Dự tính khí hậu tương lai độ phân giải cao cho tỉnh tuyên quang và khuyến nghị sử dụng trong đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VŨ THỊ THU HƯƠNG DỰ TÍNH KHÍ HẬU TƯƠNG LAI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO CHO TỈNH TUYÊN QUANG VÀ KHUYẾN NGHỊ SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

VŨ THỊ THU HƯƠNG

DỰ TÍNH KHÍ HẬU TƯƠNG LAI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

CHO TỈNH TUYÊN QUANG VÀ KHUYẾN NGHỊ SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN NHU CẦU NƯỚC

CỦA CÂY TRỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

HÀ NỘI - 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH

VŨ THỊ THU HƯƠNG

DỰ TÍNH KHÍ HẬU TƯƠNG LAI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO

CHO TỈNH TUYÊN QUANG VÀ KHUYẾN NGHỊ SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN NHU CẦU NƯỚC

CỦA CÂY TRỒNG

LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

Mã số: 8900201.01QTD

Người hướng dẫn khoa học: TS Vũ Văn Thăng

HÀ NỘI - 2020

i

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn này công trình nghiên cứu do cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS Vũ Văn Thăng, không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác Số liệu và kết quả của luận văn chưa từng được công bố ở bất kì một công trình khoa học nào khác

Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận văn là có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ, trung thực và đúng qui cách Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn

Vũ Thị Thu Hương

ii

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn Tiến sĩ Vũ Văn Thăng đã định hướng nghiên cứu và các phương pháp luận cho tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu Luận văn thạc sỹ

Trong quá trình được học tập, nghiên cứu tại Khoa Các khoa học liên ngành, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã có cơ hội được tiếp thu những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về biến đổi khí hậu qua đó đã giúp tôi có đủ kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo cho tôi niềm say mê nghiên cứu khoa học, phục vụ hiệu quả cho quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành Luận văn thạc sỹ của bản thân

Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo và các đồng chí Lãnh đạo cùng với các cán bộ Khoa Các khoa học liên ngành, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn

Xin trân trọng cảm ơn các cán bộ của Trung tâm nghiên cứu Khí tượng - Khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu đã cung cấp thông tin, tài liệu

và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này

Cuối cùng tôi vô cùng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn./

Hà Nội, ngày 04 tháng 05 năm 2020

Tác giả

Vũ Thị Thu Hương

iii

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG vii

DANH MỤC HÌNH viii

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 4

Tổng quan về các nghiên cứu dự tính khí hậu và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam 4

1.1.1 Trên thế giới 4

1.1.2 Việt Nam 11

Tổng quan về mô hình khí hậu trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu 16

Tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, khí hậu của tỉnh Tuyên Quang 19 Một số nhận xét cuối Chương 1 24

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU 28

Phương pháp nghiên cứu 28

2.1.1 Phương pháp phân tích xu thế 28

2.1.2 Phương pháp mô hình 28

2.1.3 Phương pháp nội suy không gian 28

2.1.4 Các chỉ số đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình 29

2.1.5 Phương pháp đánh giá mức độ biến đổi của khí hậu trong tương lai 30

2.1.6 Phương pháp phân tích tính chưa chắc chắn trong dự tính khí hậu 31

2.1.7 Phương pháp đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng 31

Số liệu sử dụng 34

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36

Xu thế và mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu tỉnh Tuyên Quang 36

3.1.1 Nhiệt độ trung bình 36

3.1.2 Lượng mưa 36

3.1.3 Xu thế biến đổi của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan 37

iv

Đánh giá khả năng mô phỏng của các mô hình khí hậu 42

3.2.1 Nhiệt độ trung bình 42

3.2.2 Nhiệt độ tối cao trung bình 43

3.2.3 Nhiệt độ tối thấp trung bình 44

3.2.4 Lượng mưa 44

Kết quả dự tính khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang 45

3.3.1 Kịch bản biến đổi khí hậu tỉnh Tuyên Quang từ các mô hình thành phần 45

3.3.2 Kịch bản tổ hợp từ các mô hình thành phần sau khi đã hiệu chỉnh thống kê 50

Đánh giá mức độ tin cậy và tính chưa chắc chắn trong các kịch bản biến đổi khí hậu tỉnh Tuyên Quang 68

3.4.1 Mức độ tin cậy đối với nhiệt độ trung bình năm 68

3.4.2 Mức độ tin cậy đối với lượng mưa năm 69

Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng 71

3.5.1 Tính toán số liệu đầu vào cho mô hình Cropwat 71

3.5.2 Kết quả tính nhu cầu nước cho cây trồng 73

KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ 76

TÀI LIỆU THAM KHẢO 81

PHỤ LỤC a PHỤ LỤC A b PHỤ LỤC B h PHỤ LỤC C u PHỤ LỤC D ii

Mô hình hoàn lưu chung khí quyển - đại dương (Atmosphere-Ocean General Circulation Model) Báo cáo lần thứ 4 của IPCC (Fourth Assesment Report)

AR5 Báo cáo lần thứ 5 của IPCC (Fifth Assesment Report)

BĐKH

CCAM

Biến đổi khí hậu

Mô hình Khí quyển bảo giác lập phương (Conformal Cubic Atmospheric Model)

clWRF

CMIP5

CSIRO

Mô hình quy mô vừa WRF phiên bản cho nghiên cứu khí hậu

Dự án đối chứng các mô hình khí hậu lần 5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)

Tổ chức Nghiên cứu khoa học và công nghiệp Liên bang Úc (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation)

(Intergovernmental Panel on Climate Change)

Nước biển dâng

vi

Vương quốc Anh (Providing Regional Climates for Impacts

Mô hình khí hậu khu vực của Trung tâm quốc tế về Vật lý lý thuyết (Regional Climate Model)

Lượng mưa 1 ngày lớn nhất Lượng mưa 3 ngày lớn nhất Lượng mưa 5 ngày lớn nhất

Mô hình chi tiết hóa thống kê (Statistical Downscaling Model) Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải

(Special Report on Emission Scenarios)

Nhiệt độ tối thấp Nhiệt độ tối cao Tài nguyên và Môi trường Tài nguyên nước

Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization)

Mô hình Nghiên cứu và Dự báo thời tiết (Weather Research and Forecast)

vii

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Thông tin các mô hình sử dụng trong tính toán cập nhật kịch bản 18 Bảng 2.1 Danh sách các trạm khí tượng thủy văn tỉnh Tuyên Quang được sử dụng 34 Bảng 2.2 Các mô hình khí hậu được sử dụng trong tính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang 34 Bảng 2.3 Các yếu tố khí tượng trung bình tháng đặc trưng cho tỉnh Tuyên Quang 35 Bảng 3.1 Nhiệt độ cao nhất các thập kỷ và thời kỳ 1961 - 2017 (oC) 38 Bảng 3.2 Nhiệt độ thấp nhất các thập kỷ và thời kỳ 1961 - 2017 (oC) 39 Bảng 3.3 Những thành phần mô hình được lựa chọn để xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang 51 Bảng 3.4 Mức biến đổi nhiệt độ trung bình (°C) so với thời kỳ cơ sở (1986-2005) từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 51 Bảng 3.5 Kịch bản BĐKH của nhiệt độ trung bình cho tỉnh Tuyên Quang 55 Bảng 3.6 Mức biến đổi nhiệt độ tối cao trung bình năm (°C) tổ hợp từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 57 Bảng 3.7 Mức biến đổi nhiệt độ tối thấp trung bình năm (°C) tổ hợp từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 57 Bảng 3.8 Mức biến đổi lượng mưa (%) so với thời kỳ cơ sở (1986-2005) từ 10 phương

án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 59 Bảng 3.9 Kịch bản BĐKH của lượng mưa cho tỉnh Tuyên Quang 63 Bảng 3.10 Mức biến đổi lượng mưa 1 ngày lớn nhất năm (%) từ kết quả tổ hợp 10 phương án tính toán của các mô hình khí hậu khu vực 64 Bảng 3.11 Mức biến đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm (%) từ kết quả tổ hợp 10 phương án tính toán của các mô hình khí hậu khu vực 66 Bảng 3.12 Mức biến đổi và khoảng tin cậy của nhiệt độ trung bình năm (oC) so với thời

kỳ cơ sở 1986 - 2005 theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 68 Bảng 3.13 Mức biến đổi và khoảng tin cậy của lượng mưa năm (%) so với thời kỳ cơ

sở 1986 - 2005 theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 70 Bảng 3.14 Các đặc trưng của thông số cây trồng cho mô hình Cropwat 73 Bảng 3.15 Nhu cầu tưới cho cây lúa trên diện tích canh tác hiện tại ở một số vùng thuộc tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản biến đổi khí hậu 74 Bảng 3.16 Nhu cầu tưới của cây lúa trên diện tích canh tác quy hoạch đến 2020 tại một

số vùng thuộc tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản biến đổi khí hậu 75

viii

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Tác động bức xạ tổng cộng (RF total) lịch sử và dự tính từ năm 1950-2100

của 3 họ kịch bản IS92, SRES và RCP (Nguồn: IPCC, 2013) 6

Hình 1.2 Sự phát triển của các mô hình khí hậu trong 35 năm qua 17

Hình 1.3 Sơ đồ mô tả quá trình chi tiết hóa động lực độ phân giải cao 18

Hình 1.4 Bản đồ hành chính tỉnh Tuyên Quang 20

Hình 1.5 Hiện trạng sử dụng đất của tỉnh Tuyên Quang năm 2018 23

Hình 1.6 Sơ đồ các bước xây dựng kịch bản BĐKH và đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa 27

Hình 3.1 Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí trung bình năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 36

Hình 3.2 Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 37

Hình 3.3 Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí tối cao tuyệt đối năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 38

Hình 3.4 Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí tối thấp tuyệt đối năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 39

Hình 3.5 Hệ số góc a của xu thế biến đổi tuyến tính của số ngày rét đậm (trái), rét hại (phải) trung bình năm qua các thập kỷ tại một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang, thời kỳ 1961-2017 40

Hình 3.6 Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa 1 ngày lớn nhất (Rx1day) năm và các mùa trong năm tại một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 41

Hình 3.7 Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa 5 ngày lớn nhất (Rx5day) năm và các mùa trong năm tại một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 42

Hình 3.8 Mức biến đổi nhiệt độ trung bình năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 52

ix

Hình 3.9 Mức biến đổi nhiệt độ tối cao năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 56 Hình 3.10 Mức biến đổi nhiệt độ tối thấp năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 58 Hình 3.11 Mức biến đổi tổng lượng mưa năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 60 Hình 3.12 Mức biến đổi tổng lượng mưa một ngày lớn nhất năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 65 Hình 3.13 Mức biến đổi tổng lượng mưa năm ngày lớn nhất năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) 67 Hình 3.14 Khoảng biến đổi xung quanh trị số trung bình với cận dưới 10% và cận trên 90% của nhiệt độ trung bình năm tỉnh Tuyên Quang 69 Hình 3.15 Khoảng biến đổi xung quanh trị số trung bình với cận dưới là 20% và cận trên là 80% của lượng mưa năm tỉnh Tuyên Quang 71 Hình 3.16 Mức thay đổi nhu cầu nước tưới của cây lúa ở một số khu vực thuộc tỉnh Tuyên Quang theo diện tích canh tác hiện tại 74 Hình 3.17 Mức thay đổi nhu cầu nước tưới của cây lúa ở một số khu vực thuộc tỉnh Tuyên Quang theo diện tích canh tác quy hoạch 75

1

MỞ ĐẦU

Theo Tổ chức liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), sự gia tăng nồng độ của các khí nhà kính, đặc biệt là khí CO2, kể từ sau cuộc cách mạng công nghiệp là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày nay, với những biểu hiện rõ rệt nhất

là nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng và mực nước biển dâng trên phạm vi toàn cầu BĐKH đã, đang và sẽ tác động nghiêm trọng đến mọi mặt của cuộc sống trên phạm vi toàn cầu như: kinh tế - xã hội, tài nguyên nước, sức khỏe

Với vai trò của mình, IPCC đã tiến hành những nghiên cứu quy mô và chuyên sâu nhằm tăng cường hiểu biết sâu rộng hơn về khoa học BĐKH cũng như những tác động của nó đối với môi trường, kinh tế và xã hội Cho tới nay, IPCC đã thực hiện 05 lần xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH và NBD thông qua các lần báo cáo đánh giá vào các năm: 1990, 1995, 2001, 2007 và gần đây nhất vào năm 2013 là báo cáo đánh giá lần thứ năm (AR5) Một trong những điểm mới trong AR5 là IPCC đã xây dựng kịch bản dựa trên đường phân bố nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP) thay cho các kịch bản phát thải SRES trước đây Các RCP được lựa chọn sao cho đại diện được các nhóm kịch bản phát thải và đảm bảo bao gồm được khoảng biến đổi của nồng độ các khí nhà kính trong tương lai một cách hợp lý Các RCP cũng đảm bảo tính tương đồng với các kịch bản SRES (IPCC, 2007) Nếu như trong năm 2007, IPCC đã triển khai dự án nghiên cứu tổ hợp các mô hình khí hậu (CMIP3) nhằm mục đích thu thập dữ liệu đầu ra của 21 mô hình toàn cầu khác nhau phục vụ cho báo cáo đánh giá lần thứ 4 (AR4) thì trong AR5 dự án CMIP5 đã được thực hiện với tổ hợp của gần 50 mô hình toàn cầu và chạy với kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP Ngoài ra, thời kỳ cơ sở được lựa chọn để so sánh là 1986-

2005, thay cho thời kỳ 1980-1999 trong AR4

Trong những năm gần đây, khí hậu Việt Nam nói chung và khí hậu khu vực tỉnh Tuyên Quang nói riêng cũng có những biến đổi bất thường, ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh Những đợt thiên tai như bão, lũ, rét đậm, rét hại, hạn hán,… xảy ra thường xuyên, biến đổi bất thường và nghiêm trọng hơn Trước tình hình

đó, Việt Nam đã tích cực hưởng ứng và tham gia các tổ chức quốc tế về BĐKH và đề ra những chính sách nhằm ứng phó với BĐKH Kịch bản BĐKH chính thức được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố vào năm 2009 và được cập nhật mới nhất vào năm 2016

đã cung cấp các cơ sở khoa học để Bộ, ngành và địa phương làm căn cứ đánh giá các tác động của BĐKH và xây dựng kế hoạch hành động ứng phó

2

Các mô hình khí hậu toàn cầu được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH toàn cầu thường có độ phân giải thấp (khoảng 125 - 400 km), không đủ chi tiết cho việc phân tích, đánh giá BĐKH và tác động của nó ở quy mô khu vực Do đó, người ta thường sử dụng các mô hình thống kê hoặc mô hình khí hậu khu vực để chi tiết hóa các sản phẩm của mô hình toàn cầu cho từng khu vực, địa phương Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lực tính toán, các mô hình khí hậu khu vực có độ phân giải cao ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc cập nhật kịch bản BĐKH Đối với Việt Nam, trong kịch bản BĐKH năm 2016 đã sử dụng 5 mô hình khí hậu khu vực: CCAM, RegCM, clWRF, PRECIS, AGCM/MRI để chi tiết hóa kịch bản toàn cầu cho Việt Nam

Với lộ trình cập nhật kịch bản BĐKH dựa trên các kịch bản nồng độ KNK trong CMIP5 của IPCC và Việt Nam, việc chi tiết hóa các kịch bản BĐKH quốc gia cho quy

mô cấp tỉnh bằng phương pháp chi tiết hóa động lực vẫn là một vấn đề cần quan tâm nghiên cứu Trong 30 năm qua, tình hình thời tiết và thiên tai ở tỉnh Tuyên Quang diễn

ra rất phức tạp, dị thường và khó dự đoán: nhiệt độ trung bình năm của tăng khoảng 0,62°C, lượng mưa trung bình năm trên toàn tỉnh có xu hướng giảm, hàng năm thường phải hứng chịu các loại thiên tai như: rét đậm, rét hại, hạn hán làm giảm năng suất cây trồng, mực nước của các sông suối xuống thấp so với nhiều năm gần đây; ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, mưa đá kèm gió lốc, lũ quét trên sông Lô, sông Gâm và một số trận mưa cục bộ gây lũ trên các suối nhỏ, ngập lụt, lũ lụt làm sạt lở đất

đá, làm các công trình cầu cống, giao thông, thủy lợi bị hư hỏng, gia súc gia cầm bị chết, sản lượng cây trồng giảm Thiên tai đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến mọi lĩnh vực kinh

tế - xã hội và sức khỏe của người dân Kịch bản BĐKH quốc gia năm 2016 đã dự tính khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang trong thế kỷ 21 tuy nhiên kịch bản này mới sử dụng số liệu của 3 trạm khí tượng nên độ chi tiết chưa cao Do đó Luận văn muốn đưa ra một bộ

số liệu dự tính chi tiết hơn và sử dụng phương pháp tổ hợp khác (dựa trên kết quả tổ hợp của 10 phương án tính toán của 3 mô hình khí hậu khu vực CCAM, clWRF, PRECIS)

để có thêm một nguồn tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích và đánh giá tác động của BĐKH nói chung và đến nhu cầu nước của cây trồng nói riêng cho tỉnh Tuyên Quang

Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục luận văn được bố cục làm 3 chương sau đây:

3

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu, chương này đề cập những nghiên

cứu trong và ngoài nước liên quan đến BĐKH, dự tính khí hậu và đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu, trình bày phương pháp nghiên

cứu được sử dụng trong luận văn, chi tiết về số liệu dùng để tính toán, nghiên cứu

Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận, chương này đưa ra kết quả nghiên

cứu về xu thế của một số yếu tố khí hậu tỉnh Tuyên Quang; đánh giả khả năng mô phỏng của mô hình; phân tích kết quả dự tính và đánh giá tính chưa chắc chắn trong các dự tính đối với nhiệt độ, lượng mưa vào đầu, giữa và cuối thế kỷ 21 theo hai kịch bản KNK trung bình thấp RCP4.5 và cao RCP8.5; ứng dụng kết quả dự tính vào đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng (lúa)

4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Tổng quan về các nghiên cứu dự tính khí hậu và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam

Biến đổi khí hậu (BĐKH) [35] là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có

thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến động của các thuộc tính của

nó, được duy trì trong một thời gian đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn BĐKH có thể là do các quá trình tự nhiên bên trong hệ thống khí hậu, hoặc do những tác động từ bên ngoài [49] Theo báo cáo đánh giá lần thứ 4 (AR4) của IPCC, tác động bức xạ thay đổi trong thời đại công nghiệp chủ yếu do sự gia tăng về nồng độ của các KHK hỗn hợp trong khí quyển do các hoạt động của con người Theo báo cáo đánh giá lần thứ 5 (AR5), thứ tự đóng góp cho tác động bức xạ của các KNK quan trọng lần lượt là CO2, CH4, N2O và CFC-12 [44]

Trước những diễn biến ngày một phức tạp của biến đổi khí hậu, các quốc gia trên thế giới đã có nhiều nỗ lực để ứng phó với biến đổi khí hậu: Đầu tiên phải kể đến là sự thành lập của Ban Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC); Công ước Khung của Liên Hợp Quốc về BĐKH (UNFCCC); Nghị định thư Kyoto (KP) [50]; Các hội nghị của Liên Hợp Quốc về BĐKH (COP) với thành quả mới nhất là Hiệp định Paris được

ký kết năm 2015 của gần 200 nước tham gia với mục tiêu giữ nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng so với thời kỳ tiền công nghiệp ở mức thấp hơn đáng kể so với 2°C và nỗ lực

để giới hạn mức tăng nhiệt độ đến 1.5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp, với nhận thức rằng điều này sẽ giúp giảm đáng kể rủi ro và tác động của biến đổi khí hậu [46] Việc nghiên cứu dự tính khí hậu cũng như việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên các ngành, các lĩnh vực luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học và cả các nhà quản lý trên toàn thế giới

1.1.1 Trên thế giới

Trên thế giới đã sớm có nhiều nghiên cứu dự tính khí hậu tương lai, chủ yếu được thực hiện dựa trên 2 phương pháp: phương pháp tương tự (cố gắng dự tính sự thay đổi của khí hậu tương lai từ việc tái tạo khí hậu quá khứ sử dụng dữ liệu khí hậu – Palaeo)

và phương pháp mô phỏng khí hậu bằng các mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) (được bắt nguồn từ những mô hình dự báo thời tiết), các GCM dựa trên các định luật bảo toàn vật lý mô tả sự phân bố lại của động lượng, nhiệt lượng và hơi nước bởi các

5

chuyển động trong khí quyển [34] Bởi các ưu điểm vượt trội của nó nên các GCM ngày càng được chú trọng nghiên cứu phát triển Đặc biệt là sau khi IPCC được thành lập, qua các báo cáo đánh giá của mình, IPCC đã đánh giá và sử dụng các phương pháp tối

ưu nhất để xây dựng kịch bản BĐKH quy mô toàn cầu

Cùng với sự phát triển của các mô hình khí hậu, IPCC cũng đã xây dựng các kịch bản phát thải khí nhà kính (KNK) dựa trên những thay đổi của các nhân tố như tăng trưởng kinh tế, dân số, chính trị hay công nghệ Kịch bản đầu tiên hình thành vào năm

1990 (SA90 gồm 4 họ kịch bản A,B,C,D), kế tiếp là bộ kịch bản được xây dựng vào

năm 1992 (IS92 gồm 6 họ kịch bản (IS92a-IS92f)) và bộ các kịch bản SRES (Special

Report on Emissions Scenarios) được ban hành chính thức năm 2000 gồm 6 nhóm kịch

bản với 3 họ kịch bản gốc là A2, B1 và B2, và 3 nhóm trong họ kịch bản A1 là A1B, A1FI và A1T Tất cả các kịch bản SRES giả định rằng không có chính sách giảm thiểu khí hậu nào được thực hiện [49] Và mới đây, IPCC đã xây dựng bộ kịch bản nồng độ khí nhà kính đặc trưng (Representative Concentration Pathways) RCP gồm có 4 kịch bản: RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5, kịch bản RCP chú trọng đến nồng độ khí nhà kính thay vì các quá trình phát thải trên cơ sở các giả định về phát triển của kinh tế- xã hội, công nghệ, dân số… Một RCP thể hiện một kịch bản biến đổi theo thời gian của nồng

độ khí nhà kính trong khí quyển, đại diện đầy đủ phạm vi của những kịch bản trước đây

có đặc điểm phát thải và RF tương tự Các RCP được xác định bởi giá trị gần đúng của

RF (Wm-2) tại năm 2100 Tên các kịch bản được ghép bởi RCP và độ lớn của RF của các KNK trong khí quyển tại năm 2100 [44] Các kịch bản được so sánh trên Hình 1.1 Cho tới nay, IPCC đã thực hiện 5 lần xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH và NBD chính thông qua 5 lần báo cáo đánh giá BĐKH: FAR (1990), SAR (1994), TAR (2001), AR4 (2007), AR5 (2013) Các mô hình GCM đã liên tục được phát triển về độ phân giải và độ chính xác do ngày càng được bổ sung đầy đủ các thành phần của hệ thống khí hậu, các hoàn lưu quy mô lớn và các sơ đồ tham số hóa cho các quy trình nhỏ hơn Trong AR4, IPCC đã xây dựng kịch bản BĐKH từ tổ hợp 21 mô hình toàn cầu (dự

án CMIP3), và sử dụng bộ kịch bản phát thải KNK SRES để xây dựng kịch bản BĐKH cho thế kỷ 21 Đến AR5, số lượng mô hình đã tăng lên gần 50 mô hình toàn cầu (dự án CMIP5) và chạy với kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP Điểm mới trong AR5 đó là IPCC đã có cách tiếp cận mới có tính đồng thời, tức là sau khi RCPs được xác định, quá trình phát triển kịch bản được thực hiện song song giữa các 3 nhóm nghiên cứu: (1) cộng

6

đồng mô hình biến đổi khí hậu (CM); (2) cộng đồng xây dựng kịch bản kinh tế - xã hội (IAM); và (3) cộng đồng đánh giá tác động, thích ứng, tổn thương và giảm thiểu (IAV), khác với hình thức tuần tự trong AR4 (xác định các kịch bản về phát thải và kinh tế - xã hội trước, trên cơ sở đó mới xây dựng các kịch bản BĐKH và cuối cùng mới thực hiện các mô hình đánh giá tác động) Về mặt khoa học, CMIP5 tập trung vào ba khía cạnh chính mà CMIP3 còn hạn chế, cụ thể: (1) Đánh giá cơ chế quyết định sự khác biệt trong

mô phỏng của các mô hình đối với chu trình các - bon và mây; (2) Đánh giá khả năng

mô phỏng của mô hình đối với các hiện tượng có quy mô thập kỷ; và (3) Tìm nguyên nhân dẫn tới việc các mô hình mô phỏng rất khác nhau đối với cùng một kịch bản Về thời kỳ cơ sở được lựa chọn để so sánh là thời kỳ 1986-2005, thay cho thời kỳ 1980-

1999 như lần công bố trước đây Ngoài ra, trong AR5 đã bổ sung thêm các đánh giá toàn diện hơn về mức độ biến đổi của cực đoan khí hậu (SREX) và xuất bản tập Atlas biến đổi khí hậu mà trong báo cáo AR4 không có hoặc chưa đầy đủ

Hình 1.1 Tác động bức xạ tổng cộng (RF total) lịch sử và dự tính từ năm

1950-2100 của 3 họ kịch bản IS92, SRES và RCP (Nguồn: IPCC, 2013)

Theo như dự tính trong báo cáo AR5, mức tăng của nhiệt độ, lượng mưa, và mực nước biển trung bình toàn cầu cụ thể như sau [44]:

Về nhiệt độ: nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu giai đoạn từ năm 2081–2100 tăng

so với giai đoạn 1986-2005 trong phạm vi từ 0,3 - 1,7°C (RCP2.6), 1,1 - 2,6°C (RCP4.5), 1,4 – 3,1°C (RCP6.0), 2,6 – 4,8°C (RCP8.5) Vùng Bắc cực sẽ nóng nhanh hơn toàn cầu

và sự ấm lên trên mặt đất sẽ lớn hơn đại dương So với giai đoạn 1850-1900, thay đổi nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu vào cuối thế kỷ 21, với độ tin cậy cao, có khả năng

7

(xác suất >66%) vượt quá 1,5°C đối với RCP4.5, RCP6.0 và RCP8.5, vượt quá 2°C với RCP6.0 và RCP8.5, nhiều khả năng (more likely) không vượt quá 2°C với RCP4.5; mức tăng nhiệt không thể (xác suất <33%) vượt quá 4°C đối với RCP2.6, RCP4.5 và RCP6.0 (độ tin cậy cao) và có khả năng (xác suất >66%) không vượt quá 4°C với RCP8.5 (độ tin cậy trung bình) Sự nóng lên sẽ tiếp tục biến đổi giữa các giai đoạn hàng năm cho đến thập kỷ và sẽ không đồng đều theo khu vực Các hiện tượng nóng cực đoan chắc chắn sẽ tăng lên và cực đoan lạnh sẽ giảm đi trên hầu hết các vùng lục địa trên quy mô thời gian hàng ngày và mùa, rất có khả năng (xác suất >90%) các đợt nóng sẽ xảy ra với tần suất và thời gian dài hơn

Về lượng mưa: Theo kịch bản RCP8.5, vào cuối thế kỷ 21, lượng mưa ở vĩ độ trung

bình và cận nhiệt đới sẽ tăng ở nhiều vùng khô hạn và giảm ở các vùng ẩm ướt, ở vĩ độ cao và xích đạo Thái Bình Dương, lượng mưa sẽ tăng Mưa cực đoan sẽ tăng ở các vùng

vĩ độ trung bình và vùng ẩm ướt cận nhiệt đới

Về mực nước biển: Mực nước biển dâng trung bình toàn cầu sẽ tiếp tục tăng trong

thế kỷ 21, mức tăng trong giai đoạn 2081–2100 so với giai đoạn 1986-2005 có khả năng nằm trong khoảng từ 0,26 - 0,55m (RCP2.6), 0,32 - 0,63m (RCP4,5), 0,33 - 0,63m (RCP6.0) và 0,45 - 0,82m (RCP8.5), với tốc độ tăng của RCP8.5 trong khoảng 8 - 16 mm/năm (độ tin cậy trung bình)

Mặc dù các GCM có độ phân giải ngày càng tăng nhưng hầu hết chúng không thể

mô phỏng tốt các thay đổi ở quy mô khu vực đến địa phương Do đó, các phương pháp

hạ quy mô thường được sử dụng để chuyển các dự báo của GCM thành thông tin có độ phân giải cao được yêu cầu làm đầu vào để phân tích tác động Có 2 phương pháp chính

để hạ quy mô là: chi tiết hóa động lực (sử dụng đầu ra của mô hình khí hậu toàn cầu GCM làm đầu vào cho mô hình khí hậu khu vực RCM để đưa ra các thông tin chi tiết hơn, độ phân giải cao hơn cho một khu vực cụ thể (Christensen et al 2007)) và chi tiết hóa thống kê (giả thiết rằng mối quan hệ thống kê giữa các yếu tố khí tượng quy mô địa phương/khu vực với các biến khí hậu quy mô lớn sẽ được duy trì trong tương lai, áp dụng chúng cho đầu ra của các mô phỏng GCM sẽ nhận được các thông tin về đặc điểm khí hậu tương lai cho địa phương và khu vực) [49] Do sự phát triển mạnh mẽ về năng lực máy tính nên phương pháp chi tiết hóa động lực ngày càng được các nhà mô hình nghiên cứu ứng dụng

8

Trên cơ sở báo cáo đánh giá của IPCC, các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH cho quốc gia mình và cho những khu vực cụ thể trên lãnh thổ, có thể kể đến các kịch bản của các quốc gia lớn như:

Tại Úc, cho đến nay CSIRO đã có 6 lần xây dựng và cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu và luôn bám sát vào các phương pháp qua các lần báo cáo của IPCC So với AR4, các kịch bản cập nhật sau AR5 cũng có nhiều bước tiến mới như: số lượng mô hình tăng lên từ 23 mô hình ở CMIP3 thì nay tăng lên 40 mô hình ở CMIP5 Một số mô hình hoạt động kém trong bộ mô hình của CMIP5 đã được xác định cho Úc Đồng thời, việc xây dựng các dự tính từ các mô hình có đánh giá tốt để so sánh với các bộ mô hình CMIP5 cũng đã được thực hiện, tuy nhiên kết quả thu được không có sự khác biệt rõ ràng Báo cáo CSIRO 2015 đã tạo ra 2 bộ dự tính khí hậu hạ quy mô cho Úc Một bộ được tạo ra bằng mô hình CCAM sử dụng 6 GCM trong CMIP5 làm đầu vào (ACCESS-1.0, CCSM4, CNRM-CM5, GFDL-CM5, GFDL-CM3, MPI-ESM-LR và NorESM1-M) 6 mô hình này được chọn để bao phủ một phạm vi đại diện cho những thay đổi được

dự tính cho Úc và khu vực rộng hơn, được chọn từ bộ những mô hình CMIP5 mô phỏng tốt nhất Và một bộ dự tính khí hậu dựa trên mô hình hạ quy mô thống kê dựa trên phương pháp tương tự (Analogue-based SDM) của Cục khí tượng Úc sử dụng 22 mô hình GCM của CMIP5 làm đầu vào Dự tính được tạo ra cho 2 kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 Cùng với việc hạ quy mô mới này, tham chiếu được thực hiện với những khu vực cụ thể của Úc như: Tasmania, Đông Nam Úc, Biển Ấn Độ, phía đông nam Queensland,… là những nơi có địa hình phức tạp và ven biển [33]

Sau AR5, Hà Lan cũng cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu KNMI’14 cho thế kỷ

21 Các kịch bản này được xây dựng dựa trên 8 thành phần của mô hình EC-Earth và các kết quả tính toán của CMIP5 kết hợp mô hình khí hậu khu vực RACMO2 với độ phân giải 10km Quy trình xây dựng kịch bản: bước đầu tiên là xác định giai đoạn tham chiếu là từ năm 1981-2010, giai đoạn tương lai là 2031-2060 và 2046-2075 bước tiếp theo là lấy mẫu lại (resampling method) cho cả giai đoạn điều khiển và giai đoạn tương lai, khí hậu 30 năm được xây dựng từ sáu giai đoạn 5 năm, được chọn từ 8 thành phần của bộ mô hình EC-Earth (và trong bước hạ quy mô 5 năm từ bộ RACMO2) KNMI’14

đã cung cấp các đánh giá về mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu trung bình và các chỉ số cực đoan khí hậu [30]

Đối với vương quốc Anh (UK), kịch bản biến đổi khí hậu đã được xây dựng từ rất

9

sớm, dựa trên các kịch bản SRES về nồng độ khí nhà kính của IPCC Các kịch bản này đều sử dụng mô hình khí hậu của trung tâm Hadley Kịch bản UKCP09 được xây dựng năm 2009, sử dụng 3 kịch bản phát thải (cao, trung bình, thấp) và mô hình HadCM3

có độ phân giải 25 km, đồng thời sử dụng công cụ “Nguồn sinh thời tiết” (Weather Generator) để tiếp tục chi tiết hóa xuống độ phân giải 5km để nắm bắt những biến đổi

ở những khu vực nhỏ nhằm tăng khả năng ứng dụng trong đánh giá tác động UKCP09

là kịch bản đầu tiên có kèm xác suất ứng với từng mức độ khác nhau của BĐKH tương lai Kịch bản UKCP18 được công bố vào năm 2018, sử dụng các kịch bản phát thải SRES A1B (cho phép so sánh giữa các kết quả UKCP09 và UKCP18) và 4 kịch bản phát thải mới RCP trong báo cáo AR5 của IPCC Độ phân giải của các mô hình cũng tăng lên 12km thay vì 25km như trong UKCP09 [39]

Tại Nhật Bản, Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản đã phát triển mô hình hệ thống trái đất mới ESM1 từ mô hình hoàn lưu chung kết hợp khí quyển và đại dương CGCM3 bổ sung thêm các quá trình hóa học và sinh hóa học cũng như động lực và nhiệt động lực, các mô-đun chu kỳ carbon cho đất và đại dương được bao gồm trong AGCM

và OGCM tương ứng Quá trình so sánh thử nghiệm MRI-ESM1 với MRI-CGCM3 trong 3 giai đoạn: tiền công nghiệp, lịch sử, dự đoán tương lai với RCP8.5 cho thấy khí hậu tiền công nghiệp không có khuynh hướng đáng kể; trong giai đoạn lịch sử, mô hình MRI-ESM1 cho kết quả nồng độ CO2 trong khí quyển và nhiệt độ không khí bề mặt tăng nhỏ hơn so với quan trắc; sự nóng lên vào cuối thế kỷ 20 được mô phỏng với MRI-ESM1 nhỏ hơn khoảng 36% so với MRI-CGCM3 và khoảng 15% vào cuối thế kỷ 21 với kịch bản RCP8.5 [47]

Ở Đức, Dự án ReKliEs-De (Dự tính khí hậu khu vực cho Đức) lần đầu tiên ước tính các dự báo khí hậu cho các tiểu bang và các lưu vực sông của liên bang Đức Nhiều đợt nắng nóng và mưa lớn, ít đợt lạnh hơn, đến năm 2100 nhiệt độ trung bình hàng năm tăng 4°C là kết quả theo RCP8.5 Kịch bản bao gồm 52 kết quả dự tính khí hậu khu vực cho 3 giai đoạn 1971-2000, 2021-2050, 2071-2100 được xây dựng từ 7 mô hình GCMs

và được hạ quy mô bởi 6 mô hình động lực (CCLM, REMO, WRF, RCA4, RACMO, HIRHAM5) và 2 mô hình thống kê (WETTREG, STARS) với 2 kịch bản RCP2.6 và RCP8.5 [38]

Ngoài ra, một số dự án còn cung cấp các mô hình miễn phí chạy trên máy tính cá nhân, ví dụ như mô hình RegCM, đã giúp cho các nước đang phát triển tiếp cận hướng

10

mô hình hóa trong nghiên cứu biến đổi khí hậu khu vực [19]

BĐKH đã tác động lên mọi mặt của đời sống, kinh tế, trong đó nền nông nghiệp

là một trong những lĩnh vực nhạy cảm nhất, do năng suất cây trồng chịu ảnh hưởng lớn của điều kiện khí hậu BĐKH làm tăng nguy cơ lũ lụt, hạn hán, xâm nhập mặn, gây thiệt hại nghiêm trọng đến năng suất, sản lượng cây trồng, làm cho thế giới đứng trước nguy

cơ không đảm bảo về an ninh lương thực Do đó trên thế giới đã có rất nhiều nghiên cứu

về tác động của biến đổi khí hậu đến nông nghiệp, đặc biệt là sau khi Nghị định thư Kyoto được ban hành Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học khí hậu và năng lực tính toán, các kịch bản BĐKH có độ chính xác ngày càng cao, tạo cơ sở đáng tin cậy để đánh giá tác động của BĐKH lên ngành nông nghiệp, trong đó nhu cầu nước cho cây trồng là một trong những yếu tố chính quyết định năng suất cây trồng

Cách áp dụng các kịch bản BĐKH trong đánh giá tác động cũng đã được trình bày

cụ thể trong CSIRO 2015 Trong đó cũng trình bày các phương pháp tạo bộ dữ liệu để

sử dụng trong việc đánh giá tác động Một trong những phương pháp này là chi tiết hóa động lực được sử dụng trong nghiên cứu về tác động đối với nông nghiệp được báo cáo thông qua dự án khí hậu tương lai cho Tasmania – một hòn đảo của Úc Các biến khí hậu nông nghiệp chính ở các khoảng thời gian hàng ngày trong giai đoạn 1961 đến 2100 được tạo ra bằng phương pháp chi tiết hóa xuống độ phân giải khoảng 10km bằng mô hình CCAM từ 6 mô hình GMC cho 2 kịch bản phát thải A2 và B1 Đồng thời sử dụng

kỹ thuật điều chỉnh sai số (bias‑adjustment technique) để cho phép các dự tính khí hậu

có thể sử dụng được trực tiếp trong mô hình sinh lý và tính toán các chỉ số khí hậu nông nghiệp [33] Ngoài ra còn rất nhiều nghiên cứu về ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đối với năng suất cây trồng, các nghiên cứu này đều sử dụng đầu ra từ các kết quả dự tính khí hậu tương lai làm đầu vào cho các mô hình đánh giá năng suất cây trồng như: mô hình cây trồng DAYCENT để mô phỏng các thay đổi về năng suất của các loại cây trồng: cỏ linh lăng (cỏ khô), bông, ngô, lúa mì mùa đông, cà chua và gạo, hướng dương theo kịch bản A2 và B1 tại thung lũng Trung tâm của California [37]; mô hình hydro-crop (HC) để dự đoán cân bằng nước và đáp ứng năng suất cây trồng trong năm vùng sinh thái nông nghiệp của Zambia, thông tin này sau đó được áp dụng vào mô hình cân bằng tổng quát (DCGE) có thể tính toán, ước tính tác động đến sản xuất [36]; mô hình WEAP (Water Evaluation and Planning modeling) là mô hình hệ thống nguồn nước tích hợp lượng mưa/dòng chảy, để đánh giá ý nghĩa của một bộ giới hạn của chuỗi khí hậu

11

tương lai lên nhu cầu nước trong các lĩnh vực khác nhau, và để đánh giá sự sẵn có của nguồn cung cấp để đáp ứng những nhu cầu này tại thung lũng San Joaquin, phía tây của California Đối với các bài toán quan tâm chính đến đánh giá ảnh hưởng của nguồn nước

và nhu cầu về nước thì những thay đổi có ảnh hưởng trực tiếp đến sự thoát hơi nước và lượng mưa sẽ được xem xét Khi đó thường sử dụng phương pháp FAO Penman – Monteith thông qua mô hình CROPWAT để đánh giá [43] [32]

Tháng 6 năm 1992, để chuẩn bị tham gia hội nghị Rio, Brazil các tác giả Nguyễn Đức Ngữ và nnk đã thực hiện và công bố báo cáo “Biến đổi khí hậu và tác động của chúng ở Việt Nam” [15] [42] [40]

Năm 1994, trong quá trình tham gia thực hiện dự án “Biến đổi khí hậu ở Châu Á”

do ADB tài trợ, Bộ Thủy lợi chủ trì, các tác giả Nguyễn Đức Ngữ và nnk đã xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu đầu tiên cho Việt Nam [41]

Đến năm 2003, sau khi Bộ Tài nguyên và Môi trường hoàn thành thông báo đầu tiên của Việt Nam cho Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu, Viện KTTV và Môi trường đã liên tục xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu ở Việt Nam: năm

2003, sử dụng phần mềm MAGICC/SCENGEN 4.1 và phương pháp hạ quy mô thống kê; năm 2006, xây dựng bằng phương pháp tổ hợp (phần mềm MAGICC/SCEN GEN

12

4.1) và phương pháp chi tiết hóa (Downscaling) thống kê cho Việt Nam và các khu vực nhỏ hơn; năm 2007, xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho dự thảo Thông báo lần hai của Việt Nam cho Công ước khung của Liên Hợp Quốc về biến đổi khí hậu; năm 2008,

sử dụng phương pháp tổ hợp (phần mềm MAGICC/SCEN GEN 5.3) và phương pháp chi tiết hóa thống kê [22]; năm 2009 (MONRE 2009): trên cơ sở phân tích 7 tiêu chí, kịch bản đã lựa chọn phương pháp tổ hợp (MAGICC/SCEN GEN 5.3) và phương pháp chi tiết hóa thống kê Theo kịch bản này, nhiệt độ trung bình năm ở nước ta tăng khoảng 2,3oC, tổng lượng mưa năm và lượng mưa mùa mưa tăng trong khi lượng mưa mùa khô lại giảm, mực nước biển dâng khoảng 75cm so với trung bình thời kỳ 1980 – 1999 [4]; năm 2012 (MONRE 2012): kế thừa các phương pháp chi tiết hóa thống kê được sử dụng trong MONRE 2009 Đồng thời, đưa ra các dự tính bằng cả phương pháp chi tiết hóa động lực sử dụng các mô hình khí hậu khu vực của Anh (PRECIS), Nhật (AGCM/MRI)

Sử dụng các kịch bản SRES gồm: thấp (B1), trung bình (B2, A1B), cao (A2, A1FI) Kịch bản đã cập nhật số liệu đến năm 2010 của 200 trạm KTTV trên cả nước, thời kỳ

cơ sở được lựa chọn là giai đoạn 1980-1999, mức độ chi tiết đến cấp tỉnh, cung cấp 7 giá trị cho 7 khu vực ven biển, bản đồ nguy cơ ngập chi tiết đến cấp huyện Bổ sung các cực trị khí hậu như: Nhiệt độ tối cao, tối thấp, lượng mưa ngày lớn nhất, số ngày có nhiệt

độ >35oC Theo kịch bản phát thải cao: nhiệt độ sẽ tăng từ 2,5-3,7oC và lượng mưa tăng

từ 2-10%, mực nước biển dâng từ 78-95m tính đến cuối thế kỷ 21 [5]; Kịch bản năm

2016 (MONRE 2016): sử dụng số liệu của các trạm khí tượng thủy văn và hải văn cập nhật đến năm 2014, sử dụng các kết quả cập nhật nhất của các mô hình khí hậu toàn cầu (thuộc dự án CMIP5), sử dụng phương pháp chi tiết hóa động lực dựa trên 5 mô hình khí hậu khu vực độ phân giải cao, bao gồm: AGCM/MRI, PRECIS, CCAM, RegCM và clWRF Sử dụng phương pháp thống kê để hiệu chỉnh kết quả tính toán của các mô hình động lực theo số liệu thực đo tại các trạm quan trắc nhằm phản ánh điều kiện cụ thể của địa phương và giảm sai số hệ thống của mô hình Xây dựng kịch bản BĐKH, nước biển dâng và một số cực trị khí hậu chi tiết cho tất cả các tỉnh/thành phố, các quần đảo Hoàng

Sa và Trường Sa của Việt Nam và chi tiết cho 150 trạm khí tượng (tương đương cấp huyện) [6]

Ngoài ra, các nhà nghiên cứu hàng đầu trên cả nước cũng đã có những nghiên cứu xoay quanh vấn đề dự tính khí hậu như:

Năm 2010, Phan Văn Tân đã dự tính sự biến đổi của các điều kiện khí hậu cực

Để phục vụ cho bài toán đánh giá tác động của BĐKH, kịch bản BĐKH của quốc gia tiếp tục được chi tiết hóa đến địa phương Các kịch bản biến đổi khí hậu cho các tỉnh

Hà Tĩnh [21], Ninh Thuận [28], Bình Thuận [29], … được Viện Khoa học Khí tượng thủy văn và Biến đổi khí hậu xây dựng năm 2016 dựa trên các tính toán và phương pháp mới nhất của IPCC Đặc biệt đối với tỉnh Tuyên Quang, trong dự án “Tăng cường năng lực thích ứng với biến đổi khí hậu tại Tuyên Quang”, các tác giả Mai Văn Khiêm và Vũ Văn Thăng đã đánh giá xu thế của các yếu tố khí hậu, các biến cực đoan khí hậu thời kỳ 1961-2015 ở tỉnh Tuyên Quang và dựa trên các thông tin, kết quả và số liệu được sử dụng trong kịch bản quốc gia năm 2016 để xây dựng kịch bản BĐKH cho tỉnh Tuyên Quang trong thế kỷ 21 theo hai kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 Dự án đã thu được bộ số liệu khí hậu và biến đổi khí hậu từ các mô hình khí hậu khu vực CCAM, clWRF, PRECIS trong thời kỳ nền và các thời kỳ tương lai Kết quả cho thấy, nhiệt độ trung bình và các nhiệt độ cực trị năm đều có xu thế tăng, mức biến đổi nhiệt độ tối thấp xấp

xỉ với mức tăng nhiệt độ trung bình trong khi mức tăng nhiệt độ tối cao lớn hơn khá nhiều Lượng mưa năm, các mùa và lượng mưa cực trị năm cũng có xu thế tăng chiếm

ưu thế trong tất cả các thời kỳ của thế kỷ 21 so với thời kỳ cơ sở Đối với các hiện tượng cực đoan, số ngày mưa lớn, rất lớn và số ngày nắng nóng đều có xu thế tăng lên trong khi số ngày rét đậm và rét hại có xu thế giảm Đồng thời, báo cáo còn trình bày và đánh giá tính dễ tổn thương với BĐKH và tác động của BĐKH đối với các lĩnh vực nông nghiệp trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang theo từng xu thế đã được xác định [13] Ngoài ra còn rất nhiều công trình nghiên cứu trên quy mô địa phương khác

Các kịch bản BĐKH chính là cơ sở để đánh giá tác động của BĐKH lên các lĩnh

14

vực Việt Nam có diện tích đất lâm nghiệp, nông nghiệp chiếm tỉ lệ lớn nhất trên cả nước [24] Việc tăng năng suất nông nghiệp, đặc biệt là trong bối cảnh BĐKH là vấn đề rất được quan tâm Trong quá trình tăng trưởng, ngoài các yếu tố như phân bón, sâu bệnh, ánh nắng, nhiệt độ,… thì nước là một yếu tố rất quan trọng quyết định năng suất cây trồng Theo như thống kê, đợt hạn năm 2015 đã làm cho nhiều nơi phải ngừng canh tác lúa, nguồn nước sinh hoạt bị thiếu trầm trọng Do đó, đánh giá tác động của BĐKH lên nông nghiệp nói chung và nhu cầu nước của cây trồng nói riêng đã có nhiều nghiên cứu thực hiện:

Yu et al (2010) đã công bố các kết quả ước tính tác động của biến đổi khí hậu lên các hệ thống nông nghiệp và nguồn nước ở Việt Nam, trong đó có vùng ĐBSCL Các

mô hình mô phỏng thủy văn-cây trồng, mô hình thủy văn và các mô hình lưu vực sông được sử dụng cùng nhau để ước tính năng suất cây trồng có mưa và có tưới tiêu Các

mô hình thủy động lực học được áp dụng ở các vùng đồng bằng sông để đánh giá tác động tăng mực nước biển đến ngập lụt và xâm nhập mặn ảnh hưởng đến sự sẵn có của đất canh tác, đặc biệt là diện tích đất lúa Mô hình thủy văn mô phỏng quá trình mưa/dòng chảy, ước tính sự bốc thoát hơi nước và dòng chảy dựa trên thời tiết đầu vào cho sông Hồng, Đồng Nai và MeKong Mô hình lưu vực được xây dựng cho lưu vực sông Hồng và sông Đồng Nai để tích hợp thủy văn lưu vực sông, nhu cầu về nước, cơ

sở hạ tầng nước và các thể chế và chính sách về nước thành một khuôn khổ tổng thể Đối với vùng có điều kiện tưới tiêu, mô hình tưới cho cây trồng áp dụng cho mô hình lưu vực sông Đối với vùng sử dụng nguồn nước mưa thì tính toán nhu cầu nước cho cây trồng dựa vào lượng mưa và độ ẩm của đất và lượng bốc thoát hơi nước cây trồng

Mô hình mô phỏng sản lượng tiềm năng cho lúa mùa xuân và mùa hè tại ba khoảng thời gian liên quan đến dự báo biến đổi khí hậu, là giai đoạn cơ sở, 2030 và 2050 [31]

Để đánh giá nhu cầu nước cho cây trồng, các tác giả đều sử dụng mô hình CROPWAT 8.0, đây là phần mềm tính chế độ tưới tiên tiến nhất hiện nay và được FAO khuyến cáo sử dụng trên toàn thế giới Đây là chương trình tính nhu cầu tưới, chế độ tưới và kế hoạch tưới cho các loại cây trồng trong các điều kiện khác nhau:

Nguyễn Tuấn Anh, Lê Văn Chín (2012) đã đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng (lúa, ngô) trong hệ thống tưới Trung Hà-Suối Hai, Ba Vì, Hà Nội Thời kì cơ sở là giai đoạn 1980-1999, thời kỳ tương lai là các mốc: 2020, 2050,

2070 và 2100, kịch bản để đánh giá là B2 cho khu vực Hà Nội Số liệu sử dụng là mưa,

Vũ Ngọc Dương và nnk (2014) đã đánh giá ảnh hưởng của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp thuộc khu tưới hồ Cửa Đạt đã sử dụng mô hình khí hậu toàn cầu HADCM3 với các kịch bản A2 và B2 và mô hình SDSM để chi tiết hóa các biến khí hậu cho khu vực nghiên cứu, sau đó sử dụng mô hình CROPWAT để tính toán nhu cầu nước tưới cho nông nghiệp với số liệu mưa hiện trạng và số liệu mưa dự báo cho các giai đoạn 2020s, 2050s và 2080s [9]

Võ Ngọc Dũng và nnk (2014) đã tiến hành nghiên cứu “Đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước cho canh tác lúa trên địa bàn tỉnh Quảng Ngãi” Trong nghiên cứu này, tác giả đã sử dụng chương trình CROPWAT 8.0 để tính nhu cầu nước cho cây lúa theo các kịch bản B1, B2, A2 ứng với các dự tính BĐKH do Bộ TNMT công bố Số liệu được lấy từ 2 trạm khí tượng và 11 trạm đo mưa Kết quả cho thấy nhu cầu nước dành cho tưới các khu vực canh tác lúa tỉnh Quảng Ngãi có khả năng gia tăng, trong đó kịch bản A2 tăng mạnh nhất và kịch bản B1 tăng ít nhất [8]

Ngoài ra mô hình CROPWAT cũng đã được sử dụng để đánh giá nhu cầu nước tưới cho các khu vực khác như: khu vực sông cái Ninh Hòa (Bùi Thị Hạnh, (2011)), hồ chứa Phú Lợi, Chí Linh, Hải Dương (Lê Văn Chín (2013)),

Đối với lưu vực sông Lô, Nguyễn Hoàng Minh (2013), đã đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến tài nguyên nước lưu vực sông Lô, sử dụng mô hình NAM, mô hình MIKE 11, mô hình MIKE BASIN để phục vụ cho tính toán, phân tích đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên tài nguyên nước trên lưu vực sông Lô theo các kịch bản biến đổi khí hậu [14]

Đối với khu vực tỉnh Tuyên Quang, Nguyễn Thị Hiền (2016) đã thực hiện đánh giá tác động của BĐKH đến tài nguyên nước (TNN) mặt và nhu cầu nước (cây lúa và sinh hoạt của người dân), sử dụng mô hình toán thủy văn - thủy lực Mike Nam để tính

16

toán xác định sự thay đổi của TNN và nhu cầu sử dụng nước đến năm 2050 theo kịch bản B2 Số liệu KTTV được sử dụng đến năm 2014, thời kỳ cơ sở là 1980-1999 Theo nghiên cứu này, TNN tự nhiên ở tỉnh Tuyên Quang vẫn đáp ứng được nhu cầu nước của cây lúa và nhu cầu nước cho sinh hoạt đến giai đoạn năm 2050 Tuy nhiên đây mới chỉ

là hai lĩnh vực dùng nước chính còn nhiều lĩnh vực dùng nước khác trên địa bàn chưa được đề cập [11] Trong dự án “Quy hoạch xây dựng và phát triển thủy lợi tỉnh Tuyên Quang giai đoạn 2016-2025, định hướng đến năm 2035” được phê duyệt tại Quyết định

số 174/QĐ-UBND ngày 08/03/2017 cũng đã tính toán nhu cầu nước của cây trồng (lúa, ngô, cam) theo 3 lưu vực (sông Lô, sông Gâm, sông Phó Đáy) của Tuyên Quang cho các thời kỳ 2015, 2025, 2035 theo kịch bản B2 Và trong dự án “Tăng cường năng lực thích ứng với biến đổi khí hậu tại Tuyên Quang”, các tác giả Mai Văn Khiêm và Vũ Văn Thăng cũng đã đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước cho cây trồng (lúa, ngô, mía) dựa trên kịch bản BĐKH quốc gia năm 2016 trong thời kỳ nền (1986-2005) và dự kiến đến năm 2100 theo hai kịch bản biến đổi khí hậu RCP4.5 và RCP8.5 cho các huyện, thành phố thuộc tỉnh Tuyên Quang Kết quả cho thấy nhu cầu nước tưới cho cây trồng tại các huyện, thành phố thuộc tỉnh Tuyên Quang tăng khá nhanh qua các thời kỳ của các kịch bản biến đổi khí hậu so với thời kỳ nền [13]

Nhìn chung, các nghiên cứu đánh giá tác động của BĐKH đến nông nghiệp và tài nguyên nước thường áp dụng phương pháp mô hình như xây dựng kịch bản BĐKH dựa trên các mô hình toàn cầu với các kịch bản phát thải khác nhau, sau đó sử dụng phương pháp chi tiết hóa thống kê hoặc động lực để xác định mức độ BĐKH tại khu vực nghiên cứu và sử dụng các mô hình đánh giá tác động: mô hình DSSAT (đánh giá tác động của BĐKH đến năng suất cây trồng), mô hình cây trồng DAYCENT, Hydro-crop, WEAP,…, các mô hình thủy văn, thủy lực MIKE BASIN, MIKE NAM…(để đánh giá thay đổi của tài nguyên nước) và để đánh giá nhu cầu nước cho cây trồng thường sử dụng mô hình CROPWAT Do đó, kết quả đánh giá phụ thuộc rất nhiều vào độ tin cậy của các mô hình

Tổng quan về mô hình khí hậu trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu

Trong những năm gần đây, việc ứng dụng các mô hình khí hậu toàn cầu GCM trong xây dựng các kịch bản BĐKH được các trung tâm nghiên cứu trên thế giới chú trọng phát triển Các mô hình là sự đơn giản hóa sự phức tạp của tự nhiên Quá trình phát triển của các GCM thể hiện qua các lần báo cáo đánh giá của IPCC (Hình 1.2)

17

(Nguồn: Cubasch et al 201388)

Hình 1.2 Sự phát triển của các mô

hình khí hậu trong 35 năm qua

(Trong mỗi thành phần (ví dụ: khí quyển, sự phức tạp và phạm vi của các quá trình đã tăng theo thời gian (minh họa bằng cách tăng chiều cao của hình trụ), đồng thời độ phân giải ngang và dọc cũng tăng lên đáng kể))

Tuy nhiên, các GCM có độ phân giải còn thô, chưa nắm bắt được hết các đặc trưng khu vực như khí hậu gió mùa, địa hình, hệ sinh thái phức tạp và tác động của con người nên phải dùng các phương pháp chi tiết hóa để chi tiết cho các khu vực nhỏ Hiện nay, với sự phát triển về năng lực máy tính, phương pháp chi tiết hóa thường được dùng là chi tiết hóa động lực còn được gọi là mô hình khí hậu khu vực (RCM) vì nó bao gồm nhiều quá trình vật lý giống với GCM nhưng mô phỏng với độ phân giải cao hơn và cho khu vực nhỏ Mô hình RCM không những có cùng các yếu tố tạo ra sự không chắc chắn của GCM, mà còn bổ sung thêm sự không chắc chắn liên quan đến việc cập nhật thường xuyên điều kiện biên và khu vực nó xác định Các RCM đang ngày càng phát triển cả

về độ chính xác và độ phân giải

Xu hướng hiện nay là sử dụng tổ hợp các mô hình quy mô toàn cầu và khu vực để giảm bớt tính bất định trong việc xây dựng các kịch bản BĐKH Tuy nhiên, cách tiếp cận này phụ thuộc vào năng lực tính toán của hệ thống máy tính và nhân lực Đối với khu vực Việt Nam, trong nghiên cứu luận cứ khoa học cập nhật kịch bản BĐKH và NBD năm 2016, Nguyễn Văn Hiệp đã đề xuất sử dụng phương pháp tổ hợp dựa trên các

mô hình RCM đang được ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu, dự báo và dự tính khí hậu ở Việt Nam bao gồm: PRECIS, CCAM, RegCM, và CLWRF [12] Thông tin cơ bản về các mô hình này được trình bày trong “Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam” ban hành năm 2016 của Bộ Tài nguyên và Môi trường và được thể hiện tóm tắt trong Hình 1.3 và Bảng 1.1 [6]

18

(Nguồn: Kịch bản BĐKH cho Việt Nam – 2016)

Hình 1.3 Sơ đồ mô tả quá trình chi tiết hóa động lực độ phân giải cao

cho Việt Nam

Bảng 1.1 Thông tin các mô hình sử dụng trong tính toán cập nhật kịch bản

biến đổi khí hậu

hình

Trung tâm phát triển

Các phương án tính toán

Độ phân giải, miền tính

Số mực thẳng đứng (levels)

1 clWRF

Cộng tác của nhiều cơ quan, tổ chức lớn, NCAR, NCEP, FSL, AFWA, …

1 NorESM1-M

30 km, 3,5÷27oN và 97,5÷116oE

27

2 PRECIS

Trung tâm Khí tượng Hadley - Vương Quốc Anh

1 CNRM-CM5

2 GFDL-CM3

3 HadGEM2-ES

25 km, 6,5÷25oN và 99,5÷115oE

19

3 CCAM

Tổ chức Nghiên cứu Khoa học và Công nghiệp Liên bang Úc (CSIRO)

27

4 RegCM

Trung tâm Quốc gia nghiên cứu khí quyển Hoa Kỳ (NCAR)

1 ACCESS1-0

2 NorESM1-M

20 km, 6,5÷30oN và 99,5÷119,5oE

(Nguồn: Kịch bản BĐKH cho Việt Nam – 2016)

19

Tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, khí hậu của tỉnh Tuyên Quang

Tuyên Quang là tỉnh miền núi phía Bắc, là trung tâm của lưu vực sông Lô, sông Gâm có tọa độ địa lý từ 21o30’ đến 22o40’ vĩ độ Bắc và 104o53’ đến 105o40’ kinh độ Đông Địa hình của tỉnh Tuyên Quang khá phức tạp, bị chia cắt bởi nhiều dãy núi cao

và sông suối, đặc biệt ở phía Bắc tỉnh Phía Nam tỉnh có địa hình thấp dần, ít bị chia cắt hơn, có nhiều đồi núi thấp và thung lũng chạy dọc theo các con sông Có thể phân

chia địa hình của tỉnh thành các dạng chính sau: Dạng địa hình núi cao: Là vùng núi

cao nằm ở phía Bắc tỉnh bao gồm toàn bộ huyện Na Hang, 11 xã vùng cao của huyện Chiêm Hóa, 2 xã vùng cao của huyện Hàm Yên và một phần phía Bắc của huyện Yên

Sơn, chiếm trên 50% diện tích toàn tỉnh Dạng địa hình vùng núi thấp: Gồm các xã

của huyện Chiêm Hóa (trừ 11 xã vùng cao), huyện Hàm Yên (trừ 2 xã vùng cao), một phần phía Nam huyện Yên Sơn và huyện Sơn Dương Ở đây đồi núi chiếm 70% diện tích, địa hình phức tạp có nhiều sông suối, giao thông đi lại gặp nhiều khó khăn

Dạng địa hình đồi trung du: Vùng đồi trung du nằm ở phần giữa tỉnh, gồm thành phố

Tuyên Quang, phần còn lại của huyện Yên Sơn và Sơn Dương, có diện tích nhỏ, chiếm khoảng 9% diện tích toàn tỉnh, vùng này có những cánh đồng tương đối rộng, bằng phẳng thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp [27]

Mạng lưới sông ngòi: Tỉnh Tuyên Quang là một tỉnh trung du nằm ở trung tâm lưu

vực sông Lô, sông Gâm Đoạn sông Lô chảy trên địa phận tỉnh Tuyên Quang dài 145km với diện tích lưu vực khoảng 2.090km2, bao gồm cả trung và hạ lưu sông Sông Gâm là phụ lưu cấp I lớn nhất của lưu vực sông Lô, chiếm khoảng 44,1% diện tích của toàn bộ lưu vực sông Lô Sông Gâm đoạn chảy trong tỉnh dài 109km với diện tích lưu vực 2.870km2, chảy theo hướng Bắc Nam, hợp lưu với sông Lô ở ngã ba Lô - Gâm phía trên thành phố Tuyên Quang khoảng 10km Các sông nhánh đáng chú ý ở tỉnh Tuyên Quang là Ngòi Quảng Sông Phó Đáy là phụ lưu cuối cùng đổ vào sông Lô ở gần cửa sông, đoạn chảy trên đất Tuyên Quang dài 84km với diện tích lưu vực khoảng 800km2 Sông chảy theo hướng Bắc Nam qua vùng mưa ít nên dòng chảy không dồi dào như sông Lô, sông Gâm Sông Phó Đáy có lòng sông hẹp, nông, khả năng vận tải thuỷ rất hạn chế Ngoài các sông chính trên, trong tỉnh còn có nhiều sông suối nhỏ chằng chịt có độ dốc lớn có khă năng khai thác thuỷ năng cho tỉnh [27]

20

Hình 1.4 Bản đồ hành chính tỉnh Tuyên Quang

Đặc điểm đất đai, thổ nhưỡng: đất đai Tuyên Quang có nhiều tính đa dạng và

phức tạp cụ thể: nhóm đất phù sa (chiếm 2,72% diện tích tự nhiên), nhóm đất dốc tụ (chiếm 1,21% diện tích đất tự nhiên, có nhiều ở huyện Yên Sơn, Sơn Dương và Hàm Yên, ), nhóm đất bạc màu (chiếm 0,61% diện tích đất tự nhiên, phân bố rải rác ở các huyện Yên Sơn, Chiêm Hóa và Sơn Dương thường sử dụng trồng một vụ lúa hoặc chuyên màu cho năng suất thấp), nhóm đất đen (chiếm 0,05% diện tích tự nhiên), nhóm đất đỏ vàng (chiếm 67,75% diện tích tự nhiên, thích hợp với nhiều loại cây trồng dài ngày, chủ yếu thuộc huyện Chiêm Hóa), nhóm đất vàng đỏ (chiếm 17,33% diện tích tự nhiên, có thể khai thác trồng cây ăn quả và cây công nghiệp lâu năm), nhóm đất vàng

đỏ tích mùn (chiếm 6,18% diện tích đất tự nhiên, chủ yếu chỉ có thể khai thác trong lĩnh vực lâm nghiệp) [27]

Chế độ nhiệt: Nhiệt độ không khí trung bình hàng năm trên địa bàn tỉnh đạt khoảng

23,0oC, nói chung do địa hình không có những khoảng độ cao quá cách biệt như giữa vùng đồng bằng và miền núi nên hiện tượng phân hoá nhiệt độ theo độ cao là không rõ ràng lắm [27]

21

Chế độ mưa: Tổng lượng mưa trung bình năm trên toàn tỉnh Tuyên Quang khá lớn,

vào khoảng 1760mm/năm Nhưng do địa hình khá phức tạp nên lượng mưa năm phân

bố không đều trên địa bàn của tỉnh tuỳ theo độ cao và sườn đón gió như: hữu ngạn sông

Lô và sông Gâm, đặc biệt huyện Na Hang nơi gần tâm mưa Bắc Quang có lượng mưa lớn; những vùng thung lũng khuất gió như Gềnh Gà, Chiêm Hoá lượng mưa xuống thấp Như vậy phân bố lượng mưa năm có xu thế giảm dần từ Tây sang Đông, từ lưu vực sông

Lô sang sông Gâm và thấp nhất là thung lũng sông Gâm và sông Phó Đáy Mùa mưa thường bắt đầu từ tháng V đến khoảng cuối tháng IX, chiếm khoảng từ 75 ÷ 80% tổng lượng mưa cả năm [27]

Tình hình thiên tai tại tỉnh Tuyên Quang: Trước các tác động của biến đổi khí hậu,

diễn biến thiên tai trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang ngày càng phức tạp Ảnh hưởng của thiên tai đang có chiều hướng tăng lên cả về cường độ, số lượng và mức độ nguy hiểm Thiên tai diễn biến bất thường và có xu hướng cực đoan hơn, trong khi đời sống nhân dân trên địa bàn tỉnh còn nhiều khó khăn, yếu và thiếu về khả năng tự phòng vệ, điều kiện phương tiện, trang thiết bị, công cụ, ý thức về phòng tránh và giảm nhẹ thiên tai còn hạn chế và chủ quan Công tác cảnh báo, thông tin, tuyên truyền còn rất nhiều khó khăn, đặc biệt là từ cấp cơ sở đến các hộ gia đình và người dân Các loại hình thiên tai chủ yếu thường xảy ra ở tỉnh Tuyên Quang là: nắng nóng, hạn hán, mưa đá, gió lốc, rét hại và ảnh hưởng của hoàn lưu bão gây mưa dẫn đến lũ ống, lũ quét, sạt lở đất và ngập lụt dọc theo các khu vực thấp theo ghi nhận được trong thời gian qua [26]:

Hạn hán: Hạn hán thường xảy ra từ tháng 9 năm trước đến tháng 3 năm sau với

mức độ khác nhau Những đợt hạn nặng đáng kể thường xảy ra trong vụ Đông Xuân điển hình là vụ Đông Xuân 1991-1992 có 3.000/15.000ha lúa bị hạn chiếm 20%, các loại cây trồng khác bị hạn nặng do thiếu nước chiếm 70-80% Sự thiếu hụt nước trong mùa khô kèm theo nền nhiệt độ không khí ngày càng gia tăng sẽ khiến cho nguy cơ cháy rừng có thể sẽ tăng nhiều hơn so với một số năm vừa qua nếu không có các biện pháp quản lý rừng hiệu quả cũng như đẩy mạnh tuyên truyền phòng, chống cháy rừng đến người dân, các loại bệnh, sâu hại rừng có thể tiếp tục phát triển [26]

Về mưa đá, lốc: Mưa đá, lốc thường xảy ra trong các tháng 3,4,5 hàng năm Trọng

điểm là các xã vùng cao của các huyện Na Hang, Lâm Bình, Chiêm Hoá, Hàm Yên và

một số xã vùng thấp của huyện Sơn Dương ( xã Thanh Tương huyện Na Hang; Thổ Bình huyện Lâm Bình; Nhân Mục, Minh Hương huyện Hàm Yên; Tân An, Yên Lập, Hùng Mỹ

22

huyện Chiêm Hoá và Sơn Nam, Đại Phú, Thiện Kế huyện Sơn Dương…) Trong đó đặc

biệt ngày 03/4/2016 đã xảy ra trận mưa đá, đường kính hạt mưa từ 04-08cm đây là trận mưa đá có cường độ mạnh trên địa bàn huyện Chiêm Hóa làm thiệt hại đến sản xuất nông nghiệp và đời sống của nhân dân Ngoài ra thiệt hại do sét gây ra cũng gia tăng về

số vụ [26]

Lũ, lụt sông Lô, Sông Gâm: Mùa lũ trên sông Lô, sông Gâm bắt đầu từ tháng 5 đến

tháng 10 hàng năm Mỗi năm có từ 12 đến 14 trận lũ (đỉnh lũ cao nhất ở Tuyên Quang năm 1971 ở cos 31,35 m) Lũ sớm vào tháng 4 và lũ muộn vào tháng 11, các đỉnh lũ cao nhất tại Thành phố Tuyên Quang từ 22,00m trở lên đều gây thiệt hại lớn đối với sản xuất nông nghiệp [26]

Lũ quét, sạt lở đất: Thường xảy ra tại thượng và trung nguồn Sông Phó Đáy và các

suối Ngòi Quẵng, Ngòi Bợ, Ngòi Lũ, Ngòi Mục, Ngòi Cơi, Ngòi Là, Ngòi Chả, Ngòi Thục, Ngòi Cát, Ngòi Liễm thuộc địa bàn tỉnh Tuyên Quang gây sạt lở đất ở, đất canh tác ảnh hưởng làm chết và bị thương người, cuốn trôi nhà, vùi lấp đất canh tác, phá hỏng các công trình cơ sở hạ tầng ảnh hưởng tới đời sống sinh hoạt và sản xuất của nhân dân Trong đó đặc biệt là trận lũ trên sông Phó Đáy tháng 7 năm 2001 cả thị trấn Sơn Dương

bị chìm ngập trong nước từ 1- 4 m, làm hàng nghìn ha lúa, hoa màu và khu dân cư bị nước lũ tràn qua, hệ thống thông tin liên lạc bị tắc nghẽn Bên cạnh đó, tập quán và điều kiện sinh sống của đồng bào các dân tộc thiểu số trên địa bàn tỉnh thường chọn gần nguồn nước, canh tác ven sông suối, các sườn núi, sườn đồi là những khu vực này thường hay bị ảnh hưởng do thiên tai gây ra như: lũ quét, sạt lở và ngập lụt quá trình phát triển kinh tế, xã hội, cơ sở hạ tầng, dân cư và sản xuất làm vùi lấp, ngăn cản dòng chảy tự nhiên Ngoài ra việc khai thác rừng, tài nguyên, khoáng sản ảnh hưởng đến cân bằng sinh thái, thảm phủ thực vật bị suy giảm làm tăng nguy cơ, cường độ, tần suất, cấp độ

lũ, sạt lở [26]

Rét hại: Trong những năm gần đây trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang xảy ra nhiều

đợt rét hại gây ảnh hưởng đến sản xuất nông lâm nghiệp, chăn nuôi: Điển hình là đợt rét năm 2011 rét đậm kéo dài 31 ngày (từ ngày 03/01/2011 đến 03/02/2011) làm 4.641 con trâu, bò bị chết rét; 348.186 kg mạ đã gieo và 7.240 ha lúa đã cấy bị chết do rét [26]

Về định hướng phát triển kinh tế: Cơ cấu kinh tế từng bước chuyển dịch theo hướng

tăng dần tỷ trọng các ngành công nghiệp, dịch vụ và giảm dần tỷ trọng các ngành nông

mở rộng diện tích trồng mía nguyên liệu đủ cho mục tiêu phát triển công nghiệp đường tỉnh Tuyên Quang Thâm canh ổn định vùng sản xuất lạc tập trung tại huyện Chiêm Hóa Giai đoạn 2016-2020, phấn đấu trồng mới 500ha chè Shan đặc sản ở các địa phương có điều kiện sinh thái phù hợp (như: Lâm Bình, Na Hang); giai đoạn 2021-2025, duy trì ổn định diện tích chè toàn tỉnh Tổ chức thực hiện có hiệu quả Đề án Phát triển vùng sản xuất Cam Sành tỉnh Tuyên Quang đến năm 2025 để cung cấp nguyên liệu cho chế biến nước hoa quả [25] [27]

Hiện trạng sử dụng đất trên địa bàn tỉnh Tuyên Quang được thể hiện trên Hình 1.5, với tổng diện tích đất nông nghiệp là 540.133ha, trong đó: đất trồng cây hàng năm

là 54.231ha (đất trồng lúa là 28.275ha, đất trồng cây hàng năm khác là 25.956ha) và đất trồng cây lâu năm: 40.564ha Trong các cây hàng năm thì cây lúa vẫn là cây chủ lực của tỉnh, tiếp đến là các cây như ngô, mía, sắn, khoai, lạc, đậu tương [7]

(Nguồn: Niên giám thống kê tỉnh Tuyên Quang 2018)

Hình 1.5 Hiện trạng sử dụng đất của tỉnh Tuyên Quang năm 2018

Về công tác thủy lợi: Ngoài các công trình thủy lợi do nhà nước đầu tư còn hàng

75%

1% 7% 1%

Đất trồng cây hàng nămĐất trồng cây lâu nămĐất lâm nghiệp có rừngĐất nông nghiệp khácĐất phi nông nghiệpĐất chưa sử dụng

24

nghìn công trình tạm do nhân dân tự xây dựng, hệ thống kênh đất còn chiếm tỷ lệ lớn thường xuyên chịu tác động của điều kiện tự nhiên và mưa lũ làm giảm hiệu quả tưới Nhiều công trình trạm bơm lấy nước trên dòng chính sông Lô không có khả năng lấy nước do mực nước sông Lô ngày càng suy giảm Lũ quét là tồn tại lớn nhất của công tác phòng chống lũ trên địa bàn tỉnh [27]

Toàn tỉnh Tuyên Quang chia làm 3 vùng thuỷ lợi tưới theo 3 lưu vực sông như sau: Vùng lưu vực sông Lô (gồm: toàn bộ Thành phố Tuyên Quang, toàn bộ huyện Hàm Yên; một số xã thuộc Huyện Chiêm Hóa, Yên Sơn, Sơn Dương), vùng lưu vực sông Gâm (gồm: toàn bộ huyện Lâm Bình, toàn bộ huyện Na Hang, một số xã thuộc Huyện Chiêm Hóa, Yên Sơn),vùng lưu vực sông Phó Đáy (gồm: một số xã thuộc Huyện Yên

Sơn, Sơn Dương)

Các công trình thuỷ lợi của tỉnh, hiện tại tưới cho cây lúa là chủ yếu, còn lại cây màu, cây công nghiệp, cây ăn quả thường được trồng ở vùng đất dốc, đất vườn, vùng khan hiếm nguồn nước mặt chỉ cung cấp phục vụ tưới được một phần, cây trồng cạn tập trung như cam, chè mía…chưa được tưới [27]

Các mục tiêu cấp nước sản xuất nông nghiệp của quy hoạch thủy lợi giai đoạn 2016-2025: Đảm bảo tưới chắc 38.420/45.200ha tương đương 85% diện tích lúa cả năm; tưới bổ sung 20% diện tích trồng màu; tạo nguồn cấp nước tưới cho: 2.980/29.800ha tương đương 10% tổng diện tích cây trồng chủ lực tập trung (cam, chè, mía…) [27]

đó, các quốc gia trên thế giới cũng tiến hành cập nhật kịch bản cho quốc gia mình dựa trên các kết quả công bố của IPCC Các kịch bản BĐKH của Việt Nam cũng liên tục được cập nhật và ngày càng chi tiết bằng các phương pháp có độ chính xác ngày càng tăng (từ phương pháp chi tiết hóa thống kê đến sử dụng các phương pháp chi tiết hóa động lực với độ phân giải ngày càng cao) Gần đây nhất, IPCC đã công bố báo cáo AR5

25

vào năm 2013, trong đó thay đổi cách tiếp cận và thời kỳ cơ sở, sử dụng số liệu mô hình mới, kịch bản KNK mới (RCPs) Từ những kết quả của AR5, Việt Nam cũng đã cập nhật kịch bản BĐKH vào năm 2016 chi tiết đến cấp tỉnh, sử dụng các kết quả cập nhật nhất của các mô hình khí hậu toàn cầu (thuộc dự án CMIP5), sử dụng phương pháp chi tiết hóa động lực dựa trên 5 mô hình khí hậu khu vực độ phân giải cao, bao gồm: AGCM/MRI, PRECIS, CCAM, RegCM và clWRF Mặc dù vậy, để có cái nhìn chi tiết hơn cho các quy mô cấp tỉnh, vẫn cần có những nghiên cứu chuyên sâu, sử dụng bộ số liệu cập nhật và chi tiết hơn Từ đó góp phần tăng độ chính xác trong đánh giá tác động của BĐKH

Trên cơ sở những thông tin về điều kiện tự nhiên, khí hậu và kinh tế của Tuyên Quang và các đánh giá về khả năng của mô hình đối với khu vực nghiên cứu, luận văn lựa chọn sử dụng phương pháp tổ hợp dựa trên 4 mô hình RCM đang được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam bao gồm: PRECIS, CCAM, RegCM, và CLWRF trong nghiên cứu

dự tính khí hậu tương lai độ phân giải cao cho tỉnh Tuyên Quang và khuyến nghị sử dụng trong đánh giá tác động của BĐKH đối với nhu cầu nước cho cây lúa tại Tuyên Quang

Mục đích nghiên cứu, đối tượng, nội dung và phạm vi nghiên cứu được trình bày dưới đây:

- Mục đích nghiên cứu:

Chi tiết hóa các kịch bản BĐKH cho tỉnh Tuyên Quang dựa trên phương pháp tổ hợp kết quả dự tính của các mô hình khí hậu khu vực độ phân giải cao nhằm làm cơ sở cho việc đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng trong thế kỷ 21, ngoài ra các kết quả dự tính này còn có thể sử dụng làm đầu vào cho các mô hình thủy văn thủy lực khác và làm nguồn tham khảo cho các kế hoạch và chính sách phát triển kinh tế xã hội của tỉnh Tuyên Quang

- Đối tượng nghiên cứu:

+ Đối tượng nghiên cứu trực tiếp là các kịch bản biến đổi khí hậu độ phân giải cao

và nhu cầu nước của cây lúa

+ Đối tượng nghiên cứu gián tiếp là các yếu tố khí hậu và đặc điểm sinh học của cây lúa

26

- Nội dung nghiên cứu:

+ Đánh giá BĐKH trong quá khứ tại tỉnh Tuyên Quang;

+ Dự tính khí hậu tương lai cho tỉnh Tuyên Quang dựa trên số liệu chi tiết hóa động lực

+ Phân tích đánh giá tính chưa chắc chắn trong dự tính khí hậu tương lai khu vực Tuyên Quang

+ Đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa tại 3 khu vực thuộc tỉnh Tuyên Quang

Sơ đồ các bước nghiên cứu được trình bày trên Hình 1.6

- Phạm vi nghiên cứu:

+ Về không gian: nghiên cứu được tiến hành tại tỉnh Tuyên Quang

+ Về thời gian:

Đối với bài toán đánh giá biến đổi khí hậu trong quá khứ: thời gian nghiên cứu

là giai đoạn có số liệu quan trắc hàng ngày trên mạng lưới các trạm thuộc tỉnh Tuyên Quang (1961-2017);

Đối với bài toán mô phỏng khí hậu tương lai bằng các mô hình khí hậu khu vực

và đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa: Thời gian nghiên cứu là thời kỳ cơ sở 1986-2005 và dự tính cho giai đoạn 2006-2100

Tính nhu cầu nước của cây lúa theo các kịch bản BĐKH

Hình 1.6 Sơ đồ các bước xây dựng kịch bản BĐKH và đánh giá tác động

của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa

28

CHƯƠNG 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU

Phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Phương pháp phân tích xu thế

Trong nghiên cứu này, xu thế biến đổi tuyến tính của các yếu tố khí hậu trong thời

kỳ 1961-2014 được thể hiện khi biểu diễn phương trình xu thế dưới dạng:

𝑦 = 𝑏 + 𝑎𝑡 (2.1)

Trong đó, y là đặc trưng yếu tố cần khảo sát, t là số thứ tự năm, và a, b là các hệ số

của phương trình hồi quy:

Với y , t , r yt tương ứng là trung bình số học của y và t, và là hệ số tương quan

tuyến tính giữa 2 đại lượng này

Xu thế tăng, giảm của y được đánh giá trên cơ sở xét dấu của hệ số góc a:

Nếu a > 0  y thể hiện xu thế tăng lên trong thời kỳ quá khứ,

Nếu a < 0  y thể hiện xu thế giảm trong thời kỳ quá khứ

Độ lớn của a, cũng là độ lớn của đường hồi quy cho biết tốc độ biến đổi của yếu

tố khí hậu Trị tuyệt đối của a càng lớn thì đặc trưng yếu tố khí hậu khảo sát biến đổi

càng nhanh

2.1.2 Phương pháp mô hình

Phương pháp chi tiết hóa động lực được sử dụng để xây dựng kịch bản BĐKH độ

phân giải cao cho tỉnh Tuyên Quang Bốn mô hình khí hậu toàn cầu và khu vực được sử

dụng, bao gồm: PRECIS, CCAM, RegCM và clWRF Mỗi mô hình có các phương án

tính toán khác nhau dựa trên kết quả tính toán từ mô hình toàn cầu của IPCC (AR5,

2014) Tổng cộng có 12 phương án tính toán từ 4 mô hình nói trên được sử dụng để xây

dựng kịch bản BĐKH cho tỉnh Tuyên Quang (Bảng 2.2)

2.1.3 Phương pháp nội suy không gian

- Nội suy số liệu từ lưới về các điểm trạm: Thuật toán nội suy số liệu mô hình về trạm

29

được sử dụng là thuật toán nội suy điểm lưới Natural Neighbor (NN); thuật toán NN là một phương pháp nội suy không gian được sử dụng rộng rãi NN dựa trên điểm ảnh trong một mặt phẳng 2 chiều (2D) Định nghĩa chính thức của nội suy NN như sau, cho một điểm truy vấn q trong không gian R2, và một tập hợp hữu hạn các điểm S trong R2 đó là láng giềng tự nhiên của q Sau đó, nội suy NN truy vấn trên q được định nghĩa là:

v (q) =∑ wpv(p) (2.4)

p  s Wp là trọng lượng của p, v là giá trị của điểm tương ứng (trong trường hợp này là nâng cao giá trị)

- Phương pháp nội suy GIS

Trong luận văn sử dụng chương trình nội suy các yếu tố khí hậu nhiệt độ, lượng mưa chi tiết cho khu vực tỉnh Tuyên Quang được thiết lập với phương pháp nội suy đang được sử dụng phổ biến là Kriging:

Kriging thuộc nhóm thuật toán bình phương tối thiểu tuyến tính Mục đích của

phương pháp Kriging là ước tính giá trị của một hàm số thực chưa biết f tại một điểm x* cho ra các giá trị của hàm tại các điểm khác x1,…,xn Cách tính theo Kriging được gọi là tuyến tính vì giá trị phỏng đoán f xˆ ( ) * là một tổ hợp tuyến tính được biểu diễn như

Các trọng số i là các đáp án của hệ các phương trình tuyến tính, được tạo ra bằng

phương pháp cộng, mà f là sample-path của một quá trình ngẫu nhiên F(x), và sai số:

Kriging có nghĩa là tính trung bình và hiệp phương sai của F(x) đã biết và sau đó

phương pháp suy đoán Kriging là công cụ để tối thiểu hóa hiệp phương sai của sai số

dự đoán

2.1.4 Các chỉ số đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình

Để xem xét khả năng mô phỏng của mô hình, trong luận văn sẽ tiến hành so sánh kết quả mô phỏng của mô hình với số liệu quan trắc tại các trạm khí tượng thủy văn trong khu vực tỉnh Tuyên Quang Các chỉ số để đánh giá là: sai số trung bình ME, sai số