(Luận văn thạc sĩ) phân bố không gian và xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa trên lãnh thổ việt nam

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ TỰ NHIÊN


LÊ ĐẠI THẮNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

“PHÂN BỐ KHÔNG GIAN VÀ XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA
CÁC ĐẶC TRƯNG MƯA TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM”

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÍ TƯỢNG

Hà Nội – Năm 2014


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC VÀ TỰ NHIÊN


LÊ ĐẠI THẮNG

TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN

“PHÂN BỐ KHÔNG GIAN VÀ XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA
CÁC ĐẶC TRƯNG MƯA TRÊN LÃNH THỔ VIỆT NAM”

Chuyên ngành: Khí tượng và Khí hậu học
Mã số: 60440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHÍ TƯỢNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. VŨ THANH HẰNG

Hà Nội – Năm 2014


Lời cảm ơn
Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Khoa Sau Đại học Trường Đại học Khoa
học tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội; Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học
đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi học tập và nghiên cứu.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các thầy, cô: Tiến sĩ Vũ Thanh Hằng, Giảng viên
trực tiếp hướng dẫn và Giáo sư, Tiến sĩ Phan Văn Tân đã tận tình giúp đỡ tơi trong suốt
thời gian học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này tại nhà trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến các thầy, cơ giáo Bộ mơn khí tượng và các bộ mơn
liên quan đã tận tình giảng dạy, giúp đỡ tơi trong q trình học tập và nghiên cứu.
Tơi xin chân thành cảm ơn Ban giám đốc, Trung tâm Thông tin và Dữ liệu khí
tượng thủy văn, Trung tâm Khí tượng Thủy văn quốc gia đã hết sức hợp tác, hỗ trợ tơi
trong q trình thực hiện luận văn.
Tơi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới gia đình, bạn bè, các bạn đồng nghiệp cùng
tập thể anh chị em học viên lớp cao học CH11 đã động viên, ủng hộ tơi rất nhiều trong
q trình hồn thành luận văn này.

Tácgiả
Lê Đại Thắng


MỤC LỤC
Trang phụ bìa
Mục lục
Danh mục các bảng biểu và đồ thị

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
MỞ ĐẦU

1

Chương 1 – TỔNG QUAN

4

1.1 Một số cơng trình nghiên cứu trên thế giới

5

1.2 Một số cơng trình nghiên cứu ở Việt Nam

10

Chương 2 – SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Số liệu và sử lý số liệu

13

2.2 Phương pháp nghiên cứu

15

2.2.1 Tính tốn đặc trưng thống kê

15

2.2.2 Tính xu thế biến đổi

17

Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
3.1 Các bản đồ phân bố và xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa

20

3.2 Phân bố các đặc trưng mưa

20

3.2.1 Phân bố đặc trưng trung bình nhiều năm của tổng lượng mưa tháng

22

3.2.2 Phân bố các đặc trưng mưa trung bình nhiều năm

29

3.2.3 Mùa mưa trên các vùng khí hậu

42

3.3 Xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa

44

3.3.1 Xu thế biến đổi đăc trưng trung bình nhiều năm của tổng lượng mưa

45

các tháng
3.3.2 Xu thế biến đổi các đặc trưng mưa nhiều năm

46

3.3.3 Xu thế biến đổi độ dài mùa mưa

59

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

61

TÀI LIỆU THAM KHẢO

64

PHỤ LỤC

67


Danh mục các bảng số liệu và bản đồ
STT

Nội dung bảng biểu

Số bảng, bản đồ

1

Danh sách các trạm khai thác số liệu

Bảng 1

2

Đặc trưng trung bình nhiều năm của tổng lượng mưa tháng trên

Bảng 2

các vùng khí hậu
3

Đặc trưng trung bình nhiều năm của các đặc trưng mưa trên các

Bảng 3

vùng khí hậu
4

Xác suất tổng lượng mưa tháng ≥ 100 mm

Bảng 4

5

Hệ số góc Sen tổng lượng mưa tháng tính trung bình trên các

Bảng 5

vùng khí hậu
6

Hệ số góc Sen của các đặc trưng mưa trên các vùng khí hậu

Bảng 6

7

Hệ số góc độ dài mùa mưa tính trung bình trên các vùng khí hậu

Bảng 7

8

Bản đồ phân bố khơng gian tổng lượng mưa tháng

Hình 3.1 – Hình 3.12

9

Bản đồ phân bố khơng gian đặc trưng trung bình nhiều năm

Hình 3.13 – Hình 3.28

10

Bản đồ phân bố khơng gian số năm có tổng lượng mưa các tháng Hình 3.29 – Hình 3.40
≥ 100 mm

11

Xu thế biến đổi của đặc trưng trung bình nhiều năm của tổng Hình 3.41 – Hình 3.52
lượng mưa tháng

12

Xu thế biến đổi trung bình nhiều năm của đặc trưng mưa

13

Xu thế biến đổi độ dài mùa mưa

Hình 3.69

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Chữ viết tắt

Hình 3.53 – Hình 3.68

Ý nghĩa của chữ viết tắt

AĐD

Ấn Độ Dương

BBC

Bắc Bán Cầu

C-C

Phương trình Clausius - Clapeyron

GDP

Tổng sản phẩm quốc nội

GPCP

Dự án khí hậu mưa tồn cầu

ENSO

El nĩno - Dao động nam bán cầu

ITCZ

Dải hội tụ nhiệt đới

IPCC

Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

KKL

Khơng khí lạnh

KKK

Khối khơng khí


KTTV
MST
SI

Khí tượng thuỷ văn
Rãnh gió mùa
Chỉ số mùa (seasonality index)

SSTs

Nhiệt độ bề mặt nước biển

PDSI

Chỉ số đo mức độ hạn hán nghiêm trọng bởi Palmer

TCWV

Tổng cột hơi nước

TBD

Thái Bình Dương

R
RegCM3
XTNĐ

Lượng mưa
Mơ hình khí hậu khu vực
Xốy thuận nhiệt đới


MỞ ĐẦU
Biến đổi khí hậu đang tác động đến tồn cầu, nhiệt độ bề mặt trung bình tồn cầu đã
ấm lên, nhiệt độ tăng dẫn đến khả năng trữ ẩm của khí quyển tăng, với sự ấm lên tồn
cầu, có dấu hiệu cho thấy rằng mưa đã thay đổi và diễn ra trên cả quy mơ tồn cầu và khu
vực. Những tác động của biến đổi khí hậu như nhiệt độ tăng và thay đổi về mưa là rất rõ
ràng và không thể phủ nhận dẫn đến những tác động ảnh hưởng đến hệ sinh thái, đa dạng
sinh học và con người. Mưa có ý nghĩa và đóng vai trị quan trọng trong các q trình
sinh học, từ lúc phơi thai, sinh trưởng và phát triển ảnh hưởng đến sức khỏe và bệnh tật.
Trong số các nước bị tác động của biến đổi khí hậu thì Việt Nam là một trong số các
nước trên thế giới chịu các tác động của biến đổi khí hậu lớn nhất, do điều kiện kinh tế
Việt Nam chưa phát triển, năng lực tổ chức, quản lý và ứng phó cịn hạn chế, nên Việt
Nam là một trong những nước có khả năng dễ bị tổn thương nhất trong số các nước chịu
tác động của biến đổi khí hậu (IPCC, 2007). Tác động của biến đổi khí hậu có khả năng
làm suy yếu và thậm chí, làm giảm các tiến bộ đạt được trong việc cải thiện kinh tế - an
sinh xã hội của Việt Nam. Thay đổi về mưa trên mỗi khu vực sẽ chi phối đến nguồn nước
sẵn có cung cấp cho nhu cầu sử dụng nước sinh hoạt, tưới tiêu và nuôi trồng thủy sản
ngày càng tăng đặt ra yêu cầu tích trữ, khai thác và sử dụng nước một cách hiệu quả,
trong khi nguồn nước cung cấp bởi các con sông suối ngày càng khan hiếm và phụ thuộc
vào phân bố lượng mưa trên từng khu vực. Mưa quá nhiều trên một khu vực nhỏ sẽ sinh
lũ quét gây ra thiệt hại lớn ở hầu hết các hoạt động kinh tế, trong đó ngành nơng nghiệp

chịu thiệt hại nặng nhất, ngược lại sự thiếu hụt bất thường của lượng mưa trên khu vực
thì cũng sẽ gây hạn hán nơng nghiệp. Đối với sản xuất nông nghiệp, thời gian thu hoạch
và gieo trồng các loại cây sẽ khác nhau thuộc vào điều kiện khí hậu của từng khu vực,
hiệu quả canh tác phụ thuộc trực tiếp và gián tiếp vào mưa của từng mùa, vì vậy những
thay đổi trong điều kiện mưa có ảnh hưởng trực tiếp và ngay lập tức về hoạt động của
ngành nông nghiệp cũng như về tổng sản phẩm GDP của cả nước.
Thực tế trong những năm gần đây cho thấy nhiều hoạt động kinh tế cũng như xã hội
đã phải đối mặt nhiều hơn với các điều kiện KTTV bất lợi, mưa, bão, lũ ảnh hưởng ngày
càng nhiều đến các các lĩnh vực kinh tế cũng như đời sống. Trong khi đó, các hoạt động
kinh tế xã hội ngày càng đa dạng với nhiều hoạt động khác nhau như: dầu khí, giải trí, du
lịch, bảo hiểm…địa bàn của các hoạt động kinh tế xã hội cũng ngày càng mở rộng từ

1


vùng núi đến vùng biển, trong đó nhiều vùng có nguy cơ thiên tai mưa lũ tăng cao. Yếu
tố khí hậu mưa ở nhiều quốc gia là nguyên nhân gián tiếp gây ảnh hưởng đến kinh tế,
chính trị và xã hội, trong đó lũ lụt và hạn hán làm giảm sản lượng nơng nghiệp dẫn đến
tình trạng thiếu lương thực, thực phẩm được coi là ngun nhân chính của tình trạng
thiếu lương thực dẫn đến dẫn đến có khả năng tăng cao thảm họa nhân đạo nạn đói, cướp
bóc, bạo loạn, bất ổn định xã hội….
Theo các nhà nghiên cứu ước tính việc giảm 10 % về lượng mưa theo mùa từ mức
trung bình đến dài hạn sẽ dẫn đến giảm 4.4 % sản lượng lương thực. Do đó, kiến thức về
sự phân bố và xu thế biến đổi theo không gian và thời gian của mưa là rất quan trọng
trong việc lập kế hoạch thích ứng cho Việt Nam, bởi nông nghiệp không chỉ chiếm
khoảng 18.4 % tổng sản phẩm quốc nội (GDP) và chiếm 47.1 % tổng số việc làm của
Việt Nam. Hiểu biết sâu sắc hơn về đặc điểm và phân bố của mưa sẽ hỗ trợ quản lý
nguồn nước, phát triển nông nghiệp và quản lý thiên tai và quy hoạch phát triển ở Việt
Nam là rất quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu tồn cầu.
Mưa là một trong những yếu tố khí hậu quan trọng, quá trình hình thành và phát

triển của mưa diễn tiến rất phức tạp, do vậy phân bố không gian và thời gian của mưa có
biến đổi lớn cả vềlượng và cường độ mưa. Biến đổi của mưa thu hút nhiều sự quan tâm vì
tầm quan trọng của nó đối với hoạt động kinh tế như nông nghiệp, sản xuất năng lượng
và cung cấp nước uống, quản lý và sử dụng tài nguyên. Nghiên cứu phân bố mưa và xu
thế mưa trên cơ sở dữ liệu lịch sử là một bài tốn hay khơng chỉ đối với các nhà khí
tượng học mà cịn có sự quan tâm của các nhà khoa học khác.
Như vậy, bằng lý thuyết và thực nghiệm có thể thấy biến đổi của mưa là quan trọng
nhất và có ảnh hưởng chủ yếu tới chế độ khí hậu của một vùng, một khu vực hoặc một
miền lãnh thổ; Nghiên cứu, đánh giá phân bố không gian của các đặc trưng mưa có ý
nghĩa rất quan trọng. Trước những đòi hỏi của thực tế, qua tham khảo những cơng trình
nghiên cứu về phân bố mưa theo khơng gian ở trong và ngồi nước, Chúng tơi chọn đề
tài “Phân bố không gian và xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa trên lãnh thổ Việt
Nam'' với hy vọng xác định chế độ mưa và phân tích, đánh giá xu thế biến đổi của đặc
trưng mưa trên lãnh thổ Việt Nam góp phần vào mục tiêu phát triển kinh tế xã hội. Vì
vậy, nội dung chính của luận văn này là:

2


1. Tính tốn các đặc trưng mưa của 610 trạm KTTV trên tồn lãnh thổ Việt Nam;
2. Mơ tả phân bố các đặc trưng mưa theo không gian trên các vùng khí hậu;
3. Đánh giá xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa trong những thập kỷ qua.
Bố cục của luận văn bao gồm các phần sau:
Mở đầu: Thực trạng và yêu cầu thực tế mang tính cấp thiết của xã hội đối với nội
dung mà đề tài sẽ nghiên cứu
Chương I: Tổng quan
Trình bày tổng quan các cơng trình nghiên cứu trong và ngồi nước liên quan đến
phân bố không gian và thời gian mưa
Chương II: Số liệu và phương pháp nghiên cứu
Phân tích và tuyển chọn số liệu của 610 trạm khí tượng thủy văn, kiểm tra, thống

kê và biên tập chuỗi số liệu
Lựa chọn phương pháp nghiên cứu
Tính tốn các đặc trưng thống kê: Tổng lượng mưa tháng, năm, mùa; Số ngày có
mưa trong tháng, năm, mùa; Độ dài mùa mưa…
Tính tốn và phân tích xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa
Chương III: Kết quả và phân tích
Kết luận và kiến nghị

3


Chương 1
TỔNG QUAN
Việt Nam là quốc gia nằm trong khu vực Đơng Nam châu Á, có vị trí địa lý từ 8o30’
đến 23o22’ vĩ độ Bắc và từ 102o10’ đến 109o21’ kinh độ Đơng, tổng diện tích 331.212
km2 với bờ biển dài khoảng 3.260 km. Theo đánh giá của Cơ quan Quản lý thiên tai châu
Á thuộc Tổ chức Khí tượng thế giới, Việt Nam là một trong những nước chịu nhiều thiên
tai nhất ở châu Á. Nước ta thường chịu nhiều loại thiên tai liên quan tới yếu tố mưa như
bão, lũ, lũ quét, mưa lớn, hạn hán, sạt lở đất, dơng, tố, lốc...trong đó bão lũ, hạn hán là
những loại thiên tai gây nhiều thiệt hại hơn cả.
Điều kiện khí hậu của một khu vực đặc trưng bởi chế độ nhiệt, ẩm, mưa, gió…trong
đó yếu tố mưa đóng vai trị hết sức quan trọng và có khả năng chi phối đối với các biến
còn lại, căn cứ vào hiệu số của tổng lượng mưa và tổng lượng bốc hơi có thể tính tốn
được trữ lượng ẩm của từng khu vực. Lượng mưa nhiều, ít có tác dụng phản ánh khả
năng cung cấp ẩm cho khí quyển là cao hay thấp, mức độ ẩm trong khí quyển được trữ
dưới dạng tiềm nhiệt và ẩn nhiệt biểu hiện dưới dạng khơng khí “ẩm” hay “khơ” hoặc khí
quyển “nóng” hay “lạnh”, sự biến đổi của độ ẩm trong khí quyển là tiền đề cho sự biến
đổi của thời tiết và khí hậu.
Biến đổi của lượng mưa theo không gian và thời gian dẫn đến hệ quả của nó gây tác
động tích cực hay tiêu cực đối với mỗi khu vực, mặc dù với cùng lượng mưa giống nhau

khí hậu có thể rất khác nhau nếu tần số và cường độ mưa khác nhau, hạn hán xảy ra ở nơi
có lượng mưa ít và nhiệt độ cao làm trầm trọng hơn mức độ khô hạn.
Mưa, lũ không những gây thiệt hại về kinh tế xã hội mà cịn đe dọa tới tính mạng
con người và hủy hoại môi trường sống. Dưới tác động của biến đổi khí hậu, diễn biến
của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan hết sức phức tạp; trong đó có sự thay đổi
của yếu tố mưa khơng những về lượng, cường suất mà cịn thay đổi cả về phạm vi ảnh
hưởng theo khơng gian. Chính vì vậy, nghiên cứu sự biến đổi của lượng mưa là một trong
những bài toán thu hút được sự quan tâm của khơng chỉ những nhà khí tượng học mà cịn
của các nhà khoa học khác.

4


1.1 Một số cơng trình nghiên cứu trên thế giới
Trên đất liền, số liệu mưa quan trắc được trong suốt thế kỷ 20 ghi nhận có sự biến
đổi lớn xảy ra với quy mô thời gian năm và thập kỷ, một số mơ hình hệ thống quy mơ lớn
cho thấycó sự thay đổi [23]. Nhìn chung, có sự giảm lượng mưa trong vùng cận nhiệt đới
và ngoài vùng nhiệt đới rãnh gió mùa, và sự gia tăng lượng mưa trên đất liền ở các vùng
vĩ độ cao, Bắc Mỹ, Âu- Á, và Argentina, đặc biệt có sự suy giảm rõ rệt ở Địa Trung Hải,
phía nam Châu Á qua Châu Phi, phía bắc khu vực này mưa nhiều hơn tuyết. Mùa mưa
dài hơn lên đến 3 tuần ở một số vùng vĩ độ cao phương bắc được ghi nhận trong 50 năm
qua [23], thay đổi tương tự có thể được suy ra trên các đại dương từ các mơ hình quy mô
lớn về sự thay đổi độ mặn từ những năm 1950 -1960, so với những năm 1990 - 2000
(IPCC 2007). Trên đại dương, khu vực có vĩ độ thấp độ mặn cao hơn ở các vĩ độ cao ở cả
hai bán cầu do được ngọt hóa (Hình 1.1).

Hình 1.1 Biểu đồ theo thời gian của lượng mưa trung bình toàn cầu - Dự án mưa
toàn cầu (1979-2008), (Gu và các cộng sự 2007).

5

Đánh giá sự biến đổi lượng mưa theo sự biến đổi lưu lượng dịng chảy trên sơng ra
đại dương [13] giai đoạn 1948-2005 (xem Hình 1.2). Tại khoảng giữa thời gian quy mô
thập kỷ, kết quả của sự biến động lớn lưu lượng dòng chảy trên lục địa liên quan tới
ENSO đối với lưu lượng dịng chảy vào Thái Bình Dương, Đại Tây Dương, Ấn Độ, và
các đại dương toàn cầu (ngoại trừ Bắc Băng Dương, Địa Trung Hải và Biển Đen). Đối
với hầu hết các đại dương và đại dương tồn cầu, số liệu lưu lượng dịng chảy có xu
hướng đi xuống nguyên nhân chính là do sự thay đổi của mưa. Đối với khu vực lạnh,
dịng chảy có xu hướng tăng lên (1948-2005) không chỉ do mưa tăng (dữ liệu không đầy
đủ), đặc biệt là trên khu vực Siberia, và xu hướng giảm khu vực phía bắc ở vĩ độ cao có
băng tuyết bao phủ có thể làm gia tăng dịng chảy trong các khu vực này.

Hình 1.2 Xu thế biến đổi lưu lượng nước sông liên quan với lưu vực
(Dai và các cộng sự 2009)
Số liệu mưa trên đất liền tồn cầu sau năm 1950 [23] (Hình 1.3) cho thấy có sự suy
giảm nhẹ trong khoảng thời gian này cùng với sự sụt giảm ít trong năm 1992, cả ở dịng
chảy và lượng mưa, ngồi các yếu tố khác cịn có sự liên quan của núi lửa Pinatubo phun
trào vào năm 1991 [23]. Sự sụt giảm đột ngột bức xạ từ mặt trời dẫn đến sự lạnh đi của

6


mặt đất và đại dương, là nguyên nhân đầu tiên gây ra một sự thay đổi của mưa trên đất
liền, giảm sự bay hơi toàn cầu và lượng mưa toàn cầu.

Hình 1.3 Lưu lượng nước sơng tồn cầu ra đại dương theo thời gian quan hệ với
mưa trên đất liền (Trenberth & Dai 2007)
Hạn hán nhìn chung trong thế kỷ 20 tăng lên [23], chỉ số đo mức độ hạn hán
nghiêm trọng bởi Palmer (PDSI ), cho thấy khu vực đất rất khơ trên tồn cầu (được định

nghĩa là khu vực có chỉ số PDSI dưới -3.0) đã tăng hơn gấp đơi trong khoảng từ những
năm 1970. Hạn hán nói chung thường mở rộng hơn trong khoảng thời gian có các sự kiện
El Niño, hoặc năm sau khi núi lửa Pinatubo phun trào. Sự gia tăng hạn hán có liên quan
đến việc phân bố mưa. Trong thời kỳ dao động thập kỷ Thái Bình Dương, lượng mưa
trên đại dương nhiều hơn đất liền, cùng với sự gia tăng nhiệt độ bề mặt và làm gia tăng sự
bốc hơi nước.
Tổng lượng mưa và các đặc trưng khác trên các khu vực thay đổi, mưa lớn đặc biệt
gia tăng thường xuyên hơn và xảy ra ở nhiều nơi ngay cả khi lượng mưa trung bình
khơng tăng [23], phần lớn sự gia tăng này xảy ra trong khoảng thời gian 3 thập kỷ cuối
cùng của thế kỷ 20. Lũ lụt đã tăng lên ở một số vùng có liên quan với xốy thuận và bão
nhiệt đới. Thảm họa lũ lụt đã tăng lên trong thế kỷ 20 [23] chỉ ra có sự liên kết đặc biệt
giữa mưa lớn và nhiệt độ.
Các nghiên cứu khác về sự biến đổi của mưa cũng cho thấy có sự thay đổi trên các
khu vực khác nhau, nghiên cứu của A.Piticar, D.Ristoiu tại phía đơng bắc Romania được
tính toán với chuỗi số liệu 50 năm (1961-2010) bằng cách sử dụng dữ liệu mưa ngày từ

7


10 trạm khí tượng, với kỹ thuật Kriging Detrended mơ tả phân bố không gian của mưa,
sử dụng phương pháp tính độ dốc Sen để phân tích biến đổi theo thời gian của chuỗi số
liệu (Hình 1.4) sau đó dùng kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall. Kết quả cho thấy
có sự tương phản giữa các khu vực miền núi phía tây mưa nhiều hơn và miền đông khô
hơn, khu vực đơng nam của khu vực phân tích có điều kiện đặc biệt khô là vào mùa Xuân
và mùa Hè, phân tích chuỗi thời gian nhiều năm cho thấy xu hướng tăng của lượng mưa
trong khu vực phân tích. Phân tích thời gian từng mùa cho thấy sự tăng lượng mưa trong
mùa Hè và mùa Thu và giảm vào mùa Đông và mùa Xuân, tuy nhiên, hầu hết các xu
hướng này là khơng rõ rệt.

Hình 1.4 Phân bố khơng gian mùa mưa ở phía bắc Romania (1961-2010),

(A.Piticar, D.Ristoiu 2013)
Nghiên cứu về mưa ở Maharashtra thuộc Ấn Độ tác giả Pulak Guhathakurta và
Elizabeth Saji thu thập số liệu lượng mưa tháng của 335 trạm, có chuỗi thời gian từ 19012006, sau đó dùng phương pháp hồi quy tuyến tính để xác định xu thế của chuỗi số liệu

8


và kiểm nghiệm phân bố thống kê Student (t-test). Mùa mưa được định nghĩa theo chỉ số
SI (seasonality index) của Walsh và Lawer 1981; Kanellopoulou 2002 (Hình 1.5 a và b).

a)

b)

Hình 1.5 Phân bố lượng mưa ở Maharashtra thuộc Ấn Độ
(a. Phân bố lượng mưa nhiều năm; b. Xu thế biến đổi lượng mưa năm)

Hình 1.6 Xu thế mùa mưa ở Maharashtra thuộc Ấn Độ
Kết quả phân tích cho thấy lượng mưa tháng quan sát thấy trên nhiều khu vực
(quận) có xu thế giảm theo khơng gian và thời gian, tháng 1 (8 quận) đến tháng 5 (3
quận), xu thế giảm mạnh nhất là tháng 2 (15 quận), khơng có quận nào có xu thế tăng
lượng mưa trong tháng 1 đến tháng 5 (ngoại trừ Latur). Xu thế tăng lượng mưa xảy ra

9


trong các tháng gió mùa, thể hiện rõ nhất tháng 8 và tháng 10, khu vực phía đơng và phía
tây rất khác so với vùng ven biển có chỉ số SI khoảng 1 và 1.2, cho thấy chế độ mưa ở
đây khoảng 3 tháng hoặc ít hơn khu vực trung tâm có mùa mưa 4 tháng.
1.2 Một số cơng trình nghiên cứu ở Việt Nam

Khí hậu Việt Nam có bốn mùa Xuân, Hạ, Thu, Đôngvà được phân chia thành 7
vùng khí hậu, nhìn chungcó một mùa nóng mưa nhiều và một mùa tương đối lạnh, ít mưa
[5]. Trên nền nhiệt độ chung đó, khí hậu của các tỉnh phía bắc (từ đèo Hải Vân trở ra
Bắc) thay đổi theo bốn mùa: Xuân, Hạ, Thu, Đông.
Việt Nam chịu sự tác động mạnh của gió mùa Đơng Bắc nên nhiệt độ trung bình
thấp hơn nhiệt độ trung bình nhiều nước khác cùng vĩ độ ở Châu Á. So với các nước này,
Việt Nam nhiệt độ về mùa đông lạnh hơn và mùa hạ ít nóng hơn. Do ảnh hưởng gió mùa,
hơn nữa sự phức tạp về địa hình nên khí hậu của Việt Nam luôn luôn thay đổi trong năm,
từ giữa năm này với năm khác và giữa nơi này với nơi khác (từ Bắc xuống Nam và từ
thấp lên cao).
Những năm gần đây cùng với sự biến đổi biến đổi khí hậu toàn cầu, thời tiết và kèm
theo là các hiện tượng thủy văn ở nước ta ngày càng biến động phức tạp hơn, không theo
qui luật truyền thống (mùa mưa bão có xu thế xuất hiện sớm và kết thúc muộn hơn, tần
suất mưa bão và áp thấp nhiệt đới đổ bộ vào Nam Bộ có xu hướng tăng lên). Hiện tượng
ENSO tuy xảy ra ở vùng nhiệt đới xích đạo Thái Bình Dương bởi sự tương tác giữa khí
quyển và đại dương đã gây ra sự biến động của các đặc trưng mưa trên khu vực Nam Bộ
[9].
Thiên tai nghiêm trọng với những biểu hiện bất thường xảy ra ngày càng nhiều hơn
ở nhiều vùng trên cả nước, nguyên nhân mưa lớn, lũ lụt đặc biệt lớn xảy ra ở Miền Trung
bởi nhiều hình thế thời tiết [11], một trong những hình thế thời tiết gây mưa lớn diện rộng
ở Việt Nam đó là front Mei-yu [10].
Các nhà khoa học đang tập trung nghiên cứu biến đổi khí hậu thơng qua việc phân
tích đánh giá xu thế và mức độ biến đổi của một số yếu tố, hiện tượng khí hậu dựa vào hệ
số góc của phương trình hồi quy tuyến tính [2], đây là phương pháp bình phương tối
thiểu rất phổ biến. Ngồi ra, cịn có một số phương pháp khác là xác định hệ số góc Sen

10


[19], và kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendal [16] cũng được ứng dụng và đem lại

hiệu quả cao và rất đáng tin cậy [6] .
Các kết quả của các công trình nghiên cứu cũng cho thấy tổng lượng mưa tháng,
năm trên nhiều vùng có sự thay đổi lớn, cường độ mưa có xu thế tăng, trong khi độ dài
ngày mưa, mùa mưa có xu hướng giảm. Mưa lớn có xu hướng tăng ở Nam Bộ trong khi
giảm ở Bắc Bộ [2]. Dự báo xu thế biến đổi của sự kiện mưa lớn bằng mơ hình RegCM3
cho thấy: Biến đổi của lượng mưa ngày lớn trong thời kỳ 2011-2030 có sự giảm đi trên
hầu khắp lãnh thổ Việt Nam và tăng lên trong giai đoạn 2031-2050. Mặc dù có sự tăng
giảm xem kẽ giữa các vùng nhưng xu thế tăng vẫn chiếm ưu thế [6].
Nghiên cứu có liên quan đến yếu tố mưa, từ trước đến nay khi sử dụng nguồn số
liệu lịch sử do nhiều nguyên nhân khác nhau như cơ sở dữ liệu mưa chưa được số hoá,
chất lượng dữ liệu chưa được kiểm chứng…đa phần các nghiên cứu sử dụng nguồn số
liệu mưa được khai thác từ các nguồn số liệu toàn cầu và nguồn số liệu đo mưa của 58
trạm khí tượng phân bố trên 7 vùng khí hậu của Việt Nam [3], với mục tiêu xây dựng bộ
cơ sở dữ liệu mưa ngày phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. Các nhà khí tượng học
của Việt Nam đã sử dụng bộ số liệu mưa toàn cầu GPCP và số liệu đo tại các trạm quan
trắc của Việt Nam sử dụng phương pháp nội suy Cresssman đã tạo được bộ số liệu mưa
ngày trên lưới 1oX 1o kinh vĩ, giai đoạn 10/1996-12/2007, gọi là VnGP_1 deg [1].
Các cơng trình nghiên cứu ở nước ta trước đây sử dụng nguồn dữ liệu mưa có kết
quả bị hạn chế, do chưa tiếp cận được nguồn số liệu mưa đầy đủ nên sử dụng nguồn số
liệu mưa của một số trạm khí tượng nhất định (<100 trạm) làm đầu vào để phân tích
nghiên cứu, nên kết quả có những hạn chế nhất định. Do đó, trong tương lai việc xây
dựng bộ cơ sở mưa đầy đủ và chính xác với số liệu của nhiều trạm đo hơn là rất cần thiết.
Ngày nay trước các yêu cầu phát triển kinh tế xã hội của cả nước, đặc biệt ưu tiên
phát triển ở các khu vực vùng sâu, vùng xa trong một số lĩnh vực chủ yếu như trồng trọt,
chăn nuôi và phát triển cây cơng nghiệp, xóa đói giảm nghèo, chuyển đổi cơ cấu cây
trồng, phòng tránh và giảm nhẹ thiệt hại do thiên tai. Đây là trách nhiệm và cũng là thử
thách lớn lao của Chính phủ cũng như đối với ngành KTTV nói chung và các nhà khí
tượng, khí hậu học nói riêng, địi hỏi phải mở rộng phạm vi nghiên cứu đồng nghĩa với

11

việc tăng thêm số lượng, mật độ các trạm và khai thác chuỗi số liệu dài hơn đảm bảo cho
kết quả nghiên cứu được khách quan và tin cậy.
Để đáp ứng các yêu cầu kinh tế xã hội nói trên, cần giải một bài toán đặt từ trước tới
nay chưa ai làm là: nghiên cứu phân bố một cách chi tiết các đặc trưng lượng mưa và xu
thế biến đổi nhằm nâng cao hiểu biết và làm tiền đề cho các nghiên cứu khác là hết sức
cần thiết và mang tính cấp bách, việc nghiên cứu có sử dụng số liệu của nhiều trạm (610
trạm) có thời gian dài (gần 50 năm) sẽ cho thấy bức tranh toàn cảnh về phân bố và xu thế
biến đổi của các đặc trưng mưa một cách chi tiết hơn.

12


Chương 2
SỐ LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 Số liệu và xử lý số liệu
Để đảm bảo kết quả nghiên cứu của luận văn được tốt nhất, yêu cầu được đặt ra là
không những phải khai thác nguồn số liệu đủ lớn cả về quy mô về không gian và thời
gian; mà cịn phải đảm bảo tính chính xác và tin cậy đối với nguồn số liệu sử dụng để
tính tốn và phân tích.
Số liệu khai thác là lượng mưa ngày (tổng lượng mưa tính từ 19 giờ hơm trước đến
19 giờ hơm sau) có nguồn gốc từ Trung tâm Tư liệu KTTV, với quy mô khai thác: 610
trạm quan trắc trên toàn mạng lưới của Việt Nam; Bao gồm 3 loại trạm có đo mưa sau:
Trạm khí tượng bề mặt (174 trạm), Trạm thủy văn (132 trạm) và Trạm đo mưa nhân dân
(304 trạm), danh sách các trạm khí tượng thủy văn khai thác số liệu mưa trong bảng 1.
Sau khi thống kê, chuỗi thời gian khai thác số liệu của các trạm được mơ tả như trong
Hình 2.1 dưới đây.

Hình 2.1 Biều đồ thống kê thời gian khai thác số liệu mưa ngày (màu xanh) của các

trạm trên các vùng khí hậu
Số liệu lượng mưa ngày khai thác được lựa chọn đảm bảo dựa trên nguyên tắc là
những trạm điển hình cho khu vực, có khoảng cách phân bố đồng đều trên bảy vùng khí
hậu và độ dài chuỗi tương đối đồng nhất (Hình 2.1). Với quy mơ và khối lượng số liệu rất
lớn đã nêu ở trên, hy vọng kết quả nghiên cứu sẽ mô tả chi tiết hơn phân bố không gian
và xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa. Độ dài chuỗi số liệu: đối với các trạm khí

13


tượng thuỷ văn khu vực Bắc Bộ có thời gian khai thác số liệu khoảng 50 năm (19602010); đối với các trạm khí tượng thuỷ văn khu vực Miền Trung và Nam Bộ có thời gian
khai thác số liệu hơn 30 năm (1976-2010).
Cơ sở dữ liệu là tập hợp hệ thống thơng tin có cấu trúc và ln ẩn chứa các sai số
hoặc khuyết thiếu số liệu, do vậy trước khi sử dụng số liệu để nghiên cứu cần phải được
kiểm tra, xử lý số liệu ban đầu để đảm bảo chắc chắn rằng các tập số liệu được sử dụng là
hoàn toàn đáng tin cậy.
Số liệu mưa của 170 trạm khí tượng được đo bằng Vũ kế (2-4 lần/ngày) và được
hiệu chỉnh số liệu bằng giản đồ mưa tự ghi trên máy Vũ ký theo Quy phạm. Bên cạnh đó
cịn có sự kiểm tra quan hệ vật lý với các hiện tượng thời khác như hiện tượng hiện tại,
hiện tượng đã qua, loại mây gây mưa, cường độ mưa…
Số liệu của 305 trạm đo mưa và 129 trạm thuỷ văn thường được đo 2 lần/ngày.
Trường hợp đặc biệt trên lưu vực sơng có mưa lớn, tần suất đo mưa có thể tăng lên 1h đo
1 lần. Các số liệu này được kiểm tra trên cơ sở hiện tượng thời tiết, tương quan mưa rào
dòng chảy (tương quan giữa lượng mưa với mực nước sông và lưu lượng) và tương quan
theo không gian giữa các trạm đo mưa.
Thiết bị đo mưa là Vũ lượng kế được bảo dưỡng thường xuyên và kiểm định đúng
thời hạn như Quy phạm quy định.
Số liệu được dùng trong Luận văn này đã được tính toán, kiểm tra, kiểm soát và
phúc thẩm qua 3 cấp: cấp trạm, cấp Đài KTTV khu vực và cấp Trung ương (Trung tâm
mạng lưới khí tượng thủy văn và mơi trường). Số liệu được nhập vào cơ sở dữ liệu máy

tính bằng phần mềm chuyên ngành và đều qua các bước kiểm tra, nghiệm thu và so sánh
nên đảm bảo loại bỏ được các sai sót chủ quan của con người.
Nguyên tắc sử dụng số liệu:
1. Sử dụng số liệu thực đo tổng lượng mưa ngày (lượng mưa tích luỹ 24 giờ), nếu
trong chuỗi số liệu có khoảng thời gian nào có số liệu bị khuyết (máy hỏng, khơng quan
trắc) thì khơng được bổ khuyết mà đánh dấu và thay thế bằng giá trị -99.0 và khơng sử lý
khi tính toán.

14


2. Phát hiện các sai số và hiệu chỉnh trên cở sở số liệu thực đo, số liệu nghi ngờ có
thể được kiểm tra lại với số liệu gốc hoặc dùng các trạm khí tượng thủy văn lân cận để so
sánh và đối chiếu.
2.2 Phương pháp nghiên cứu
Phương pháp dùng để tính tốn các đặc trưng mưa là phương pháp thống kê, công
cụ sử dụng để đọc các file dữ liệu, tính tốn và xuất kết quả là các đoạn code được lập
trình bằng ngơn ngữ Fortran, bên cạnh đó để tính tốn các đặc trưng thống kê của yếu tố
mưa có thể sử dụng nhiều cơng cụ khác nhau như Phần mềm thống kê, MS Excel. Trong
đó việc lựa chọn sử dụng ngơn ngữ lập trình Fortran là một giải pháp tối ưu cho việc truy
cập và tính tốn các giá trị đặc trưng lượng mưa trong cơ sở dữ liệu lớn là các file số liệu.
2.2.1 Tính các đặc trưng thống kê
Khi tính tốn các đặc trưng mưa sẽ có thể tính được rất nhiều đặc trưng thống kê
khác nhau với nguồn số liệu ban đầu là lượng mưa ngày, nhưng trong phạm vi nghiên
cứu của luận văn này chúng tơi sẽ lựa chọn tính tốn đặc trưng cơ bản như sau:
a) Về đặc trưng lượng mưa:
Tổng lượng mưa tháng, Tổng lượng mưa năm (I-XII), Tổng lượng mưa mùa khô
(XI-IV); Tổng lượng mưa mùa mưa (V-X); Tổng lượng mưa mùa Đông (XII-II); Tổng
lượng mưa mùa Xuân (III-V); Tổng lượng mưa mùa Hè (VI-VIII); Tổng lượng mưa mùa
Thu (IX-XI);

Nguyên tắc tính tốn các đặc trưng này là số liệu phải thỏa mãn điều kiện:
Đối với giá trị lượng mưa tháng: Số ngày có số liệu phải ≥ 2/3 tổng số ngày trong
tháng (không thỏa mãn điều kiện này, coi như tháng khơng có dữ liệu).
Đối với giá trị lượng mưa năm: Số tháng có số liệu phải ≥ 2/3 tổng số tháng trong
năm (không thỏa mãn điều kiện này, coi như năm khơng có dữ liệu).
Kết quả tính tốn cuối cùng là tính giá trị đặc trưng lượng mưa trung bình nhiều
năm .
b) Về đặc trưng số ngày mưa (ngày mưa là ngày được tính có lượng R ≥ 0.1 mm):

15


Tổng số ngày mưa trong tháng, năm; Số ngày mưa trong mùa khô (XI-IV); Số ngày
mưa trong mùa mưa (V-X); Số ngày mưa trong mùa Đông (XII-II); Số ngày mưa trong
mùa Xuân (III-V); Số ngày mưa trong mùa Hè (VI-VIII); Số ngày mưa trong mùa Thu
(IX-XI); Số ngày mưa lớn (R ≥ 50 mm); Số ngày mưa rất lớn (R ≥ 100 mm);
Kết quả tính tốn cuối cùng là giá trị đặc trưng số ngày mưa trung bình nhiều năm.
c) Độ dài mùa mưa:
Trên cơ sở chuỗi số liệu tổng lượng mưa tháng của từng trạm, tính số năm của từng
tháng có tổng lượng mưa ≥ 100 mm, sau đó tính xác suất phần trăm của tháng có tổng
lượng mưa ≥ 100 mm trong chuỗi số liệu nhiều năm.
Mùa mưa trong năm được tính bằng độ dài tháng có mưa (thỏa mãn điều kiện tháng
có tổng lượng mưa R ≥ 100 mm, XS > 0. 5, thời gian 3 tháng liên tục)
d) Các tính các đặc trưng mưa:
+ Tổng lượng mưa tháng: là tổng lượng mưa các ngày của tháng (trong trường hợp
tháng thiếu số liệu nhưng có số ngày có số liệu ≥ 25 ngày thì tổng lượng mưa tháng được
tính bằng cách lấy tổng lượng mưa đo được chia cho số ngày có số liệu sau đó nhân với
số ngày của tháng).
+ Tổng số ngày mưa tháng: là tổng số ngày có mưa của tháng (ngày mưa: được tính
là ngày có lượng mưa ≥ 0.1 mm).

+ Tổng lượng mưa năm: là tổng lượng mưa của 12 tháng (trong trường hợp năm có
ngày thiếu số liệu nhưng có số ngày có số liệu ≥ 330 ngày thì tổng lượng mưa năm được
tính bằng cách lấy tổng lượng mưa đo được chia cho số ngày có số liệu sau đó nhân với
số ngày của năm).
+ Tổng số ngày mưa trong năm: là tổng số ngày mưa của 12 tháng
+ Tổng lượng mưa từng mùa: là tổng lượng mưa các tháng của mùa đó (mùa Xuân
từ tháng 3 – tháng 5; mùa Hè từ tháng 6 – tháng 8; mùa Thu từ tháng 9 – tháng 11; mùa
Đông từ tháng 12 – tháng 2).

16


+ Tổng số ngày mưa trong từng mùa: là tổng số ngày mưa các tháng của mùa đó
Tổng lượng mưa có ký hiệu là X có số liệu quan trắc {xi; i=1, n}
+ Cơng thức tính tổng lượng mưa:


X

n



xi

i1

(2. 1)

+ Trung bình tháng (năm) của lượng (số ngày) mưa: có giá trị bằng tổng lượng (số

ngày) mưa của nhiều tháng (năm) chia cho số tháng (năm).
Cơng thức tính lượng mưa trung bình:
___



X

n

1
n



1
n



i1

(2. 2)

xi

Cơng thức tính phương sai:
D

x



n

i1

__

( xi  x )2

(2. 3)

Cơng thức tính độ lệch chuẩn:
S

x



D

x

(2. 4)

Với chuỗi số liệu mưa ban đầu {x1, x2, ..xn} ta sắp xếp thành chuỗi trình tự {x(1),
x(2), …x(n)} với x(1)≤x(2), …≤x(n). Khi đó ta có:
Trung vị (Me):

Me  q 0 . 5

 x ( n 1) / 2
nếu n là chẵn

  x n / 2  x n / 2 1
nếu n là lẻ

2


(2. 5)

2.2.2 Tính xu thế biến đổi
Trong phân tích thống kê, mục đích của phân tích xu thế biến đổi của chuỗi số liệu
theo thời gian là xác định các biến đổi của một biến ngẫu nhiên là tăng hay giảm theo
thời gian hay xác suất phân bố thay đổi theo thời gian. Có nhiều cách kiểm tra định tính

17


hoặc định lượng của xu thế như: Đồ thị, hồi quy tuyến tính, Mann-Kendal và Sen’s.
Trong nghiên cứu này chúng tơi áp dụng phương pháp Sen để tính hệ số góc và kiểm
nghiệm phi tham số Mann-Kendal để kiểm tra xu thế biến đổi của các đặc trưng mưa.
Để phát hiện xu thế biến đổi của lượng mưa trong chuỗi thời gian hàng tháng, theo
mùa, và hàng năm bằng phương pháp số Sen và kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall
[16]. Mann-Kendal là một phương pháp sử dụng rộng rãi trong bài toán kiểm nghiệm phi
tham số để phát hiện xu thế biến đổi của các yếu tố khí tượng thủy văn theo thời gian.
Phương pháp Sen sử dụng mơ hình tuyến tính để ước lượng độ dốc của xu hướng này, và
phương sai của các số dư là hằng số theo thời gian. Phương pháp này có nhiều ưu điểm:

khơng ảnh hưởng bởi giá trị số liệu thiếu và dữ liệu phân bố là ngẫu nhiên; dữ liệu sai
hoặc giá trị ngoại lai không ảnh hưởng đáng kể trong phương pháp Sen. Trong luận văn
này những xu hướng được coi là có ý nghĩa thống kê ở mức α bằng 0.1.
Để tính số liệu lượng mưa tháng, năm của hệ số góc Sen của từng trạm trong chuỗi
số liệu khai thác, chúng tơi lựa chọn số liệu tính tốn với điều kiện: Đối với mỗi trạm, độ
dài chuỗi số liệu tính tốn phải ≥ 20 năm, nếu số liệu trạm nào khơng thỏa mãn các điều
kiện trên kết quả tính tốn được thay bằng giá trị -99.0 (khơng có giá trị).
a) Xu thế Sen (Sen’s slope)
Để xác định độ lớn Q của xu thế chuỗi, ta sử dụng cách ước lượng của Sen [21], Q
được xác định là trung vị của dãy gồm n(n- 1)/2 phần tử {

x j  xk
jk

, với k=1, 2, …, n-1;

j>k}.
b) Kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendal
Giả sử có chuỗi trình tự thời gian (x1, x2…xn), có n giá trị
Trong đó: x biểu diễn số liệu tại thời điểm i và j (j>i) và hàm sign là:
 1 x j  xi

sign( x j  xi )  0 x j  xi

 1 x j  xi

Giá trị thống kê Mann-Kendall (S) được định nghĩa:

18

(2. 6)


n 1

S=

n

  sign( x
i 1 j i 1

j

 xi )

(2. 7)

Gán:
 S 1
 Var ( S )


  0
 S 1

 Var ( S )

S 0

(2. 8)

S=0
S 0

Biến phương sai Var (S) được tính bởi:
Var (S) =

1
18

m


n
(
n

1
)(
2
n

5
)

t (t  1)(2t  5)


t 1




(2. 9)

Trong đó: m là số nhóm, mỗi nhóm là một tập các phần tử của chuỗi có cùng giá trị,
và t là số các phần tử thuộc nhóm.
Với định nghĩa độ lớn Q của xu thế chuỗi (mục a) ta thấy Q có cùng dấu với  và có
phân bố chuẩn hóa N(0, 1), giá trị
chuỗi có xu thế giảm. Do

 dương thể hiện chuỗi có xu thế tăng,  âm thể hiện

 thuộc N(0, 1) nên việc kiểm nghiệm chuỗi có xu thế hay

khơng trở nên đơn giản, trong nghiên cứu này giá trị xu thế được tính với mức ý nghĩa 10
%, nghĩa là xác suất phạm sai lầm loại 1 là 10 %.
Đánh giá mức ý nghĩa
Trong tính tốn thực hành, khi đã tính được  ta hồn tồn xác định được xác suất
P(T>||) từ phân bố chuẩn chuẩn hóa:
P(T   ) 

1
2



e



t2
2

dt  0.5 

z

1
2

z

e



t2
2

dt

(2. 10)

0

Từ đó với độ tin cậy p=1- chọn trước nào đó:
Nếu 2P(T>||) < p ta kết luận chuỗi có xu thế, ngược lại nếu 2P(T>||) > p thì chuỗi
khơng có xu thế (với độ tin cậy p hay với mức ý nghĩa ).

19