Ảnh hưởng của EL NINO và biến đổi khí hậu đến lượng bốc hơi tiềm năng khu vực nam trung bộ và tây nguyên luận văn thạc sĩ phần 2

32 CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2 1 Nội dung nghiên cứu 2 1 1 Thu thập và tổng hợp cơ sở liệu khí tượng Khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên hiện nay có tất cả 22 trạm khí tượng Mạng lưới các trạm quan trắc được phân bổ theo địa hình và trãi đều trên toàn khu vực Nguồn thông tin, dữ liệu tại các trạm khí tượng này tương đối đầy đủ trong quá khứ, hiện tại và được cập nhật liên tục theo thời gian Vị trí các trạm khí tượng được thể hiện trong bảng 2 1 dưới đây Để xác định xu thế của.

32

2.1 Nội dung nghiên cứu

2.1.1 Thu thập và tổng hợp cơ sở liệu khí tượng

Khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên hiện nay có tất cả 22 trạm khí tượng Mạng lưới các trạm quan trắc được phân bổ theo địa hình và trãi đều trên toàn khu vực Nguồn thông tin, dữ liệu tại các trạm khí tượng này tương đối đầy đủ trong quá khứ, hiện tại và được cập nhật liên tục theo thời gian Vị trí các trạm khí tượng được thể hiện trong bảng 2.1 dưới đây

Để xác định xu thế của các yếu tố khí hậu cũng như những ảnh hưởng của El Nino

và BĐKH đến lượng bốc thoát hơi tiềm năng tại khu vực NTB và TN, nghiên cứu tiến hành thu thập chuỗi số liệu quan trắc dài hạn về nhiệt độ, độ ẩm, gió, số giờ nắng

và lượng mưa trên khu vực NTB và TN từ năm 1977 đến 2018 (42 năm) Ngoài ra để đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến ETo, trong nghiên cứu này sử dụng kịch bản BĐKH và nước biển dâng năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho giai đoạn

2046 – 2065

33

Bảng 2.1 Tọa độ các trạm khí tượng [33]

STT Khu vực, tỉnh

1 Tam Kỳ Tam An, TX Tam Kỳ 15034’ 108028’

2 Quảng Ngãi P Trần Phú, TX Quảng Ngãi 15007’ 108048’

4 Đà Nẵng P Hoà Thuận, TP Đà Nẵng 16002’ 108012’

5 Quy Nhơn P Trần Phú, TP Quy Nhơn 13046’ 109013’

6 Hoài Nhơn Hoài Hảo, Hoài Nhơn 14031’ 109002’

7 Nha Trang P Vĩnh Nguyên, TP Nha

013’ 109012’

8 Cam Ranh Ba Ngòi, Cam Ranh 11055’ 109009’

9 Tuy Hoà Phường II, TX Tuy Hoà 13005’ 109017’

10 Sơn Hoà Sơn Bình, Tây Sơn 13003’ 108059’

11 Phan Thiết Phú Trinh, TX Phan Thiết 10056’ 108006’

12 Hàm Tân Tân An, Hàm Tân 10041’ 107046’

13 Kon Tum Quyết Tiến, Kon Tum 14020’ 108000’

14 Đắc Tô Tân Cảnh, Đắk Tô 14039’ 107050’

15 Pleiku P Trà Bá, TP Pleiku 13058’ 108001’

18 Buôn Hồ Buôn Hồ, Krông Buk 12055’ 108016’

34

STT Khu vực, tỉnh

19 Đắc Nông Gia Nghĩa, Đắc Nông 12000’ 107041’

20 Đà Lạt Phường I, Đà Lạt 11057’ 108027’

21 Liên Khương Liên Nghĩa, Đức Trọng 11045’ 108023’

2.1.2 Tính toán bốc thoát hơi tiềm năng

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp Penman - Monteith để tính lượng bốc thoát hơi tiềm năng vì công thức này được sử dụng phổ biến trong các phần mềm mô phỏng năng suất cây trồng như CropWat, AquaCrop và việc tính toán ít phức tạp hơn so với công thức cũ Tại Việt Nam, phương pháp Penman – Monteith được nêu trong tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9168:2012 về Công trình thủy lợi – Hệ số tưới tiêu – Phương pháp xác định hệ số tưới lúa Lượng bốc thoát hơi tiềm năng được tính cho giai đoạn 1977-2018 và đến giai đoạn 2046-2065

2.1.3 Xác định vai trò của các yếu tố khí tượng đến sự thay đổi hoặc biến động của ETo

Các kết quả tính ETo khi xem xét đến sự thay đổi của từng yếu tố khí tượng như nhiệt độ, độ ẩm, số giờ nắng và tốc độ gió là cơ sở trong việc đánh giá vai trò của các yếu

tố khí tượng đến sự thay đổi hoặc biến động của ETo

Công thức tính ETo gồm 2 phần là thành phần bức xạ (the radiative component) và thành phần khí động học (the aerodynamic component) Thông thường các đánh về độ nhạy của các biến khí tượng được đánh giá dựa trên sự thay đổi của hai thành phần này khi các giá trị của các biến khí tương thay đổi Trong nghiên cứu này để xác định mức độ đóng góp của một biến khí tượng bất kỳ đến xu thế hoặc biến động của ETo được thực hiện như sau:

 Thay giá trị các biến còn lại bằng giá trị trung bình

35

 Tiến hành tính ETo;

 Xác định xu thế hoặc mức biến động của Eto;

 So sánh mức biến động hoặc xu thế của ETo vừa tính được với kết quả khi không

có sự thay thế

2.1.4 Xác định ảnh hưởng của El Nino và Biến đổi khí hậu đến lượng bốc thoát hơi tiềm năng khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên

- Việc xác định xu thế và mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu dựa trên số liệu quan trắc dài hạn về nhiệt độ, độ ẩm, gió, số giờ nắng và lượng mưa Có tất cả 22 trạm khí tượng được đưa vào phân tích đánh giá, đây là các trạm có số liệu tương đối đầy đủ, phạm vi phân bố của các trạm này trải đều trên khu vực NTB và TN Các năm thiếu số được bổ sung bằng phương pháp hồi quy tuyến tính từng bước trên cơ

sở các trạm có đủ số liệu Để có chuỗi số liệu đủ lớn, ổn định, nghiên cứu tiến hành thu thập kết quả thực đo các yếu tố khí tượng khu vực NTB và TN từ năm 1977 đến

2018 (42 năm) Trên cơ sở đó, một hàm số (phương trình hồi quy) được tạo lập để phản ánh sự biến động của hiện tượng thời tiết qua thời gian

- Ảnh hưởng của BĐKH đến lượng bốc hơi tiềm năng tại khu vực NTB và TN theo kịch bản với mức phát thải trung bình RCP4.5 và kịch bản với mức phát thải cao RCP8.5 ở các mốc thời gian 2046 – 2065 được tính bằng sự thay đổi chỉ số ETo ở các mốc thời gian trong tương lai (2046 – 2065) so với chỉ số ETo trong giai đoạn chuẩn (1977 – 2018)

- Để xác định mức ảnh hưởng của ENSO đến ETo thông qua các biến khí tượng thì giá trị ETo được tính khi thay dữ liệu độ ẩm tương đối, số giờ nắng và tốc độ gió bằng giá trị trung bình tháng tương ứng

2.1.5 Đề xuất các giải pháp thích ứng với những tác động từ El Nino và Biến đổi khí hậu tại khu vực NTB và TN

Tổng hợp, nghiên cứu và đề xuất các giải pháp thích ứng với tình hình càng ngày càng có nhiều hiện tượng khí hậu cực đoan do ảnh hưởng từ biến đổi khí hậu và El

36

Nino tại khu vực NTB và TN Các nội dung hoạt động thích ứng cần được triển khai theo lĩnh vực và vùng/miền/địa phương

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Phương pháp thu thập số liệu

Nguồn dữ liệu quan trắc khí tượng của các trạm quan trắc được sử dụng từ trong đề tài luận văn được lấy Dự án 2.21 về giám sát hạn hán cho Việt Nam, đây là dự án trong khuôn khổ hợp tác song phương giữa Việt Nam và Chính phủ Wallonie-Bruxelles trong giai đoạn 2019-2021, trong đó trường Đại học công nghiệp là đối tác phía Việt Nam

Nghiên cứu tiến hành thu thập chuỗi số liệu quan trắc dài hạn về nhiệt độ, độ ẩm, gió,

số giờ nắng và lượng mưa trên khu vực NTB và TN từ năm 1977 đến 2018 (42 năm) Ngoài ra để đánh giá ảnh hưởng của BĐKH đến ETo, trong nghiên cứu này sử dụng kịch bản BĐKH và nước biển dâng năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường cho giai đoạn 2046 – 2065

2.2.2 Phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi tiềm năng (CROPWAT)

Phương pháp xác định lượng bốc thoát hơi tiềm năng ET0 được sử dụng trong nghiên cứu là phương pháp Penman – Monteith và được viết như sau:

𝐄𝐓𝟎 = 𝟎,𝟒𝟖∆(𝑹𝒏−𝐆)+ 𝜸

𝟗𝟎𝟎 𝐓+𝟐𝟕𝟑 𝐮 𝟐 (𝒆 𝒔 − 𝒆 𝒂 )

Trong đó:

- ET0 là lượng bốc thoát hơi tiềm năng (mm/ngày)

- ∆ là độ nghiêng của đường quan hệ giữa nhiệt độ và áp suất hơi nước bão hòa (kPa/0C)

- Rn là bức xạ tổng cộng đến bề mặt ngang (MJ/m2 ngày)

- G là dòng nhiệt trong đất (MJ/m2 ngày)

37

- γ là hằng số ẩm (kPa/0C)

- T là nhiệt độ trung bình ở mực 2 m (0C)

- u2 là tốc độ gió ở mực 2 m (m/s)

- es là áp suất hơi nước bão hòa, ea là áp suất hơi nước thực tế (kPa)

 Hệ số ∆ được tính như sau:

∆ = 𝟒𝟎𝟗𝟖𝒆𝒔

Trong công thức, áp suất hơi nước bão hòa 𝑒𝑠 được tính theo nhiệt độ như sau:

𝑒𝑠 = 0,611exp (17,27T

 Đại lượng Rn được tính theo công thức:

Trong đó: Rns là phần bức xạ của Mặt trời được giữ lại sau khi đã phản xạ đối với mặt đất trồng trọt, đơn vị MJ/m2.ngày; RnL là phát xạ của bề mặt, đơn vị MJ/m2.ngày

 Thành phần Rns trong biểu thức được tính như sau:

Rns = 0,77 (0,19 + 0,38n

Trong công thức: n là số giờ nắng thực tế, N là số giờ nắng cực đại, Ra là cường độ bức xạ tới mặt ngang tại giới hạn trên của khí quyển

 Giá trị của Ra và N được tính toán như sau:

Ra = 37,6𝑑𝑟(𝑊𝑠 𝑠𝑖𝑛𝜓 𝑠𝑖𝑛𝛿 + 𝑐𝑜𝑠𝜓 𝑠𝑖𝑛𝑊𝑠) (2.6)

N = 7,64𝑊𝑠

Với:

38

𝛿 = 0,409𝑠𝑖𝑛(0,0172J – 1,39)

𝑑𝑟 = 1 + 0,033cos (0,0172J)

Trong các công thức này thì 𝜓 là vĩ độ địa lý (rad); dr là hệ số hiệu chỉnh theo khoảng cách giữa Mặt trời và Trái đất; δ là độ xích vĩ của Mặt trời (rad) và J là ngày theo thứ

tự trong năm

 Thành phần RnL trong công thức được tính như sau:

RnL = 118(T + 273)410−9 ∗ (0,34−0,044√𝑒𝑎)(0,1+0,9

n

N )

 Trong công thức (2-8), thông lượng nhiệt trong đất G theo ngày được xác định bằng công thức:

với Ti, Ti-1 là nhiệt độ không khí ngày i và ngày thứ i-1

Nếu tính G theo nhiệt độ bình quân của tháng thì:

với tm, tm-1 là nhiệt độ bình quân của tháng thứ m và m-1

 Hằng số 𝛾 trong công thức (2-8) được tính như sau:

với P là áp suất ở độ cao z (m), đơn vị kPa và được tính như sau:

P = 101,3(293−0,0065𝑧

 Tốc độ gió ở mực 2 m được tính theo tốc độ gió trung bình ở 10 m (𝑢10) như sau:

39

 Áp suất hơi nước thực tế ở nhiệt độ không khí được tính theo độ ẩm tương đối

H (%) và áp suất hơi nước bão hòa như sau:

𝑒𝑎 = 𝑒𝑠 H

Trong đề tài nghiên cứu này, mô hình CROPWAT version 8.0 được sử dụng để tính toán các số liệu Chương trình CROPWAT ra đời vào năm 1992, được Tổ chức Lương thực thế giới (FAO) xây dựng để tính toán và lập kế hoạch tưới dựa trên dữ liệu được cung cấp bởi người sử dụng Những dữ liệu này có thể được nhập trực tiếp vào CROPWAT hoặc nhập vào từ các chương trình khác [34]

Để tính ETo từ công thức Penman-Monteith, CROPWAT chấp nhận người sử dụng hoặc nhập các giá trị ETo được đo đạc, hoặc nhập các giá trị về nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ gió và số giờ nắng [34]

Hình 2.1 Giao diện làm việc của mô hình CROPWAT

40

2.2.3 Phương pháp xác định độ dốc của đường xu thế (Kiểm định phi tham số

Mann-Kendall và xu thế Sen)

Xu thế Sen được sử dụng để xác định độ dốc của đường xu thế của các yếu tố nhiệt độ, độ ẩm, số giờ nắng, gió và ETo trong giai đoạn 1977-2018 Kiểm định Kendall nhằm xác định mức độ tin cậy về xu thế các yếu tố này.Kiểm định Mann-Kendall và công cụ ước tính độ dốc của Sen được sử dụng nhiều trong đánh giá biến đổi khí hậu trong đó có ETo

Kiểm định phi tham số MannKendall nhằm xác định xu thế của một chuỗi số liệu đã được sắp xếp theo trình tự thời gian Xu thế Sen được tính bằng giá trị trung vị về xu thế của các điểm quan trắc nên phương pháp này tránh được xu thế giả tạo do một vài giá trị cực trị cục bộ gây ra Do đó so với sử dụng phương pháp tính toán xu thế tuyến tính bằng bình phương tối thiểu thông thường, phương pháp này ưu điểm hơn Một ưu điểm nữa của phương pháp này là không cần quan tâm việc tập mẫu tuân theo luật phân bố nào Các công thức tính toán với phương pháp này được mô tả ngắn gọn dưới đây Giả sử có chuỗi trình tự thời gian (x1, x2, …,xn) với xi biểu diễn số liệu tại thời điểm i Giá trị thống kê Mann-Kendall (S) được định nghĩa:

) x x

(

sign

1

n

1

k

n

1

k

j



 

trong đó





























0 x x khi 1

0 x x khi 0

0 x x khi 1 )

x

x

(

sign

k j k j

k j k

và

41























0 S khi

)

S

(

Var

1

S

0 S khi 0

0 S khi

)

S

(

Var

1

S

với Var(S) là phương sai của S, được tính như sau:















1 p

p p

p ( 1 t )( 2 t 5 )]

t ) 5 n )(

1 n

(

n

[

18

1

)

S

(

Trong công thức, g là số các nhóm có các giá trị dữ liệu giống nhau, tp là số phần tử thuộc nhóm thứ p

Z có phân bố chuẩn chuẩn hoá N(0,1) Do Z ∈ N(0,1) nên việc Kiểm định chuỗi có

xu thế hay không trở nên đơn giản Trong bài kiểm tra, giả thuyết rỗng bị bác bỏ, hay nói cách khác là không có xu hướng trong tập dữ liệu, tùy thuộc vào việc thống kê Z được tính toán lớn hơn hay nhỏ hơn giá trị tới hạn của Z (Zcrit) thu được từ bảng phân phối chuẩn

Để xác định độ lớn của xu thế, sử dụng cách ước lượng của Sen (Sen’s slope) Độ lớn của xu thế () được xác định là trung vị của dãy gồm n(n-1)/2 phần tử { (xj – xk)/(j – k), với k = 1, 2, …, n-1; j>k} Với định nghĩa như vậy,  có cùng dấu với Z Trong nghiên cứu này, độ lớn của xu thế được đánh giá qua các mức ý nghĩa từ 0.1 đến 0.001 tương ứng với độ tin cậy Cl từ 90% đến 90.9%

Độ dốc Sen là phương pháp thường được sử dụng để định lượng các xu thế tuyến tính quan trọng trong chuỗi thời gian [10]

Độ đốc (Q) được tính theo công thức:

Q =𝑥′𝑖−𝑥𝑖

42

Trong đó: Q là độ dốc giữa hai điểm xi và xi′ (i=1,2,3 n); xi′ dữ liệu đo lường tại thời điểm i’ ; xi dữ liệu đo lường tại thời điểm i; i’ thời gian sau thời gian i

Ước tính độ dốc của Sen đơn là do độ dốc trung bình (Q’), được hiện thi theo công thức:

Q’={𝑄 [

𝑁+1

2 ] , 𝑁 = {2𝑘 + 1, ∀𝑘 ∈ 𝑍}

𝑄[𝑁+1]=𝑄[𝑁+2]

2 , 𝑁 = {2𝑘, ∀𝑘 ∈ 𝑍}

Nếu Q’ mang giá trị dương thì giá trị của độ dốc của Sen cho thấy xu hướng tăng và giá trị âm cho thấy xu hướng giảm

2.2.4 Phương pháp kiểm định, thống kê (t-Test)

Phân tích phương sai được sử dụng để kiểm định có hay không sự khác biệt về xu thế của ETo giữa các tiểu vùng khí hậu của MNVN Phương pháp này cũng được sử dụng

để kiểm định về sự khác biệt của ETo giữa pha nóng và pha lạnh theo các tiểu vùng khí hậu Kiểm định t (t-Test) được sử dụng để đánh giá mức độ tin cậy về sự khác nhau của các giá trị trung bình của ETo giữa các pha ENSO (Pha ENSO được viết tắt của pha El Nino hoặc La Nina)

2.2.5 Phương pháp phân tích không gian

Phương pháp phân tích không gian trong đề tài sử dụng phần mềm ArcMap để thành lập bản đồ về bốc thoát hơi, biến động về bốc thoát hơi do hoạt động của ENSO, và xu thế của ETo do biến đổi khí hậu Các bản đồ này cho phép xác định các vùng có mức độ biến động và biến đổi xu thế ETo cao, cần ưu tiên trong việc lập kế hoạch thích nghi