Xây dựng mô hình cảnh báo sớm h n khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng duyên hải miền trung

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG
PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG
PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI
NGUYÊN NƯỚC VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành:

KỸ THUẬT TÀI NGUYÊN NƯỚC

Mã số:

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

1. PGS.TS. Nguyễn Đăng Tính
2. GS.TS. Nguyễn Văn Tỉnh

HÀ NỘI, NĂM 2019


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả luận án xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các
kết quả nghiên cứu và những kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ
bất kỳ một nguồn nào, dưới bất kỳ hình thức nào và chưa từng được ai công bố trong
bất cứ công trình nào khác. Việc tham khảo, trích dẫn các nguồn tài liệu đã được ghi rõ
nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.
Tác giả luận án

Nguyễn Thái Hà

i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân trọng cảm ơn PGS.TS. Nguyễn Đăng Tính và GS.TS. Nguyễn Văn Tỉnh,
là người đã tận tình chỉ bảo và hướng dẫn tôi hoàn thành luận án này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Thủy lợi, Phòng Đào tạo
Đại học và Sau Đại học, Khoa Kỹ thuật tài nguyên nước, Bộ môn Kỹ thuật tài nguyên
nước đã tạo điều kiện thuận lợi, nhiệt tình giúp đỡ và động viên tôi trong quá trình

nghiên cứu, thực hiện luận án.
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã hỗ trợ, động
viên, chia sẻ khó khăn trong suốt thời gian nghiên cứu và làm luận án.

ii


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN......................................................................................................... I
LỜI CẢM ƠN............................................................................................................. II
MỤC LỤC................................................................................................................. III
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU.............................................................................. VI
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ................................................................................. VII
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT............................................................................ X
MỞ ĐẦU...................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài luận án................................................................................ 1
2. Mục tiêu nghiên cứu.................................................................................................. 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.............................................................................. 2
4. Nội dung nghiên cứu của luận án.............................................................................. 3
5. Phương pháp nghiên cứu........................................................................................... 3



Cách tiếp cận trong luận án:.......................................................................... 3



Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:....................................... 3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn................................................................................... 4



Ý nghĩa khoa học:.......................................................................................... 4



Ý nghĩa thực tiễn:........................................................................................... 4
7. Cấu trúc của luận án.................................................................................................. 5
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN......7
1.1 Khái niệm về hạn hán.............................................................................................. 7
1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán................................................................. 7
1.1.2 Các chỉ số hạn............................................................................................ 10
1.1.3 Các đặc trưng của hạn hán........................................................................ 20
1.2 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới..............................21
1.2.1 Tình hình hạn hán trên thế giới.................................................................. 21
1.2.2 Các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới.................................................... 23
1.3 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam...............................30
iii


1.3.1

Tình hình hạn hán

1.3.2

Các nghiên cứu về

1.4

Tổng quan về vùng nghiên cứu ......................................................................

1.5

Những thành tựu và hạn chế trong các nghiên cứu về hạn hán ......................

1.6

Định hướng nghiên cứu của luận án ...............................................................

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO HẠN KHÍ
TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG ..............................................
2.1

Hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu .......................................................

2.2

Giới thiệu về ENSO và các số liệu cần thu thập ............................................

2.3

2.2.1

Giới thiệu về ENSO

2.2.2

Các số liệu cần thu

Phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu .............................
2.3.1

Lựa chọn chỉ số hạ

2.3.2 Phân tích đánh giá diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu bằng cá
hạn ...............................................................................................................

2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng ng
......................................................................................................................

2.3.4 Thiết lập mô hình dự báo hạn khí tượng, đề xuất mô hình dự báo ph
cho vùng nghiên cứu ....................................................................................
2.4

Kết luận chương 2 ..........................................................................................

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG CHO
VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG ........................................................................
3.1

Diễn biến hạn hán theo không gian, thời gian của vùng nghiên cứu .............

3.1.1. Phân tích kết quả kiểm định nội suy lượng mưa và nhiệt độ ............

3.2

3.1.2

Diễn biến hạn hán

3.1.3

Diễn biến hạn hán

Ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu ..........
3.2.1

Diễn biến hạn hán

3.2.2

Đánh giá kết quả m

3.3. Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu ...............
iv


3.3.1 Đánh giá kết quả các mô hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu
............................................................................................................................. 108

3.3.2Lựa chọn chỉ số để c

3.3.3Lựa chọn mô hình dự

3.3.4Xây dựng mô hình cả

3.3.5Bản đồ và số liệu cản
3.4 Kết luận chương 3 .................................................................................................
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................................

1.

Những kết quả đạt được của luận án .......................................................................

2.

Những đóng góp mới của luận án ...........................................................................

3.

Những tồn tại và hạn chế của luận án ......................................................................

4.

Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo của luận án .................................................

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...............................................
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................
PHỤ LỤC ...................................................................................................................

v


DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy...................................................... 11
Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [9]........................................................... 12
Bảng 1.3 Phân cấp hạn theo chỉ số K.......................................................................... 13
Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo chỉ số độ ẩm tương đối của đất RSMI......................15
Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo chỉ số PDSI [13]............................................................. 17
Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19]....................................................................... 19

Bảng 2.1 Xu thế biển đổi lương mưa theo năm cho các trạm mưa vùng DHMT ...........53
Bảng 2.2 Xu thế biển đổi nhiệt độ theo năm cho các trạm vùng DHMT........................... 54
Bảng 2.3 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI, SPEI [9]............................................................... 62
Bảng 2.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo [103]................................................................. 81
Bảng 3.1. Độ tin cậy của phép nội suy mưa và nhiệt độ (%)....................................... 85
Bảng 3.2 Giá trị nhỏ nhất của SPI, SPEI trong các thời kỳ phát sinh El Nino...........104
Bảng 3.3 Tổng số tháng xảy ra hạn hán trong các thời kỳ phát sinh El Nino theo chỉ số
SPI, SPEI................................................................................................................... 104
Bảng 3.4 Hệ số tương quan trung bình giữa SSTA, SOI với các chỉ số SPI, SPEI....106
Bảng 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo các chỉ số hạn của các mô hình......................109
Bảng 3.6 Cấp hạn và cấp cảnh báo sớm hạn khí tượng theo chỉ số SPEI3.................116
Bảng 3.7 Các tham số của các mô hình dự báo cho 6 tháng tiếp theo........................ 118
Bảng 3.8 Kết quả dự báo chỉ số SPEI3 tại các trạm (từ tháng 1/2015 đến 6/2015)....123

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5] .........................................................
Hình 1.2

Bản đồ vùng Duyên hải Miền Tru

Hình 1.3

Sơ đồ nội dung và phương pháp n

Hình 2.1

Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với

Hình 2.2

Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với t

Hình 2.3 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy toàn vùng DHMT . 46

Hình 2.4 Vị trí khu vực theo dõi hoạt động ENSO (Nino3.4) ......................................
Hình 2.5 Vị trí và tên các trạm Khí tượng .....................................................................
Hình 2.6

Diễn biến giá trị SSTA từ năm 19

Hình 2.7

Diễn biến giá trị SOI từ năm 198

Hình 2.8

Sơ đồ minh họa các nội dung và p

Hình 2.9

Ô lưới vùng nghiên cứu ...............

Hình 2.10 Các thành phần của mô hình dự báo thống kê đang được áp dụng trên thế giới
[85] .................................................................................................................................

Hình 2.11

Cấu trúc mô hình ANFI

Hình 2.12

Sơ đồ khối của mô hình

Hình 2.13

Cấu trúc của các mô hìn

Hình 2.14

Sơ đồ khối của chương

Hình 3.1 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..............................
Hình 3.2 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3 ..............................
Hình 3.3 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..............................
Hình 3.4

Diễn biến hạn hán vùng NTB th

Hình 3.5 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI1 và SPEI1 ..................
Hình 3.6

Diễn biến hạn hán toàn vùng D

Hình 3.7

Số tháng xảy ra hạn hán theo c
vii

Hình 3.8 Tỷ lệ DT hạn theo từng tháng của 5 năm hạn điển hình theo chỉ số SPEI1. .90
Hình 3.9 Tỷ lệ DT hạn theo từng tháng của 5 năm hạn điển hình theo chỉ số SPEI3 .. 90

Hình 3.10 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI1, SPEI1 và thực tế sản xuất nông nghiệp
của vùng DHMT.......................................................................................................... 92
Hình 3.11 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI3, SPEI3 và thực tế sản xuất nông nghiệp
của vùng DHMT.......................................................................................................... 92
Hình 3.12 Tần suất (%) xảy ra hạn của các chỉ số theo không gian.............................93
Hình 3.13 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI1 theo không gian..............94
Hình 3.14 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI1 theo không gian...........94
Hình 3.15 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI3 theo không gian..............95
Hình 3.16 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI3 theo không gian...........95
Hình 3.17 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 3 của các chỉ số theo không gian.........96
Hình 3.18 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 4 của các chỉ số theo không gian.........96
Hình 3.19 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 6 của các chỉ số theo không gian.........96
Hình 3.20 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 7 của các chỉ số theo không gian.........97
Hình 3.21 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 8 của các chỉ số theo không gian.........97
Hình 3.22 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1988................................................. 98
Hình 3.23 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1993.................................................. 99
Hình 3.24 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1998................................................ 100
Hình 3.25 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005................................................ 101
Hình 3.26 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005................................................ 102
Hình 3.27 Giá trị SPI, SPEI-1 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014).............103
Hình 3.28 Giá trị SPI, SPEI-3 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014).............103
Hình 3.29 Tương quan giữa SSTA với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ
j = 3 tháng)................................................................................................................ 107

Hình 3.30 Tương quan giữa SOI với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j

= 2 tháng).................................................................................................................. 108

viii


Hình 3.31 So sánh chất lượng dự báo theo chỉ số SPEI3 giữa các mô hình...............110
Hình 3.32 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 cho toàn vùng.....110
Hình 3.33 Chất lượng dự báo cho chỉ số SPEI3 bằng mô hình M4 theo không gian . 111

Hình 3.34 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Cam Ranh
112
Hình 3.35 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Rang
112
Hình 3.36 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Thiết
113
Hình 3.37 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1988). . .113
Hình 3.38 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1993). . .114
Hình 3.39 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1998). . .114
Hình 3.40 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2005). . .115
Hình 3.41 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2010). . .115
Hình 3.42 Sơ đồ mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu...........119
Hình 3.43 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 1, 2 năm 2015.............121
Hình 3.44 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 3, 4 năm 2015.............122
Hình 3.45 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 5, 6 năm 2015.............123

ix


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANFIS

Mạng noron thích nghi mờ (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System)

ANN

Mạng noron nhân tạo (Artificial Neural Networks)

ARIMA

Mô hình tự hồi quy thích hợp (Autoregressive Integrated Moving
Average Model)

BĐKH

Biến đổi khí hậu

BTB

Bắc Trung Bộ

CI

Chỉ số hạn tích hợp (Integrated Drought Index)

CMI

Chỉ số độ ẩm cây trồng (Crop Moisture Index)

CORR

Hệ số tương quan (Correlation Coefficient)

DBHH

Dự báo hạn hán

DBKH

Dự báo khí hậu

DHMT

Duyên hải Miền Trung

E

Chỉ số hiệu quả (Efficiency)

ENSO

El Nino và dao động Nam bán cầu (El Nino and the Southern
Oscillation)

FAO

Tổ chức Lương thực & Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and
Agriculture Organization)

FL

Logic mờ (Fuzzy Logic)

IDW

Trọng số nghịch đảo khoảng cách (Inverse distance weighting)

KHCH

Khoa học Công nghệ

KTTV

Khí tượng thủy văn

KT-XH

Kinh tế - Xã hội

M

Mô hình

MSDI

Chỉ số tiêu chuẩn hóa đa biện (Multivariate Standardized Drought Index)

NAWM

Gió mùa đông bắc Á (Northeast Asian Winter Monsoon)

NCDA

Vùng hạn không kề giáp nhau (Non-contigous drought analysis)

NTB

Nam Trung Bộ

x
PCA

PDSI


RSR

Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis)
Chỉ số Palmer

SASM
SOI
SPEI

Hệ số thống kê giữa sai số căn quân phương và độ lệch chuẩn (RMSE observations standard deviation ratio)
Gió mùa hè Nam Á (South Asian Summer Monsoon)
Chỉ số dao động Nam bán cầu (Southern Oscillation Index)

SPI
SSI

Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi (Standardized Precipitation
Evapotranspiration Index)

SST

Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index)

SSTA

Chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index)

SWSI

Nhiệt độ mặt nước biển (Sea Surface Temperature)

TBD

Nhiệt độ mặt nước biển dị thường (Sea Surface Temperature Anomalies)

WMO

Chỉ số cung cấp nước mặt (Social Water Scarcity Index)
Thái Bình Dương
Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization)

xi


MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều
nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt lượng mưa, lượng bốc hơi lớn và việc
khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể
xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn là biến đổi đáng kể từ vùng
này sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô
hạn, bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là
một đặc trưng lâu dài của khí hậu. Vì vậy, hiện tượng hạn hán xảy ra trong từng năm
với các đặc tính thời tiết và các tác động của nó là không giống nhau.
Hạn hán khá phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh Duyên hải Miền Trung
(DHMT). Theo số liệu thống kê của Tổng cục thủy lợi trong giai đoạn 1985 – 2014,
toàn vùng đã có nhiều đợt hạn hán xảy ra, trong đó có 5 đợt xảy ra hạn hán nghiêm
trọng, hạn xảy ra trong cả 3 vụ sản xuất làm thiệt hại đến hàng triệu hecta đất nông
nghiệp và sự thiếu hụt nước trầm trọng cho hàng triệu người dân ở các vùng khác nhau
trên cả nước, đặc biệt là khu vực DHMT.
Sự khắc nghiệt của hiện tượng hạn hán không chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian, cường
độ, không gian của một thời đoạn hạn hán cụ thể, mà còn phụ thuộc vào nhu cầu dùng
nước từ các hoạt động của con người và cây trồng lên nguồn cung cấp nước của khu vực.
Số liệu thống kê cho thấy rằng những thiệt hại về mặt kinh tế do hạn hán lớn hơn rất nhiều
so với do lũ lụt. Để giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người dân địa
phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước thì các nghiên cứu về
hạn hán ở Việt Nam nói chung và vùng DHMT nói riêng là rất quan trong và cần thiết.
Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về hạn hán nhưng những kết
quả đã nghiên cứu còn một số hạn chế như: (i) Công tác dự báo, cảnh báo hạn ở Việt Nam
chưa thoả mãn yêu cầu để áp dụng rộng rãi trong công tác đánh giá, dự báo và cảnh báo
hạn cho các vùng, các tỉnh khác nhau; (ii) Việc đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho một
vùng rộng lớn hoặc trên toàn quốc chủ yếu dựa vào các chỉ số hạn khí tượng. Còn các chỉ
số hạn thủy văn và nông nghiệp mới chỉ được dùng để đánh giá,

1

dự báo và cảnh báo hạn cho những vùng nhỏ hoặc theo lưu vực sông; (iii) Phương pháp
dự báo hạn chủ yếu là phương pháp thống kê, phương pháp động lực cũng đã được dùng
để dự báo hạn nhưng chưa nhiều. Các sản phẩm dự báo, cảnh báo chủ yếu là theo điểm;
(iv) Chưa có khung thể chế và pháp lý cho các hoạt động ứng phó và giảm nhẹ thiệt hại do
hạn hán. Bởi vậy, cần nhiều nghiên cứu hơn nữa về hạn hán nhằm xác định được các chỉ
số hạn và các chỉ tiêu phân cấp hạn phù hợp, trên cơ sở đó xây dựng các cấp cảnh

báo hạn cho từng địa phương, đặc biệt ở các vùng hạn hán hay xảy ra. Đồng thời phải
xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn hán phù hợp cho các vùng của Việt Nam.
Với mong muốn kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp một phần trong việc giải
quyết các nhiệm vụ nêu trên. Vì thế, tác giả đã đề xuất đề tài “Xây dựng mô hình cảnh
báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng
Duyên hải Miền Trung” để phân tích, đánh giá diễn biến hạn hán, xác định mức độ ảnh
hưởng của hiện tượng El Nino và dao động Nam bán cầu (ENSO) đến hạn hán và xây
dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu.
2.Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá diễn biến hạn hán, xây dựng mô hình cảnh báo
sớm hạn khí tượng phục vụ cho công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng
DHMT. Để đạt được mục tiêu trên thì các mục tiêu cụ thể được xác định như sau:

Đánh giá mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng DHMT với các yếu tố ENSO,
nhiệt độ mặt nước biển dị thường (SSTA) và chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI);
Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu trong mối quan
hệ giữa hạn hán với các yếu tố SSTA và SOI.
3.Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là: Hạn khí tượng, tính chất, mức độ, xu thế
và phân bố của hạn hán.
Phạm vi nghiên cứu của luận án này là: Nghiên cứu cảnh báo sớm hạn khí tượng vùng
Duyên hải Miền Trung thông qua các chỉ số tương quan xa của vùng xích đạo TBD

(vùng đặc trưng của El nino, SOI), bao gồm các tỉnh thành sau: Thanh Hóa, Nghệ An,
2


Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng
Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận.
4.Nội dung nghiên cứu của luận án



Lựa chọn chỉ số hạn, phân tích đánh giá diễn biến hạn hán theo các chỉ số
hạn và so sánh với diễn biến hạn hán theo thực tế của vùng nghiên cứu;



Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu trong
các đợt xảy ra ENSO;



Phân tích và đánh giá tương quan giữa hạn hán của vùng nghiên cứu với
nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI) bằng phương
pháp phân tích tương quan phục vụ cho việc lựa chọn biến đầu vào cho mô hình dự
báo hạn;



Thiết lập cấu trúc các mô hình dự báo hạn khí tượng bằng phương pháp
thống kê (Mạng noron thích nghi mờ, ANFIS) và lựa chọn mô hình dự báo phù hợp
cho vùng nghiên cứu;



Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu bằng
các bản đồ dự báo chỉ số hạn.
5. Phương pháp nghiên cứu



Cách tiếp cận trong luận án:



Tiếp cận thực tế: Điều tra, khảo sát và thu thập số liệu về khí tượng và hiện
trạng hạn hán của vùng nghiên cứu;



Tiếp cận kế thừa có chọn lọc và bổ sung các nghiên cứu đã có trong nước
cũng như trên thế giới về hạn và cảnh báo hạn;



Tiếp cận các phương pháp, công cụ đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn mới
trên thế giới.




để

Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:
Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham khảo;
Phương pháp thống kê, xác suất: Tổng hợp, xử lý và phân tích số liệu làm cơ sở


3


phân tích đánh giá diễn biến hạn hán và xây dựng mô hình cảnh báo hạn;



Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu, công trình khoa học đã và đang
thực hiện về đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn hán trên thế giới;



Phương pháp vùng hạn không kề giáp nhau (NCDA): Phân tích, đánh giá
diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu theo không gian và thời gian;



Phương pháp phân tích tương quan: Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến

hạn hán của vùng nghiên cứu với hiện tượng ENSO thông qua hệ số tương quan
giữa các chỉ số hạn và nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu
(SOI). Để làm cơ sở lựa chọn biến đầu vào cho các mô hình dự báo;



Phương pháp phân tích tổng hợp: Phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan
để đề ra mục tiêu, nội dung nghiên cứu. Phân tích tổng hợp kết quả nghiên cứu để
làm cơ sở để xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu;



Phương pháp mô hình toán: Thiết lập các mô hình dự báo hạn bằng phương
pháp mô hình toán (mạng noron thích nghi mờ, ANFIS).
6.Ý nghĩa khoa học và thực tiễn



Ý nghĩa khoa học:



Luận án đã góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học trong việc sử dụng và lựa
chọn chỉ số hạn để đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho vùng nghiên cứu nói riêng
và Việt
Nam nói chung.



Luận án đã bổ sung thêm cơ sở khoa học trong việc xây dựng bản đồ hạn
theo phương pháp vùng hạn không kề giáp nhau (NCDA).



Luận án đã cung cấp cơ sở khoa học để thiết lập các mô hình dự báo hạn

khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo sớm hạn khí tượng.



Ý nghĩa thực tiễn:



Góp phần làm sáng tỏ xu thế và diễn biến hạn hán của khu vực Duyên hải
Miền Trung ở quá khứ trong mối quan hệ với hiện tượng ENSO.

4




Kết quả nghiên cứu của luận án có thế được ứng dụng để xây dựng mô hình
cảnh báo sớm hạn khí tượng cho khu vực nghiên cứu cũng như các khu vực khác.



Kết quả của luận án đưa ra được các bản đồ cảnh báo sớm hạn khí tượng
bằng các chỉ số hạn. Giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người
dân địa phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước.
7.Cấu trúc của luận án
Luận án gồm 165 trang thuyết minh trong đó có: 62 hình vẽ, 18 bảng biểu minh họa, 1
trang liệt kê danh mục 2 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của
đề tài luận án, 8 trang liệt kê 103 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục. Nội dung bao
gồm phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và 3 chương:
Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và dự báo hạn

Chương này nêu tổng quan về vùng nghiên cứu; khái niệm về hạn hán, các chỉ số được
dùng trong đánh giá và dự báo hạn hán; tổng hợp được tình hình hạn hán và các nghiên
cứu có liên quan đến hạn hán trên Thế giới cũng như Việt Nam; những thành tựu và
hạn chế của các nghiên cứu về hạn và tự báo hạn; định hướng mục tiêu và các nội
dung nghiên cứu của luận án.
Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng Duyên
hải Miền Trung
Trong chương này đã nêu được các cơ sở khoa học để phục vụ cho nghiên cứu như:
hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu; hiện tượng ENSO và ảnh hưởng của hiện
tượng này đến khí hậu của vùng nghiên cứu; số liệu mưa, nhiệt độ của vùng nghiên
cứu; số liệu về SSTA, SOI. Lựa chọn chỉ số hạn để đánh giá, dự báo hạn cho vùng
nghiên cứu; sử dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá ảnh hưởng của
ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu thông qua các chỉ số hạn; sử dụng
mạng Nơron thích nghi mờ (ANFIS) để thiết lập các mô hình dự báo hạn khí tượng
cho vùng nghiên cứu với các biến đầu vào và ra khác nhau.
Chương 3: Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng Duyên hải
Miền Trung
5


Trong chương này đã đưa ra được kết quả diễn biến hán của vùng nghiên cứu theo
không gian và thời gian bằng các chỉ số hạn, đồng thời có sự đánh giá sự phù hợp giữa
diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu bằng các chỉ số hạn so với tình hình hạn hán
thực tế. Kết quả đánh giá ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng
nghiên cứu. Phân tích kết quả dự báo của các mô hình dự báo, từ đó lựa chọn mô hình
dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu. Xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn khí
tượng, đồng thời đưa ra được các bản đồ cảnh báo hạn cho vùng nghiên cứu.

6

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO
HẠN
1.1 Khái niệm về hạn hán
1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán.
Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều
nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai
thác quá mức nguồn tài nguyên nước. Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy
ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn biến đổi đáng kể từ vùng này
sang vùng khác. Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn.
Bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một
đặc trưng lâu dài của khí hậu [1]. So với các thảm họa tự nhiên khác như: xoáy, lũ lụt,
động đất, núi lửa phun trào và sóng thần có sự khởi đầu nhanh chóng, có ảnh hưởng
trực tiếp và có cấu trúc, thì hạn hán lại ngược lại. Hạn hán khác với các thảm họa tự
nhiên khác theo các khía cạnh quan trọng sau [2]:



Không tồn tại một định nghĩa chung về hạn hán.



Hạn hán có sự khởi đầu chậm, là hiện tượng từ từ, dẫn đến khó có thể xác
định được sự bắt đầu và kết thúc một thời kỳ hạn.



Thời gian hạn dao động từ vài tháng đến vài năm, vùng trung tâm và vùng
xung quanh bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể thay đổi theo thời gian.



Không có một chỉ thị hoặc một chỉ số hạn đơn lẻ nào có thể xác định chính
xác sự bắt đầu và mức độ khắc nghiệt của sự kiện hạn cũng như các tác động tiềm năng
của nó.



Phạm vi không gian của hạn hán thường lớn hơn nhiều so với các thảm họa
khác, do đó các ảnh hưởng của hạn thường trải dài trên nhiều vùng địa lý lớn.



Các tác động của hạn nhìn chung không theo cấu trúc và khó định lượng.
Các tác động tích lũy lại và mức độ ảnh hưởng của hạn sẽ mở rộng khi các sự kiện
hạn tiếp tục kéo dài từ mùa này sang mùa khác hoặc sang năm khác.



Mặt khác, hạn hán ảnh hưởng đến nhiều lĩnh vực kinh tế và xã hội nên các
định nghĩa


7


về hạn sẽ được đưa ra theo nhiều cách tiếp cận khác nhau: như các ngưỡng sử dụng,
theo mục đích sử dụng, khu vực, địa phương… Hơn nữa, hạn xảy ra với tần suất
thay đổi gần như ở tất cả các vùng trên toàn cầu, các tác động của hạn đến nhiều
lĩnh vực cũng khác nhau theo không gian và thời gian. Như vậy để có được một

định nghĩa chung nhất về hạn hán thì rất khó.
D.A. Wilhite [2] cho rằng mặc dù các nhân tố khí hậu (nhiệt độ cao, gió mạnh, độ ẩm
tương đối thấp) thường gắn liền với hạn hán ở nhiều vùng trên thế giới và có thể làm
nghiêm trọng thêm mức độ hạn, song lượng mưa vẫn là nhân tố ảnh hưởng chính gây
ra hạn hán và tác giả cũng đã đưa ra một định nghĩa về hạn: “hạn hán là kết quả của sự
thiếu hụt lượng mưa tự nhiên trong một thời kỳ dài, thường là một mùa hoặc lâu hơn”.
Chính vì vậy, hạn hán thường được gắn liền với các khoảng thời điểm (mùa hạn chính,
sự khởi đầu muộn của mùa mưa, sự xuất hiện mưa trong mối liên hệ với các giai đoạn
sinh trưởng chính của cây trồng) và đặc tính của mưa (cường độ mưa, các đợt mưa).
Với các thời điểm hạn xuất hiện khác nhau sẽ dẫn đến các sự kiện hạn khác nhau về
tác động, phạm vi ảnh hưởng cũng như các đặc tính khí hậu của hạn khác nhau.
Trong quấn sách nói về hạn hán và nông nghiệp (Drought and agriculture) của tổ chức
WMO (Khí tượng Thế giới) [3], thì hạn hán được phân thành 4 loại là: (1) Hạn khí
tượng; (2) Hạn thủy văn; (3) Hạn nông nghiệp; (4) Hạn kinh tế - xã hội.
(1) Hạn khí tượng (Meteorological Drought): Hạn khí tượng là hiện tượng thiếu hụt
nước trong suốt một khoảng thời gian nào đó do sự mất cân bằng giữa lượng giáng
thủy và bốc hơi, hạn khí tượng phản ánh đặc trưng vật lý hạn hán. Hạn khí tượng
không phản ánh được ảnh hưởng của sự thiếu hụt dòng chảy nhưng lại phản ảnh tốt sự
thiết hụt nước thực tế.
(2) Hạn nông nghiệp (Agricultural Drought): Hạn nông nghiệp thường xảy ra ở nơi độ ẩm
đất không đáp ứng đủ nhu cầu của một cây trồng cụ thể ở thời gian nhất định và cũng ảnh
hưởng đến vật nuôi và các hoạt động nông nghiệp khác. Mối quan hệ giữa lượng mưa và
lượng mưa thấm vào đất thường không được chỉ rõ. Sự thẩm thấu lượng mưa vào trong
đất sẽ phụ thuộc vào các điều kiện ẩm trước đó, độ dốc của đất, loại đất, cường độ mưa.
Hạn nông nghiệp xảy ra sau hạn hán khí tượng, bởi vì hạn khí tượng có ảnh

8


hưởng đến lượng nước có trong đất, khả năng giữ nước trong đất thấp thì khả năng xảy

ra hạn nông nghiệp sẽ cao và ngược lại. Ví dụ, một số loại đất có khả năng giữ nước
tốt hơn thì các loại đất đó ít bị hạn hơn.
(3) Hạn thuỷ văn (Hydrological Drought): Hạn thủy văn liên quan đến sự thiếu hụt nguồn
nước mặt và nguồn nước ngầm. Nó được lượng hóa bằng dòng chảy, tuyết, mực nước hồ,
hồ chứa và nước ngầm. Hạn thủy văn xuất hiện trễ hơn hạn khí tượng và nông nghiệp, sau
khi kết thúc một đợt hạn khí tượng và nông nghiệp thì hạn thủy văn phải mất một khoảng
thời gian dài mới kết thúc. Cũng giống như hạn nông nghiệp, hạn thủy văn không chỉ ra
được mối quan hệ rõ ràng giữa lượng mưa và trạng thái cung cấp nước bề mặt trong các
hồ, bể chứa, tầng ngập nước, dòng suối. Bởi vì quá trình hình thành

dòng chảy rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thành phần trong hệ thống thủy văn,
như sự tưới tiêu, kiểm soát lũ lụt, vận chuyển nước, phát điện, cung cấp nước sinh hoạt
và bảo tồn môi trường.
(4) Hạn kinh tế-xã hội khác hoàn toàn với các loại hạn khác. Bởi nó phản ánh mối
quan hệ giữa sự cung cấp và nhu cầu hàng hóa kinh tế (ví dụ như cung cấp nước, thủy
điện), nó phụ thuộc vào lượng mưa. Sự cung cấp đó biến đổi hàng năm như là một
hàm của lượng mưa và nước. Nhu cầu nước cũng dao động và thường có xu thế dương
do sự tăng dân số, sự phát triển của kinh tế và các nhân tố khác.
Khi lượng mưa hiệu quả giảm, lượng bốc hơi tăng trong quá trình thay đổi khí hậu sẽ dẫn
đến biểu hiện đầu tiên của hạn hán đó là hạn khí tượng. Hạn khí tượng sẽ quyết định đến
việc có xuất hiện hạn hán hay không và nó cũng là cơ sở phát sinh các loại hạn hán khác.
Khi thảm phủ thực vật dày (như rừng rậm) sẽ làm giảm tốc độ dòng khí có lợi cho quá
trình ngư tụ hơi nước dẫn đến lượng mưa tăng, ngược lại khi thảm phủ thực vật mỏng sẽ
làm tăng tốc độ dòng khí làm giảm khả năng gây mưa. Do đó, hạn khí tượng xảy ra ở một
mức độ nào đó sẽ dẫn đến hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và ngược lại. Sản lượng nông
nghiệp chủ yếu phụ thuộc vào công tác thủy lợi, thậm chi khi lượng mưa và độ ẩm đất
giảm nhưng cây trồng vẫn cho năng suất cao. Hạn thủy văn cũng có tác động đến hạn
nông nghiệp; hạn thủy văn là trang thái khô cằn cực đoan của lưu vực trong một khoảng
thời gian dài (ít nhất là một quý hoặc 1 năm), quá trình hình thành dòng chảy bao gồm
toàn bộ quá trình vật lý của lưu vực như lượng mưa, bốc hơi mặt

9


ruộng, bốc hơi mặt đất và quá trình ngấm từ mặt đất xuống tầng nước ngầm. Hạn thủy
văn làm cho lượng nước trong lưu vực thiếu hụt, mực nước ngầm hạ thấp làm ảnh
hưởng đến công tác thủy lợi, gây khó khăn cho việc cung cấp nước cho cây [4]. Từ
những phân tích ở trên cho thấy, 4 loại hạn hán ở trên có sự liên quan và tương hỗ chặt
chẽ với nhau, được thể hiện như trong hình 1.1.
Hạn khí tượng

Hạn kinh tế - xã hội

Hạn nông nghiệp

Hạn thủy văn

Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5]
Ghi chú: nét liền là mối liên quan trực tiếp, nét đứt là mối liên quan gián tiếp.
1.1.2 Các chỉ số hạn
Theo H. Hisdal & L. M. Tallaksen [6], thuật ngữ “định nghĩa sự kiện hạn hán” và “chỉ
số hạn hán” vẫn còn chưa rõ ràng. Chỉ số hạn hán thường là một con số đặc trưng cho
trạng thái chung của hạn hán tại một thời điểm đo được. Còn định nghĩa một sự kiện
hạn hán được áp dụng để lựa chọn các sự kiện hạn hán trong một chuỗi thời gian bao
gồm sự bắt đầu và kết thúc của các đợt hạn hán. Việc dự tính hạn hán dựa trên các chỉ
số hạn hán được trình bày chi tiết bởi WMO [3] và Richard R. Heim [7]. Tuy nhiên,
mỗi chỉ số hạn hán đều được lựa chọn sao cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và
mục đích nghiên cứu. Dưới đây là một số chỉ số đã được dùng phổ biến trên thế giới.
1.1.2.1 Chỉ số hạn khí tượng
Hạn khí tượng là sự thiếu hụt lượng nước bất thường được tạo ra do sự mất cân bằng

giữa lượng giáng thủy và bốc hơi, chỉ số hạn khí tượng chủ yếu được tính toán từ các
yếu tố như lượng giáng thủy, nhiệt độ không khí, bốc hơi và các yếu tố khí tượng khác.
Chỉ số hạn khí tượng thường được phân thành hai loại là chỉ số giáng thủy và chỉ số đa
yếu tố khí tượng.

10