Thời gian hạn được định nghĩa là tổng số các tháng xảy ra hạn hán (hạn xảy ra dựa theo chỉ số), một đợt hạn được định nghĩa là thời kỳ xảy ra hạn liên tục dựa trên chỉ số hạn (ví dụ như SPI nhỏ hơn -1.0 hoặc thấp hơn). Mức độ hạn hán (MĐH) được xác định theo biểu thức 16 khi các hạn xảy ra (indexi) [25], [34]]:
MDH = |∑ indexi
TGH
i=1
| ; 𝐼 =MĐH
TGH (16)
Trong đó: i là một tháng/tuần; indexi là giá trị của chỉ số hạn; TGH, MĐH, và I là thời gian, mức độvà cường độ hạn hán.
CHƯƠNG 3
ĐẶC ĐIỂM VÀ XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA HẠN HÁN 3.1 Đặc điểm và xu thế biến đổi của hạn khí tượng
3.1.1 Mối quan hệ của các chỉ số hạn
Như đã trình bày về đầu ra của chương trình tính tốn chỉ số hạn scPDSI, bao gồm có nhiều chỉ số như PDSI nguyên bản, WPLM, scPDSI. Tuy nhiên, luận văn đã khảo sát 3 chỉ số này, nhận thấy chỉ số WPLM ít có sự khác biệt với PDSI, nhưng scPDSI thường thiên hướng khuếch đại hạn hán và mối quan hệ với các chỉ số khác thấp hơn so với PDSI, do đó luận văn chọn PDSI cùng với các chỉ số J, SPI- 1t (SPI được tính tốn từ lượng mưa tháng) và SPI-12t (được tính từ tổng lượng mưa 12 tháng; một ví dụ vào cuối tháng 2 được tính tốn dựa trên tổng lượng mưa tháng 3 đến tháng 12 năm trước và tháng 1, 2 trong năm hiện tại so với trung bình nhiều năm của tổng lượng mưa cùng thời kỳ, tương tự như vậy việc tính tốn sẽ từng bước trượt cho mỗi tháng) để đánh giá hạn khí tượng cho khu vực Tây Nguyên.
Bảng 3. 1. Hệ số tương quan giữa các chỉ số hạn từ 13 trạm khí tượng, thời kỳ 1979-2017 (n=39năm x 13 trạm = 507 điểm/tháng)
Mối quan hệ/tháng 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 PDSI và J 0.32 0.34 0.42 0.50 0.57 0.40 0.39 0.35 0.43 0.53 0.25 0.29 PDSI và SPI1 0.42 0.44 0.57 0.61 0.63 0.52 0.61 0.57 0.57 0.62 0.57 0.55 PDSI và SPI12 0.60 0.55 0.58 0.62 0.63 0.66 0.70 0.66 0.64 0.61 0.54 0.54 J và SPI1 0.58 0.74 0.74 0.80 0.91 0.78 0.67 0.69 0.79 0.86 0.61 0.57 J và SPI12 0.22 0.13 0.27 0.32 0.32 0.25 0.32 0.38 0.27 0.30 0.27 0.22 SPI1 váPI12 0.21 0.12 0.27 0.32 0.31 0.25 0.32 0.37 0.27 0.30 0.27 0.22
Từ bảng 3.1 thể hiện hệ số tương quan theo tháng (các chỉ số được sắp xếp thành chuỗi số liệu theo tháng của 13 trạm khí tượng) cho thấy, mối tương quan tuyến tính của chỉ số PDSI với j chỉ số SPI-1t, SPI-12t; chỉ số J với SPI-1t, SPI-12t và chỉ số SPI-1t và SPI-12t phổ biến khá cao, từ 0,12 đến 0,91. Hầu hết các mối
quan hệ này đều mang dấu dương biểu thị mối quan hệ thuận biến chỉ thị giá trị của các chỉ số thấp là hạn và cao là ẩm.
Với dung lượng mẫu n=507 ta có t= 1.96 khi =0.05 (5%) và 2.59 khi
=0.01 (1%). Nếu hệ số tương quan của hai biến là rxy=0,09 (t= 1.98) và rxy=0.12
(t=2.65). Nhận thấy, với rxy ≥ 0,09 đều đạt độ tin cậy trên 95% (t > t) và với rxy ≥
0,12 đạt độ tin cậy trên 99% (t > t). Như vậy, hầu hết hệ số tương quan đều đạt độ tin cậy trên 95%. Điều này cho thấy, các chỉ số hạn có mối quan hệ khá tốt. Trong các mối quan hệ này, mối quan hệ giữa chỉ số J và SPI-1t là tốt nhất (rxytừ 0.57 đến 0.91) và giữa PDSI và SPI-12t (rxy từ 0.55 đến 0.7).
Hình 3.1 biểu diễn mối quan hệ của chỉ số PDSI và các chỉ số hạn khí tượng khác nhau trong tháng 1 và tháng 7 cho 13 trạm khí tượng thời kỳ 1979-2017 đã cho thấy trực quan về mối quan hệ của các chỉ số. Sự phù hợp hơn về chỉ số PDSI và SPI-12t được thể hiện khá rõ ở hình 3.1c và 3.1f, các giá trị của chỉ số hạn tập trung hơn, trong khi đó PDSI với chỉ số J và SPI-1t có độ phân tán cao hơn, nhiều giá trị của SPI-1t có xu hướng nhỏ hơn 0 (hạn xảy ra), nhưng PDSI vẫn cịn tình trạng ẩm.
Hình 3. 1. Mối quan hệ của các chỉ số hạn trong tháng 1 (a, b, c) và tháng 7 (d, e, f)
3.1.2 Tần suất của hạn khí tượng a) Tần suất hạn theo tháng
Tần suất xảy ra hạn hán ở Tây Nguyên được ước tính dựa trên ba chỉ số hạn thời kỳ từ 1961-2017 tại các trạm Pleiku, Buôn Mê Thuột, Đà Lạt, và Bảo Lộc, còn các trạm khác từ 1979-2017 được thể hiện trong hình 3.2. Để vẽ hình được rõ dàng
hơn, ở đây luận văn không thể hiện đầy đủ các trạm và chỉ thể hiện một số trạm đại diện trong 5 tỉnh Tây Nguyên, nhìn chung các trạm khác cũng khá tương tự.
Tần suất hạn theo chỉ số J được thể hiện ở hình 3.2a cho thấy, tình trạng hạn hán ở Tây Nguyên tập trung từ tháng 11 đến tháng 4, cao điểm tháng 3 và tháng 4, đây là các tháng ít mưa ở Tây Nguyên. Tần suất hạn hán cao hơn 70% được tìm thấy trong tháng 11, 3 và 4. Tần suất hạn hán xảy ra từ tháng 5 đến tháng 8 (các tháng mùa mưa) tại các trạm như Ayunpa, An Khê, và M'Đrắk từ 30% đến 50%. Các trạm này đều nằm ở phía Đơng khu vực Tây Nguyên (An Khê nằm ở phía Đơng tỉnh Gia Lai, Ayunpa ở phía Đơng Nam của Gia Lai và M'Đrắk nằm ở Đông tỉnh Đắk Lắk).
Tần suất xảy ra hạn hán theo chỉ số SPI-1t được thể hiện ở hình 3.2b cho thấy tần suất hạn thấp hơn so với chỉ số J. Tần suất cao của hạn hán xảy ra là từ tháng 5 đến tháng 10 ở hầu hết các trạm, ngoại trừ Đà Lạt và Bảo Lộc có tần suất cao hơn đáng kể vào tháng 3. Tần suất hạn hán thấp hơn thường được tìm thấy từ tháng 12 đến tháng 1 khoảng 5% đến 10%, thậm chí bằng khơng như tại trạm Pleiku, Kon Tum. Đặc điểm của chỉ số SPI là biểu thị hạn hán tại một vị trí và so sánh cùng thời kỳ (sự thiếu hụt trong các tháng mùa mưa so với cùng thời kỳ), chính vì vậy tần suất hạn có thể cao trong các tháng mùa mưa. Độ lệch tiêu chuẩn của lượng mưa tháng mùa ít mưa cao, dẫn đến giá trị SPI thấp và có thể khơng xảy ra hạn.
Hình 3. 2. Tần suất xảy ra hạn vừa (MD) dựa trên chỉ số: a) chỉ số J, b) chỉ số SPI-1t
quy mô một tháng, và c) chỉ số PDSI
Theo chỉ số PDSI (hình 3.2c), tần suất hạn nhỏ hơn so với chỉ số J, xảy trong phạm vi từ 5% đến hơn 35%. Tần suất cao của hạn hán xảy ra vào tháng 4 tại trạm Bảo Lộc và Pleiku, vào tháng 6 tại Ayunpa, Buôn Ma Thuột và Đà Lạt, vào tháng 8-9 tại trạm An Khê và M'ĐRắk. Các giá trị cao hơn thường thấy trong tháng 1 đến tháng 8 (tần suất hạn phổ biến từ 15-20%), và giá trị thấp hơn thường thấy tháng 9 đến tháng 12 (tần suất hạn phổ biến khoảng 10-15%), ngoại trừ M'ĐRắk. Có thể nhận thấy rằng PDSI được tính tốn trên cở sở ước lượng độ ẩm đất cả tháng trước và tháng hiện tại, do đó tần suất hạn hán thấp vào các tháng ít mưa (tháng 10 đến tháng 12) là do trong năm mưa nhiều, điều kiện ẩm của các tháng mùa mưa vẫn còn đủ để bù đắp cho các tháng này, tần suất hạn cao dần từ các tháng 1 đến tháng 4 hoặc tháng 6, 7 sau đó giảm là do tháng 5 là thời kỳ bắt đầu mùa mưa nhưng vẫn chưa đủ ẩm để bù đắp lại cho sự thiếu ẩm đất trong mùa khơ.
Nhìn chung, phân bố tần suất xảy ra hạn của ba chỉ số có sự khác nhau, chỉ số J cho thấy tần suất cao của hạn hán xảy ra chủ yếu vào mùa khô ở hầu hết các tiểu vùng, và nó thể hiện khá rõ đặc điểm theo mùa ít mưa và mưa ở Tây Nguyên. Trong khi đó chỉ số SPI và PDSI cho thấy tần suất xảy ra hạn hán khơng chỉ mùa ít mưa, thậm chí được tìm thấy trong mùa mưa với tần suất cao.
b) Tần suất hạn theo năm
Tần suất hạn được tính từ điều kiện hạn hàng năm được thể hiện trong hình 3.3, ngoại trừ PDSI là được tính dựa trên điều kiện hạn hàng tháng (ví dụ tại Pleiku, N là tổng các tháng xảy ra điều kiện hạn từ năm 1961-2017, tần suất sẽ được tính =
N/M*100, trong đó M sẽ là 57 năm x 12 tháng = 684). Các điều kiện hạn sẽ được xác định theo ngưỡng: Ẩm ướt (W), hạn vừa (MD) và khô hạn nghiêm trọng (SD).
Tần suất hạn theo chỉ số J hàng năm được thể hiện ở hình 3.3a cho thấy điều kiện ẩm ướt chiếm phần đa trên các trạm ở Tây Nguyên. Ngưỡng hạn MD (20<J<30) xuất hiện ở Ayunpa với tần khoảng 22,5% còn ở các trạm khác xuất hiện với tần suất thấp hoặc không xuất hiện, ngưỡng SD (J < 20) hầu như không xuất hiện.
Theo chỉ số SPI được thể hiện ở hình 3.3b, điều kiện MD (-1.5 < SPI < -1) có
thể xảy ra ở tất cả các các trạm ở Tây Nguyên, từ 5% đến 14,6%, tần suất MD (SPI <-1.5) cao ở các trạm Kon Tum, Pleiku, Ayunpa, Buôn Mê Thuột, Đắk Nông.
Tần suất hạn SD có thể xảy ra với mức thấp hơn từ 1,8% đến 8,3%, tần suất xảy ra cao ở Buôn Hồ, Ayunpa và Đắk Tô với tần suất khoảng 7 đến 9%.
Tần suất của các điều kiện khô hạn được ước tính bởi chỉ số PDSI được thể hiện ở hình 3.3c cho thấy, tần suất xuất hiện ngưỡng MD (-3 < PDSI <-2) từ 9,2% đến 13,9% và tần suất xuất hiện ngưỡng SD (PDSI <-3)từ 2,7% đến 9,0%. Nhìn chung, PDSI có tần suất xuất hiện theo ngưỡng hạn MD và SD cao hơn SPI và có sự khác nhau đáng kể về phân bố tần suất tại các trạm như đối với PDSI hạn MD và SD xảy ra với tần suất cao hơn tại trạm Ayunpa, An Khê, M'ĐRắk, trong khi đó SPI thể hiện cao hơn tại Bn Hồ và Kon Tum.
Nhận thấy, chỉ số J không phù hợp để xác định điều kiện hạn hán hàng năm do lượng mưa hàng năm cao, nếu sử dụng nó cần có nghiên cứu phân lại ngưỡng xuất hiện hạn, kết quả này phù hợp với Vũ Thanh Hằng [24]. Chỉ số PDSI dường như phản ánh điều kiện hạn hán phù hợp với thực tế xảy ra ở Tây Nguyên như khu vực Ayunpa thường xảy ra hạn ở vùng này.
Hình 3. 3. Tần suất xuất hiện hạn khí tượng dựa trên các chỉ số: a) chỉ số J, b)
chỉ số SPI và d) chỉ số PDSI
3.1.3. Thời gian hạn khí tượng
Sự thay đổi liên tục của đặc điểm hạn hán có thể xác định năm hạn hán và sự phân bố không gian của hạn hán trong khu vực nghiên cứu. Sự thay đổi liên tục của các đặc trưng hạn hán thời kỳ 1979 đến 2017 được thể hiện trong hình 3.4 dưới dạng sơ đồ Hovmưller của thời gian hạn (TGH).
Theo phân bố TGH theo chỉ số J ở hình 3.4a cho thấy sự thay đổi liên tục đáng chú ý của các đặc điểm hạn hán cho mỗi trạm, nhưng những năm hạn và đợt hạn chưa được thể hiện rõ. TGH hạn dao động từ 0 đến 12 tháng, phổ biến từ 4 đến 8 tháng. Tuy nhiên lại thể hiện khá rõ ở các khu vực như: Ayunpa, An Khê, Bn Ma Thuột, ít hơn như Bảo Lộc, Đà Lạt. Phân bố thời gian hạn dựa trên chỉ số J khá mờ, các năm hạn điển hình là chưa nổi bật nên khó khăn trong việc xác định.
Phân bố TGH của SPI-1t, SPI-12t và PDSI được thể hiện ở hình 3.4b,c,d cho thấy phân bố không gian và thời gian là khá tương tự nhau. Ngược với chỉ số J, ba chỉ số này thể hiện khá nổi bật những năm hạn điển hình. TGH có sự khác biệt nhau đáng kể; đối với SPI-1t, TGH dao động từ 0 đến 7 tháng, phổ biến từ 2 đến 5 tháng, trong khi đó SPI-12t có TGH cao hơn SPI-1t khoảng 2 đến 3 tháng. Sở dĩ vậy là vì
khi quy mơ thời gian tăng sự tách biệt giữa ngưỡng khô, ẩm sẽ rõ ràng hơn, có thể có ý nghĩa phát hiện dấu hiệu tốt về thời kỳ hạn hán kéo dài. Các giá trị SPI ở các thang thời gian dài hơn được tích lũy từ các giá trị SPI với thời gian ngắn hơn, các giá trị SPI ở quy mơ thời gian dài hơn có xu hướng nghiêng về 0, ngoại trừ xảy ra hạn hoặc lũ lụt bất thường [10].
Như mục 3.1.1 biểu thị về mối quan hệ của SPI-12t và PDSI khá cao, điều này một lần nữa biểu thị thông qua sự tương đồng thể hiện những năm hạn điển
hình trong thời kỳ nghiên cứu của SPI-12t và PDSI ở hình 3.4c, d. Chúng ta có
thể xác định các năm 1985-1990, 1999-2000, 2007-2009, 2002-2014 và 2017 là năm có TGH ngắn. Điều này cho thấy, những năm này hạn hán là ít xảy ra hoặc là các năm xảy ra lũ lụt. Những năm hạn hán điển hình có thể xác định như năm 1982- 1983, 1991-1992, 1994-1995, 1997-1998, 2001-2002, 2004-2005, 1010-1011, 2015-2016. Ở một mức độ nào đó, nếu TGH là nghiêm trọng (cao), các đợt hạn hán năm 1982-1983, 1991-1992, 1997-1998, 2004-2005, 2015-2016 là khá nghiêm trọng (Hình 3.4b,c,d).
Hình 3. 4. Sơ đồ Hovmưller của TGH tại 13 trạm khí tượng (trục hoành thể hiện tên trạm, trục tung thể hiện năm từ 1979 đến 2017)
Hình 3.4a cũng đã cho thấy về sự phân bố không gian về điều kiện hạn hán khá rõ, đây là điểm mạnh của của chỉ số J (mục 2.2b). Các giá trị trung bình nhiều năm thời kỳ 1979-2017 của TGH cho mỗi trạm có thể minh chứng thêm về sự biến động không gian của các đặc điểm hạn hán và được thể hiện ở hình 3.5:
Hình 3.5a cho thấy, TGH trung bình nhiều năm dao động trong khoảng từ 3 đến 7 tháng. Nổi bật hơn ở khu vực phía Bắc và Đơng Bắc Tây Ngun; cao nhất trạm Ayunpa và An Khê (phía Đơng tỉnh Gia Lai) có các giá trị cao nhất khoảng 5.5 đến 6 tháng hạn, thấp hơn là phần đa các trạm khoảng 4 đến 5 tháng, thấp nhất trạm Bảo Lộc. Phần đa các trạm có TGH theo ngưỡng SD cao hơn MD. Các trạm có TGH cao chủ yếu được phân bố ở phía Bắc và giảm dần về phía Nam Tây Nguyên.
TGH hạn trung bình nhiều năm theo SPI-12t thể hiện ở hình 3.5b cho thấy, TGH dao động trong khoảng 0,4 đến 1,8 tháng. TGH cao nhất được tìm thấy tại trạm Đắk Tơ và Kon Tum, trong khi đó An Khê và Ayunpa có TGH thấp hơn. Tuy nhiên, xu thế chung là các trạm có TGH cao chủ yếu được phân bố ở các khu vực phía Bắc và giảm dần về phía Nam Tây Nguyên, thấp nhất ở Bảo Lộc. Ngược lại với chỉ số J, TGH theo chỉ số SPI-12t cao ở ngưỡng MD và ngưỡng SD là khá thấp.
Hình 3. 5. Thời gian hạn trung bình dựa theo chỉ số J (a) và chỉ số SPI-12t (b)
3.1.4 Các đợt hạn khí tượng điển hình
Luận văn định nghĩa một đợt hạn được giả định dựa trên SPI-12tvà PDSI là một số tháng liên tục trong đó các giá trị SPI nhỏ hơn -1 và PDSI là nhỏ hơn -2.
Mục 3.4 đã cho thấy sơ bộ về các đợt hạn hán điển hình ở Tây Nguyên. Điều này sẽ được tìm thấy rõ hơn qua hình 3.6 về diễn biến theo thời gian của chỉ số SPI- 12t và PDSI được thể hiện quan hai màu; màu xanh thể hiện điều kiện ẩm và màu nâu thể hiện về điều kiện khô hạn. Kết quả cho thấy các đợt hạn khí tượng xảy ra ở Tây Nguyên như năm 1982-1983, 1991-1992, 1994-1995, 1997–1998, 2001-2002, 2004-2005, 2010-2011 và 2015–2016. Các đợt ẩm ướt như năm 1984-1985, 1986- 1987, 1995-1996, 1999-2000, 2005-2006, 2011-2012 và 2016-2017.
Hình 3. 6. Diễn biến của của chỉ số hạn,bên trái chỉ số PDSI (a, b, c, d và e) và bên phải chỉ số SPI-12t (f, g, h, i và k)
Hình 3.7 thể hiện phân bố khơng gian của các đợt hạn hán điển hình khu vực Tây Nguyên dựa trên chỉ số PDSI và SPI-12t về TGH, mức độ hạn và cường độ hạn cho thấy:
TGH của các đợt hạn theo PDSI và SPI-12t đều dao động phổ biến từ 7 tháng đến 15 tháng. Tác động của các đợt hạn hán đến các vùng của Tây Nguyên là có sự khác biệt, kể cả các đợt hạn có cường độ mạnh, ví dụ như đợt hạn gần đây năm 2015-2016, vùng phía Nam của Tây Nguyên như Đà Lạt, Liên Khương và Bảo