Đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm ở thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016 bằng kiểm định phi tham số Mann-Kendall

Bài viết Đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm ở thành phố Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016 bằng kiểm định phi tham số Mann-Kendallđánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm tại các trạm đo mưa ở Tp. Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016 sử dụng phương pháp kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall và ước lượng xu thế Sen.

ĐÁNH GIÁ XU THẾ BIẾN ĐỔI CỦA LƯ NG MƯA NĂM

Ở THÀNH PHỐ HỒ CH MINH GIAI ĐOẠN 1980-2016 BẰNG

KIỂM ĐỊNH PHI THAM SỐ MANN-KENDALL

Nguyễn Văn Tín 1,* , Nguyễn Tâm Khiêm 2

1

Phân viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu,

200 Lý Chính Thắng, Phường 9, Quận 3, Tp Hồ Chí Minh

2 Trường Đại học Tài nguyên Môi trường Tp Hồ Chí Minh, 236B Đường Lê Văn Sỹ, Phường 1, Tân Bình, Hồ Chí Minh

*

Email: tinpk85@yahoo.com

TÓM TẮT

Bài báo này đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm tại các trạm đo mưa ở Tp Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016 sử dụng phương pháp kiểm nghiệm phi tham số Mann-Kendall và ước lượng xu thế Sen Các kết quả được đánh giá dựa trên quá trình phân tích thống kê ở mức ý nghĩa α =0,1 (xác suất phạm sai lầm loại I là 10 %) Hầu hết các trạm có xu thế tăng như trạm; Cần Giờ, Hóc Môn, Tân Sơn Hòa, Bình Chánh, Củ Chi, Lê Minh Xuân, Tam Thôn Hiệp, Mạc Đĩnh Chi có xu hướng tăng và Nhà Bè, Thủ Đức, Cát Lái có xu hướng giảm Tuy nhiên chỉ có các trạm Cần Giờ và Hóc Môn đảm bảo mức ý nghĩa thống kê với tốc độ tăng tương ứng là; 17,1 mm/năm và 9 mm/năm

Từ khóa: Biến đổi khí hậu, xu thế, kiểm định Mann-Kendall, xu thế Sen

1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Thành phố Hồ Chí Minh nằm ở trung tâm vùng Nam Bộ, phía bắc giáp Bình Dương, phía tây bắc giáp Tây Ninh, phía đông và đông bắc giáp Đồng Nai, phía đông nam giáp Bà Rịa- Vũng Tàu, phía tây

và tây nam giáp Long An, Tiền Giang, phía nam giáp Biển Đông với đường bờ biển dài 15 km [7]

Hình 1 Bản đồ Thành phố Hồ Chí Minh

Hiện nay Thành phố Hồ Chí Minh có 19 quận nội thành, gồm các quận: từ Quận 1 đến Quận 12, quận Gò Vấp, Tân Bình, Bình Thạnh, Phú Nhuận, Thủ Đức, Tân Phú và Bình Tân, với 5 huyện ngoại thành gồm: huyện Củ Chi, Hóc Môn, Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ và 317 phường/xã Tổng diện tích

tự nhiên 2.095,58 km2

TP Hồ Chí Minh nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa, thời tiết hàng năm ở các tỉnh thành Nam Bộ nói chung và Tp Hồ Chí Minh nói riêng có hai mùa rõ rệt: mùa khô và mùa mưa, hai mùa này gần như trùng khớp với thời kỳ hoạt động của gió mùa đông bắc và gió mùa tây nam Mùa mưa thường kéo dài từ tháng 5 đến tháng 11 hàng năm, với tỷ trọng lượng mưa chiếm khoảng từ 90 đến 95 % tổng lượng mưa cả năm Trong thời kỳ này, hoạt động liên tục của gió mùa tây nam mạnh tương tác với bão

và áp thấp nhiệt đới trên khu vực Biển Đông luôn mang đến những đợt mưa lớn diện rộng và kéo dài cho các khu vực TP Hồ Chí Minh

Trong những năm gần đây do ảnh hưởng của biến đổi khí hậu làm gia tăng các hiện tượng mưa cực đoan ở TP Hồ Chí Minh, do vậy diễn biến lượng mưa năm có sự biến động lớn giữa các năm Do vậy bài báo này nhằm mục đích đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm tại TP Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016 từ đó rút ra được xu thế tăng hay giảm của lượng mưa Ngoài ra bài báo cũng sử dụng phương pháp đánh giá xu thế Sen [1, 2, 5, 6] thay vì sử dụng phương trình hồi quy tuyến tính và kiểm định Mann-Kendall để đánh giá mức ý nghĩa thống kê [4]

2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU SỬ DỤNG 2.1 Phương pháp nghiên cứu

a) Kiểm nghiệm phí tham số Mann-Kendall (M-K test) [4]

Kiểm nghiệm Mann-Kendall so sánh độ lớn tương đối của các phần tử trong chuỗi dữ liệu, điều này có thể tránh được các giá trị cực đại hoặc cực tiểu cục bộ của chuỗi số liệu Nếu giả thiết

rằng có một dữ liệu theo chuỗi trình tự thời gian (x 1 , x 2 ,…, x n ) với x i biểu diễn số liệu tại thới điểm i

tại mỗi một thời điểm thì mỗi giá trị dữ liệu tại mỗi thời điểm được so sánh với các giá trị trên toàn chuỗi thời gian Giá trị ban đầu của thống kê Mann-Kendall, S là 0 (nghĩa là không có xu thế) Nếu một dữ liệu ở một thời điểm sau lớn hơn giá trị của dữ liệu ở một thời điểm nào đó trước đấy, S được tăng thêm 1; và ngược lại Xét chuỗi x1, x2, …, xn biểu diễn n điểm dữ liệu trong đó xj là giá trị

dữ liệu tại thời điểm j Khi đó chỉ số thống kê Mann-Kendall S [3] được tính bởi

) (

1

i N

i N

i j

x sign S

Trong đó: ( ) {

(2.2) Giá trị: S > 0 chỉ xu thế tăng, S < 0 chỉ xu thế giảm

Tuy nhiên cần phải tính toán xác xuất đi kèm với S và n để xác định mức ý nghĩa của xu hướng Phương sai của S được tính theo công thức:

( ) ⌈ ( )( ) ∑ ( )( )⌉ (2.3) Trong đó g là số các nhóm có giá trị giống nhau, là số phần tử thuộc nhóm thứ p

Giá trị chuẩn Z của S tuân theo định luật phân phối chuẩn

( )

(2.4)

Z =0, S= 0

( )

(2.5)

Z có phân phối chuẩn N (0,1) dùng để kiểm định chuỗi có xu thế hay không với mức ý nghĩa cho trước (trong nghiên cứu này dùng )

b) Phương pháp xu thế Sen (Sen’s s ope) [1 2, 5, 6]

Để xác định độ lớn của xu thế chuỗi Q (độ dốc đường xu thế) ta dùng ước lượng Sen:

Q là median của chuỗi n(n-1)/2 phần tử,

Q = ,

- với i=1, 2,… n-1; j > i, (2.6)

Q > 0 chuối có xu thế tăng và ngược lại

2.2 Số liệu sử dụng

Số liệu sử dụng trong bài báo là lượng mưa ngày tại các trạm ở Tp Hồ Chí Minh từ 1980-2016 trừ trạm Nhà Bè từ 1992-2016 và Tam Thôn Hiệp từ 1982-2016 Vị trí các trạm thể hiện trên hình 2

Hình 2 Vị trí các trạm sử dụng

3 KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH

Đối với lượng mưa năm, bài báo sử dụng kiểm định Mann-Kendall để đánh giá mức độ tin cậy của xu thế biến đổi lượng mưa năm tại 11 trạm ở Tp Hồ Chí Minh Kiểm định Mann-Kendall được

sử dụng với mức ý nghĩa thống kê là (xác suất phạm sai lầm loại I không quá 10 %) Các trạm nào M-K test thỏa mãn mức ý nghĩa thống kê nghĩa là đường xu thế đảm bảo mức độ tin cậy Kết quả

kiểm định được thể hiện ở bảng 1 Bảng 1 cho thấy xu thế biến đổi của lượng mưa năm có xu thế tăng trị (số M-K test S > 0) ở 8/11 trạm (tốc độ tăng nhanh nhất tại Cần Giờ tăng khoảng 17,1 mm/năm, tiếp đến là Hóc Môn 9 mm/năm) và xu thế giảm (S < 0) ở 3/11 trạm (tốc độ giảm mạnh nhất tại Nhà Bè -6,9 mm/năm và Thủ Đức - 4,1 mm/năm), như vậy có thể thấy trong giai đoạn 1980-2016 lượng mưa năm ở TP Hồ Chí Minh có xu thế tăng Tuy nhiên các trạm có xu thế tăng/giảm thỏa mãn ý nghĩa thống kê ( = 0,1) chỉ có trạm Cần Giờ (P_value = 0,003) và Hóc Môn (P_value = 0,09)

Bảng 1 Kết quả kiểm định M-K xu thế biến đổi của lượng mưa năm

Tân

Sơn

Hòa

Nhà

Bè

Cần Giờ

Củ Chi

Bình Chánh Cát Lái

Lê Minh Xuân

Tam Thôn Hiệp

Thủ Đức

Mạc Đĩnh Chi

Hóc Môn

Mean 1898 1683 1067 1642 1478 1720 1756 1517 1455 1775 1504 Median 1854 1665 1040 1665 1642 1471 1797 1531 1359 1531 1471

Var(S) 76,46 42,8 76,3 85,8 85,8 85,8 82,7 70,4 82,7 85,8 82,7

Chú thích: Chú thích: SD - Độ lệch chuẩn; Var (S) - Độ lệch chuẩn của S;

Z - Giá trị chuẩn của S; p.value - Mức ý nghĩa

Hình 3 Xu thế biến đổi lượng mưa năm trạm Cần Giờ

Hình 3 thể hiện xu thế biến đổi của lượng mưa năm ở Cần Giờ, với kiểm định M-K test và xu

thế Sen, lượng mưa ở Cần Giờ có xu thế tăng với tốc độ tăng khá nhanh khoảng 17,1 mm/năm Giai đoạn trước những năm 2000 lượng mưa năm ở Cần Giờ khá thấp chủ yếu thấp hơn so với trung bình nhiều năm, ngoại trừ một vài năm lượng mưa tăng cao đột biến (năm 1980, 1993, 1994) Giai đoạn sau năm 2000 lượng mưa năm chủ yếu cao hơn so với trung bình nhiều năm

Hình 4 Xu thế biến đổi lượng mưa năm trạm Hóc Môn

Hình 4 thể hiện xu thế biến đổi của lượng mưa năm tại Hóc Môn, kết quả ước lượng Sen cho thấy lượng mưa năm trạm Hóc Môn có xu hướng tăng với tốc độ 9 mm/năm Lượng mưa trung bình nhiều năm ở Hóc Môn vào khoảng 1500 mm, lượng mưa năm cao nhất ghi nhận là 2277 mm (năm 2016) và thấp nhất là 500 mm (năm 1983)

4 KẾT LUẬN

Bài báo đã đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa năm tại 11 trạm đo mưa ở Tp Hồ Chí Minh giai đoạn 1980-2016, dùng kiểm định phi tham số Mann-Kendall và ước lượng xu thế Sen Kết quả kiểm định M-K cho thấy chỉ có trạm Cần Giờ và Hóc Môn thỏa mãn mức nghĩa thống kê ( = 0,1), với xu thế tăng tương ứng tại Cần Giờ là 17,1 mm/năm, Hóc Môn tăng 9 mm/năm, các trạm khác có

xu hướng tăng/giảm tuy nhiên phương trình xu thế không đảm bảo độ tin cậy Như vậy có thể thấy trong giai đoạn 1980-2016 lượng mưa năm ở TP Hồ Chí Minh có xu thế tăng

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Ngô Đức Thanh, Phan Văn Tân (2012) - Kiểm nghiệm phi tham số xu thế biến đổi của một số

yếu tố khí tượng giai đoạn 1961-2007, Tạp chí Khoa học ĐHQGHN, 2012

2 Nguyễn Văn Tín (2017) - Đánh giá xu thế biến đổi của lượng mưa thời đoạn lớn nhất ở TP Hồ

Chí Minh giai đoạn 1971-2016 bằng kiểm định phi tham số Mann - Kendall, Tạp chí KTTV số

685, 11/2017

3 Hamed K H., Rao A R - A modified Mann- Kendall trend test for autocorrelated data Journal

of Hydrology, 204: 182-196 (1998)

4 Kendall M G - Rank Correlation Methods, Charles Griffin, London, 272 pp, 1975

5 Sen P K - Estimates of the Regression Coefficient Based on Kendall’s Tau, Juornal of

the American Statistical Association, 63(324), 1379-1389, 1968

6 Sen P K - Estimates of the regression coefficient based on Kendall’s tau Journal of the

American Statistical Association, (63):1379-1389 (1968)

7 http://www.hochiminhcity.gov.vn

NON-PARAMETRIC MANN-KENDALL TEST FOR TREND DETECTION OF ANNUAL

RAINFALL IN HO CHI MINH CITY FROM 1971-2016

Nguyen Van Tin 1 , Nguyen Tam Khiem 2

1

Sub-Institute of hydrometeorology and climate change,

200 Ly Chinh Thang, District 3, Ho Chi Minh city

2

Ho Chi Minh University of Natural Resources and Environment,

236b Le Van Sy, Tan Binh, Ho Cho Minh city

Email: tinpk85@yahoo.com

ABSTRACT

This paper evaluates tend of annual rainfall in HCMC from 1980-2016 with apply non-parametric Mann-Kendall test (with α = 0.1) and Sen‟s slope method The results show that most stations have tend to increase as; Can Gio, Hoc Mon, Tan Son Hoa, Binh Chanh, Cu Chi, Le Minh Xuan, Tam Thon Hiep, Mac Dinh Chi but Nha Be, Thu Duc, Cat Lai stations have tend to decrease Only the Can Gio and Hoc Mon stations ensures statistical significance (α = 0.1), The rainfall of Can

Gio and Hoc Mon have trend to increase; 17.1 mm/year and 9 mm/year

Key words: Climate change, trend, Mann-Kendall, Sen