So sánh một số phương pháp chi tiết hóa sự biến đổi mưa trên lưu vực sông Cả trong bối cảnh biến đổi khí hậu

Bài viết giới thiệu 2 phương pháp mô phỏng sự biến đổi mưa năm trên lưu vực sông Cả dựa trên kết quả của mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu HadCM3 và tài liệu thực đo mưa tại 12 trạm trên lưu vực. Từ đó đánh giá cụ thể hơn về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nguồn nước mưa trên lưu vực.

SO SáNH MộT Số PHƯƠNG PHáP CHI TIếT HóA Sự BIếN ĐổI MƯA TRÊN LƯU VựC SÔNG Cả TRONG BốI CảNH BIếN ĐổI KHí HậU Cự Th Phng1 Túm tt: Biến đổi khí hậu vấn đề nóng bỏng hồn cảnh Sự biến đổi khí hậu tương lai mơ mơ hình biến đổi khí hậu tồn cầu (GCMs) Tuy nhiên mơ hình GCMs có tỷ lệ thơ so với biến đổi yếu tố khí tượng vùng, mưa Do phương pháp chi tiết hóa yếu tố khí tượng (downscaling) ứng dụng để mơ biến đổi mưa tương lai chi tiết cho vùng, trạm khảo sát Bài viết giới thiệu phương pháp mô biến đổi mưa năm lưu vực sông Cả dựa kết mơ hình biến đổi khí hậu tồn cầu HadCM3 tài liệu thực đo mưa 12 trạm lưu vực Từ đánh giá cụ thể ảnh hưởng biến đổi khí hậu đến nguồn nước mưa lưu vực GIỚI THIỆU VÙNG NGHIÊN CỨU Khu vực nghiên cứu lựa chọn lưu vực sơng Cả phần diện tích thuộc lãnh thổ Việt Nam tính đến trạm Yên Thượng Lưu vực thuộc Bắc Trung Bộ Phần diện tích nằm Việt Nam chiếm 17.730 km2 Lưu vực sông Cả nằm vùng thời tiết khí hậu nhiệt đới gió mùa Chịu ảnh hưởng khối khơng khí chính: Khối khơng khí cực đới lục địa, khối khơng khí xích đạo- Thái Bình Dương, khối khơng khí Ấn Độ Dương Các loại hình thời tiết gây đa dạng khí hậu lưu vực Theo kịch biến đổi khí hậu Bộ Tài nguyên Môi trường 2009, xây dựng cho vùng Bắc Trung Bộ, lượng mưa năm tăng nhẹ qua thời kỳ hiển thị bảng Tuy nhiên nghiên cứu xu biến đổi mưa trạm quan trắc lưu vực, nhận thấy lượng mưa năm có xu giảm Do nghiên cứu tập trung khảo sát biến đổi mưa chi tiết 12 trạm khí tượng, phân bố tương đối đồng lưu vực Bảng 1: Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng cho vùng Bắc Trung Bộ [1] Kịch Mức thay đổi lượng mưa (%) B1 B2 A2 2020 2040 2070 2100 1.5 1.5 1.8 3.1 3.1 3.0 4.7 5.7 5.9 5.0 7.7 9.7 Trong nghiên cứu lựa chọn 12 trạm khí tượng phân bố tương đối đồng lưu vực có số liệu đo mưa tương đối đầy đủ từ năm 1958 đến nay: Thác Muối, Con Cuông, Tương Dương, Khe Lá, Mường Xén, Vinh, 72 Khoa Thủy văn Tài nguyên nước - Trường Đại học Thủy lợi Quỳ Châu, Quỳ Hợp, Tây Hiếu, Đô Lương, Nghĩa Lợi, Bất Mọt Vị trí trạm đo mưa hiển thị hình 1.2 phương pháp ứng dụng nghiên cứu là: Tạo thời tiết ngẫu nghiên theo chuỗi (Series weather generation) phân tích tương quan đa biến (Transper function) để chi tiết hóa lượng mưa từ mơ hình khí tượng tồn cầu HadCM3 cho KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) lượng mưa ngày 12 trạm nói cho tương lai tính đến năm 2099 Hình Phân bố trạm khí tượng lưu vực sơng Cả Phương pháp nghiên cứu: a Phương pháp Tạo chuối thời tiết ngẫu nghiên (Series weather generation): Trong phương pháp chuỗi mưa mô theo chuỗi Markov bậc [10] Sơ đồ mô phương pháp tạo thời tiết ngẫu nhiên mơ hình Phương pháp bao gồm bước: Mô ngày có mưa, khơng mưa mơ lượng mưa ngày có mưa Hình 2: Sơ đồ tạo chuỗi Markov Mơ ngày có mưa, khơng mưa: Nếu gọi tần suất xuất mưa ngày p11 ngày trước có mưa p01 tần suất xuất mưa ngày ngày trước khơng mưa Như p01 p11 xác suất có điều kiện gọi tần suất chuyển đổi Hay chuyển đổi đại lượng đại p 01 lượng đơn giản r :    p 01  p11 r1  p11  p 01  tần suất xuất mưa trung bình ngày r đặc trưng thể hệ số tự tương quan chuỗi ngày có mưa Trạng thái thời tiết xác định theo ngày cách gieo giá trị ngẫu nhiên u có phân bố khoảng (0;1) so sánh với giá trị p01 p11 Nếu ngày trước ngày mưa so sánh u với p11, ngày trước ngày khơng mưa so sánh u với p01 Nếu u lớn p01 p11 ngày mưa Tuy nhiên, nghiên cứu sử dụng phương pháp mơ chuỗi ngày khơng mưa (hoặc có mưa) liên tục Chuỗi ngày khơng mưa (hoặc có mưa) liên tục xác định theo phân bố bán thực nghiệm [5] Phân bố bán thực nghiệm Emp = {a0, ai, hi với i=1, ….,10} biểu đồ bao gồm 10 khoảng giá trị (ai-1, ai) tương ứng với khoảng số trường hợp ngẫu nhiên hi rơi vào khoảng giá trị thứ i Trong khoảng giá trị, giá trị chuỗi ngày mưa (không mưa) liên tục xác định theo phân bố Ưu điểm phân bố bán thực nghiệm tính mền dẻo việc xây dựng hình dạng phân bố xác xuất đại lượng ngẫu nhiên Tuy nhiên hạn chế mơ hình có tới 21 thơng số, thay 2, thông số phân bố thông thường ví dụ phân bố Gamma hay phân bố mũ Mơ lượng mưa ngày có mưa Đối với ngày có mưa, lượng mưa mô theo phân bố bán thực nghiệm lượng mưa ngày Phân bố xây dựng riêng lẻ cho tháng b hương pháp phân tích tương quan đa biến kết hợp với phương pháp tạo thời tiết ngẫu nhiên KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 73 Trong phương pháp này, trạng thái thời tiết tính tốn theo số thời tiết Oi công thức đây, phụ thuộc vào trạng thái thời tiết SH, U, H ngày phụ thuộc vào số thời tiết ngày trước Oi-1[5]: Oi     Oi 1Oi 1   SH SH i   uU i   H H i Trong i thông số Nếu giá trị ngẫu nhiên u  Oi ngày có mưa Lượng mưa ngày có mưa mơ dựa tương quan đa biến yếu tố khí tượng ngày đại lượng ngẫu nhiên  có kỳ vọng phương sai 1, có hàm phân bố chuẩn phương trình sau: Ri  exp(    SH SH i   uU i   H H i   i ) Giá trị mô lượng mưa cuối xác định sau: E(Ri )  .CR exp(0  SH SHi  uUi   H Hi ) Với CR hệ số hiệu chỉnh xu mưa  hệ số biến đổi (bias correction) Các biến thời tiêt sử dụng là: Độ cao địa vị 500 hPa, 850 hPa, độ ẩm tuyệt đối bề mặt, độ ẩm tuyệt đối độ cao địa vị 500hPa; độ ẩm tương đối dịng xốy gió ỨNG DỤNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG LƯỢNG MƯA NGÀY: Kết mơ từ mơ hình biến đổi khí hậu tồn cầu HadCM3 sử dụng để chi tiết hóa lượng mưa ngày cho tương lai ứng với kịch gốc A2 B2 12 trạm đo mưa lưu vực Bước thời gian tính tốn lựa chọn ngày Thời khoảng từ 1961 đến 1990 lựa chọn để hiệu chỉnh mơ hình khoảng thời gian từ 1991 đến 2001 sử dụng để kiểm định mơ hình b Kết hiệu chỉnh kiểm định Hiệu chỉnh kiểm định phương pháp Tạo thời tiết ngẫu nhiên: Kiểm định mơ hình phương pháp thực kiểm định thống kê Kolmogorov-Smirnov thơng số mơ hình: kiểm định thống kê chuỗi ngày khơng mưa (có mưa) liên tục, kiểm định thống kê với kỳ vọng phương sai chuỗi lượng mưa ngày cho 12 tháng năm Trong bảng 2,3 hiển thị kết hiệu chỉnh thơng số mơ hình trạm Quỳ Châu Kết kiểm định trạm đo khác tham khảo tài liệu [3] Bảng 2: Kiểm định thống kê Kolmogorov-Smirnov chuỗi số ngày khơng mưa (có mưa) liên tục trạm Quỳ Châu Mùa Chuối ngày liên tiếp KS-test p-Value XII-II Không Mưa mưa 0.3 0.19 0.22 0.78 III-V Không Mưa mưa 0.32 0.23 0.16 0.50 VI-VIII Không Mưa mưa 0.22 0.34 0.58 0.10 IX-XI Không Mưa mưa 0.22 0.14 0.59 0.96 Bảng 3: Kiểm định thống kê giá trị kỳ vọng phương sai chuỗi lượng mưa ngày trạm Quỳ Châu Tháng  (thực đo) 2(thực đo)  (mô phỏng) 2 (mô 74 I II III IV V VI VII VIII 14.87 13.13 28.31 85.68 226.18 200.89 198.30 275.65 17.55 11.89 24.22 54.70 92.48 86.15 114.40 111.28 17.32 14.06 37.90 88.29 208.84 187.07 198.80 293.44 15.07 14.61 25.38 50.88 89.55 76.80 95.19 104.52 IX 306.95 176.35 363.21 170.41 X 233.35 168.54 264.56 153.43 XI 56.08 73.69 82.36 87.64 XII 17.90 17.82 27.81 30.78 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) Tháng phỏng) KS-test P t_test KS test P F-test I II III IV V VI -0.74 0.46 1.36 0.30 -0.34 0.73 1.51 0.16 -1.90 0.06 1.10 0.75 -0.24 0.81 1.16 0.62 0.94 0.35 1.07 0.82 0.84 0.41 1.26 0.43 Từ bảng thấy giá trị p nằm khoảng cho phép Đối với tháng mùa mưa, giá trị p cao 0.40.8 cho thấy mô hình ứng dụng tốt tháng mưa nhiều Các tháng mùa khơ lượng mưa kiểm định thống kê chuỗi lượng mưa ngày cho giá trị nhỏ, tháng 12 giá trị p=0.00 lượng mưa tháng khơng đáng kể Do thơng số tháng 12 đánh giá thông qua kiểm định chuỗi ngày không mưa liên tục bảng Giá trị p tháng mùa khô cho chuỗi ngày không mưa liên tục tương đối cao đạt tới 0.78 thông số mơ hình chấp nhận sử dụng để mô lượng mưa tương lai VII VIII IX -0.02 -0.81 -1.60 0.98 0.42 0.11 1.44 1.13 1.07 0.21 0.67 0.81 X XI XII -0.95 0.34 1.21 0.52 -1.60 0.11 1.41 0.24 -1.94 0.06 2.98 0.00 Hiệu chỉnh kiểm định theo phương pháp phân tích tương quan đa biến kết hợp Bộ thơng số mơ hình phương pháp bao gồm thông số thống kê chuỗi ngày mưa (không mưa) liên tục, thông số hàm chuyển đổi tuyến tính đa biến Hiệu chỉnh kiểm định mơ hình thực dựa tiêu chí: Hiệu chỉnh giá trị lượng mưa ngày tần suất Xp% tính tốn thực đo Hiệu chỉnh kỳ vọng phương sai tháng năm Giai đoạn từ 1961 đến 1990 sử dụng để hiệu xác định thông số, giai đoạn từ 1991 đến 2001 sử dụng để kiểm mơ hình Bộ thơng số sau kiểm định lần kiểm định số liệu mơ mơ hình HadCM3 cho kịch gốc A2 B2 giai đoạn từ 1961 đến 2001 b a b c Hình 3: Kết hiệu chỉnh mơ hình: (a) Đồ thị tương quan giá trị Xp tính tốn thực đo, (b) So sánh kỳ vọng tính tốn thực đo theo tháng, (c) So sánh phương sai tính tốn thực đo a b c Hình 4: Kết hiệu chỉnh mơ hình theo giá trị thực đo từ 1990-2001 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 75 Hiệu chỉnh kiểm định thực 12 chuỗi mưa 12 trạm mưa lưu vực Kết hiệu chỉnh kiểm định trạm Quỳ Châu hiển thị hình 3,4,5 Kết hiệu chỉnh kiểm định trạm đo khác tham khảo tài liệu [3] Nhìn chung, hiệu chỉnh kiểm định cho thấy mơ hình tương đối ổn định a b c Hình 5: Kết hiệu chỉnh mơ hình theo kịch A2 giai đoạn 1961-2001 đổi lượng mưa biến động lớn theo tháng năm Trong tháng mùa mưa lượng mưa tháng có xu giảm nhẹ kịch Tuy nhiên tháng mùa khơ, theo kịch A2 lượng mưa có xu tăng nhẹ Nhưng kịch B2 lượng mưa giảm mạnh Có tháng Quỳ châu lượng mưa giảm tới 20% tháng 12 Các tháng 3, lượng mưa giảm tương đối mạnh KẾT QUẢ MƠ PHỎNG: Khi xác định thơng số mơ hình Tiến hành mơ lượng mưa ngày 12 điểm quan trắc lưu vực đến năm 2099 tính tốn thay đổi mưa bối cảnh biến đổi khí hậu qua giai đoạn: 2011-2040; 2041-2070; 2071-2099 cho kịch gốc A2 B2 Kết hiển thị hình 6, 7, 8, Qua đồ thị nhận thấy thay Sự biến đổi mưa theo kịch A2 Trạm Quỳ Châu Sự biến đổi mưa theo kịch B2 Trạm Quỳ Châu 40 80 Hình 6: Sự biến đổi mưa tháng qua thời kỳ chi tiết hóa trạm Quỳ Châu Giai đoạn 2011-2040 60 20 Giai đoạn 2041-2070 Giai đoạn 2071-2099 40 er er mb ce ve mb 20 De No r er be er er mb mb ve ce De r er No be em pt Giai đoạn 2071-2099 -60 Oc t ob ly st Se Ju gu Au y ne Ma Ju h rc Ap Ma y ry ar ua nu Ja br -20 Giai đoạn 2041-2070 r il Giai đoạn 2011-2040 -40 Fe em pt Se Oc t ob ly st Ju gu Au y ne Ma Ju h ril rc Ap Ma ry ua nu br Ja -20 Fe ar y -40 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2011-2040 Kịch A2 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2041-2070 Kịch A2 15.00 30.00 10.00 20.00 5.00 10.00 WG WG RR -15.00 -20.00 Sự biến đổi mưa trạm lưu vực khác tùy thuộc vào vùng Đối với trạm phía Nam lưu vực thượng nguồn sơng Cả (Thác Muối, Mường xén, Con Cuông, Khe Lá) lượng mưa năm có xu 76 nh Vi Kh e Cu n -10.00 Co Co -10.00 Lá 0.00 ôn g Vi nh Lá Kh e Cu RR n -5.00 ôn g 0.00 Hình 7: Sự biến đổi mưa năm (%) theo kịch A2 tính theo phương pháp Tạo thời tiết ngẫu nhiên Phân tích tương quan kết hợp tăng Ngược lại vùng thuộc hệ thống sông Hiếu, lượng mưa qua thời kỳ giảm Tuy nhiên mức độ giảm lượng mưa mô phương pháp có khác rõ rệt KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2071-2099 Kịch A2 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2011-2040 Kịch B2 10.00 40.00 30.00 0.00 20.00 Vi WG 10.00 nh n Co RR -10.00 Co n WG RR h Lá in Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2041-2070 Kịch B2 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2071-2099 Kịch B2 20.00 20.00 10.00 10.00 Lá Kh e h ng Vin -10.00 Cu ô Kh e Lá ng nh Vi Cu ô Co n WG 0.00 RR Co n WG 0.00 -20.00 he -20.00 -20.00 -10.00 K V Lá e -10.00 Kh Cu ôn g 0.00 g ơn Cu RR Hình : Sự biến đổi mưa năm (%) theo kịch A2 B2 tính theo phương pháp Hình : Sự biến đổi mưa năm (%) theo kịch B2 tính theo phương pháp -20.00 Trong phương pháp Phân tích tương quan kết hợp cho ta thấy lượng mưa năm có giao động lớn trạm đo lưu vực, phương pháp Tạo thời tiết ngẫu nhiên cho ta thấy biến đổi tương đối điều hịa Trong phương pháp phân tích tương quan kết hợp cho phép can thiệp sâu đến hệ thống lưu vực, phản ánh thay đổi địa hình đến hồn lưu khí mơ hình khí tượng tồn cầu mùa năm, phản ánh biến động mưa theo mùa theo vùng cách tốt Trong phương pháp Phân tích tương quan kết hợp cho phép kiểm định thơng số mơ hình theo chuỗi: kiểm định theo số liệu thực đo điểm (chuỗi mưa đo trạm đo) với số liệu thực đo theo vùng, sau kiểm định số liệu thực đo điểm với số liệu mô từ mơ hình Do đó, nhìn chung phương pháp Phân tích tương quan kết hợp có độ tin cậy cao Thảo luận kiến nghị Lưu vực sông Cả lưu vực có mức độ hạn hán vào mùa khô tương đối lớn Nhất biến đổi khí hậu tồn cầu gia tăng Bằng phương pháp trên, viết đưa hướng tiếp cận tương đối phù hợp lưu vực sông Cả nghiên cứu lượng mưa – nguồn cấp nước cho hệ thống sơng ngịi lưu vực So sánh phương pháp đánh giá cho thấy lượng mưa lưu vực biến đổi không Phương pháp tương quan đa biến kết hợp cho thấy vùng thuộc nguồn dịng sơng Cả, phía nam lưu vực (Mường Xén, Con Cng, Thác Muối, Khe Lá) lượng mưa năm có xu tăng từ 10% đến 32% theo kịch A2 Kịch B2 cho thấy lượng mưa tăng nhẹ từ 5% đến 15% Ngược lại vùng thượng nguồn sông Hiếu hạ lưu sông Cả lượng mưa năm giảm Lượng mưa năm giảm đến 16% kịch A2 B2 Tuy nhiên, diện tích lưu vực có lượng mưa giảm chiếm ưu So với phương pháp tương quan đa biến, phương pháp tạo thời tiết ngẫu nhiên cho kết tương đối điều hòa Ở giai đoạn 2011-2070 lượng mưa năm giảm đến 10% kịch A2 B2 Giai đoạn 2071-2099 lượng mưa năm tăng nhẹ Nguyên nhân khác biệt kết phương pháp tính tốn phương pháp tương quan đa biến kết hợp cho phép dựa kết mô hình khí tượng tồn cầu can thiệp sâu vào hệ thống mơ mơ hình tạo thời tiết ngẫu nhiên hồn tồn dựa thơng số thống kê Tuy nhiên phương pháp cho phép mơ lượng mưa ngày Do thích hợp cho việc nghiên cứu dòng chảy bối cảnh biến đổi khí hậu lưu vực nghiên cứu KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) 77 Lượng mưa năm trung bình lưu vực nghiên cứu giảm Đây thử thách vùng, vùng hạ lưu sơng vấn đề ứng phó với biến đổi khí hậu tương lai Lượng mưa giảm dẫn đến nguồn nước sông giảm, làm cho mùa khô khan nước lại trở nên khắc nghiệt Do vấn đề bảo vệ, điều hòa phân bổ nguồn nước hợp lý cần phải có tham gia cộng đồng xã hội, nhà quản lý đồng thời cần đến hỗ trợ nhà nước việc định, sách nâng cao nhận thức cộng đồng biến đổi khí hậu, bảo vệ môi trường xã hội Tài liệu tham khảo Kịch biến đổi khí hậu, nước biển dâng, 2009, Bộ Tài nguyên Môi trường Carter T.R (2004) "General guideline on the use of scenario data for climate impact and adaptation assessment " Intergovernmental Panel on Climate Change Version2 Cu Thi Phuong, 2011, Impacts of climate change on runoff and reservoir system regulation of Ca river in Vietnam Small Grant project, AusAID MONRE (2009) Integrated water resources management of Ca basin Wilks D.S (1998) "Multisite generalization of a daily stochastic precipitation generation model." Journal of Hydrology 210 Abstract: COMPARISION OF SEVERAL DOWNSCALING METHODS OF RAINFALL IN CA RIVER BASIN UNDER CLIMATE CHANGE Climate change is an challenge problem worldwide Climate change is simulated by a number of Global Climate Models (GCMs) which have very coarse resolution Downscaling methods are used to simulate rainfall more details Weather generation and Transfer function are typical downscaling methods and have been successfully applied to many areas in the world This paper compares these two methods of downscaling daily rainfall series at 12 stations across Ca basin based on global climate model HadCM3 Người phản biện: PGS.TS Nguyễn Bá Quỳ 78 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 36 (3/2012) ... 0.00 g ôn Cu RR Hình : Sự biến đổi mưa năm (%) theo kịch A2 B2 tính theo phương pháp Hình : Sự biến đổi mưa năm (%) theo kịch B2 tính theo phương pháp -20.00 Trong phương pháp Phân tích tương quan... Bằng phương pháp trên, viết đưa hướng tiếp cận tương đối phù hợp lưu vực sông Cả nghiên cứu lượng mưa – nguồn cấp nước cho hệ thống sơng ngịi lưu vực So sánh phương pháp đánh giá cho thấy lượng mưa. .. y -40 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2011-2040 Kịch A2 Sự biến đổi mưa năm giai đoạn 2041-2070 Kịch A2 15.00 30.00 10.00 20.00 5.00 10.00 WG WG RR -15.00 -20.00 Sự biến đổi mưa trạm lưu vực khác