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

Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về hạn hán nhưng những kết quả đã nghiên cứu còn một số hạn chế như: i Công tác dự báo, cảnh báo hạn ở Việt Nam chưa thoả mãn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

NGUYỄN THÁI HÀ

XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG PHỤC VỤ CÔNG TÁC KHAI THÁC VÀ QUẢN LÝ TÀI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC 1 PGS.TS Nguyễn Đăng Tính

2 GS.TS Nguyễn Văn Tỉnh

HÀ NỘI, NĂM 2019

i

LỜI CAM ĐOAN

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

Tác giả luận án

Nguyễn Thái Hà

iii

MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN I LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU VI DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VII DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT X

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu của luận án 3

5 Phương pháp nghiên cứu 3

 Cách tiếp cận trong luận án: 3

 Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án: 3

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 4

 Ý nghĩa khoa học: 4

 Ý nghĩa thực tiễn: 4

7 Cấu trúc của luận án 5

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO HẠN 7

1.1 Khái niệm về hạn hán 7

1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán 7

1.1.2 Các chỉ số hạn 10

1.1.3 Các đặc trưng của hạn hán 20

1.2 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới 21

1.2.1 Tình hình hạn hán trên thế giới 21

1.2.2 Các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới 23

1.3 Tình hình hạn hán và các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam 30

iv

1.3.1 Tình hình hạn hán ở Việt Nam 30

1.3.2 Các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam 33

1.4 Tổng quan về vùng nghiên cứu 36

1.5 Những thành tựu và hạn chế trong các nghiên cứu về hạn hán 39

1.6 Định hướng nghiên cứu của luận án 40

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP DỰ BÁO HẠN KHÍ TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG 43

2.1 Hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu 43

2.2 Giới thiệu về ENSO và các số liệu cần thu thập 47

2.2.1 Giới thiệu về ENSO 47

2.2.2 Các số liệu cần thu thập 50

2.3 Phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 56

2.3.1 Lựa chọn chỉ số hạn 57

2.3.2 Phân tích đánh giá diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu bằng các chỉ số hạn 63

2.3.3 Phân tích ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu 67

2.3.4 Thiết lập mô hình dự báo hạn khí tượng, đề xuất mô hình dự báo phù hợp cho vùng nghiên cứu 70

2.4 Kết luận chương 2 84

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH CẢNH BÁO SỚM HẠN KHÍ TƯỢNG CHO VÙNG DUYÊN HẢI MIỀN TRUNG 85

3.1 Diễn biến hạn hán theo không gian, thời gian của vùng nghiên cứu 85

3.1.1 Phân tích kết quả kiểm định nội suy lượng mưa và nhiệt độ 85

3.1.2 Diễn biến hạn hán theo thời gian của vùng nghiên cứu 86

3.1.3 Diễn biến hạn hán theo không gian của vùng nghiên cứu 91

3.2 Ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu 103

3.2.1 Diễn biến hạn hán của vùng DHMT trong các thời kỳ phát sinh ENSO 103

3.2.2 Đánh giá kết quả mối tương quan giữa SSTA và SOI với SPI và SPEI 105

3.3 Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 108

v

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

108

3.3.2 Lựa chọn chỉ số để cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 116

3.3.3 Lựa chọn mô hình dự báo hạn cho vùng nghiên cứu 117

3.3.4 Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 118

3.3.5 Bản đồ và số liệu cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 120

3.4 Kết luận chương 3 124

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 127

1 Những kết quả đạt được của luận án 127

2 Những đóng góp mới của luận án 128

3 Những tồn tại và hạn chế của luận án 128

4 Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo của luận án 128

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 129

TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

PHỤ LỤC 138

vi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy 11

Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [9] 12

Bảng 1.3 Phân cấp hạn theo chỉ số K 13

Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo chỉ số độ ẩm tương đối của đất RSMI 15

Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo chỉ số PDSI [13] 17

Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19] 19

Bảng 2.1 Xu thế biển đổi lương mưa theo năm cho các trạm mưa vùng DHMT 53

Bảng 2.2 Xu thế biển đổi nhiệt độ theo năm cho các trạm vùng DHMT 54

Bảng 2.3 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI, SPEI [9] 62

Bảng 2.4 Tiêu chí đánh giá chất lượng dự báo [103] 81

Bảng 3.1 Độ tin cậy của phép nội suy mưa và nhiệt độ (%) 85

Bảng 3.2 Giá trị nhỏ nhất của SPI, SPEI trong các thời kỳ phát sinh El Nino 104

Bảng 3.3 Tổng số tháng xảy ra hạn hán trong các thời kỳ phát sinh El Nino theo chỉ số SPI, SPEI 104

Bảng 3.4 Hệ số tương quan trung bình giữa SSTA, SOI với các chỉ số SPI, SPEI 106

Bảng 3.5 Đánh giá chất lượng dự báo các chỉ số hạn của các mô hình 109

Bảng 3.6 Cấp hạn và cấp cảnh báo sớm hạn khí tượng theo chỉ số SPEI3 116

Bảng 3.7 Các tham số của các mô hình dự báo cho 6 tháng tiếp theo 118

Bảng 3.8 Kết quả dự báo chỉ số SPEI3 tại các trạm (từ tháng 1/2015 đến 6/2015) 123

vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5] 10

Hình 1.2 Bản đồ vùng Duyên hải Miền Trung 37

Hình 1.3 Sơ đồ nội dung và phương pháp nghiên cứu 42

Hình 2.1 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy vùng BTB 43

Hình 2.2 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy vùng NTB 45

Hình 2.3 Tỷ lệ (%) diện tích bị hạn so với tổng diện tích gieo cấy toàn vùng DHMT 46 Hình 2.4 Vị trí khu vực theo dõi hoạt động ENSO (Nino3.4) 48

Hình 2.5 Vị trí và tên các trạm Khí tượng 51

Hình 2.6 Diễn biến giá trị SSTA từ năm 1984 đến năm 2014 55

Hình 2.7 Diễn biến giá trị SOI từ năm 1984 đến năm 2014 56

Hình 2.8 Sơ đồ minh họa các nội dung và phương pháp dự báo hạn khí tượng 57

Hình 2.9 Ô lưới vùng nghiên cứu 64

Hình 2.10 Các thành phần của mô hình dự báo thống kê đang được áp dụng trên thế giới [85] 72

Hình 2.11 Cấu trúc mô hình ANFIS 75

Hình 2.12 Sơ đồ khối của mô hình ANFIS 78

Hình 2.13 Cấu trúc của các mô hình dự báo 79

Hình 2.14 Sơ đồ khối của chương trình dự báo hạn khí tượng 83

Hình 3.1 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 86

Hình 3.2 Diễn biến hạn hán vùng BTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3 86

Hình 3.3 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI1 và SPEI1 87

Hình 3.4 Diễn biến hạn hán vùng NTB theo chỉ số SPI3 và SPEI3 87

Hình 3.5 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI1 và SPEI1 87

Hình 3.6 Diễn biến hạn hán toàn vùng DHMT theo chỉ số SPI3 và SPEI3 88

Hình 3.7 Số tháng xảy ra hạn hán theo các chỉ số hạn 89

viii

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

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

Hình 3.10 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI1, SPEI1 và thực tế sản xuất nông nghiệp của vùng DHMT 92

Hình 3.11 Tỷ lệ DT hạn hán theo chỉ số SPI3, SPEI3 và thực tế sản xuất nông nghiệp của vùng DHMT 92

Hình 3.12 Tần suất (%) xảy ra hạn của các chỉ số theo không gian 93

Hình 3.13 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI1 theo không gian 94

Hình 3.14 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI1 theo không gian 94

Hình 3.15 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPI3 theo không gian 95

Hình 3.16 Tần suất (%) xảy ra các cấp hạn của chỉ số SPEI3 theo không gian 95

Hình 3.17 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 3 của các chỉ số theo không gian 96

Hình 3.18 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 4 của các chỉ số theo không gian 96

Hình 3.19 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 6 của các chỉ số theo không gian 96

Hình 3.20 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 7 của các chỉ số theo không gian 97

Hình 3.21 Tần suất (%) xảy ra hạn vào tháng 8 của các chỉ số theo không gian 97

Hình 3.22 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1988 98

Hình 3.23 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1993 99

Hình 3.24 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 1998 100

Hình 3.25 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005 101

Hình 3.26 Phân bố cấp hạn vào tháng 6, 7 năm 2005 102

Hình 3.27 Giá trị SPI, SPEI-1 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014) 103

Hình 3.28 Giá trị SPI, SPEI-3 trong các thời kỳ xảy ra ENSO (1985-2014) 103

Hình 3.29 Tương quan giữa SSTA với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = 3 tháng) 107

Hình 3.30 Tương quan giữa SOI với các chỉ số SPI, SPEI theo không gian (với độ trễ j = 2 tháng) 108

ix

Hình 3.31 So sánh chất lượng dự báo theo chỉ số SPEI3 giữa các mô hình 110

Hình 3.32 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 cho toàn vùng 110

Hình 3.33 Chất lượng dự báo cho chỉ số SPEI3 bằng mô hình M4 theo không gian 111 Hình 3.34 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Cam Ranh 112

Hình 3.35 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Rang 112

Hình 3.36 So sánh kết quả dự báo chỉ số SPEI3 theo mô hình M4 tại trạm Phan Thiết 113

Hình 3.37 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1988) 113

Hình 3.38 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1993) 114

Hình 3.39 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 1998) 114

Hình 3.40 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2005) 115

Hình 3.41 Kết quả so sánh giá trị SPEI3 thực tế và dự báo (tháng 6, 7 năm 2010) 115

Hình 3.42 Sơ đồ mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu 119

Hình 3.43 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 1, 2 năm 2015 121

Hình 3.44 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 3, 4 năm 2015 122

Hình 3.45 Bản đồ dự báo, cảnh báo theo chỉ số SPEI3 tháng 5, 6 năm 2015 123

BTB Bắc Trung Bộ

CI Chỉ số hạn tích hợp (Integrated Drought Index)

CMI Chỉ số độ ẩm cây trồng (Crop Moisture Index)

CORR Hệ số tương quan (Correlation Coefficient)

DBHH Dự báo hạn hán

DBKH Dự báo khí hậu

DHMT Duyên hải Miền Trung

E Chỉ số hiệu quả (Efficiency)

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

Oscillation)

FAO Tổ chức Lương thực & Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and

Agriculture Organization)

FL Logic mờ (Fuzzy Logic)

IDW Trọng số nghịch đảo khoảng cách (Inverse distance weighting)

xi

PCA Phân tích thành phần chính (Principal Component Analysis)

PDSI Chỉ số Palmer

RSR Hệ số thống kê giữa sai số căn quân phương và độ lệch chuẩn (RMSE -

observations standard deviation ratio) SASM Gió mùa hè Nam Á (South Asian Summer Monsoon)

SOI Chỉ số dao động Nam bán cầu (Southern Oscillation Index)

SPEI Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi (Standardized Precipitation

Evapotranspiration Index) SPI Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index)

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

SST Nhiệt độ mặt nước biển (Sea Surface Temperature)

SSTA Nhiệt độ mặt nước biển dị thường (Sea Surface Temperature Anomalies) SWSI Chỉ số cung cấp nước mặt (Social Water Scarcity Index)

TBD Thái Bình Dương

WMO Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization)

1

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài luận án

Hạn hán là một phần tự nhiên của khí hậu, hạn hán hình thành do một hoặc nhiều nguyên nhân khác nhau, bao gồm sự thiếu hụt lượng mưa, lượng bốc hơi lớn và việc khai thác quá mức nguồn tài nguyên nước Hạn hán xuất hiện trên khắp thế giới có thể xảy ra ở tất cả các vùng khí hậu, với các đặc tính của hạn là biến đổi đáng kể từ vùng này sang vùng khác Hạn hán là một sự sai khác theo thời gian, rất khác với sự khô hạn, bởi khô hạn bị giới hạn trong những vùng có lượng mưa thấp, nhiệt độ cao và là một đặc trưng lâu dài của khí hậu Vì vậy, hiện tượng hạn hán xảy ra trong từng năm với các đặc tính thời tiết và các tác động của nó là không giống nhau

Hạn hán khá phổ biến ở Việt Nam, đặc biệt là ở các tỉnh Duyên hải Miền Trung (DHMT) Theo số liệu thống kê của Tổng cục thủy lợi trong giai đoạn 1985 – 2014, toàn vùng đã có nhiều đợt hạn hán xảy ra, trong đó có 5 đợt xảy ra hạn hán nghiêm trọng, hạn xảy ra trong cả 3 vụ sản xuất làm thiệt hại đến hàng triệu hecta đất nông nghiệp và

sự thiếu hụt nước trầm trọng cho hàng triệu người dân ở các vùng khác nhau trên cả nước, đặc biệt là khu vực DHMT

Sự khắc nghiệt của hiện tượng hạn hán không chỉ phụ thuộc vào khoảng thời gian, cường

độ, không gian của một thời đoạn hạn hán cụ thể, mà còn phụ thuộc vào nhu cầu dùng nước từ các hoạt động của con người và cây trồng lên nguồn cung cấp nước của khu vực Số liệu thống kê cho thấy rằng những thiệt hại về mặt kinh tế do hạn hán lớn hơn rất nhiều so với do lũ lụt Để giúp cho các nhà quản lý, nhà hoạch định chính sách và người dân địa phương chủ động trong việc khai thác và quản lý tài nguyên nước thì các nghiên cứu về hạn hán ở Việt Nam nói chung và vùng DHMT nói riêng là rất quan trong

và cần thiết Cho đến nay ở Việt Nam đã có nhiều đề tài, dự án nghiên cứu về hạn hán nhưng những kết quả đã nghiên cứu còn một số hạn chế như: (i) Công tác dự báo, cảnh báo hạn ở Việt Nam chưa thoả mãn yêu cầu để áp dụng rộng rãi trong công tác đánh giá,

dự báo và cảnh báo hạn cho các vùng, các tỉnh khác nhau; (ii) Việc đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho một vùng rộng lớn hoặc trên toàn quốc chủ yếu dựa vào các chỉ số hạn khí tượng Còn các chỉ số hạn thủy văn và nông nghiệp mới chỉ được dùng để đánh giá,

2

dự báo và cảnh báo hạn cho những vùng nhỏ hoặc theo lưu vực sông; (iii) Phương pháp

dự báo hạn chủ yếu là phương pháp thống kê, phương pháp động lực cũng đã được dùng

để dự báo hạn nhưng chưa nhiều Các sản phẩm dự báo, cảnh báo chủ yếu là theo điểm; (iv) Chưa có khung thể chế và pháp lý cho các hoạt động ứng phó và giảm nhẹ thiệt hại

do hạn hán Bởi vậy, cần nhiều nghiên cứu hơn nữa về hạn hán nhằm xác định được các chỉ số hạn và các chỉ tiêu phân cấp hạn phù hợp, trên cơ sở đó xây dựng các cấp cảnh báo hạn cho từng địa phương, đặc biệt ở các vùng hạn hán hay xảy ra Đồng thời phải xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn hán phù hợp cho các vùng của Việt Nam Với mong muốn kết quả nghiên cứu của luận án sẽ đóng góp một phần trong việc giải quyết các nhiệm vụ nêu trên Vì thế, tác giả đã đề xuất đề tài “Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng Duyên hải Miền Trung” để phân tích, đánh giá diễn biến hạn hán, xác định mức độ ảnh hưởng của hiện tượng El Nino và dao động Nam bán cầu (ENSO) đến hạn hán và xây dựng được mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu tổng quát của luận án là đánh giá diễn biến hạn hán, xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng phục vụ cho công tác khai thác và quản lý tài nguyên nước vùng DHMT Để đạt được mục tiêu trên thì các mục tiêu cụ thể được xác định như sau: Đánh giá mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng DHMT với các yếu tố ENSO, nhiệt độ mặt nước biển dị thường (SSTA) và chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI); Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu trong mối quan

hệ giữa hạn hán với các yếu tố SSTA và SOI

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận án này là: Hạn khí tượng, tính chất, mức độ, xu thế và

phân bố của hạn hán

Phạm vi nghiên cứu của luận án này là: Nghiên cứu cảnh báo sớm hạn khí tượng vùng

Duyên hải Miền Trung thông qua các chỉ số tương quan xa của vùng xích đạo TBD (vùng đặc trưng của El nino, SOI), bao gồm các tỉnh thành sau: Thanh Hóa, Nghệ An,

3

Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Đà Nẵng, Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận và Bình Thuận

4 Nội dung nghiên cứu của luận án

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

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

ra ENSO;

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

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

 Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu bằng các bản

đồ dự báo chỉ số hạn

5 Phương pháp nghiên cứu

 Cách tiếp cận trong luận án:

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

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

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

 Các phương pháp nghiên cứu chính trong luận án:

 Phương pháp điều tra, khảo sát, thu thập tài liệu thực tế, tài liệu tham khảo;

 Phương pháp thống kê, xác suất: Tổng hợp, xử lý và phân tích số liệu làm cơ sở để

4

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

 Phương pháp kế thừa: Kế thừa các tài liệu, công trình khoa học đã và đang thực hiện

về đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn hán trên thế giới;

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

 Phương pháp phân tích tương quan: Phân tích mối quan hệ giữa diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu với hiện tượng ENSO thông qua hệ số tương quan giữa các chỉ

số hạn và nhiệt độ mặt nước biển (SST), chỉ số dao động Nam bán cầu (SOI) Để làm

cơ sở lựa chọn biến đầu vào cho các mô hình dự báo;

 Phương pháp phân tích tổng hợp: Phân tích tổng hợp các tài liệu liên quan để đề ra mục tiêu, nội dung nghiên cứu Phân tích tổng hợp kết quả nghiên cứu để làm cơ sở

để xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu;

 Phương pháp mô hình toán: Thiết lập các mô hình dự báo hạn bằng phương pháp mô hình toán (mạng noron thích nghi mờ, ANFIS)

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

 Ý nghĩa khoa học:

 Luận án đã góp phần hoàn thiện cơ sở khoa học trong việc sử dụng và lựa chọn chỉ

số hạn để đánh giá, dự báo và cảnh báo hạn cho vùng nghiên cứu nói riêng và Việt Nam nói chung

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

 Luận án đã cung cấp cơ sở khoa học để thiết lập các mô hình dự báo hạn khí tượng phục vụ cho công tác cảnh báo sớm hạn khí tượng

 Ý nghĩa thực tiễn:

 Góp phần làm sáng tỏ xu thế và diễn biến hạn hán của khu vực Duyên hải Miền Trung

ở quá khứ trong mối quan hệ với hiện tượng ENSO

7 Cấu trúc của luận án

Luận án gồm 165 trang thuyết minh trong đó có: 62 hình vẽ, 18 bảng biểu minh họa, 1 trang liệt kê danh mục 2 công trình đã công bố của tác giả về kết quả nghiên cứu của đề tài luận án, 8 trang liệt kê 103 tài liệu tham khảo và 28 trang phụ lục

Nội dung bao gồm phần mở đầu, phần kết luận, kiến nghị và 3 chương:

Chương 1: Tổng quan tình hình nghiên cứu và dự báo hạn

Chương này nêu tổng quan về vùng nghiên cứu; khái niệm về hạn hán, các chỉ số được dùng trong đánh giá và dự báo hạn hán; tổng hợp được tình hình hạn hán và các nghiên cứu có liên quan đến hạn hán trên Thế giới cũng như Việt Nam; những thành tựu và hạn chế của các nghiên cứu về hạn và tự báo hạn; định hướng mục tiêu và các nội dung nghiên cứu của luận án

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp dự báo hạn khí tượng cho vùng Duyên hải Miền Trung

Trong chương này đã nêu được các cơ sở khoa học để phục vụ cho nghiên cứu như: hiện trạng hạn hán của vùng nghiên cứu; hiện tượng ENSO và ảnh hưởng của hiện tượng này đến khí hậu của vùng nghiên cứu; số liệu mưa, nhiệt độ của vùng nghiên cứu; số liệu về SSTA, SOI Lựa chọn chỉ số hạn để đánh giá, dự báo hạn cho vùng nghiên cứu; sử dụng phương pháp phân tích tương quan để đánh giá ảnh hưởng của ENSO đến diễn biến hạn hán của vùng nghiên cứu thông qua các chỉ số hạn; sử dụng mạng Nơron thích nghi mờ (ANFIS) để thiết lập các mô hình dự báo hạn khí tượng cho vùng nghiên cứu với các biến đầu vào và ra khác nhau

Chương 3: Xây dựng mô hình cảnh báo sớm hạn khí tượng cho vùng Duyên hải Miền Trung

6

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

7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ DỰ BÁO

HẠN 1.1 Khái niệm về hạn hán

1.1.1 Định nghĩa và phân loại hạn hán

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

 Không tồn tại một định nghĩa chung về hạn hán

 Hạn hán có sự khởi đầu chậm, là hiện tượng từ từ, dẫn đến khó có thể xác định được

sự bắt đầu và kết thúc một thời kỳ hạn

 Thời gian hạn dao động từ vài tháng đến vài năm, vùng trung tâm và vùng xung quanh

bị ảnh hưởng bởi hạn hán có thể thay đổi theo thời gian

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

 Phạm vi không gian của hạn hán thường lớn hơn nhiều so với các thảm họa khác, do

đó các ảnh hưởng của hạn thường trải dài trên nhiều vùng địa lý lớn

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

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

8

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

D.A Wilhite [2] cho rằng mặc dù các nhân tố khí hậu (nhiệt độ cao, gió mạnh, độ ẩm tương đối thấp) thường gắn liền với hạn hán ở nhiều vùng trên thế giới và có thể làm nghiêm trọng thêm mức độ hạn, song lượng mưa vẫn là nhân tố ảnh hưởng chính gây ra hạn hán và tác giả cũng đã đưa ra một định nghĩa về hạn: “hạn hán là kết quả của sự thiếu hụt lượng mưa tự nhiên trong một thời kỳ dài, thường là một mùa hoặc lâu hơn” Chính vì vậy, hạn hán thường được gắn liền với các khoảng thời điểm (mùa hạn chính,

sự khởi đầu muộn của mùa mưa, sự xuất hiện mưa trong mối liên hệ với các giai đoạn sinh trưởng chính của cây trồng) và đặc tính của mưa (cường độ mưa, các đợt mưa) Với các thời điểm hạn xuất hiện khác nhau sẽ dẫn đến các sự kiện hạn khác nhau về tác động, phạm vi ảnh hưởng cũng như các đặc tính khí hậu của hạn khác nhau

Trong quấn sách nói về hạn hán và nông nghiệp (Drought and agriculture) của tổ chức WMO (Khí tượng Thế giới) [3], thì hạn hán được phân thành 4 loại là: (1) Hạn khí tượng; (2) Hạn thủy văn; (3) Hạn nông nghiệp; (4) Hạn kinh tế - xã hội

(1) Hạn khí tượng (Meteorological Drought): Hạn khí tượng là hiện tượng thiếu hụt nước trong suốt một khoảng thời gian nào đó do sự mất cân bằng giữa lượng giáng thủy

và bốc hơi, hạn khí tượng phản ánh đặc trưng vật lý hạn hán Hạn khí tượng không phản ánh được ảnh hưởng của sự thiếu hụt dòng chảy nhưng lại phản ảnh tốt sự thiết hụt nước thực tế

(2) Hạn nông nghiệp (Agricultural Drought): Hạn nông nghiệp thường xảy ra ở nơi độ

ẩm đất không đáp ứng đủ nhu cầu của một cây trồng cụ thể ở thời gian nhất định và cũng ảnh hưởng đến vật nuôi và các hoạt động nông nghiệp khác Mối quan hệ giữa lượng mưa và lượng mưa thấm vào đất thường không được chỉ rõ Sự thẩm thấu lượng mưa vào trong đất sẽ phụ thuộc vào các điều kiện ẩm trước đó, độ dốc của đất, loại đất, cường

độ mưa Hạn nông nghiệp xảy ra sau hạn hán khí tượng, bởi vì hạn khí tượng có ảnh

9

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

ra hạn nông nghiệp sẽ cao và ngược lại Ví dụ, một số loại đất có khả năng giữ nước tốt hơn thì các loại đất đó ít bị hạn hơn

(3) Hạn thuỷ văn (Hydrological Drought): Hạn thủy văn liên quan đến sự thiếu hụt nguồn nước mặt và nguồn nước ngầm Nó được lượng hóa bằng dòng chảy, tuyết, mực nước hồ, hồ chứa và nước ngầm Hạn thủy văn xuất hiện trễ hơn hạn khí tượng và nông nghiệp, sau khi kết thúc một đợt hạn khí tượng và nông nghiệp thì hạn thủy văn phải mất một khoảng thời gian dài mới kết thúc Cũng giống như hạn nông nghiệp, hạn thủy văn không chỉ ra được mối quan hệ rõ ràng giữa lượng mưa và trạng thái cung cấp nước

bề mặt trong các hồ, bể chứa, tầng ngập nước, dòng suối Bởi vì quá trình hình thành dòng chảy rất phức tạp và phụ thuộc vào nhiều thành phần trong hệ thống thủy văn, như

sự tưới tiêu, kiểm soát lũ lụt, vận chuyển nước, phát điện, cung cấp nước sinh hoạt và bảo tồn môi trường

(4) Hạn kinh tế-xã hội khác hoàn toàn với các loại hạn khác Bởi nó phản ánh mối quan

hệ giữa sự cung cấp và nhu cầu hàng hóa kinh tế (ví dụ như cung cấp nước, thủy điện),

nó phụ thuộc vào lượng mưa Sự cung cấp đó biến đổi hàng năm như là một hàm của lượng mưa và nước Nhu cầu nước cũng dao động và thường có xu thế dương do sự tăng dân số, sự phát triển của kinh tế và các nhân tố khác

Khi lượng mưa hiệu quả giảm, lượng bốc hơi tăng trong quá trình thay đổi khí hậu sẽ dẫn đến biểu hiện đầu tiên của hạn hán đó là hạn khí tượng Hạn khí tượng sẽ quyết định đến việc có xuất hiện hạn hán hay không và nó cũng là cơ sở phát sinh các loại hạn hán khác Khi thảm phủ thực vật dày (như rừng rậm) sẽ làm giảm tốc độ dòng khí có lợi cho quá trình ngư tụ hơi nước dẫn đến lượng mưa tăng, ngược lại khi thảm phủ thực vật mỏng sẽ làm tăng tốc độ dòng khí làm giảm khả năng gây mưa Do đó, hạn khí tượng xảy ra ở một mức độ nào đó sẽ dẫn đến hạn nông nghiệp, hạn thủy văn và ngược lại Sản lượng nông nghiệp chủ yếu phụ thuộc vào công tác thủy lợi, thậm chi khi lượng mưa và độ ẩm đất giảm nhưng cây trồng vẫn cho năng suất cao Hạn thủy văn cũng có tác động đến hạn nông nghiệp; hạn thủy văn là trang thái khô cằn cực đoan của lưu vực trong một khoảng thời gian dài (ít nhất là một quý hoặc 1 năm), quá trình hình thành dòng chảy bao gồm toàn bộ quá trình vật lý của lưu vực như lượng mưa, bốc hơi mặt

10

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

Hình 1.1 Sơ đồ quan hệ giữa các loại hạn hán [5]

Ghi chú: nét liền là mối liên quan trực tiếp, nét đứt là mối liên quan gián tiếp

1.1.2 Các chỉ số hạn

Theo H Hisdal & L M Tallaksen [6], thuật ngữ “định nghĩa sự kiện hạn hán” và “chỉ

số hạn hán” vẫn còn chưa rõ ràng Chỉ số hạn hán thường là một con số đặc trưng cho trạng thái chung của hạn hán tại một thời điểm đo được Còn định nghĩa một sự kiện hạn hán được áp dụng để lựa chọn các sự kiện hạn hán trong một chuỗi thời gian bao gồm sự bắt đầu và kết thúc của các đợt hạn hán Việc dự tính hạn hán dựa trên các chỉ

số hạn hán được trình bày chi tiết bởi WMO [3] và Richard R Heim [7] Tuy nhiên, mỗi chỉ số hạn hán đều được lựa chọn sao cho phù hợp với khu vực nghiên cứu và mục đích nghiên cứu Dưới đây là một số chỉ số đã được dùng phổ biến trên thế giới

1.1.2.1 Chỉ số hạn khí tượng

Hạn khí tượng là sự thiếu hụt lượng nước bất thường được tạo ra do sự mất cân bằng giữa lượng giáng thủy và bốc hơi, chỉ số hạn khí tượng chủ yếu được tính toán từ các yếu tố như lượng giáng thủy, nhiệt độ không khí, bốc hơi và các yếu tố khí tượng khác Chỉ số hạn khí tượng thường được phân thành hai loại là chỉ số giáng thủy và chỉ số đa yếu tố khí tượng

Hạn khí tượng

Hạn nông nghiệp

Hạn kinh tế - xã hội

Hạn thủy văn

11

(1) Chỉ số giáng thủy

① Tần số phân bố giáng thuỷ hàng năm

Phân bố giáng thủy là một trong những dạng nhận biết cơ bản của hiện tượng hạn hán trong một vùng nhất định Và tần số phân bố giáng thủy được xác định trong khoảng (WMO [3]):

Bảng 1.1 Phân cấp hạn hán theo chỉ số giáng thủy

Giá trị P Điều kiện

② Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa (Standardized Precipitation Index – SPI)

SPI là một chỉ số dựa vào khả năng có thể của giáng thuỷ cho bất cứ thang thời gian nào Chỉ số SPI được xác định như sau:

 tb

R R

12

giúp đánh giá hạn hán khắc nghiệt và nó cũng dễ tính toán hơn các chỉ số khác Tuy nhiên giá trị của nó lại dựa vào dữ liệu sơ bộ có thể thay đổi SPI tính toán cho bất cứ vùng nào dựa vào số liệu thống kê lượng giáng thuỷ dài hạn cho một thời kì yêu cầu Giá trị SPI dương cho biết lượng giáng thuỷ cao hơn giá trị trung bình nhiều năm, trong khi đó giá trị âm cho biết lượng giáng thuỷ thấp hơn giá trị trung bình nhiều năm Bởi

vì SPI được chuẩn hoá, khí hậu ẩm hơn và khô hơn có thể được trình bày theo cách như vậy, và thời kì ẩm cũng có thể được giám sát khi sử dụng SPI Theo Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO), thì trạng khô hạn hay ẩm ướt được phân cấp theo chỉ số SPI như bảng 1.2

Bảng 1.2 Phân cấp hạn hán theo chỉ số SPI [9]

② Chỉ tiêu hạn khí tượng Sa.I

Chỉ tiêu Sa.I là chỉ số mang tên tác giả người Nga Sazonop, được xác định chỉ dựa vào

sự mất cần bằng về lượng mưa và nhiệt độ không khí trong một thời kỳ dài nào đó Hạn khí tượng, một hiện tượng tự nhiên được coi là thiên tai do sự thiếu hụt nghiêm trọng về lượng mưa so với mức chuẩn khí hậu xảy ra trong một thời gian dài Dựa vào

lí do đó, các nhà khí tượng trên thế giới đã đưa ra nhiều dạng chỉ tiêu để xác định hạn tuỳ sự phù hợp với điều kiện khí hậu vùng đó Trong số đó, tác giả Sazonôp đã đưa ra chỉ tiêu Sa.I (lấy tên là chỉ tiêu Sazonov), dựa vào sự mất cân bằng về độ lệch so với chuẩn giữa hai yếu tố khí hậu: lượng mưa và nhiệt độ Chỉ tiêu này được xác định bởi công thức sau:

R

R T

T SaI

T: Chuẩn sai nhiệt độ tháng (hoặc trong một thời kỳ dài nào đó)

T: Độ lệch tiêu chuẩn nhiệt độ tháng (hoặc cùng một thời kỳ T)

R: Chuẩn sai lượng mưa tháng (hoặc cùng một thời kỳ với T)

R: Độ lệch tiêu chuẩn lượng mưa tháng (hoặc cùng một thời kỳ R)

Theo công thức (1-3) thì mức độ hạn - úng được đánh giá bằng giá trị của Sa.I như sau: Sa.I  1: khô hạn; Sa.I  - 1: dư thừa nước; Sa.I  2: hạn nặng; Sa.I  - 2: úng ngập

14

③ Chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi (Standardized Precipitation

Evapotranspiration Index - SPEI)

Để nghiên cứu và theo dõi quá trình hạn hán dưới sự ảnh hưởng của hiện tượng nóng lên toàn cầu S M Vicente-Serrano, và cộng sự [10] đã đề xuất ra chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi, trong quá trình tính toán chỉ số SPEI sẽ dựa vào chỉ số (D) là hiệu số của lượng mưa (P) và lượng bốc hơi tiềm năng (PET), chỉ số (D) cho biết sự dư thừa hoặc thiếu hụt độ ẩm, từ đó xác định được các điều kiện ẩm ướt và khô hạn Mỗi thời đoạn tăng giảm lượng nước có thể được định nghĩa như sau:

Trong đó: PET sử dụng phương pháp Thornthwaite để tính toán, trong chuỗi tăng giảm lượng nước có thể xảy ra giá trị âm Vì vậy, chỉ số SPEI sử dụng 3 tham số của hàm phân bố xác suất log-logistic để mô tả xác suất của một sự kiện, dạng hàm số xác suất tích lũy như sau:

 

11

① Chỉ số độ ẩm tương đối của đất (Relative soil moisture index - RSMI)

Năm 2006, Trung Quốc đã xây dựng bộ tiêu chuẩn quốc gia về các chỉ số hạn để đánh

15

giá hạn hán [11], trong đó có chỉ số hạn về độ ẩm tương đối của đất (Relative soil moisture index - RSMI), RSMI là chỉ số dựa vào diễn biến độ ẩm tương đối của đất để phân cấp và đánh giá diễn biến hạn hán

Bảng 1.4 Phân cấp hạn hán theo chỉ số độ ẩm tương đối của đất RSMI

1 RSMI ≥ 60% Không hạn Độ ẩm bình thường, không có dấu hiệu của hạn hán

2 50%  RSMI < 60% Hạn nhẹ Bốc hơi bề mặt thấp, không khí sát bề mặt bị khô

3 40%  RSMI < 50 % Hạn vừa Bề mặt đất bị khô, lá cây có hiện

là chỉ số biểu thị giá trị sai lệch tính theo % của độ ẩm đất thực tế so với độ ẩm trung bình nhiều năm trong cùng một thời kỳ tính toán Người ta cho rằng độ ẩm trung bình trong nhiều năm ở một thời kỳ nào đó là tương đối ổn định, khi độ ẩm đất thực tế thấp hơn mức trung bình nhiều năm thì xảy ra tình trạng mất nước và khô hạn Chỉ số độ ẩm đất bất thường là một chỉ số hạn hán tương đối

③ Chỉ số khắc nghiệt hạn Palmer (Palmer Drougt Severity Index - PDSI)

Chỉ số Palmer được phát triển bởi W C Palmer [13] vào những năm 1965 và sử dụng thông tin về nhiệt độ và lượng mưa hàng tháng vào công thức xác định khô hạn Và bây giờ, nó đã trở thành chỉ số thông dụng và là cơ sở để tính toán cho nhiều chỉ số khác, PDSI được tính như sau:

i i

PDSI

3

1897

16

Với PDSI của tháng đầu tiên trong điều kiện khô hoặc ẩm bằng Z i

31

Trong đó, Z = Kd: Chỉ số dị thường ẩm:

P P P

 Giá trị của d được coi là độ lệch chuẩn độ ẩm Bốn giá trị tiềm năng được tính toán như:

 Bốc thoát hơi tiềm năng (PE ) được tính bằng phương pháp Thornthwaite

 Bổ sung tiềm năng (PR) - Lượng ẩm cần thiết để đưa vào đất trường hợp tích trữ

 Thất thoát tiềm năng (PL) - Lượng hơi ẩm có thể bị mất từ đất để bốc thoát hơi nước, trong suốt thời kỳ lượng giáng thủy bằng 0

 Dòng chảy tiềm năng (PRO) - Sự chênh lệch giữa giáng thủy tiềm năng và PR Các hệ số khí hậu được tính như là tỷ lệ giữa trung bình của các giá trị thực tế so với tiềm năng cho 12 tháng:

PL L O

R P O R PR

R PE

1 '

6.17

i i

i i

K D

K phụ thuộc vào nguồn cung cấp

và nhu cầu nước trung bình, được xác định:

5.018

.2log

5

O P R E P

Trong đó, PE là lượng bốc thoát hơi tiềm năng, R là lượng bổ sung, RO là dòng chảy, P

là giáng thủy và L là lượng thất thoát

17

Ưu điểm: Là chỉ số hạn tổng quát đầu tiên được sử dụng rộng rãi, và PDSI rất có hiệu quả đối với hạn nông nghiệp vì trong công thức tính toán có tính cả độ ẩm của đất Một số hạn chế của chỉ số PDSI: Khi tính toán theo chỉ số PDSI thì hạn hán sẽ xuất hiện chậm hơn so với các đợt hạn khoảng vài tháng, đặc điểm này đã hạn chế việc ứng dụng chỉ số này ở nhiều khu vực có các cực trị khí hậu thường xuyên xảy ra, chẳng hạn như vùng tây nam Châu Á nơi nhiều vùng rộng lớn bị thống trị bởi khí hậu gió mùa Một vấn đề quan trọng nữa liên quan đến việc sử dụng PDSI đó là sự tính toán khá phức tạp

và đòi hỏi có nhiều số liệu khí tượng đầu vào Việc ứng dụng chỉ số này ở Châu Á nói chung hay ở Việt Nam nói riêng nơi mạng lưới quan trắc thưa thớt là một hạn chế đáng

kể

Bảng 1.5 Phân cấp hạn theo chỉ số PDSI [13]

④ Chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index - SSI)

Để phản ánh mức độ ẩm ướt và khô hạn, năm 2013 Zengchao Hao & Amir Kouchak [14] đã đề xuất ra chỉ số chuẩn hóa độ ẩm đất (Standardized Soil Moisture Index - SSI) để giám sát hạn hán SSI được tính toán dựa trên diễn biết độ ẩm của đất, phương pháp tính toán và phân cấp mức độ hạn hán theo chỉ số SSI cũng giống như chỉ

Agha-số SPI (bảng 1.2)

⑤ Chỉ số độ ẩm cây trồng (Crop Moisture Index - SMI)

Chỉ số độ ẩm cây trồng (CMI) là một sản phẩm phụ của chỉ số PDSI Năm 1968, Palmer

18

đã thiết lập phương trình tính toán quá trình chỉ số PDSI để đánh giá tình trạng nước trong thời đoạn ngắn của vùng trồng cây [15] PDSI được tính toán dựa trên giá trị trung bình tuần của nhiệt độ không khí và tổng lượng mưa, và đánh giá trị số PDSI hàng tuần thông qua chỉ số bốc hơi và độ ẩm bất thường Một thời kỳ hạn xuất hiện khi chỉ số CMI nhỏ hơn không, khi CMI nhỏ hơn không biểu thị lượng bốc hơi không đủ, khi CMI lớn hơn không biểu thị lượng bốc hơi thực tế lớn hơn lượng bốc hơi của cây trồng hoặc lượng mưa lớn hơn lượng nước mà cây trồng cần Chỉ số CMI có thể cho thấy ngay được tình hình biến đổi lượng nước trong thời gian ngắn, CMI chủ yếu giám sát ảnh hưởng của điều kiện nước trong thời đoạn ngắn tới sự phát triển của cây trồng, còn theo thời đoạn dài thì không phản ánh được tình hình hạn hán

(6) Chỉ số hạn cây trồng

Chỉ số hạn cây trồng dựa trên đặc điểm sinh lý, sinh thái của cây trồng để thành lập, thông qua việc giám sát quá trình sinh trưởng của cây trồng, nhiệt độ của lá và hàm lượng nước của lá để xác định mức độ ảnh hưởng của hạn hán Tùy thuộc vào nội dung giám sát mà chỉ số hạn cây trồng có thể chia thành các loại chỉ số như sau: Chỉ số trạng thái thực vật [16] (Vegetation Condition Index - VCI), chỉ số trạng thái nhiệt độ (Temperature Condition Index - TCI) và chỉ số thiếu hụt nước (Water Deficit Index - WDI) [17]

1.1.2.3 Chỉ số hạn thủy văn

Chỉ số hạn thủy văn thường dùng bao gồm chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt và chỉ số cung cấp nước mặt (Surface Water Supply Index – SWSI)

① Chỉ số tổng lượng nước thiết hụt

Chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt là một chỉ số hạn thủy văn truyền thống, được tính như sau: S = D×M Trong đó: S là tổng lượng nước thiếu nước; D là thời gian duy trì tình trạng thiếu hụt nước của thời đoạn tính toán; M là lưu lượng thiếu hụt so với lưu lượng bình quân của lưu vực Chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt là số âm, khi giá trị tuyệt đối càng lớn thì tình hình hạn càng nghiêm trọng, hạn hán kết thúc khi chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt lớn hơn hoặc bằng không Năm 1966, P H Herbst, và cộng sự [18] đã

sử dụng lượng mưa tháng hoặc dòng chảy tháng để kiểm nghiệm và phân tích tình hình

19

hạn hán bằng chỉ số tổng lượng nước thiếu hụt

② Chỉ số cung cấp nước mặt (Surface Water Supply Index – SWSI)

Chỉ số cấp nước mặt (Surface Water Supply Index - SWSI) được đề xuất bởi B A Shafer & L E Dezman [19] năm 1982, và đang được sử dụng khá rộng rãi ở nhiều bang của Hoa Kỳ SWSI tích hợp dung tích hồ chứa, lưu lượng dòng chảy mặt, mưa và/hoặc tuyết thành một chỉ số duy nhất SWSI được tính theo công thức:

Trong đó a, b, c và d là các trọng số đối với các thành phần tuyết, mưa, dòng chảy mặt

và dung tích hồ chứa trong cân bằng nước lưu vực (a+b+c+d=1); Psnow, Prain, Pstrm, và

Presv là sác xuất (%) không vượt quá của các thành phần cân bằng nước tương ứng (P(X≤ A)) Chỉ số SWSI được tính với thời đoạn tháng và có giá trị trong khoảng từ -4,2 đến +4,2 Giá trị âm thể hiện mức độ thiếu nước, giá trị càng nhỏ mức độ khô hạn càng khốc liệt Giá trị dương thể hiện tình trạng dư thừa nước Bảng 1.6 thể hiện thang phân cấp hạn theo SWSI

Bảng 1.6 Phân cấp hạn theo SWSI [19]

-4  -3 Hạn rất nặng -2,9  -2 Hạn vừa

- 1,9  -1 Hơi khô -0,9 0,9 Gần như bình thường

20

(Social Water Scarcity Index - SWSI) để phản ánh ảnh hưởng của hạn hán tới xã hội Công thức thính toán chỉ số SWSI như sau:

HDI P

ARW SWSI



Trong đó: ARW là lượng nước sẵn có hàng năm

P là số nhân khẩu HDI là chỉ số phát triển con người (Human Development Index) Nước có sẵn hàng năm ARW được lấy từ dữ liệu tính toán tiêu chuẩn thủy văn, HDI được xác định dựa trên tuổi thọ trung bình, trình độ giáo dục và GDP của mỗi quốc gia, HDI phản ánh tình trạng toàn diện của một quốc gia Khi SWSI = 0 ÷ 5 thì toàn bộ xã hội được cung cấp đủ nước và không bị hạn, khí SWSI = 6 ÷ 10 thì xảy ra hạn nhẹ, SWSI = 11 ÷ 20 thì xảy ra hạn nặng, SWSI > 20 thì xảy ra hạn rất nặng

1.1.3 Các đặc trưng của hạn hán

Theo D.A Wilhite [2] và M Singh [21] khi so sánh các đợt hạn hán với nhau, các tác giả thấy rằng mỗi đợt hạn hán thường khác nhau bởi ba đặc trưng sau đây: cường độ, thời gian, sự trải rộng theo không gian của hạn hán

(1) Cường độ hạn hán được định nghĩa là mức độ thiếu hụt lượng mưa hay mức độ ảnh hưởng hạn hán kết hợp với sự thiếu hụt đó Nó thường được xác định bởi sự trệch khỏi mức độ trung bình của các chỉ số khí hậu và liên quan mật thiết với thời gian xác định ảnh hưởng của hạn

(2) Thời gian hạn hán chỉ khoảng thời gian một đợt hạn hán kéo dài, thông thường nó kéo dài ít nhất là hai đến ba tháng để chắc chắn là hạn hán, sau đó có thể kéo dài hàng tháng hàng năm

(3) Hạn hán còn có sự khác nhau theo không gian Hạn có thể xảy ra trên nhiều vùng với diện tích hàng trăm km2 nhưng với mức độ gần như không nghiêm trọng và thời gian tương đối ngắn Hạn lục địa có thể trải rộng trên nhiều vùng với diện tích hàng trăm, hàng nghìn km2, đặc biệt là các trường hợp nghiêm trọng hạn có thể trải rộng hàng triệu km2, có khi chiếm gần nửa đại lục (WMO [3]) Diện tích bị ảnh hưởng bởi hạn hán

Trong những thập kỷ gần đây hạn hán xảy ra nhiều nơi trên thế giới, gây nhiều thiệt hại

về kinh tế, ảnh hưởng đến đời sống con người và môi trường sinh thái Hàng năm có khoảng 21 triệu ha đất biến thành đất không có năng suất kinh tế do hạn hán Trong gần 1/4 thế kỷ vừa qua, số dân gặp rủi ro vì hạn hán trên những vùng đất khô cằn đã tăng hơn 80% Hơn 1/3 đất đai thế giới đã bị khô cằn mà trên đó có 17,7% dân số thế giới sinh sống Đồng hành với hạn hán, hoang mạc hoá và sa mạc hoá trên thế giới cũng ngày càng lan rộng từ các vùng đất khô hạn, bán khô hạn đến cả một số vùng bán ẩm ướt Diện tích hoang mạc hoá đã lên đến 39,4 triệu km2, chiếm 26,3% đất tự nhiên thế giới

và trên 100 quốc gia chịu ảnh hưởng Nguy cơ đói và khát do hạn hán uy hiếp 250 triệu con người trên trái đất, kèm theo đó còn ảnh hưởng tới môi trường khí hậu chung toàn cầu (WMO [22]) Một số ví dụ điển hình về của hạn hán tại các quốc gia:

Tại Trung Quốc, từ năm 1876 đến 1879, hạn hán và lũ lụt đã gây ra nạn đói lịch sử, làm chết khoảng 9 đến 13 triệu người Năm 1958 đến 1961, mưa lũ diễn ra ở nhiều vùng, sau đó là các đợt hạn hán nghiêm trọng và kéo dài đã gây mất mùa khiến sản lượng ngũ cốc giảm khoảng từ 25 đến 30%, khiến khoảng 16,5 triệu người thiệt mạng và đây được coi là nạn đói khủng khiếp nhất trong lịch sử nước này, trong các năm 1994 và 1995, mỗi năm có từ khoảng 27 đến 55 triệu ha đất nông nghiệp bị ảnh hưởng do thiên tai có liên quan đến hạn hán, chỉ tính riêng năm 1994 đã làm tổn thất khoảng 25 triệu tấn lương thực Mùa xuân năm 1995, hạn hán lan rộng khắp nơi, tại phần lớn các tỉnh phía Bắc Trung Quốc có lượng mưa giảm từ 50-80% so với bình thường, một số vùng không có mưa hoặc tuyết Thêm vào đó, gió mạnh và nhiệt độ cao đã góp phần làm cho hạn hán càng thêm nặng nề Kết quả là nhiều vùng thuộc tỉnh Hà Bắc, phía Bắc tỉnh Sơn Tây và Thiểm Tây, phía Đông tỉnh Cam Túc, phía Tây vùng Nội Mông, miền Trung và Đông tỉnh Sơn Đông, một số vùng tại tỉnh Giang Tây, tỉnh An Huy tại miền Đông Trung Quốc đều bị hạn nặng Đến đầu tháng 5/1995 đã có hơn 10 triệu người và hơn 5 triệu gia súc thiếu nước sinh hoạt Mùa hè năm 2000, hạn hán kéo dài 3 tháng liên tục tại nhiều địa

22

phương đã làm cho tổng sản lượng lương thực ở Trung Quốc giảm 9% [23]

Ở Inđônêxia, từ năm 1982 đến 1983, hiện tượng El Ninô xảy ra đồng thời với hạn hán

và làm cho 420.000 ha ruộng lúa bị ảnh hưởng do thiếu nước, 158.000 ha bị mất trắng

và 3,7 ha rừng gỗ tái sinh bị cháy trụi Năm 1991, hiện tượng El Ninô cùng với nắng nóng đã gây ra hạn hán nghiêm trọng nhất trong lịch sử, gây tổn thất lớn đến sản xuất nông nghiệp làm 483.000 ha trong đó có 190.000 ha lúa bị huỷ hoại hoàn toàn, buộc chính phủ phải nhập khẩu khẩn cấp 600.000 tấn lương thực Hạn hán cũng là nguyên nhân gây ra cháy rừng, tại Kalimantan ở Inđônêxia 88.000 ha rừng bị cháy Đây là vụ cháy rừng lớn nhất trong lịch sử tại quốc gia này, cháy lớn đến nỗi lớp khói dày đặc do

nó tạo ra đã bao phủ toàn bộ đảo Kalimantan, lan tới tận các nước láng giềng là Singapore và Malaixia trong tháng 9 và tháng 10 năm 1991 và cháy rừng âm ỉ kéo dài đến tận 29/4/1992 Trong những năm 1997-1998, do ảnh hưởng của hiện tượng El Ninô, các nước trong khu vực Đông Nam Á (trong đó có Việt Nam) hầu như không có mưa, nhiệt độ không khí cao đã gây cháy rừng ở nhiều nơi, trong đó cháy rừng xảy ra nghiêm trọng nhất là ở Inđônêxia và Malaixia [24, 25]

Ở châu Phi, một trong những khu vực điển hình thường xuyên xảy ra hạn hán và cũng

vì hạn hán xảy ra triền miên đã là nguyên nhân gây ra nghèo đói và chiến tranh, trong

đó có nhiều cuộc chiến tranh chỉ đơn thuần xuất phát từ việc tranh dành nguồn nước

Do nguồn nước phân bố không đều, nên nhiều vùng tại châu Phi, hạn hán mang tính thường xuyên đã gây nên sự suy giảm nguồn lương thực, năng lượng và nước rất phổ biến [26] Những thông báo về sự suy giảm của nền kinh tế và môi trường tại châu lục này đang gây mối lo ngại cho nhiều quốc gia trên thế giới Theo OTA (Office of Technology Assessment), do hạn hán kéo dài, sản xuất lương thực trong thời kỳ từ 1975 đến 1985 tại Tây Phi đã giảm sút 25%, khiến cộng đồng quốc tế đã phải trợ giúp 15 tỷ USD nhưng vẫn không cải thiện nổi nền kinh tế bị sa sút của các nước ở khu vực này Nơi điển hình chịu tác động nghiêm trọng nhất của hạn hán tại châu lục này là nước Cộng hòa Sudan vào mùa xuân năm 1984, mất mùa làm nạn đói lan rộng, trong đó ba tỉnh Kordofan và Darfur ở miền Tây và tỉnh Red Sea (Biển Đỏ) ở miền Đông Sudan là

bị đói nghèo nặng nề nhất Tình trạng thiếu đói đã ảnh hưởng đến một nửa dân số, khoảng 20-25 triệu người và làm chết khoảng 3% dân số trong vòng một tháng Khoảng

23

2,5 triệu người phải di cư ra thành phố hoặc đến các khu vực phía Nam Hạn hán kéo dài tại tỉnh Kordofan đã làm sa mạc đã tiến về hướng Nam khoảng 90-100 km trong vòng 17 năm, trung bình mức sa mạc hoá từ 5 đến 6 km hàng năm Đợt hạn tại Sahel năm 1974 đã làm chết tới 300.000 người và ảnh hưởng đến 150 triệu người do bị đói và suy dinh dưỡng Trước đó, những đợt hạn liên tiếp trong thời gian 6 năm (1968-1974)

đã làm cho số người bị chết ước tính từ 100.000 đến 300.000 người Tại Mali, hạn hán kéo dài đã làm cho sa mạc Sahara mở rộng xuống phía Nam khoảng 350 km trong vòng

20 năm, kết quả là đã có 1,5 tỷ ha vốn là đất canh tác biến thành hoang mạc

Tại Hoa Kỳ, sản xuất công, nông nghiệp và dịch vụ phát triển cao, đồng thời cũng là quốc gia sử dụng nước nhiều nhất trên thế giới Do vậy, những năm bị hạn hán, thiệt hại

về kinh tế ở nước này là rất nghiêm trọng Hoa Kỳ cũng là nước quan tâm nhiều đến vấn

đề hạn hán và có nhiều cơ quan nghiên cứu về hạn hán Theo kết quả thống kê về những thiệt hại do bão, lũ lụt và hạn hán gây ra trong thời gian 100 năm gần đây cho thấy mức thiệt hại bình quân hàng năm do hạn hán gây ra là lớn nhất, từ 6-8 tỷ USD, tiếp sau đó

là do lũ lụt khoảng 2,41 tỷ USD và sau cùng là do bão khoảng từ 1,2 đến 4,8 tỷ USD Cũng theo số liệu thống kê, thiệt hại về kinh tế do hạn hán gây ra, cao nhất là vào năm

1988, khoảng 39,4 tỷ USD, gần tương đương với mức thiệt hại năm 1998 cũng do hạn bao gồm mất mát về nông nghiệp, năng lượng, nước, sinh thái và các vấn đề khác, chiếm hơn 39 tỉ USD Về thời gian, hạn hán cũng hết sức dai dẳng, có thể kéo dài hàng tháng, hàng năm, thậm chí hàng thập kỷ Theo tài liệu thống kê của Cơ quan Quản lý lưu vực sông và khí quyển đại dương quốc gia Hoa Kỳ cho thấy, tại một số nơi liên tục

có hạn trong cả 100 năm, lưu vực sông Missouri có đến 90 năm bị hạn có ở mức độ khác nhau [7]

Thiệt hại do hạn hán gây ra ở nhiều nước trên thế giới là rất nghiêm trọng, kể cả về người và tài sản Thực tế, các con số thiệt hại nêu trên rất khó có thể được thống kê một cách chính xác do số liệu thống kê chưa đầy đủ hoặc giá cả trong quá khứ và hiện tại là khác nhau [2]

1.2.2 Các nghiên cứu về hạn hán trên thế giới

Trên thế giới, có rất nhiều tác giả nghiên cứu về hạn hán Nhưng do tính phức tạp của hiện tượng này, đến nay vẫn chưa có một phương pháp chung cho các nghiên cứu về

24

hạn hán Trong việc xác định, nhận dạng, giám sát và cảnh báo hạn hán, các tác giả thường sử dụng công cụ chính là các chỉ số hạn hán Việc theo dõi sự biến động của giá trị các chỉ số hạn hán sẽ giúp ta xác định được sự khởi đầu, thời gian kéo dài cũng như cường độ hạn Chỉ số hạn hán là hàm của các biến đơn như lượng mưa, nhiệt độ, bốc thoát hơi, dòng chảy hoặc là tổng hợp của các biến Mỗi chỉ số đều có ưu điểm nhược điểm khác nhau, và mỗi nước đều sử dụng các chỉ số phù hợp với điều kiện của nước mình Việc xác định hạn hán bằng các chỉ số hạn không chỉ áp dụng với bộ số liệu quan trắc mà còn áp dụng với bộ số liệu là sản phẩm của mô hình khí hậu khu vực và mô hình khí hậu toàn cầu Trong quá trình nghiên cứu hạn, việc xác định các đặc trưng của hạn

là hết sức cần thiết, như xác định: sự khởi đầu và kết thúc hạn, thời gian kéo dài hạn, phạm vi mở rộng của hạn, mức độ hạn, tần suất và mối liên hệ giữa những biến đổi của hạn với khí hậu [27]

Các phân tích về hạn hán trên quy mô toàn cầu của Aiguo Dai, và cộng sự [28], theo khu vực và địa phương của Benjamin Lloyd-Hughes & Mark A Saunders [29] đã thông qua các chỉ số hạn dựa trên số liệu mưa, nhiệt độ và độ ẩm quan trắc trong quá khứ cho thấy số đợt hạn, thời gian kéo dài hạn, cũng như tần suất và mức độ của nó ở một số nơi

đã tăng lên đáng kể Nổi bật lên trong nghiên cứu hạn trên quy mô toàn cầu là nghiên cứu của Nico Wanders, và cộng sự [30], trong nghiên cứu của mình tác giả đã phân tích

ưu điểm, nhược điểm của 18 chỉ số hạn hán bao gồm cả chỉ số hạn khí tượng, chỉ số hạn thủy văn, chỉ số độ ẩm, rồi lựa chọn ra các chỉ số thích hợp để áp dụng phân tích các đặc trưng của hạn hán trong năm vùng khí hậu khác nhau trên toàn cầu: vùng xích đạo, vùng khô hạn cực, vùng nhiệt độ ấm, vùng tuyết, vùng địa cực Nhiều nghiên cứu cho thấy sự giảm lượng mưa đáng kể đi kèm với sự tăng nhiệt độ sẽ làm tăng quá trình bốc hơi, gây

ra hạn hán nghiêm trọng hơn (A V Meshcherskaya & V G Blazhevich [31], cùng với

xu thế nóng lên trên toàn cầu giai đoạn (1980-2000), tần suất và xu thế hạn tăng lên và xảy ra nghiêm trọng hơn vào bất cứ mùa nào trong năm, như ở Cộng hòa Séc cứ khoảng

5 năm lại xảy ra đợt hạn hán nặng trong suốt mùa đông hoặc mùa hè, với mức độ nặng

và tần suất lớn nhất vào tháng IV và tháng VI (xảy ra trên toàn bộ lãnh thổ với tổng diện tích là 95%); hạn xảy ra vào các tháng mùa hè ở Hy Lạp ảnh hưởng nghiêm trọng đến hoa màu và sự cung cấp nước trong thành phố; ở Cộng hòa Moldova, cứ 2 năm thì lại

có một đợt hạn nặng vào mùa thu [32] Bên cạnh sự gia tăng về tần suất và mức độ hạn,

25

thời gian kéo dài các đợt hạn cũng tăng lên đáng kể, thời gian xảy ra hạn có thể kéo vài tháng đến vài năm ở nhiều quốc gia Nghiên cứu hạn dựa trên bộ số liệu mưa và nhiệt

độ tháng quan trắc với bước lưới 0,5 trên toàn lãnh thổ Châu Âu 35-70N và 35E-

10W (Benjamin Lloyd-Hughes & Mark A Saunders [29]) đã chỉ ra rằng thời gian hạn hán lớn nhất trung bình trên mỗi ô lưới ở Châu Âu là 48 ± 17 tháng, tần suất hạn hán cao hơn xảy ra ở lục địa Châu Âu, thấp hơn ở bờ biển phía đông bắc Châu Âu, bờ biển Địa Trung Hải, thời gian hạn kéo dài nhất thì xảy ra ở Italya, đông bắc Pháp, đông bắc Nga, với thời gian kéo dài là 40 tháng Xukai Zou, và cộng sự [33] đã chỉ ra rằng hạn hán ở phía bắc Trung Quốc có xu thế tăng lên kể từ sau những năm 1990, đặc biệt có vài vùng hạn hán kéo dài 4-5 năm từ năm 1997 đến năm 2003 Vì vậy, có thể nói trên thế giới đã có rất nhiều các nghiên cứu về hạn hán và đi đến kết luận: ① Hạn hán là hiện tượng hết sức phức tạp mà sự hình thành là do cả hai nguyên nhân: tự nhiên và con người; ② Các yếu tố tự nhiên gây hạn như sự dao động của các dạng hoàn lưu khí quyển

ở phạm vi rộng và các vùng xoáy nghịch, hoặc các hệ thống áp thấp cao, sự biến đổi khí hậu, sự thay đổi nhiệt độ mặt nước biển như El Nino) ; ③ và các nguyên nhân do con người như nhu cầu nước ngày càng gia tăng, phá rừng, ô nhiễm môi trường ảnh hưởng tới nguồn nước, quản lý đất và nước kém bền vững, gây hiệu ứng nhà kính, Hiện nay, rất nhiều chỉ số/hệ số hạn khác nhau đã được phát triển và ứng dụng ở các nước trên thế giới như: Chỉ số ẩm Ivanov (1948), chỉ số khô Budyko (1950), chỉ số khô Penman, chỉ

số gió mùa GMI, chỉ số mưa chuẩn hóa SPI, chỉ số chuẩn hóa lượng mưa và bốc hơi SPEI, chỉ số Sazonov, chỉ số Koloskov (1925), hệ số khô, hệ số cạn, chỉ số Palmer (PDSI), chỉ số độ ẩm cây trồng (CMI), chỉ số cấp nước mặt (SWSI), chỉ số RDI (Reclamation Drought Index) Kinh nghiệm trên thế giới cho thấy hầu như không có một chỉ số nào có ưu điểm vượt trội so với các chỉ số khác trong mọi điều kiện Do đó, việc áp dụng các chỉ số/hệ số hạn phụ thuộc vào điều kiện cụ thể của từng vùng cũng như hệ thống cơ sở dữ liệu quan trắc sẵn có ở vùng đó [34]

Nhằm mục đích giảm nhẹ tác hại của hạn hán, ở một số nước phát triển trên thế giới đã thành lập các trung tâm giám sát, dự báo, cảnh báo hạn hán Nhiệm vụ chính của các trung tâm này là:

1 Theo dõi, giám sát, dự báo và cảnh báo hạn hán;

 Đánh giá các điều kiện hạn gần đây và hiện trạng hạn hán dựa trên sự phối hợp giám sát hạn hán toàn diện giữa các cơ quan của Bộ Nông nghiệp và Trung tâm Quốc gia

 Giám sát độ ẩm đất: Hiện trạng độ ẩm đất trên các bang/các khu vực;

 Giám sát hạn hán của NOAA thông qua các chỉ số hạn, bao gồm: Chỉ số chuẩn hoá lượng mưa, tỷ chuẩn lượng mưa hàng tháng; Chỉ số hạn khắc nghiệt theo Palmer (cập nhật hàng tuần); Chỉ số ẩm cây trồng (cập nhật hàng tuần)

Đã tập trung vào 3 hoạt động bắt buộc của kế hoạch phòng chống hạn hán là: 1) Giám sát và cảnh báo sớm; 2) Đánh giá nguy cơ rủi ro và tác động; 3) Giảm nhẹ và ứng phó với hạn hán

 Ở Úc

27

Từ năm 1965 đã thành lập tổ chức theo dõi và phục vụ phòng chống hạn hán (Bureau's Drought Watch Service) với sự liên kết giữa cơ quan khí tượng Úc (BOM [35]) và cơ quan nông nghiệp trên toàn quốc đến tận các bang Tổ chức này cung cấp thời điểm bắt đầu thống nhất để cảnh báo hạn trên toàn quốc Những thông báo chính thức về hạn hán được kết hợp với những yếu tố khác như mưa và trách nhiệm của các cơ quan khác của chính phủ Kể từ khi thực hiện “Chính sách quốc gia về hạn hán” năm 1992, tổ chức này

đã triển khai các công việc phân tích tình hình mưa Các sản phẩm phân tích mưa được công bố thông qua bản tin thời tiết hoặc qua website của tổ chức này Cũng giống như

ở Mỹ, các thông tin viễn thám được ứng dụng rộng rãi trong việc xây dựng các sản phẩm

về giám sát và cảnh báo hạn hán

 Ở Trung Quốc

Chính phủ Trung Quốc rất coi trọng việc giám sát, dự báo và đánh giá ảnh hưởng của hạn hán Trung tâm Khí hậu Quốc gia (NCC) thuộc Cục Khí tượng Trung Quốc (CMA [36]) được thành lập từ năm 1995 đã xây dựng và vận hành một hệ thống giám sát và cảnh báo sớm hạn hán với nhiều sản phẩm khác nhau như các bản tin hạn hán hàng tháng, hàng năm Ở Trung Quốc đã thực hiện thành công việc đánh giá phạm vi tác hại của hạn hán, đặc biệt là giám sát hạn hán và dự báo, cảnh báo hạn hán cũng như đánh giá mức độ ảnh hưởng Việc đánh giá, giám sát và dự báo hạn hán được tiến hành với

sự trợ giúp của công nghệ viễn thám, trong đó đã sử dụng số liệu về chỉ số thực vật đo

từ vệ tinh VCI (Vegetation Condition Index) và chỉ số cung cấp nước thực vật WSVI (Water Supplying Vegetation Index) Việc sử dụng mô hình WSVI để giám sát và dự báo hạn hán được tiến hành trên cơ sở phân tích cường độ hạn hán, phân bố không - thời gian của hạn hán Đã tiến hành xác định các mức độ tin cậy về chỉ số cường độ hạn hán

và các dị thường về hạn hán Sau đó vận dụng các kỹ thuật phi tuyến tính phổ động lực học để xây dựng mô hình dự báo hạn hán với các ngưỡng thời gian khác nhau Mô hình

dự báo với độ chính xác trung bình là 85% Việc dự báo hạn nông nghiệp và xác định nhu cầu tưới bằng viễn thám được tiến hành dựa trên cơ sở mô hình cân bằng nước và quan hệ giữa cây trồng với các điều kiện môi trường Bằng mô hình này có thể dự báo

sự biến động của lượng nước trong đất và nhu cầu tưới tiêu, với các khoảng thời gian

dự báo là 10 ngày, 20 ngày, 30 ngày, với độ chính xác là 95%, 90% và 88% theo từng