Nghiên cứu sử dụng số liệu lượng mưa vệ tinh để đánh giá hạn khí tượng cho khu vực tinhe Thanh Hóa (Luận văn thạc sĩ)

,

BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƢA VỆ TINH

ĐỂ ĐÁNH GIÁ HẠN KHÍ TƢỢNG
KHU VỰC TỈNH THANH HÓA

CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
NGUYỄN VĂN DŨNG

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG

TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG SỐ LIỆU MƢA VỆ TINH

ĐỂ ĐÁNH GIÁ HẠN KHÍ TƢỢNG
KHU VỰC TỈNH THANH HÓA
NGUYỄN VĂN DŨNG
CHUYÊN NGÀNH: KHÍ TƢỢNG VÀ KHÍ HẬU HỌC
MÃ SỐ: 8440222

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS.TS. Nguyễn Viết Lành

HÀ NỘI, NĂM 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƢỜNG HÀ NỘI
Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Viết Lành
Cán bộ chấm phản biện 1: TS.Phạm Thị Ngà
Cán bộ chấm phản biện 2:TS. Vũ Thanh Hằng
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại:
HỘI ĐỒNG CHẤM LUẬN VĂN THẠC SĨ
TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÀI NGUYÊN VÀ MÔI TRƯỜNG HÀ NỘI
Ngày 11 tháng 01 năm 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan các nội dung, số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.

TÁC GIẢ LUẬN VĂN

Nguyễn Văn Dũng


LỜI CÁM ƠN
Em xin trân trọng cảm ơn các Thầy, Cô giáo

hoa

hí tượng Thủy văn

Trư ng
i học T i nguy n v
i trư ng
i đã cung cấp những kiến thức
chuy n m n quý giá giúp đỡ v t o điều kiện thuận lợi trong suốt th i gian em học
tập ở hoa v đồng ý cho em được thực hiện luận văn này. Em c ng xin chân th nh
cảm ơn Phòng
o t o đã t o điều kiện cho em trong th i gian học tập v hoàn
th nh luận văn.
Luận văn n y được thực hiện dưới sự hướng dẫn, góp ý quý báu của các
Thầy, Cô giáo trong Khoa hí tượng Thủy văn c ng như sự giúp đỡ của cán b
thu c Viện hoa học hí tượng Thủy văn v Biến đổi khí hậu đặc biệt l sự hướng
dẫn trực tiếp của PGS. TS. guyễn Viết L nh.
Cuối cùng xin gửi l i cảm ơn tới gia đình v b n bè đã giúp đỡ đ ng vi n
rất nhiều trong suốt quá trình học tập v thực hiện luận văn.
gư i viết luận văn trân trọng biết ơn những sự hướng dẫn góp ý giúp đỡ
v hỗ trợ quý báu đó. Do th i gian v kinh nghiệm còn h n chế n n luận văn kh ng
tránh khỏi những thiếu sót. Vì vậy rất mong nhận được những đóng góp quý báu từ
Thầy C v những đ c giả quan tâm.
Nguyễn Văn Dũng

i


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................... 4
Tóm tắt: (tiếng Việt) ..................................................................................................... iv

THESIS ABSTRACT (dịch sang tiếng Anh) .............................................................. v

DANH MỤC BẢNG ............................................................................................ vii
CHƢƠNG 1 ........................................................................................................... 3
TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................................ 3
1.1 Khái ni m v h n h n và nguy n nh n g y ra h n h n ................................. 3
1.1.1 Khái niệm về hạn hán .......................................................................................... 3
1.1.2 Nguyên nhân gây ra hạn khí tượng ..................................................................... 4

1.2 Kh i qu t v đi u ki n tự nhi n tỉnh Thanh Hóa........................................... 5
1.3 T nh h nh nghi n cứu h n h n trong và ngoài nƣ c ...................................... 8
1.3.1 T nh h nh nghiên c u hạn hán ngo i nư c ........................................................ 8
1.3.2 T nh h nh nghiên c u ở trong nư c .................................................................. 11

CHƢƠNG 2 ......................................................................................................... 15
SỐ LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................ 15
2.1 Số li u nghi n cứu .......................................................................................... 15
2.1.1 Số liệu quan trắc ................................................................................................ 15
2.1.2 Số liệu, báo cáo liên quan đến hạn hán ở Thanh Hóa ...................................... 16
2.1.3 Số liệu mưa được khai thác từ vệ tinh ............................................................... 17
2.1.4 Chỉ số s c khỏe thực vật được khai thác từ vệ tinh AVHRR ............................. 20

2.2 Phƣơng ph p tính to n và x c định chỉ ti u h n khí tƣợng ........................ 21
2.3 Phƣơng ph p n i suy số li u v đi m tr m ................................................... 24
2.4 Phƣơng ph p đ nh gi mối quan h của hai iến và sai số ......................... 26
2.5 Phƣơng ph p đ nh gi h n khí tƣợng .......................................................... 28
CHƢƠNG 3 ......................................................................................................... 29
ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG HẠN KHÍ TƢỢNG DỰA TRÊN LƢỢNG MƢA ... 29
3.1 So s nh lựa chọn chỉ số h n khí tƣợng ......................................................... 29
3.1.1 So sánh một số các chỉ số hạn khí tượng ........................................................... 29

3.1.2 Lựa chọn chỉ số hạn .......................................................................................... 36

3.2 Mối quan h và sai số giữa lƣợng mƣa v tinh và quan trắc ....................... 37
3.2.1 Mối quan hệ giữa lượng mưa vệ tinh và quan trắc ........................................... 37
3.2.1. Sai số giữa lượng mưa vệ tinh và quan trắc..................................................... 39

3.3 H n khí tƣợng dựa tr n chỉ số SPI ............................................................... 41

ii


3.3.1 Lựa chọn quy mô thời gian cho đánh giá hạn khí tượng .................................. 41
3.3.2 Diễn biến của hạn khí tượng theo thời gian ...................................................... 43
3.3.3 Thời gian hạn khí tượng thời kỳ 1981-2016 ...................................................... 47
3.3.4 Các sự kiện hạn khí tượng điển h nh ................................................................ 52

3.4 Tác động hạn hán đến thực vật v cây trồng .................................................. 54
K T LUẬN VÀ KI N NGHỊ ............................................................................. 57
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 58

iii


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Họ và tên học viên: Nguyễn Văn Dũng
Lớp CH3A.K

Khóa: 2017-2018

Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Nguyễn Viết Lành

Tên đề tài: Nghiên cứu sử dụng số liệu mưa vệ tinh để đánh giá hạn khí tượng
khu vực tỉnh Thanh Hóa
Tóm tắt: (tiếng Việt)
Tóm tắt luận văn cao học: Nghi n cứu sử dụng số li u lƣợng mƣa v tinh đ
đ nh gi h n khí tƣợng cho khu vực tinhe Thanh Hóa
1. Mục ti u của luận văn
Đánh giá được khả năng sử dụng số liệu mưa vệ tinh và diễn biến của hạn khí tượng
trên khu vực tỉnh Thanh Hóa.
2. Ph m vi nghi n cứu:
Về nội dung nghiên cứu: Luận văn đánh giá khả năng sử dụng một số sản phẩm
mưa tháng từ phân tích ảnh vệ tinh, so sánh một số các chỉ số hạn khí tượng và chủ
yếu đánh giá hạn khí tượng trên cơ sở chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (SPI), thời kỳ
1981-2016. Về phạm vi không gian, luận văn đánh giá hạn khí tượng cho tỉnh
Thanh Hóa;
3. Ý nghĩa của luận văn
- Về ý nghĩa khoa học: Đã đánh giá được khả năng sử dụng lượng mưa vệ tinh, và
đánh giá đặc điểm của tình trạng hạn hán ở tỉnh Thanh Hóa.
- Về ý nghĩa thực tiễn: Đã cung cấp cơ sở khoa học cho việc xây dựng hệ thống
giám sát, cảnh báo sớm hạn cho khu vực tỉnh Thanh Hóa.
4. Kết quả
Bằng việc sử dụng 56 năm số liệu quan trắc tại 7 trạm KT, 36 năm tại trạm
TV, ND và 36 năm số liệu mưa và chỉ số sức kh e thực vật được tính toán từ ảnh vệ
tinh để tính toán và đánh giá diễn biến của hạn khí tượng cho khu vực tỉnh Thanh
Hoa, luận văn đã thu được một số kết quả đáng ch ý sau:
1) Đã phân tích so sánh 6 chỉ số hạn khí tượng SPI, PN, K, Pt SE và Sa.I. Kết
quả cho thấy, mối quan hệ và diễn biến của các chỉ số này khá phù hợp. Tuy nhiên,
khi phân cấp mức độ hạn thì các chỉ số đã có sự khác nhau khá rõ ràng. Điều này
cho thấy sự cần thiết sử dụng nhiều chỉ số hạn trong quản lý hạn khí tượng ở mỗi
khu vực;
2) Đã so sánh giữa lượng mưa tháng quan trắc và lượng mưa từ phân tích vệ

tinh CHIRPS, CDR và CCS. Kết quả cho thấy, số liệu mưa vệ tinh khá phù hợp với
lượng mưa quan trắc: Hệ số tương quan giữa mưa quan trắc với CHIRPS, CDR khá
cao, có độ tin cậy từ 95-99% và sai số MAE (RMSE) phổ biến từ 5% đến 10%. Hệ
số tương quan giữ lượng mưa quan trắc và CCS thấp hơn và có sai số cao hơn so

iv


với CHIRP và CDR.
3) Đã tính toán đánh giá hạn KT bằng chỉ số SPI dựa trên lượng mưa của
CHIRPS. Kết quả đã xác định 6 sự kiện hạn hán điển hình thời kỳ 1981-2016 và các
sự kiện này cũng khá phù hợp với kết quả tính toán từ mưa quan trắc. Hạn KT có xu
thế xảy ra trên hầu khắp tỉnh Thanh Hóa. Theo mức hạn nặng và rất nặng của SPI12 cho thấy, hạn nặng nổi trội ở phía bắc và phía tây bắc với tần suất 8-9%, hạn rất
nặng nổi trội ở vùng phía đông nam và tây nam tỉnh Thanh Hóa với tần suất 3-4%,
vùng dễ bị hạn nghiêm trọng như các huyện Thạch Thành, Vĩnh Lộc, Yên Định, Hà
Trung, Thường Xuân, Lang Chánh, Quan Hóa, Như Xuân, ngọc Lặc, Nga Sơn, và
Cẩm Thủy.
4) Đã so sánh chỉ số SPI-3 với chỉ số STD VHI và số liệu thực trạng hạn hán
vụ đông xuân 2015-2016. Kết quả cho thấy, sức kh e thực vật và cây trồng ở Thanh
Hóa bị ảnh hưởng bởi hạn hán khá điển hình và gián tiếp cho thấy mức độ phù hợp
về khả năng sử dụng mưa CHIRP trong quản lý hạn ở Thanh Hóa.

THESIS ABSTRACT (dịch sang tiếng Anh)
Summary of master's thesis: Research on using satellite rainfall data to assess
meteorological drought for Thanh Hoa province.
1. Objectives of the thesis
Assessing the ability to use satellite rain data and the evolution of meteorological
term in Thanh Hoa province.
2. Scope of study:
Study content: Assesses the ability to use a monthly rain products of CHIRPS

(Climate Hazards Group Infrared Precipitation with Station) from satellite image
analysis, comparing some meteorological indicators and assessing meteorological
drought base on standardization of rainfall (SPI). Regarding the scope of space, the
thesis evaluates meteorological drough for Thanh Hoa province;
3. The meaning of the thesis
- Scientific significance: The ability to use satellite rainfall has been assessed, and
the characteristics of meteorological drought in Thanh Hoa province have been
evaluated.
- Practical significance: The thesis has provided a scientific basis for the early
monitoring and warning system for Thanh Hoa province.
4. Results
The thesis has obtained some remarkable results:
1) Comparative analysis of 6 meteorological indexes SPI, PN, K, Pt, SE and
Sa.I. The results show that the relationship and evolution of these indicators are
quite appropriate. However, when decentralized, the indexes are quite different.
This indicates the need to use some indicators in meteorological drought
management in each area;

v


2) Comparison between observed precipitation and precipitation of CHIRPS,
CDR and CCS satellite analysis. The results showed that the satellite prepitation is
quite suitable with observed Prepitation: The correlation coefficient between the
observed prepitation with CHIRPS, the CDR is quite high, with the reliability of 9599% and the MAE error (RMSE) Popular from 5% to 10%.
3) Evaluate meteorological drought base on SPI from prepitation of CHIRPS.
The results identified 6 typical drought events in the period 1981-2016 and these
events are also quite consistent with the calculation results from the observation
prepitation. Drought tends to occur in most of Thanh Hoa province. The heavy and
very severe drought of SPI-12, the drought was dominant in the north and northwest

with the frequency of 8-9%, severe drought prevailed in the southeast and
southwestern of Thanh Hoa province about 3-4% frequency, severely drought areas
such as Thach Thanh, Vinh Loc, Yen Dinh, Ha Trung, Thuong Xuan, Lang Chanh,
Nhu Xuan, Ngoc Lac, Nga Son, and Cam Thuy.
4) Comparing the SPI-3 index with the STD_VHI index and the data of the
drought situation of the winter-spring season in 2015-2016. The results showed that
plant and plant health in Thanh Hoa is affected by drought typical and indirectly
shows the suitability of the use of CHIRP in drought management in Thanh Hoa
province.

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1. 1. Các yếu tố khí tượng trung bình nhiều năm tại trạm Thanh Hóa ................. 7
Bảng 2. 1. Số liệu khí tượng tại các trạm quan trắc .................................................... 16
Bảng 2. 2. Ví dụ về biểu thu thập số liệu về thực trạng hạn hán ở Thanh Hóa ............ 20
Bảng 2. 3. Một số sản phẩm được phân tích từ vệ tinh có thể khai thác được ............. 18
Bảng 2. 4. Phân cấp mức độ hạn của chỉ số SE .......................................................... 21
Bảng 2. 5. Phân cấp mức độ hạn theo chỉ số Penman ................................................. 22
Bảng 2. 6. Phân cấp hạn theo chỉ số K ....................................................................... 22
Bảng 2. 7. Phân cấp hạn theo chỉ số Sa.I .................................................................... 23
Bảng 2. 8. Phân cấp hạn theo chỉ số PN ..................................................................... 23
Bảng 2. 9. Phân loại hạn hán theo chỉ số SPI ............................................................. 24
Bảng 2. 10. Tiêu chuẩn tin cậy của r ......................................................................... 27
Bảng 3 1. Một số đặc điểm của mùa mưa và mùa khô khu vực tỉnh Thanh hóa.......... 29
Bảng 3.2. Hệ số tương quan tuyến tính (r) giữa các chỉ số hạn khí tượng được tính
trung bình 6 trạm khí tượng khu vực Thanh Hóa ...................................... 30
Bảng 3.3. Hệ số tương quan giữa lượng mưa quan trắc và vệ tinh ............................. 38
Bảng 3.4. Các đặc trưng của sự kiện hạn điển hình từ 1981-2016 tại quy mô thời

gian lượng mưa 12 tháng .......................................................................... 46
Bảng 3.5. Phần trăm diện tích hạn rất nặng dựa theo phân bố không gian TGH của
mức độ hạn rất nặng (phân tích chi tiết hình 3.13d,h,i).............................. 49
Bảng 3.6. Diện tích (DT-ha) cây trồng bị hạn vụ Đông – Xuân tại Thanh Hóa .......... 55

vii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1. Sơ đồ mô tả mối quan hệ giữa các loại hạn ................................................. 4
Hình 1. 2. Ví dụ về hệ thống giám sát sử dụng lượng mưa để chỉ thị hạn khí tượng ..... 8
Hình 1. 3. Sử dung lượng mưa TRMM đánh giá, giám sát hạn khí tượng .................... 9
Hình 1. 4. Sử dụng lượng mưa CHIRPS trong đánh giá và giám sát hạn khí tượng .... 10
Hình 1. 5. Giám sát hạn khí tượng ở Singapore ........................................................ 11
Hình 2.1. Sơ đồ các trạm khí tượng, thủy văn và đo mưa nhân dân ............................ 15
Hình 2.2. Nội suy song tuyến tính cho điểm .............................................................. 26
Hình 3. 1. Giản đồ tụ điểm của SPI và các chỉ số hạn khí tượng ................................ 32
Hình 3. 2. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của chỉ số hạn K .................... 33
Hình 3. 3. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của của chỉ số SE .................. 33
Hình 3. 4. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của chỉ số hạn P t .................... 34
Hình 3. 5. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của chỉ số hạn SPI ................. 34
Hình 3. 6. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của chỉ số PN ........................ 34
Hình 3. 7. Phân bố tần suất xuất hiện ngưỡng ẩm, khô của chỉ số Sa.I ....................... 35
Hình 3. 8. Diễn biến của các chỉ số hạn khí tượng năm hạn cực đoan 2015-2016 tại
trạm khí tượng Yên Định .......................................................................... 35
Hình 3. 9. Biến trình năm của lượng mưa quan trắc và vệ tinh ................................... 39
Hình 3. 10. Sai số giữa lượng mưa vệ tinh và quan trắc mùa khô (hình a, b, c, d) và
mùa mưa (hình e, f, g, h), giá trị % so với lượng mưa trung bình .............. 40
Hình 3. 11. Diễn biến của chỉ số hạn SPI theo quy mô thời gian gian 3 tháng (a), 6
tháng (b), 12 tháng (c) dựa trên lượng mưa trung bình của tất cả lưới và quy

mô thời gian 12 tháng dựa trên lượng mưa trung bình 6 trạm quan trắc ........ 44
Hình 3. 12. Diễn biến của diện tích hạn (% so với tổng diện tích) theo các khoảng
thời gian gian 3 tháng (a), 6 tháng (b), 12 tháng (c) .................................. 46
Hình 3. 13. Phân bố không gian của tổng thời gian hạn hán (TGH) ở các quy mô
thời gian khác nhau: 3 tháng (a – d); ) 6 tháng (e – h); và 12 tháng (i – l)
theo các mức độ hạn hán khác nhau .......................................................... 50
Hình 3. 14. Tần suất xuất hiện hạn khí tượng (%) theo mức độ hạn dựa trên quy mô
thời gian 12 tháng: hạn vừa (a), hạn nặng (b), hạn rất nặng (c). ................. 51
Hình 3. 15. Phân bố không gian của mức độ hạn khí tượng (MDH e), cường độ hạn
hán (Ie) và giá trị SPI trong tháng có diện tích hạn cao nhất (DA) trong 6
đợt hạn hán nghiêm trọng nhất từ 1981-2016 dựa trên quy mô thời gian
12 tháng .................................................................................................... 53
Hình 3. 16. Mối quan hệ giữa SPI, diện tích hạn (DA) quy mô 3 tháng và STD_VHI
của đợt hạn: a) Đợt hạn D2 và b) đợt hạn D6 ............................................ 54
viii


Luận văn đầy đủ ở file: Luận văn Full