Bài báo trình bày một số kết quả thử nghiệm dự báo hạn hán bằng chỉ số mưa chuẩn hóa (SPI). Phương pháp dự báo sử dụng phân tích tương quan canon (CCA) nhằm chuyển thông tin dự báo của các mô hình toàn cầu về các khu vực quan tâm. Kết quả nhận được cho thấy hứa hẹn khả năng có thể ứng dụng công nghệ này cho bài toán dự báo hạn hán tại Việt nam.
NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI THỬ NGHIỆM DỰ BÁO HẠN HÁN TẠI VIỆT NAM BẰNG SẢN PHẨM DỰ BÁO CỦA MỘT SỐ MƠ HÌNH TỒN CẦU Mai Văn Khiêm(1), Tạ Hữu Chỉnh(2), Nguyễn Thị Diễm Hương(2) (1) Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn Mơi trường (2) Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Trung ương ài báo trình bày số kết thử nghiệm dự báo hạn hán số mưa chuẩn hóa (SPI) Phương pháp dự báo sử dụng phân tích tương quan canon (CCA) nhằm chuyển thông tin dự báo mô hình tồn cầu khu vực quan tâm Kết nhận cho thấy hứa hẹn khả ứng dụng cơng nghệ cho tốn dự báo hạn hán Việt nam Từ khóa: Dự báo, hạn hán, mơ hình B Mở đầu Hạn hán tượng thiếu hụt lượng mưa kéo dài khu vực địa lý, thiếu hụt mưa đóng vai trị quan trọng việc làm giảm hàm lượng ẩm khơng khí hàm lượng nước đất, suy kiệt dịng chảy sơng, suối, hạ thấp mực nước ao, hồ,…Kết gây ảnh hưởng không tốt đến sinh trưởng phát triển trồng, làm mơi trường suy thối dẫn tới đói, nghèo, dịch, bệnh Nguyên nhân gây hạn hán có nhiều, song tập trung chủ yếu hai nguyên nhân: 1) Nguyên nhân khách quan khí hậu, thời tiết bất thường làm lượng mưa ít, thời thiếu hụt; 2) Nguyên nhân chủ quan người chặt phá rừng, cấu trồng không phù hợp với điều kiện khí hậu vùng, hoạt động phát thải khí nhà kính làm biến đổi khí hậu nói chung Giải vấn đề liên quan đến dự báo hạn hán Việt Nam có số cơng trình đề tài cấp nhà nước KC08.22 Nguyễn Quang Kim [1, 2] xây dựng mơ hình hệ thống giám sát cảnh báo sớm, số giải pháp giảm nhẹ hạn hán Tây Nguyên Nam Trung Bộ,…Nghiên đề cập sử dụng số số dự báo giám sát hạn cho khu vực Tây Nguyên Nam Bộ như: Chỉ số mưa chuẩn hóa SPI (Standarded precipitation index), số cấp nước mặt SWSI Song cơng trình nghiên cứu dừng lại vấn đề giám sát, dự báo dựa phương pháp thống kê truyền thống xây dựng phương trình dự báo hạn thơng tin ENSO (El Nino and Southern Oscilation index) Các phương pháp dự báo mưa chủ yếu dựa quan hệ toán học thay quan hệ vật lý thực xảy khí Vì nhiều trường hợp không mang lại hiệu quả, đặc biệt giai đoạn khí hậu có nhiều biến đổi Để nâng cao khả dự báo mưa – nguyên nhân dẫn tới hạn khí tượng, báo đề cập đến việc xây dựng công nghệ dự báo hạn hán gắn liền với dự báo khí hậu hạn ngắn thời hạn tháng, mùa số mơ hình khí hậu tồn cầu Trong cơng nghệ này, kết dự báo mưa chuẩn hóa truyển tải từ kết dự báo số mơ hình tồn cầu thơng qua kỹ thuật “chi tiết hóa thống kê” Phương pháp phân tích tương quan canon sử dụng nhằm xây dựng mối quan hệ dự báo mô hình khí hậu động lực biến đổi yếu tố mưa chuẩn hóa quan trắc khu vực quan tâm Phương pháp số liệu a Mơ hình dự báo khí hậu số Mơ hình dự báo khí hậu số xây dựng dựa hệ phương trình thủy động học , mơ tả mối liên quan biến trường khí thực như: Nhiệt độ, độ ẩm, áp suất,…Khác với phương pháp thống kê truyền thống, mơ hình dự báo số cho phép dự báo trình vận động thực sóng khí thơng qua mối liên hệ chất Từ hy vọng khả dự báo tốt so với phương pháp thống kê b Các phương pháp số tương quan canon (CCA – Canonical Correlation Analysis) Phương pháp tương quan canon (CCA) sử TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 03 - 2014 21 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI dụng rộng rãi tốn dự báo khí hậu hán ngắn nhằm mục đích chuyển thơng tin dự báo mơ hình tồn cầu khu vực quan tâm Phương pháp cho phép xây dựng mối quan hệ toán biến đổi yếu tố quan trắc địa phương với trường dự báo mơ hình khí hậu động lực kỹ thuật cực đại hóa mối quan hệ tuyến tính hai trường Đồng thời phép phân tích có khả tuyển chọn tín hiệu quan trọng hai trường số liệu, từ hy vọng nhiều việc tìm kiếm mối quan hệ vật lý thực khí phương pháp tốn thuộc (1982-2002) Chỉ số mưa chuẩn hóa SPI (standard precipitation index) sử dụng để tính tốn dự báo hạn khí tượng [1, 2] tương đồng định, cao tháng Hệ số tương quan chuẩn sai ACC (anomaly correlation coefficient) sử dụng để đánh giá mối quan hệ tuyến tính dự báo mơ hình quan trắc [2] tháng mùa mưa (tháng 5-9) giá trị ACC thấp c Số liệu Số liệu dự báo số mơ hình khí hậu số thu thập từ trung tâm khí hậu Châu Á APCC (APEC climate center) bao gồm số biến dự báo khí như: Lượng mưa tháng (mùa); áp suất mực mặt biển tháng (mùa); độ cao địa vị mực 500mb tháng (mùa); nhiệt độ khơng khí mực mét tháng (mùa) Số liệu tái phân tích từ năm 1982 – 2002; số liệu dự báo 2009 đến Số liệu mưa chuẩn hóa SPI tháng (mùa) lấy từ 148 trạm quan trắc bề mặt toàn quốc, thời kỳ từ năm 1982 đến 2010 Hệ số tương quan (ACC) nhận từ Hình đánh giá mối quan hệ tuyến tính giá trị SPI dự báo từ mơ hình khí hậu giá trị SPI quan trắc Chỉ số ACC trạm chín khu vực nhận giá trị dương, thấp xấp xỉ 0, cao xấp xỉ 0,8, tập trung cao khoảng từ 0,5 đến 0,7 Có thể thấy rõ ràng rằng, trị số ACC tỉnh phía bắc đất nước khu vực Bắc Bộ (xấp xỉ 0,7) có xu vượt trội khu vực Trung Bộ (0,5), Tây Nguyên Nam Bộ ( 0,6) Giá trị ACC khu vực Bắc Bộ Nam Bộ có mùa khơ, cụ thể tháng 1-4 tháng 11, 12 Bắc Bộ; tháng 2-4 tháng 11, 12 Nam Bộ Trong thấp hẳn tháng số khu vực (Tây Bắc, Việt Bắc, Bắc Trung Bộ Tây Nguyên) Điều cho thấy, chất lượng dự báo mùa khơ có xu hướng cao mùa mưa Tuy nhiên tháng mùa mưa, Bắc Bộ, tháng 6, tháng tháng 10 thể tương quan tốt, hầu hết 0,6 Ở Tây Nguyên Nam Bộ, tháng mùa mưa, tháng tháng 10 thể tương quan cao 0,6 Trên khu vực Trung Bộ, giá trị ACC cao tập trung vào tháng2 tới thời kì từ tháng 10 tới tháng 12, thời kì trọng điểm xảy hạn nặng vào mùa hè từ tháng tới tháng cực nam Trung Bộ; kết dự báo thể tốt với nhóm Kết thảo luận trạm phía bắc Con Cng, Vinh thấp a Kết dự báo lại chuỗi số liệu phụ 0,3 với nhóm trạm Đồng Hới Quy Nhơn Q y Hình Hệ số tương quan số SPI số liệu dự báo mô hình số liệu quan trắc thực tế, từ xuống cho khu vực Bắc Bộ, Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ, thời kỳ 1982-2002; trục nằm ngang tháng đến 12; trục thẳng đứng giá trị ACC 22 TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 03 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Hình Số liệu dự báo quan trắc chí số SPI, giai đoạn 1992-1998 số địa điểm Hình dẫn kết dự báo quan trắc số SPI (1992-1998) Nhìn chung, dao động hai đường biến trình (dự báo quan trắc) có xu tương đối đồng điệu thể mối quan hệ chặt kết dự báo lại từ mơ hình quan trắc Cụ thể, dự báo mơ hình bắt xu hụt mưa thời kỳ xảy hạn nặng khu vực Hà Nội tháng 8/1992, tháng 4/1994, tháng 4/1995 tháng 7/1998; khu vực Phan Thiết tháng 8/1993, tháng 11/1994, tháng 10/1997, tháng 7/1998; khu vực Ayunpa tháng 6/1997, tháng 7/1998, khu vực Cần Thơ tháng 10/1994, tháng 6/1997, tháng 5/1998 b Một số kết dự báo thử nghiệm Bảng đến Bảng trình bày kết dự báo hạn mơ hình khí hậu số số mưa chuẩn hóa (SPI), cho dự báo tháng 1/2014 (Bảng đến 3), dự báo mùa tháng 1-3/2014 (Bảng đến 6) TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 03 - 2014 23 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Bng K t qu d báo h n khu v c B'c B (d báo tháng 1/2014) Mơ Hình HMC IRI CWB POAMA NCEP MGO GDAPS Sông Mã + + + Phù n ++ + + Hịa Bình ++ + + + + + Bắc Mê ++ + + + + + Lục Ngạn ++ + + ++ + Hà Nội ++ + + + + Ninh Bình ++ + + + Bng K t qu d báo h n khu v c Trung B (d báo tháng 1/2014) Mơ Hình HMC IRI CWB POAMA NCEP MGO GDAPS Thanh Hóa ++ - Hà Tĩnh ++ - Dồng Hới ++ - Dong Ha ++ - Huế ++ - Trà My ++ - Nha Trang - Bng K t qu d báo h n khu v c Tây Nguyên Nam B (d báo tháng 1/2014) Mơ Hình HMC IRI CWB POAMA NCEP MGO GDAPS An Khê + ++ - AyunPa + ++ - BM Thuot + ++ - Buôn Hồ + ++ - Đồng Phú + + - Tây Ninh ++ + - Cao Lãnh ++ + + Ký hi u: (-) khơng x y hn, (+) có hn, (++) hn nng Kết nhận bảng đến cho thấy dự báo tỉnh Bắc Bộ hiển thị rõ khả xuất hạn, kết dự báo mơ hình khoảng nửa dự báo có xuất hạn Trong đó, điển hình có mơ hình như: HMC dự báo xuất hạn nặng Phù n, Hịa Bình, Bắc Mê, Lục Ngạn, Hà Nội, Ninh Bình; MGO dự báo hạn nặng Lục Ngạn Khu vực tỉnh Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ dự báo chủ yếu có khoảng từ đến mơ hình dự báo hạn, mơ hình cịn lại khơng cho hạn Bng K t qu d báo h n khu v c B'c B (d báo tháng 1-3/2014) Hòa Bình Văn Chấn Bảo Lạc Lục Ngạn Hà Nội Ninh Bình Mơ Hình Phù n HMC ++ - + - - - - IRI - ++ ++ ++ ++ ++ ++ CWB - - + - - - - POAMA - - - - - - - NCEP - + + + + + + MGO - - - - - - - GDAPS + - + + + - - Bng K t qu d báo h n khu v c Trung B (d báo tháng 1-3/2014) Thanh Hóa Mơ Hình Hà Tĩnh Dồng Hới Trà My Qui Nhơn Nha Trang HMC - - - ++ + ++ ++ IRI ++ ++ ++ - - + + CWB - - - - - - - POAMA - - - - - - - NCEP - - - + + - - MGO - + + - - + + - - - - - - - GDAPS 24 Tây Hiếu TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 03 - 2014 NGHIÊN CỨU & TRAO ĐỔI Bng K t qu d báo h n khu v c Tây Nguyên Nam B (d báo tháng 13/2014) Mơ Hình An Khê AyunPa BMThuot Đồng Phú Tây Ninh Mỹ Tho Cần Thơ HMC - - - - - - - IRI + + + - - - - CWB + - ++ - - - - POAMA - - - - - - - NCEP + - - - - - - MGO - - - + + + + GDAPS - - - - - - - Kết dự báo cho mùa ba tháng (tháng 13/2014) bảng đến cho kết gần tương tự dự báo tháng, dự báo tỉnh Bắc Bộ xuất hạn, có mơ hình cho hạn nặng IRI HMC Trong đó, khu vực tỉnh Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ có khoảng đến mơ hình cho xuất hạn So sánh kết dự báo với số liệu mưa quan trắc thực tế toàn quốc cho thấy, tháng 1/2014 phổ biến khu vực toàn quốc cho xuất hạn Như vậy, theo kết dự báo tổ hợp khu vực Bắc Bộ bắt hạn, khu vực Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ khoảng mơ hình dự báo có hạn Đối với dự báo mùa tháng (tháng 1-3/2014) cần theo dõi tiếp chưa có số liệu mưa quan trắc để so sánh Kết luận Từ kết nhận phân tích trên, rút nhận xét sau: + Khả dự báo hệ thống mơ hình động lực chuỗi số liệu phụ thuộc tương đối khả quan, tương quan mức 0,5-0,6, số trường hợp lên 0,7 Thực tế hệ thống mơ hình bắt thời kỳ xảy hạn nặng khứ + Trên chuỗi số liệu độc lập, cụ thể dự báo tháng 1/2014, phổ biến mơ hình bắt hạn xảy khu vực Bắc Bộ, khu vực khác Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ có khoảng từ 1-2 mơ hình bắt hạn + Khi xây dựng phương trình dự báo, cơng nghệ có sử dụng kỹ thuật kiểm nghiệm chéo với ô liệu chiết suất bước tính toán để tránh hiệu ứng “quá khớp” Do vậy, kết tính tốn thử nghiệm chuỗi số liệu phụ thuộc tin tưởng + Chuỗi số liệu dự báo mơ hình có biên độ dao động nhỏ chuỗi quan trắc, sử dụng số tính tốn trực tiếp từ chuỗi dự báo khơng tìm thấy hạn Cơng nghệ sử dụng kỹ thuật chuyển thông tin hạn từ chuỗi dự báo sang chuỗi thực tế cách tìm ngưỡng phân vị xảy hạn chuỗi phụ thuộc Lời cảm ơn: Bài báo hoàn thành nhờ trợ giúp từ đề tài cấp Nhà nước “Nghiên cứu xây dựng hệ thống dự báo, cảnh báo hạn hán cho Việt Nam với thời hạn đến tháng” thuộc Chương trình KC.08/11-15 Tài liệu tham khảo Nguyễn Quang Kim, 2005 Đánh giá trạng phân tích diễn biến hạn theo số hạn, báo cáo tổng kết đề tài cấp nhà nước KC08.22 Nguyễn Văn Thắng NNK, 2009 Tình hình hạn hán tác động năm gần Việt Nam, Tạp chí khoa học lần thứ XIII Viện KTTV, tr.318-323 3.S.Wilks Daniel, 2006 Statistical method in the atmospheric sciences, second edition TẠP CHÍ KHÍ TƯỢNG THỦY VĂN Số tháng 03 - 2014 25 ... Ayunpa tháng 6/1997, tháng 7/1998, khu vực Cần Thơ tháng 10/1994, tháng 6/1997, tháng 5/1998 b Một số kết dự báo thử nghiệm Bảng đến Bảng trình bày kết dự báo hạn mơ hình khí hậu số số mưa chuẩn... nhận bảng đến cho thấy dự báo tỉnh Bắc Bộ hiển thị rõ khả xuất hạn, kết dự báo mơ hình khoảng nửa dự báo có xuất hạn Trong đó, điển hình có mơ hình như: HMC dự báo xuất hạn nặng Phù n, Hịa Bình,... dự báo hạn nặng Lục Ngạn Khu vực tỉnh Trung Bộ, Tây Nguyên Nam Bộ dự báo chủ yếu có khoảng từ đến mơ hình dự báo hạn, mơ hình cịn lại khơng cho hạn Bng K t qu d báo h n khu v c B'c B (d báo