hình mưa thiết kế, Hà Nội ĐẶT VẤN ĐỀ* Biến đổi khí hậu (BĐKH) gia tăng nhiệt độ toàn cầu dẫn đến ảnh hưởng mạnh mẽ tới hình thời tiết cực đoạn, đặc biệt mưa cực trị Đã có nghiên cứu cho thấy, thời kỳ lặp lại ứng với lượng mưa lớn năm chắn suy giảm vào cuối kỉ 21 ((IPCC), 2012), hay nói cách khác tần suất để xuất trận mưa đặc biệt lớn ngày cao Theo báo cáo Bộ Tài nguyên Môi trường kịch BĐKH nước biển dâng cho Việt Nam, lượng mưa ngày lớn có xu gia tăng toàn lãnh thổ với mức độ thay đổi từ 10 đến 50% (Bộ Tài nguyên Môi Trường, 2016) Do vậy, nguy Việt Nam phải thường xuyên đối mặt với vấn đề thiên tai lũ lụt xảy thời gian tới ngày nhiều Đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn tần suất (IDF) đường mô tả mối quan hệ cường độ mưa, thời đoạn mưa ứng với thời Trường Đại học Thuỷ lợi Viện Khoa học Khí tượng Thuỷ văn Biến đổi khí hậu 54 kỳ lặp lại khác Đường IDF sử dụng toán thiết kế tài nguyên nước, đặc biệt liên quan tới toán tiêu nước thị Sự thay đổi mưa cực trị dẫn đến thay đổi đường quan hệ IDF Vì thế, việc nghiên cứu tác động BĐKH đến đường IDF tương lai mơ hình mưa thiết kế có vai trị quan trọng công tác quy hoạch, quản lý tiêu nước thị cơng tác phịng tránh giảm nhẹ tác hại thiên tai Hà Nội thành phố quan trọng Việt Nam với vai trị thủ trị, văn hoá kinh tế Các vấn đề ngập lụt mưa lớn có tác động lớn đến kinh tế xã hội thành phố nói riêng nước nói chung Vì thế, mục tiêu nghiên cứu tập trung đánh giá tác động BĐKH đến thay đổi đường quan hệ cường độ mưa thời đoạn – tần suất mơ hình mưa thiết kế tương ứng cho thành phố Hà Nội Đã có nhiều nghiên cứu tác động BĐKH đến đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất mơ hình mưa thiết kế Nhìn chung, cách tiếp cận nghiên cứu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) dựa phân tích xu chuỗi liệu thực đo sử dụng kết mơ mưa mơ hình khí hậu Đối với phương pháp phân tích xu thế, số nghiên cứu xác định xu biển đổi theo thời gian đặc trưng mưa thời đoạn từ liệu mưa thực đo để từ xác định chúng tương lai (Denault, Millar and Lence, 2006; Ologhadien, 2019) Đối với cách tiếp cận thứ hai, nghiên cứu thường sử dụng mơ hình khí hậu mô các đặc trưng mưa tương lai Sự biến đổi lượng mưa thời đoạn ngắn mơ trực tiếp mơ hình khí hậu ước tính phương pháp thống kê dựa mối quan hệ thời đoạn ngắn-dài (Prodanovic and Simonovic, 2007; Wang, Huang and Liu, 2014) Cách tiếp cận thứ có ưu điểm đơn giản không gắn trực tiếp với kịch BĐKH cụ thể Với cách tiếp cận thứ hai, số lượng số liệu cần mô thu thập, phân tích địi hỏi lớn, đặc biệt với trường hợp sử dụng mơ hình khí hậu mơ đặc trưng mưa thời đoạn ngắn Do vậy, nghiên cứu thường sử dụng kết hợp mơ hình khí hậu mơ khí hậu tương lai sau sử dụng phương pháp thống kê để ước tính thay đổi đặc trưng mưa thời đoạn khác Đây cách tiếp cận nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Các bước nghiên cứu đánh giá tác động BĐKH đến đường quan hệ cường độ mưa – thời đoạn – tần suất mơ hình mưa thiết kế thể hình Từ số liệu mưa thực đo thời đoạn ngắn, báo cáo sử dụng phân bố cực trị Gumbel tính tốn xây dựng đường quan hệ cường độ mưa thời đoạn - tần suất Sau đó, phương pháp chi tiết hoá mưa thời đoạn ngắn Tỷ lệ đơn giản (Simple Scale) xây dựng tính toán thử nghiệm cho giai đoạn Lượng mưa thời kì tương lai theo kịch biến đổi khí hậu mơ mơ hình RCMs Phương pháp hiệu chỉnh sai số phân vị kinh nghiệm áp đụng để hiệu chỉnh lượng mưa mô từ mơ hình cho phù hợp với điều kiện địa phương Do lượng mưa mơ theo RCMs thường có thời đoạn ngày Phương pháp Tỷ lệ đơn giản tính tốn chi tiết hoá lượng mưa theo kịch biến đổi khí hậu thời đoạn ngắn nhằm xây dựng đường IDF cho thời kì tương lai Mơ hình mưa thiết kế xây dựng dựa phương pháp Khối xen kẽ (Chow, Maidment and Mays, 1988) Các phân tích thay đổi lượng đường quan hệ IDF mơ hình mưa thiết kế giai đoạn tương lai so với thời kỳ BĐKH đưa Hình Các bước nghiên cứu 2.1 Hàm xác suất xây dựng đường IDF Để tính tốn cường độ mưa lớn thời đoạn ứng với thời kỳ lặp lại khác nhau, phân bố xác suất cực trị thường sử dụng nhóm phân bố cực trị tổng quát GEV, Gumbel hay Pearson III Trong nghiên cứu này, hàm phân bố xác suất Gumbel (Gumbel, 1935) lựa chọn để mơ tả tần suất lượng mưa thời đoạn ngắn có dạng: (1) Trong đó, Fd tần suất cường độ lượng mưa lớn thời đoạn d,   trị số vị trí tỷ lệ, tính theo trị số trung bình µd độ lệch chuẩn d theo công thức sau: ; Trị số cường độ i lớn thời đoạn d ứng với thời kỳ lặp lại T tính theo cơng thức: (2) 2.2 Hiệu chỉnh sai số Kết mô mưa từ mơ hình RCM thường có sai khác so với thực tế việc giản hố KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 55 mô phức tạp trình hình thành mưa phạm vi nhỏ (địa phương) Do vậy, lượng mưa mô theo kịch BĐKH từ mơ hình RCM hiệu chỉnh theo phương pháp hiệu chỉnh phân vị kinh nghiệm có dạng (Piani et al., 2010): (3) Với Pm lượng mưa mô phỏng, P0 lượng mưa sau hiệu chỉnh, Fm F0 tương ứng hàm phân bố xác suất lượng mưa mô thực đo 2.3 Chi tiết hoá lượng mưa thời đoạn ngắn – Phương pháp Tỷ lệ đơn giản Gupta Waymire phát triển khái niệm tỷ lệ dựa chứng thực nghiệm cho thấy tính bất biến tỷ lệ thời đoạn khác mưa (Gupta and Waymire, 1990) Sau đó, Burlando Rosso ứng dụng mơ hình tỷ lệ để xây dựng mối quan hệ lượng mưa - thời đoạn - tần suất sử dụng phân bố xác suất log chuẩn (Burlando and Rosso, 1996) Sau đó, có nhiều nghiên cứu việc đánh giá, sử dụng phương pháp tỷ lệ việc phân tích tính chất mưa cực trị thực (Menabde, Seed and Pegram, 1999; Willems, 2000; Nhat et al., 2007) Nếu coi Id ID tương ứng cường độ mưa lớn năm thời đoạn d D, phương pháp Tỷ lệ đơn giản (Menabde, Seed and Pegram, 1999) giả thiết quan hệ cường độ mưa thời đoạn ngắn Id với cường độ mưa thời đoạn dài ID có dạng: (4) Với  hệ số tỷ lệ, dấu " " hiểu phân bố xác suất đồng hai vế phương trình Điều dẫn đến, nâng hai vế phương trình (4) với hệ số mũ q kết hợp với đẳng thức (4) ta được: (5) Trong E[] kỳ vọng, q bậc moment Lấy logarit hai vế phương trình (5) để xác định trị số q: ) (6) Từ tập hợp kết q xác định từ phương trình (6), ta xác định hệ số tỷ lệ  Theo phương pháp Tỷ lệ đơn giản, hệ số  có tính chất bất biến 2.4 Dữ liệu 2.4.1 Dữ liệu thực đo Tại Hà Nội, hai trạm khí tượng sử dụng để nghiên cứu Láng Hà Đông với thời đoạn mưa 5, 10, 15, 30, 60, 90, 120, 180, 360, 720 1440 phút Dữ liệu đo đạc lấy từ năm 1980 đến 2013 2.4.2 Dữ liệu mô BĐKH Nghiên cứu sử dụng kết mô mưa thời đoạn ngày mô hình khí hậu vùng (RCM) theo hai kịch RCP 4.5 RCP8.5 Tên mơ quan phụ trách thể bảng Bảng Các mơ hình khí hậu sử dụng nghiên cứu TT Mơ hình RCM Mơ hình GCM biên Kí hiệu Độ phân giải Cơ quan Cộng đồng mơ hình khí hậu giới hạn vùng Cộng đồng mơ hình khí hậu giới hạn vùng Trung tâm Khí tượng, Viện khí tượng Max Planck, Đức Viện nghiên cứu khí tượng quốc gia Hàn Quốc CCLM5-0-2 EC-EARTH EC 0,44ox0,44o CCLM5-0-2 MPI-ESM-LR CC 0,44ox0,44o REMO2009 MPI-ESM-LR RM 0,44ox0,44o HadGEM3-RA HadGEM2-AO HG 0,44ox0,44o 2.4.3 Các kịch nghiên cứu Thời kỳ nghiên cứu lựa chọn từ năm 1980 - 2013, trùng với thời kỳ thu thập liệu Thời gian chuỗi số 34 56 năm đủ dài để đảm bảo độ tin cậy kết nghiên cứu Hai giai đoạn tương lai lựa chọn xem xét 2030-2059 2060-2089 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 3.1 Xây dựng đường IDF thực đo Từ chuỗi số liệu lượng mưa lớn thời đoạn ngắn từ năm 1980 đến 2013 hai trạm Láng Hà Đông, sử dụng phân bố tần suất Gumbel tính tốn trị số mưa lớn thời đoạn ứng với thời kỳ lặp lại khác Kết tính tốn thể hình Hình Đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất thực đo Láng Hà Đông 3.2 Xác định thông số phương pháp Tỷ lệ đơn giản Tính chất tỷ lệ mưa thời đoạn khác phân tích quan hệ thời đoạn trị số moment bậc q (phương trình 5) khác thể hình (trái) (ví dụ cho trạm Láng) Kết cho thấy, quan hệ thời đoạn mưa trị số moment bậc q coi tuyến tính Hình Quan hệ thời đoạn moment bậc q (trái) q hệ số moment q (phải) trạm Láng Hệ số tỷ lệ q từ hình vẽ với hệ số moment q thể hình (phải) cho thấy mối quan hệ hồi quy tuyến tính hai biến tốt với R2 xấp xỉ 0,99 Hệ số góc đường quan hệ hệ số tỷ lệ cần tìm trạm Láng Áp dụng phương pháp tỷ lệ đơn giản tính tốn xây dựng lại đường quan hệ cường độ mưa - thời đoạn - tần suất cho hai trạm Láng Hà Đông từ liệu mưa thực đo thời đoạn ngày Kết đường IDF cho số thời kỳ lặp lại điển hình thể hình cho thấy đường IDF xây dựng theo phương pháp Tỷ lệ đơn giản từ lượng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 57 mưa thời đoạn ngày phù hợp với số liệu thực đo, thể khả ứng dụng tính tốn chi tiết hoá lượng mưa thiết kế thời đoạn ngắn từ thời đoạn dài Hình Đường IDF tính tốn theo phương pháp Tỷ lệ đơn giản (mơ phỏng) so với thực đo cho hai trạm Láng (trái) Hà Đơng (phải) 3.3 Hiệu chỉnh sai số mơ hình RCM Do kết mơ hình RCM mơ có nhiều sai số, bước hiệu chỉnh sai số theo phương pháp định bậc kinh nghiệm cải thiện tốt chất lượng mô thể bảng Bảng Đánh giá phương pháp hiệu chỉnh sai số cho lượng mưa ngày lớn Trạm Láng Hà Đơng Tham số Thực đo Trung bình (mm) Độ lệch chuẩn (mm) Trung bình (mm) Độ lệch chuẩn (mm) 137.0 61.1 126.3 49.6 Kết đánh giá cho thấy, trước hiệu chỉnh, trị số trung bình lượng mưa ngày lớn 58 HG EC CC RM Trước hiệu chỉnh 75.4 85.7 94.5 165.1 39.5 29.2 36.7 109.3 75.4 85.7 94.5 165.1 39.5 29.2 36.7 109.3 HG EC CC RM Sau hiệu chỉnh 136.0 141.8 147.1 143.3 59.0 67.9 64.2 59.9 125.1 127.3 134.0 132.5 51.0 55.7 54.3 51.1 độ lệch chuẩn có khác biệt đáng kể so với thực đo Kết sau hiệu chỉnh KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) cho tham số thống kê trung bình độ lệch chuẩn xấp xỉ với thực đo thể mức độ hiệu cần thiết phương pháp hiệu chỉnh sai số Do áp dụng bước hiệu chỉnh cho số liệu mô tương lai cho kết đáng tin cậy 3.4 Biến động lượng mưa ngày lớn Áp dụng phương pháp hiệu chỉnh sai số vào liệu mô tương lai mơ hình RCM, kết đánh giá thay đổi (%) lượng mưa ngày lớn so với thời kỳ thể bảng Bảng Sự thay đổi (%) đặc trưng lượng mưa ngày lớn Trạm Giai đoạn 2030-2059 Láng 2060-2089 Hà Đông 2030-2059 2060-2089 Đặc trưng µ  µ  µ  µ  EC 3.2 52.6 30.6 98.3 5.4 29.2 19.3 45.2 CC RM RCP4.5 22.3 -6.7 149.1 -35.3 16.3 -8.1 83.6 -41.6 8.2 4.1 75.0 -5.8 10.9 1.1 42.4 -9.6 Từ kết bảng cho thấy, nhìn chung lượng mưa ngày lớn trung bình giai đoạn có xu tăng mơ hình kịch bản, ngoại trừ mơ hình REMO2009 3.5 Đường quan hệ IDF tương lai Từ chuỗi số liệu mưa ngày lớn tương lai theo kịch BĐKH mô mơ hình RCM, xác định trị số HG EC 11.2 -16.9 16.9 52.1 24.2 0.8 26.7 63.5 35.5 143.5 33.2 154.5 24.8 60.3 20.2 87.6 CC RM RCP8.5 42.6 -7.9 152.7 -15.4 21.7 -10.0 89.3 -43.7 30.7 0.0 54.7 3.7 18.1 1.7 41.1 -10.6 HG 1.6 -0.8 32.0 71.4 6.5 5.4 39.9 67.1 mưa ngày lớn ứng với thời kỳ lặp lại khác Sau áp dụng phương pháp Tỷ lệ đơn giản để tính tốn lượng mưa thiết kế thời đoạn ngắn hơn, từ xây dựng đường quan hệ IDF cho hai giai đoạn tương lai 20302059 2060-2089 với hệ số tỷ lệ  cho hai trạm Láng Hà Đông xác định mục 3.2 Ví dụ kết trạm Láng trình bày hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) 59 Hình Đường quan hệ IDF Láng giai đoạn 2030-2059 (trái) 2060-2089 (phải) Đường nét đậm giai đoạn nền, đường nét mỏng tương ứng kết mô RCM 3.6 Sự thay đổi mơ hình mưa thiết kế Phương pháp Khối xen kẽ sử dụng để xây dựng mơ hình mưa 24 nghiên cứu Phương pháp Khối xen kẽ xây dựng mơ hình mưa nhân tạo dựa đường quan hệ IDF theo cách tiếp cận lượng mưa khoảng (hay khối) xác định cho độ sâu tổng cộng khoảng thời gian tâm trận mưa độ sâu lượng mưa xác định từ đường cong IDF khoảng thời gian (Chow, Maidment and Mays, 1988) Áp dụng phương pháp Khối xen kẽ kết hợp với đường IDF thời kỳ tương lai xác định mục 3.5, kết mô thay đổi mơ hình mưa Hà Nội (tính cho thời đoạn với thời gian mưa 24 giờ) trình bày hình Hình Mơ hình mưa thiết kế Láng Hà Đông thời kỳ (nét đậm) tương lai theo mơ hình RCM (nét mảnh) Kết hình cho thấy, trạm Hà Đơng, mơ hình mưa cho xu chắn tăng 60 đáng kể thời điểm tâm mưa gần tồn mơ hình RCM cho kết cao so với KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 67 (12/2019) thời kỳ Trong đó, trạm Láng, khoảng nửa số mơ hình (RM HG) cho đỉnh mưa mơ hình mưa thấp so với thời kì khơng đáng kể (