Phân tích và đánh giá lượng mưa trong xu hướng biến đổi khí hậu giai đoạn 1979 - 2011 ở thành phố Đà Nẵng

Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 110 PHÂN TÍCH VÀ ĐÁNH GIÁ LƯỢNG MƯA TRONG XU HƯỚNG BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU GIAI ĐOẠN 1979 - 2011 Ở THÀNH PHỐ ĐÀ NẴNG Nguyễn Minh Kỳ Trường Đại học Khoa học, Đại học Huế Thông tin chung: Ngày nhận bài: 14/10/2014 Ngày nhận kết quả bình duyệt: 12/08/2015 Ngày chấp nhận đăng: 12/2016 Title: An assessment and analysis of precipitation in climate change trend for the period 1979 -2011 in Da Nang City Keywords: Climate change, trend, analysis, precipitation, Mann-Kendall Từ khóa: Biến đổi khí hậu, xu hướng, phân tích, lượng mưa, Mann-Kendall ABSTRACT This paper presents the analysis results of climate change trends in the Central Vietnam, a typical case study in Da Nang City. By using statistical analysis with non-parametric Mann-Kendall test, the research tested the degree of climate change trend based on the reviewing process of precipitation trend. The results were evaluated based on the statistical analysis at the 0.05 level by ProUCL 4.1 software. The research shows clear signs of climate change related to the precipitation factor. The average precipitation change in Danang had the upward trend in observed time series (p <0.05). For each specific season, the precipitation has a tendency to increase in January, March, August and decrease in June of observed period. According to the forecast of the year 2100, the average precipitation in Danang will increase about 1,04% compared to the period 1980 – 1999. Therefore, it is urgent to have solutions to reduce and adapt to the current time of climate change. TÓM TẮT Bài báo nhằm mục đích trình bày các kết quả phân tích xu hướng biến đổi khí hậu về lượng mưa ở miền Trung Việt Nam, trường hợp nghiên cứu điển hình ở Thành phố Đà Nẵng. Với việc sử dụng thủ tục phân tích thống kê phi tham số Mann-Kendall, nghiên cứu tiến hành kiểm định mức độ biến đổi khí hậu dựa trên quá trình xem xét xu hướng biến động lượng mưa. Các kết quả được đánh giá dựa trên quá trình phân tích thống kê ở mức ý nghĩa α=0,05 với sự hỗ trợ của phần mềm ProUCL 4.1. Nghiên cứu đã chỉ ra những dấu hiệu khá rõ rệt của biến đổi khí hậu liên quan đến yếu tố lượng mưa. Mức độ diễn biến tình trạng lượng mưa trung bình chung ở Đà Nẵng tuân theo xu hướng tăng dần theo chuỗi thời gian quan trắc (p<0,05). Xét riêng cho từng mùa cụ thể, yếu tố lượng mưa có xu hướng gia tăng ở các tháng I, III, VIII và giảm dần theo thời gian của chuỗi quan trắc trong tháng VI. Dự báo đến năm 2100, lượng mưa trung bình ở Đà Nẵng sẽ có mức gia tăng khoảng 1,04% so với giai đoạn 1980 - 1999. Vì vậy, yêu cầu bức thiết cần có những giải pháp nhằm hạn chế và thích ứng với những sự biến đổi của khí hậu như hiện nay. Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 111 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Biến đổi khí hậu toàn cầu (gọi tắt là BĐKH) là thuật ngữ dùng để chỉ sự thay đổi một cách toàn diện hệ thống khí hậu trên phạm vi toàn cầu theo xu hướng xấu đi và gây ra những yếu tố bất lợi cho cuộc sống của con người cũng như hệ sinh thái trên trái đất. Có những bằng chứng cho thấy con người là nguyên nhân làm nóng lên toàn cầu, thay đổi lượng mưa và vòng tuần hoàn thủy văn, đặc biệt là các hiện tượng thời tiết cực đoan. Theo Ủy ban liên Chính phủ của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu (IPCC) thì BĐKH là những thay đổi theo thời gian của khí hậu, trong đó bao gồm biến đổi tự nhiên và các hoạt động của con người gây ra (IPCC, 2007). BĐKH là sự thay đổi của hệ thống khí hậu gồm khí quyển, thuỷ quyển, sinh quyển, thạch quyển hiện tại và trong tương lai bởi các nguyên nhân tự nhiên và nhân tạo. Theo IPCC (2007), đến năm 2100 mực nước biển trung bình sẽ dâng thêm từ 43 đến 81 cm, đồng thời nhiệt độ trung bình toàn cầu sẽ tăng từ 1,4 đến 4,0 0C. Riêng ở nước ta, theo như kịch bản BĐKH và nước biển dâng cho Việt Nam thì cuối thế kỷ này nhiệt độ trung bình năm sẽ tăng 2 đến 3 0C và mực nước biển có thể dâng thêm 57 đến 73 cm so với trung bình thời kỳ 1980 - 1999 (Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2012). Rõ ràng, với những ảnh hưởng to lớn của BĐKH gây ra không ít khó khăn cho chúng ta, đặc biệt là những đối tượng dễ bị tổn thương như người nghèo, người già, trẻ em. Hàng năm, lũ lụt làm tổn thất hàng tỷ USD và làm mất tích hàng ngàn người trên phạm vi toàn thế giới (Murnane R.J., 2004). Thời tiết cực đoan liên quan đến lũ lụt và hạn hán là hai hình thức chính của BĐKH gây ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của con người. Dưới tác động của BĐKH, sự biến thiên lượng mưa diễn ra chủ yếu ở vùng nhiệt đới, nơi chịu tác động mạnh mẽ của hiện tượng ENSO. Thực tế, BĐKH làm lượng mưa thay đổi theo các xu hướng khác nhau trên phạm vi toàn cầu. Lượng mưa có xu hướng giảm ở các nước cận nhiệt đới và bên ngoài vùng nhiệt đới như ở Địa Trung Hải, Nam Á cho tới Châu Phi. Trong khi đó, lại có sự gia tăng lượng mưa ở các nước có vĩ độ cao hơn như ở Bắc Mỹ và Argentina (Kevin, E.T., 2011). Liên hệ tình hình thực tiễn Việt Nam, tác giả đặt ra câu hỏi về sự BĐKH ở nước ta hiện đang diễn ra như thế nào? Chính vì vậy, mục đích và phạm vi của nghiên cứu này tập trung thu thập số liệu và phân tích đánh giá xu hướng BĐKH dựa trên yếu tố khí hậu lượng mưa, trường hợp nghiên cứu điển hình ở Đà Nẵng. 2. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đối tượng nghiên cứu * Đối tượng nghiên cứu: Sự biến động yếu tố khí hậu về lượng mưa giai đoạn 1979 – 2011. * Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện ở Thành phố Đà Nẵng. Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 112 Hình 1. Sơ đồ khu vực nghiên cứu Nằm ở 15055' đến 16014' vĩ độ Bắc, 107018' đến 108020' kinh độ Đông, phía Bắc giáp tỉnh Thừa Thiên Huế, Tây và Nam giáp tỉnh Quảng Nam, Đông giáp Biển Đông, Đà Nẵng là trung tâm kinh tế, văn hoá, giáo dục, khoa học và công nghệ lớn của khu vực miền Trung - Tây Nguyên. Với gần một triệu dân và có diện tích tự nhiên xấp xỉ 1.283,42 km2, Đà Nẵng là một trong những đô thị loại 1, đồng thời là thành phố trực thuộc Trung ương ở Việt Nam. Trung tâm thành phố cách thủ đô Hà Nội 764 km về phía Bắc, cách Thành phố Hồ Chí Minh 964 km về phía Nam và cách thành phố Huế 108 km theo hướng Tây Bắc. Về khí hậu, Đà Nẵng nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa điển hình, có nền nhiệt độ cao và ít biến động. Khí hậu Đà Nẵng là nơi đan xen chuyển tiếp giữa khí hậu hai miền Bắc, Nam nhưng có đặc trưng tính trội của khí hậu nhiệt đới điển hình ở phía Nam. Mỗi năm có 2 mùa rõ rệt, mùa khô kéo dài từ tháng 1 đến tháng 7 và mùa mưa bắt đầu từ tháng 8 đến tháng 12, thỉnh thoảng có những đợt rét đông nhẹ nhưng không kéo dài (Cục Thống kê Đà Nẵng, 2013). 2.2 Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện nghiên cứu này, tác giả tiến hành khảo sát thực địa và thu thập số liệu nhằm phân tích, đánh giá xu hướng biến động yếu tố khí hậu ở Đà Nẵng. Nghiên cứu đánh giá xu hướng BĐKH thông qua yếu tố lượng mưa bằng phương pháp phân tích thống kê (Kundzewicz Z.W. & Robson A., 2000). Dữ liệu nghiên cứu được thu thập từ Trạm Khí tượng Thủy văn Đà Nẵng, kết hợp so sánh đối chiếu với số liệu được xuất bản trong các tập Niên giám Thống kê. Phương pháp kiểm định phi tham số Mann - Kendall được sử dụng để phân tích và đánh giá xu hướng biến động dựa vào độ dốc Theil - Sen bằng phần mềm ProUCL 4.1. Kiểm định Mann - Kendall là phương pháp phi tham số dùng xác định xu hướng theo chuỗi dữ liệu thời gian. Xét chuỗi giá trị x1, x2, x3 xn-1, xn biểu diễn n điểm dữ liệu, trong đó xj là giá trị dữ liệu tại thời điểm j. Khi đó chỉ số Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 113 thống kê Mann-Kendall S được tính bởi công thức (2.1): Trong đó, sign(x) được xác định như sau: sign(x) = 1 nếu x>0; sign(x) = 0 nếu x = 0 và sign(x) = -1 nếu x<0. Giá trị ban đầu của thống kê Mann - Kendall S là 0 và tương ứng với việc không tồn tại xu hướng. Giá trị S>0 (dương) là chỉ số cho một xu hướng tăng, giá trị S<0 (âm) là chỉ số cho một xu hướng giảm. Tuy nhiên cần phải tính toán xác xuất đi kèm với S và n để xác định mức ý nghĩa của xu hướng. Phương sai của S được tính theo công thức (2.2): Ở công thức (2.3), g là số các nhóm có các giá trị dữ liệu giống nhau, tp là số các điểm dữ liệu trong nhóm thứ p. Tuân theo luật phân phối chuẩn trung bình 0, phương sai 1, chỉ số Mann-Kendall Z được tính như công thức (2.3): Kết quả kiểm định bác bỏ hay chấp nhận giả thuyết tồn tại hay không tồn tại xu hướng biến động lượng mưa dựa vào giá trị của chỉ số Mann - Kendall Z. Nếu Z>Zα: Bác bỏ giả thuyết H0, tức tồn tại xu hướng; ngược lại, nếu như Z<Zα: Chấp nhận giả thuyết H0 (không tồn tại xu hướng biến động). 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Nhằm mục đích đánh giá sự BĐKH dựa vào yếu tố diễn biến lượng mưa, nghiên cứu tập trung phân tích chuỗi dữ liệu cho giai đoạn 1979 - 2011 ở Thành phố Đà Nẵng. Kết quả kiểm định xu hướng Mann-Kendall lượng mưa trung bình tháng ở Đà Nẵng được trình bày ở Bảng 1. Bảng 1. Kết quả kiểm định xu hướng Mann-Kendall lượng mưa trung bình tháng Kết quả Lượng mưa 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 N 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 33 Min 10,0 0,0 0,2 0,0 15,1 2,3 3,6 19,7 32,0 198,2 140,5 52,6 Max 218,2 75,2 133,1 272 467,5 488,6 245,2 512,1 1376 1329 1313 903,8 Mean 73,24 22,74 24,07 39,39 99,74 99,94 83,09 149,8 341,0 668,5 489,5 214,7 SD 53,45 23,29 30,96 60,39 93,3 101,2 69,3 116,0 282,8 278,6 310,4 163,7 Trị số S 154,0 -13,0 141,0 1,0 10,0 -130,0 36,0 150,0 86,0 6,0 36,0 68,0 Var S 64,54 64,52 64,53 64,53 64,54 64,54 64,54 64,54 64,54 64,54 64,54 64,54 Z 2,371 -0,186 2,169 0,0 0,139 -1,999 0,542 2,309 1,317 0,0775 0,542 1,038 P.value 0,0089 0,426 0,015 0,500 0,445 0,0228 0,294 0,0105 0,0939 0,469 0,294 0,15 Theil-Sen 1,9335 -0,018 0,5878 <0,0001 0,2448 -1,7895 0,6029 3,0788 4,8598 0,5705 2,5948 1,7343 Chú thích: SD - Độ lệch chuẩn; Var S - Độ lệch chuẩn của S; Z - Giá trị chuẩn của S; p.value - Mức ý nghĩa; Theil-Sen - Độ dốc Theil-Sen Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 114 Nhìn chung, hầu hết kết quả lượng mưa trung bình tháng của giai đoạn nghiên cứu 1979-2011 có giá trị dương (Bảng 1). Tuy nhiên, theo như kết quả kiểm định Mann-Kendall thực trạng BĐKH được xem xét ở khía cạnh biến đổi lượng mưa trung bình tháng chỉ các tháng 1, 3, 6 và 8 có ý nghĩa thống kê (p<0,05). Trong đó, lượng mưa trung bình tháng các tháng 1, 3 và 8 có xu hướng gia tăng với kết quả trị số S khá cao và lần lượt bằng 154,0; 141,0 và 150,0. Ngược lại, kết quả kiểm định tháng 6 cho thấy rõ xu hướng giảm lượng mưa trung bình tháng (p<0,05) trong giai đoạn 1979 - 2011 với trị số S, độ lệch chuẩn của S (var S) và giá trị chuẩn của S (Z) lần lượt bằng - 130,0; 64,54 và -1,999. Kết quả mô hình hóa diễn biến lượng mưa trung bình tháng ở các tháng 1, 3, 6 và 8 được biểu diễn chi tiết ở các Hình 2, 3, 4 và 5. Hình 2. Biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa trung bình tháng 1 Hình 3. Biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa trung bình tháng 3 Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 115 Hình 4. Biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa trung bình tháng 6 Hình 5. Biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa trung bình tháng 8 Căn cứ vào độ dốc Theil - Sen ở kết quả kiểm định, nghiên cứu xem xét mức độ biến động lượng mưa theo thời gian. Nổi bật nhất là mức độ biến động theo chiều hướng gia tăng lượng mưa trung bình tháng 8. Tốc độ xu hướng biến động lượng mưa ở tháng 8 có giá trị tăng 3,0788 mm/năm (tương ứng 101,60 mm/33 năm). Tương tự, mức độ biến động lượng mưa tháng 1 theo xu hướng gia tăng 1,9335 mm/năm và tương đương 63,81 mm cho cả giai đoạn nghiên cứu 1979 - 2011. Bảng 2. Mức độ biến động lượng mưa trung bình ở Đà Nẵng Tháng Mức độ biến động lượng mưa (α = 0,05) mm/năm mm/10 năm mm/33 năm Năm 2100 1 1,9335 19,34 63,81 172,08 3 0,5878 5,88 19,40 52,31 6 -1,7895 -17,90 -59,05 -159,27 VIII 3,0788 30,79 101,60 274,01 Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 116 Kết quả phân tích còn cho thấy, xu hướng biến động lượng mưa ở tháng 3 gia tăng 0,5878 mm/năm và tương đương 19,40 mm trong vòng 33 năm qua. Riêng đối với tháng 6, kết quả biến động lượng mưa chỉ ra mức độ sút giảm theo thời gian với trung bình -1,7895 mm/năm. Mặt khác, dựa vào đặc điểm khí hậu ở Đà Nẵng, tháng 6 là thời điểm của mùa khô nóng. Trong khi, kết quả nghiên cứu chỉ ra mức độ giảm sút có ý nghĩa thống kê về lượng mưa trung bình tháng 6 (p<0,05). Không những vậy, lượng mưa trung bình tháng 8 (tháng mùa mưa) lại có xu hướng gia tăng. Từ đó có thể thấy được những dấu hiệu ban đầu của BĐKH đã và đang diễn ra ở Đà Nẵng trong giai đoạn hiện nay. Nếu như diễn biến lượng mưa vẫn tiếp tục tuyến tính theo xu hướng này, dự báo đến năm 2100, lượng mưa ở Đà Nẵng vẫn tiếp tục tăng ở các tháng 1, 3, 8 và giảm vào tháng 6. Tính đến năm 2100, dự báo lượng mưa có thể gia tăng ở mức 172,08; 52,31 và 274,01 mm cho các tháng 1, 3 và 8. Trong khi đó, lượng mưa trung bình tháng 6 sẽ giảm tương ứng với giá trị - 159,27 mm. Kết quả nghiên cứu cho thấy sự tương đồng ở xu thế chung về lượng mưa mùa khô giảm và lượng mưa mùa mưa tăng như trong dự báo năm 2012 của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam. Ngoài ra, để đánh giá toàn diện hơn, nghiên cứu còn tiến hành phân tích và kiểm định diễn biến lượng mưa cho toàn giai đoạn 1979 - 2011. Kết quả biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa và phân tích thống kê được thể hiện ở Hình 6 và Bảng 3. Hình 6. Biểu đồ xu hướng biến động lượng mưa trung bình giai đoạn 1979-2011 Bảng 3. Kết quả kiểm định xu hướng lượng mưa giai đoạn 1979-2011 Kết quả Mann-Kendall Lượng mưa (α = 0,05) N 396,0 Min 0,0 Max 1376,0 Mean 192,1 Độ lệch chuẩn SD 255,2 Trị số S 5020 Độ lệch chuẩn của S (Var S) 2632 Giá trị chuẩn của S (Z) 1,907 Mức ý nghĩa 0,0283 Độ dốc Theil-Sen 0,0743 Journal of Science – 2016, Vol. 12 (4), 110 – 117 Part D: Natural Sciences, Technology and Environment 117 Kết quả phân tích xu hướng cho cả giai đoạn nghiên cứu (1979 - 2011) có đủ bằng chứng để kết luận về sự gia tăng lượng mưa trung bình chung ở Đà Nẵng (p<0,05). Giá trị độ dốc Theil-Sen bằng 0,0743; điều này đồng nghĩa với việc xu hướng gia tăng lượng mưa trung bình mỗi năm trong giai đoạn 1979 - 2011 tương ứng 0,8916 mm; tương đương 8,916 mm cho 10 năm và xấp xỉ 29,4228 mm trong 33 năm qua. Với những kết quả nghiên cứu đã đạt được cho thấy sự tương đồng với công trình của Wentz et al., (2007) về xu hướng tăng dần lượng mưa trên toàn cầu giai đoạn 1987 - 2006. Ngoài ra, dự báo đến năm 2100, lượng mưa tương ứng ở Đà Nẵng có thể gia tăng ở mức 79,3524 mm. Trung bình lượng mưa giai đoạn 1980 - 1999 ở Đà Nẵng có giá trị 2239,16 mm, do vậy đến năm 2100 dự báo lượng mưa sẽ có mức gia tăng cỡ khoảng 1,04% so với giai đoạn 1980 - 1999. So sánh với kết quả của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam (2012), dự báo cho cuối thế kỷ 21 theo như kịch bản phát thải trung bình, lượng mưa năm tăng trên hầu khắp lãnh thổ (từ 2 đến 7%) nhưng riêng Tây Nguyên, Nam Trung Bộ tăng ít hơn (dưới 3%). Như vậy, nghiên cứu dự báo lượng mưa cũng có kết quả tương đồng xu hướng gia tăng so với nghiên cứu của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam nhưng với mức độ khiêm tốn, chỉ khoảng 1,04%. Hiển nhiên, sự khác biệt này có thể do nghiên cứu chỉ mới tập trung phân tích và dự báo đơn biến dựa trên chuỗi dữ liệu lượng mưa thu thập được. Trong khi, báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường Việt Nam lại được xây dựng dựa trên yếu tố đa biến bao hàm các kịch bản phát triển kinh tế - xã hội khác nhau. 4. KẾT LUẬN Nhìn chung, đã có những dấu hiện ban đầu diễn biến BĐKH hiện đang diễn ra ở Đà Nẵng. Kết quả nghiên cứu chỉ ra tồn tại tình trạng gia tăng lượng mưa trung bình chung giai đoạn 1979 – 2011 (p<0,05). Mặt khác, lượng mưa trung bình các tháng đã có những sự thay đổi khá rõ rệt theo các chiều hướng khác nhau. Trong mùa khô, đặc biệt tháng 6 (mùa khô nóng), kết quả phân tích xu hướng cho thấy lượng mưa giảm sút rõ rệt (p<0,05). Ngược lại, tháng 8 (tháng mùa mưa) lại có xu hướng gia tăng lượng mưa theo thời gian. Đây có thể là những dấu hiệu ban đầu báo hiệu cho những sự thay đổi tiếp theo của hệ thống khí hậu Đà Nẵng trong khoảng thời gian sắp tới. Trước những dấu hiệu của BĐKH hiện đang diễn ra ở Đà Nẵng, yêu cầu bức thiết cần có những giải pháp mang tính chính sách nhằm ngăn chặn nguồn tác nhân gây BĐKH và giảm nhẹ những tác động của nó. TÀI LIỆU THAM KHẢO Bộ Tài nguyên và Môi trường. (2012). Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam. Hà Nội: NXB Tài nguyên - Môi trường và Bản đồ Việt Nam. Cục Thống kê Đà Nẵng. (2013). Niên giám Thống kê Thành phố Đà Nẵng 2012. Hà Nội: NXB Thống kê. Intergovernmental Panel on Climate Change. (2007). Climate change 2007: Synthesis Report – Summary for policymakers. Cambridge, UK: Cambridge University Press. Kevin, E.T. (2011). Changes in precipitation with climate change. Climate Research. 47, 123- 138. Kundzewicz, Z.W. & Robson, A. (2000). Detecting Trend and Other Changes in Hydrological Data (Research Report WMO/TD-No.1013). Retrieved from USGS website: water/detecting-trend.pdf Murnane, R.J. (2004). Climate research and reinsurance. Bull Am Meteorol Soc. 85, 697- 707. Wentz, F.J., Ricciardulli, L., Hilburn, K., & Mears, C. (2007). How much more rain will global warming bring?. Science. 317, 233-235.