Nghiên cứu mô phỏng và dự tính xu thế biến đổi của các sự kiện mưa lớn trên khu vực việt nam bằng mô hình khí hậu khu vực

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ NHƯ QUÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ DỰ TÍNH XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC SỰ KIỆN MƯA LỚN TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM BẰNG MÔ HÌNH KHÍ HẬU KHU VỰC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC HÀ NỘI - 2015 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN LÊ NHƯ QUÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ DỰ TÍNH XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC SỰ KIỆN MƯA LỚN TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM BẰNG MƠ HÌNH KHÍ HẬU KHU VỰC Chun ngành: Khí tượng Khí hậu học Mã số: 62 44 02 22 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHÍ TƯỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: GS TS Phan Văn Tân PGS TS Ngô Đức Thành HÀ NỘI - 2015 Lời cam đoan Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết trình bày luận án hồn tồn trung thực chưa công bố cơng trình nghiên cứu khác Tác giả Lê Như Quân Lời cảm ơn Trước tiên, xin chân thành bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến GS TS Phan Văn Tân PGS TS Ngô Đức Thành, người thầy, người hướng dẫn tận tình bảo, định hướng khoa học tạo điều kiện tốt cho thời gian nghiên cứu thực luận án Luận án hoàn thành nhờ hỗ trợ phần từ Dự án “Nghiên cứu thuỷ tai biến đổi khí hậu xây dựng hệ thống thông tin nhiều bên tham gia nhằm giảm thiểu tính tổn thương Bắc Trung Bộ Việt Nam (CPIS)”, mã số 11-P04-VIE DANIDA tài trợ Trong trình tiến hành thực số nghiên cứu, thí nghiệm nhằm bổ sung kết cho luận án, nhận trợ giúp nhiệt tình TS Hồ Thị Minh Hà, Ths Nguyễn Quang Trung giảng viên Khoa Khí tượng, Thủy văn Hải dương học nhiều cán trẻ Khoa, xin cảm ơn giúp đỡ nhiệt tình Tơi xin chân thành cảm ơn GS TS Trần Tân Tiến, PGS TS Vũ Thanh Hằng, TS Trần Quang Đức thầy Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học cung cấp cho kiến thức chuyên môn quý báu, lời khun hữu ích q trình thực luận án Tôi xin gửi lời cảm ơn đến Khoa Khí tượng Thủy văn Hải dương học, Phịng Sau Đại học, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên tạo điều kiện giúp đỡ tổ chức hoạt động học tập nghiên cứu cách tận tình giúp tơi nhận nhiều ý kiến đóng góp để hoàn thiện luận án Luận án thực thiếu nguồn động viên, giúp đỡ to lớn từ gia đình tơi, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu nặng đến người thân u gia đình, đặc biệt bố tơi Cuối cùng, bạn bè, đồng nghiệp Viện Vật lý Địa cầu - Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Vụ Khoa học, Cơng nghệ Mơi trường Văn phịng Quốc hội nơi khác, tơi xin tỏ lịng biết ơn chân thành tạo điều kiện có góp ý hữu ích chun mơn chia sẻ sống Mục lục Lời cam đoan Lời cảm ơn Mục lục Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Danh mục hình Danh mục bảng 10 MỞ ĐẦU 12 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU MƯA LỚN VÀ MƯA CỰC TRỊ 17 1.1 Tác động tượng cực đoan mưa lớn 17 1.1.1 Thiệt hại tượng cực đoan mưa lớn 18 1.1.2 Sự quan tâm cộng đồng khoa học tượng mưa lớn 21 1.2 Các nghiên cứu mưa lớn mưa cực trị 23 1.2.1 Nghiên cứu mưa lớn mưa cực trị giới 23 1.2.2 Nghiên cứu mưa lớn, mưa cực trị Việt Nam 34 1.3 Những vấn đề nghiên cứu mưa lớn mưa cực trị 40 CHƯƠNG II THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM, SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 55 2.1 Thiết kế thí nghiệm mơ mưa lớn mưa cực trị .56 2.1.1 Q trình phát triển mơ hình RegCM 56 2.1.2 Cấu hình cho mơ hình RegCM4 60 2.1.3 Số liệu đầu vào cho RegCM4 62 2.2.Số liệu phương pháp đánh giá 63 2.2.1 Số liệu APHRODITE 64 2.2.2 Các số mưa lớn, mưa cực trị 65 2.2.3 Phương pháp phân tích đánh giá khả mơ RegCM4 68 2.3 Thí nghiệm dự tính biến đổi mưa lớn, mưa cực trị 73 2.3.1 Các kịch phát thải SRES RCPs 73 2.3.2 Thiết kế thí nghiệm dự tính mưa lớn, mưa cực trị 76 CHƯƠNG III KẾT QUẢ VÀ ĐÁNH GIÁ 78 3.1 Khả mô mưa lớn, mưa cực trị mô hình RegCM4 .78 3.1.1 Khả mơ mưa lớn, mưa cực trị vùng khí hậu 83 3.1.2 Khả mô mưa lớn, mưa cực trị theo mùa 88 3.2 Khả mô biến đổi kiện mưa lớn, mưa cực trị 100 3.2.1 Khả mô biến đổi mưa lớn, mưa cực trị vùng khí hậu 104 3.2.2 Khả mô biến đổi mưa lớn, mưa cực trị theo mùa .109 3.3 Dự tính biến đổi kiện mưa lớn, mưa cực trị .121 3.3.1 Sự biến đổi kiện mưa lớn, mưa cực trị kỷ 21 .123 3.3.2 Sự biến đổi kiện mưa lớn, mưa cực trị cuối kỷ 21 .129 KẾT LUẬN 137 DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CỦA TÁC GIẢ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 PHỤ LỤC 155 Danh mục ký hiệu chữ viết tắt AMS American Meteorology Society - Hiệp hội khí tượng Mỹ APN Asia-Pacific Network - Mạng lưới Châu Á - Thái Bình Dương AR4 Fourth Assessment Report - Báo cáo đánh giá thứ tư IPCC AR5 Fifth Assessment Report - Báo cáo đánh giá thứ năm IPCC BMRC Bureau of Meteorology Research Centre - Cục nghiên cứu khí tượng trung ương Úc CLIVAR Climate Variability and Predictability - Dự án biến đổi khí hậu khả dự báo CMAP CPC Merged Analysis of Precipitation - Phân tích tổ hợp giáng thủy trung tâm dự báo khí hậu thuộc NOAA CRU Climate Research Unit - Nhóm nghiên cứu khí hậu thuộc trường đại học đông Anglia ECA&D European Climate Assessment & Dataset project - Dự án số liệu đánh giá khí hậu Châu âu ETCCDI Expert Team on Climate Change Detection and Indices - Nhóm chuyên gia xác định số hóa biến đổi khí hậu FAR First Assessment Report - Báo cáo đánh giá thứ IPCC GCM Global Climate Model - Mơ hình khí hậu toàn cầu GDP Gross Domestic Product - Tổng sản phẩm quốc nội GPCP Global Precipitation Climatology Project - Dự án giáng thủy khí hậu tồn cầu IPCC Intergovernmental Panel on Climate Change - Ủy ban liên phủ biến đổi khí hậu MJO Madden Julian Oscillation - Dao động Madden - Julian NOAA National Oceanic and Atmospheric Administration - Cục quản lý đại dương khí quốc gia Mỹ PDO Pacific Decadal Oscillation - Dao động thập kỷ Thái Bình Dương RCM Regional Climate Model - Mơ hình khí hậu khu vực RCPs Representative Concentration Pathways SAR Second Assessment Report - Báo cáo đánh giá thứ hai IPCC SOI Southern Oscillation Index - Chỉ số giao động nam SRES Special Report on Emissions Scenarios - Báo cáo chuyên đề kịch phát thải IPCC SREX Special Report Managing the Risks of Extreme Events and Disasters to Advance Climate Change Adaptation - Báo cáo chuyên đề Quản lý rủi ro kiện cực đoan thảm họa để tăng khả thích ứng với biến đổi khí hậu TAR Third Assessment Report - Báo cáo đánh giá thứ ba IPCC WMO World Meteorological Organization - Tổ chức khí tượng giới Danh mục hình Hình 1.1 Thiệt hại kinh tế thiên tai, (a) Trung bình tồn cầu [Field cộng sự, 2012], (b) Việt Nam (www.ccfsc.gov.vn) 19 Hình 1.2 Bản đồ xu biến đổi số R95p, (a) [Alexander cộng sự, 2006], (b) [Frich cộng sự, 2002] 24 Hình 1.3 Bản đồ số Rx1d, (a) quan trắc, (b) mơ hình HadRM2, (c) mơ hình HadRM3 [Fowler cộng sự, 2005] 28 Hình 1.4 Biểu đồ tần suất số PQ90 P5MAX (tương ứng với R90p Rx5d) mùa xuân mô quan trắc [Boroneant cộng sự, 2006] 29 Hình 1.5 Bản đồ hệ số tương quan (%) số Rx1d quan trắc mô hình [Kunkel cộng sự, 2002] 30 Hình 1.6 Các cách tiếp cận phát triển kịch [Wayne, 2013] 51 Hình 3.1 Bản đồ số Rx1d Rx5d trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 79 Hình 3.2 Bản đồ số R95p R99p trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 80 Hình 3.3 Bản đồ số R50 NHS trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 82 Hình 3.4 Biểu đồ giá trị số Rx1d (a), Rx5d (b), R95p (c), R99p (d), R50 (e) NHS (f) số liệu trạm, số liệu APHRODITE mô mơ hình RegCM4 vùng khí hậu 83 Hình 3.5 Bản đồ số Rx1d trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 mùa năm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 88 Hình 3.6 Bản đồ số Rx5d trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 mùa năm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 89 Hình 3.7 Bản đồ số R95p trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 mùa năm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 90 Hình 3.8 Bản đồ số R99p trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 mùa năm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 91 Hình 3.9 Bản đồ số R50 trung bình khoảng thời gian từ năm 1961 đến năm 2000 mùa năm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 92 Hình 3.10 Bản đồ số NHS trung bình khoảng thời gian từ nãm 1961 ðến nãm 2000 mùa nãm quan trắc mô (○: biểu thị số liệu trạm) 93 Hình 3.11 Biểu đồ giá trị số Rx1d (a), Rx5d (b), R95p (c), R99p (d), R50 (e) NHS (f) số liệu trạm, số liệu APHRODITE mơ mơ hình RegCM4 mùa 95 Hình 3.12 Bản đồ biến đổi số Rx1d Rx5d thời kỳ 1981-2000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mơ hình (đơn vị: %; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 100 Hình 3.13 Bản đồ biến đổi số R95p R99p thời kỳ 1981-2000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mơ hình (đơn vị: %; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 102 Hình 3.14 Bản đồ biến đổi số R50 NHS thời kỳ 1981-2000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mơ hình (đơn vị: ngày với R50 đợt với NHS; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 103 Hình 3.15 Bản đồ biến đổi số Rx1d theo mùa thời kỳ 19812000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mơ hình (đơn vị: %; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 110 Hình 3.16 Bản đồ biến đổi số Rx5d theo mùa thời kỳ 19812000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mơ hình (đơn vị: %; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 111 Hình 3.17 Bản đồ biến đổi số R95p theo mùa thời kỳ 19812000 thời kỳ 1961-1980 quan trắc mô hình (đơn vị: %; điểm chấm biểu thị có ý nghĩa thống kê) 112 Sai số tuyệt đối trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Trung Bộ Mùa (mm Đông Xuân Hè Thu Sai số tuyệt đối trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Nguyên Mùa (mm Đông Xuân Hè Thu Sai số tuyệt đối trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu (mm 160 Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Bắc Bộ Mùa (mm Đông Xuân Hè Thu Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đông Bắc Bộ Mùa (mm Đơng Xn Hè Thu Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đồng Bằng Bắc Bộ Mùa (mm Đơng Xn Hè Thu Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Bắc Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu (mm 161 Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Trung Bộ Mùa (mm Đông Xuân Hè Thu Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Nguyên Mùa (mm Đơng Xn Hè Thu Sai số bình phương trung bình số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu (mm 162 Phụ lục Bảng độ lệch tương đối sai số bình phương trung bình sai số tuyệt đối trung bình bốn mùa năm phân vùng khí hậu lãnh thổ Việt Nam Độ lệch tương đối RMSE MAE vùng Tây Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm Độ lệch tương đ Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm Độ lệch tương đối RMSE MAE vùng Đồng Bằng Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm 163 Độ lệch tương đối RMSE MAE vùng Bắc Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm Độ lệch tương đối Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm Độ lệch tương đối Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm Độ lệch tương đối Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm 164 Độ lệch tương đối RMSE MAE lãnh thổ Việt Nam Mùa Đông Xuân Hè Thu Cả năm 165 Phụ lục Bảng hệ số tương quan thời gian, tỷ lệ lưới có xu quan trắc mô bốn mùa năm phân vùng khí hậu, Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đông Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đồng Bằng Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Bắc Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu 166 Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Nguyên Mùa Đông Xuân Hè Thu Hệ số tương quan thời gian số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu 167 Tỷ lệ lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Tỷ lệ ô lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đông Bắc Bộ Mùa Đông Xn Hè Thu Tỷ lệ lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Đồng Bằng Bắc Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Tỷ lệ lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Bắc Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu 168 Tỷ lệ lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Trung Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu Tỷ lệ ô lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Tây Nguyên Mùa Đông Xuân Hè Thu Tỷ lệ lưới có xu số mưa lớn, mưa cực trị vùng Nam Bộ Mùa Đông Xuân Hè Thu 169 Phụ lục Bảng mức độ chênh lệch tương đối xu biến đổi kịch RCP8.5 so với RCP4.5 Mức độ chênh lệch tương đối xu biến đổi kịch RCP8.5 so với RCP4.5 giai đoạn kỷ 21 vùng khí hậu Vùng B1 B2 B3 B4 N1 N2 N3 Mức độ chênh lệch tương đối xu biến đổi kịch RCP8.5 so với RCP4.5 giai đoạn kỷ 21 theo mùa Mùa Đông Xuân Hè Thu 170 Mức độ chênh lệch tương đối xu biến đổi kịch RCP8.5 so với RCP4.5 giai đoạn cuối kỷ 21 vùng khí hậu Vùng B1 B2 B3 B4 N1 N2 N3 Mức độ chênh lệch tương đối xu biến đổi kịch RCP8.5 so với RCP4.5 giai đoạn cuối kỷ 21 theo mùa Mùa Đông Xuân Hè Thu 171 ... TỰ NHIÊN LÊ NHƯ QUÂN NGHIÊN CỨU MÔ PHỎNG VÀ DỰ TÍNH XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA CÁC SỰ KIỆN MƯA LỚN TRÊN KHU VỰC VIỆT NAM BẰNG MÔ HÌNH KHÍ HẬU KHU VỰC Chun ngành: Khí tượng Khí hậu học Mã số: 62 44 02... khả mơ mơ hình khí hậu khu vực kiện mưa lớn dự tính biến đổi kiện mưa lớn cho khu vực Việt Nam chưa làm rõ 1.3 Những vấn đề nghiên cứu mưa lớn mưa cực trị Nghiên cứu xu biến đổi mưa lớn thực [Iwashima... với thay đổi mưa lớn Việt Nam Những đóng góp luận án Trên sở mơ dự tính xu biến đổi kiện mưa lớn, mưa cực trị khu vực Việt Nam mơ hình khí hậu khu vực RegCM4, tác giả luận án nghiên cứu, đánh