Tổng quan luận án

Biến đổi khí hậu toàn cầu và sự gia tăng tần suất, cường độ của các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan (Extreme Climate Events - ECEs) như nắng nóng, rét đậm, rét hại, mưa lớn gây ra những tổn thất nghiêm trọng về người, cơ sở hạ tầng và kinh tế - xã hội. Để phục vụ công tác quy hoạch, cảnh báo và ứng phó, việc mô phỏng và tái hiện các hiện tượng cực đoan trong quá khứ đóng vai trò then chốt. Tuy nhiên, khoảng trống nghiên cứu lớn tại Việt Nam thời điểm này là các nghiên cứu về biến đổi khí hậu chủ yếu dừng lại ở việc phân tích chuỗi số liệu quan trắc lịch sử bằng phương pháp thống kê truyền thống hoặc khai thác đầu ra quy mô thô từ các mô hình hoàn lưu chung khí quyển - đại dương (AOGCMs/GCMs). Hướng nghiên cứu ứng dụng các mô hình khí hậu khu vực (RCMs) có độ phân giải cao để mô phỏng và đánh giá ECEs còn rất hạn chế; các mô hình RCMs đều tồn tại sai số hệ thống và chưa có công trình nào đánh giá một cách toàn diện, có hệ thống xem mô hình nào có ưu thế đối với hiện tượng cụ thể nào và tại từng vùng khí hậu nào ở Việt Nam.

Luận án tiến sĩ ngành Khí hậu học (Mã số: 62448705) của nghiên cứu sinh Đỗ Huy Dương, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội năm 2014 dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Phan Văn Tân và TS. Trần Quang Đức, được triển khai nhằm giải quyết trực tiếp khoảng trống nói trên. Luận án xác định hai mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Đánh giá được khả năng mô phỏng một số cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan cho khu vực Việt Nam bằng ba mô hình khí hậu khu vực RegCM, REMO và MM5CL.
  2. Xây dựng hệ thống chỉ tiêu xác định một số cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan cho khu vực Việt Nam từ sản phẩm của ba mô hình khí hậu khu vực nêu trên.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Các cực trị khí hậu (nhiệt độ tối cao tuyệt đối tháng - TXx, nhiệt độ tối thấp tuyệt đối tháng - TNn, lượng mưa ngày cực đại tháng - Rx1day) và các hiện tượng khí hậu cực đoan (rét đậm, rét hại, mưa lớn, nắng nóng theo quy mô diện rộng và cục bộ) theo định nghĩa của Tổ chức Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) và quy chuẩn nghiệp vụ của Việt Nam, được mô phỏng từ ba mô hình RCMs gồm RegCM, REMO và MM5CL.
  • Phạm vi không gian: Phần đất liền lãnh thổ Việt Nam, được phân chia thành 7 vùng khí hậu đặc trưng: Tây Bắc Bộ (B1), Đông Bắc Bộ (B2), Đồng bằng Bắc Bộ (B3), Bắc Trung Bộ (B4), Nam Trung Bộ (N1), Tây Nguyên (N2) và Nam Bộ (N3). Luận án không nghiên cứu trên vùng biển và thềm lục địa.
  • Phạm vi thời gian và chuỗi số liệu: Chuỗi số liệu quan trắc bề mặt 50 năm (1961 - 2010) tại 58 trạm khí tượng phục vụ phân tích đặc điểm thống kê khí hậu thực tế; chuỗi số liệu mô phỏng 10 năm (01/01/1990 - 31/12/1999) từ 3 mô hình RegCM, REMO và MM5CL kế thừa từ Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Nhà nước mã số KC08.29/06-10 để phục vụ đánh giá và xây dựng phương pháp hiệu chỉnh.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án được phân tích theo ba trục nghiên cứu chính trên phạm vi quốc tế và trong nước:

Thứ nhất, các nghiên cứu cực trị khí hậu và hiện tượng cực đoan dựa trên số liệu quan trắc: Trên thế giới, các tác giả như Mearns và CS (2001), Katz và Brown (1992), Groisman và Easterling (2000), Davison và Smith (1990), Dupuis và CS (1998) đã tập trung vào cơ sở toán học của các hàm phân bố xác suất cực trị (GEV, Gumbel, Fréchet, Weibull, Gamma), chỉ ra rằng sự biến đổi nhỏ của tham số phân bố làm thay đổi phi tuyến tần suất cực đoan. Phân tích thực nghiệm chuỗi quan trắc thế kỷ 20 được thực hiện bởi Parker và CS (1999), Michaels và CS (1998), Karl và CS (1995b), Collins và CS (2000), Moberg và CS (2000), Gruza và CS (2001), Frich và CS (2002), Easterling và CS (2000), Bonsal và CS (2001), Plummer và CS (1999), Zhai và CS (2003), Wang và Gaffen (2001), Manton và CS (2001), Toreti và Desiato (2008), Zhang và CS (2008). Tại Việt Nam, hướng tiếp cận quan trắc thống kê được triển khai qua các công trình của Nguyễn Đức Ngữ và CS (2009) về biến đổi lượng mưa và gia tăng ngày nắng nóng; Chu Thị Thu Hường và CS (2010, 2012) phân tích nhiệt độ cực đại ngày và bức xạ sóng dài phản xạ (OLR) trong mối liên hệ với rét đậm và nắng nóng; Nguyễn Văn Thắng (2005) nghiên cứu phân bố cực đoan tại khu vực Hà Nội.

Thứ hai, các nghiên cứu mô phỏng cực trị và hiện tượng cực đoan bằng mô hình số (GCMs và RCMs): Nhóm nghiên cứu quốc tế gồm Bates, Giorgi và CS (1993), Walsh và McGregor (1995), Leung và CS (1999a, 1999b, 2003), Kiktev và CS (2003), Huth và CS (2004), Kharin và CS (2005), Vavrus và CS (2006), Tapiador và Enrique (2008), Sun và CS (2006), Kimoto và CS (2005), May (2004), Iorio và CS (2004), Yanjun Jiao (2006), Zhang và CS (2004), Tebaldi và CS (2006), Castro và CS (2006), Boroneant và CS (2006), Halenka và CS (2006), Tido Semmler và CS (2004) đã áp dụng các mô hình toàn cầu HadAM3, HadCM3, CCM3, ECHAM4 và các mô hình khu vực RegCM3, REMO, MM5, WRF, PRECIS, CRCM. Các kết quả chỉ ra mô hình số mô phỏng trường nhiệt độ tốt hơn trường mưa; mô phỏng mưa nhiệt đới thường chịu sai số lớn và phụ thuộc chặt chẽ vào các sơ đồ tham số hóa đối lưu. Tại Việt Nam, việc ứng dụng mô hình số được thúc đẩy qua các nghiên cứu của Kiều Thị Xin và Hồ Thị Minh Hà (2009) thử nghiệm RegCM3; luận án của Hồ Thị Minh Hà (2010) cải tiến sơ đồ Tiedtke cho RegCM3; Hoàng Đức Cường và CS (2011) thử nghiệm PRECIS; Mai Văn Khiêm và CS (2011) so sánh PRECIS và RegCM; Đỗ Huy Dương và CS (2009, 2010) bước đầu đánh giá RegCM và REMO; Phan Văn Tân và CS (2010) trong Đề tài cấp Nhà nước KC08.29/06-10 đã phát triển hệ thống mô phỏng từ quy mô toàn cầu đến khu vực.

Thứ ba, các nghiên cứu về phương pháp hiệu chỉnh sai số sau mô hình (Bias Correction): Nhóm tác giả Themeßl và CS (2011), Durman và CS (2001), Berg và CS (2012), Teutschbein và Seibert (2012, 2013), Gudmundsson và CS (2012), Lafon và CS (2013), Chen và CS (2013), Gutjahr và Heinemann (2013), Schmidli và CS (2006), van Pelt và CS (2012) đã phát triển các phương pháp hiệu chỉnh như hiệu chỉnh trung bình (Mean Error), phương pháp phân vị (Quantile Mapping/Percentile), phương pháp tỉ lệ cục bộ (LOCI) và các hàm phi tuyến để giảm thiểu sai số của đầu ra mô hình trước khi ứng dụng vào nghiên cứu tác động và chu trình thủy văn.

Vị trí và khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Mặc dù các nghiên cứu trước đã tiếp cận mô hình hóa khí hậu khu vực, nhưng chưa có công trình nào đánh giá một cách định lượng và song song cả ba mô hình RegCM, REMO và MM5CL đối với hệ thống cực trị và hiện tượng cực đoan cụ thể trên 7 vùng khí hậu Việt Nam. Đặc biệt, việc xây dựng và so sánh các phương pháp hiệu chỉnh để tìm ra bộ chỉ tiêu xác định ECEs tối ưu từ đầu ra của từng mô hình cho từng vùng lãnh thổ vẫn là một khoảng trống chưa được giải quyết một cách tường minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và các khái niệm cốt lõi

  1. Lý thuyết phân bố giá trị cực trị chung (GEV): Luận án dựa trên cơ sở toán học của hàm phân bố tích lũy GEV để mô tả các biến cực trị: $$F(x; \mu, \sigma, \xi) = \exp\left{ -\left[ 1 + \xi \left( \frac{x - \mu}{\sigma} \right) \right]^{-1/\xi} \right}$$ Trong đó: $\mu$ là tham số vị trí (địa phương), $\sigma > 0$ là tham số quy mô, $\xi$ là tham số hình dạng. Tùy thuộc vào dấu của $\xi$, hàm GEV biểu diễn ba dạng phân bố: phân bố Weibull ($\xi < 0$), phân bố Fréchet ($\xi > 0$) và phân bố Gumbel ($\xi = 0$).
  2. Hệ thống 27 chỉ số khí hậu cực đoan theo IPCC (Peterson và CS, 2001): Gồm các chỉ số biến nhiệt và biến mưa như FD, SU, ID, TR, GSL, TXx, TNx, TXn, TNn, TN10p, TX10p, TN90p, TX90p, WSDI, CSDI, DTR, Rx1day, Rx5day, SDII, R20mm, R10mm, Rnnmm, CDD, CWD, R95p, R99p, PRCPTOT. Luận án trích chọn 3 cực trị trọng tâm là TXx, TNn và Rx1day.
  3. Tiêu chí xác định hiện tượng khí hậu cực đoan theo chuẩn Việt Nam: Khác với IPCC, định nghĩa của Việt Nam lồng ghép tiêu chí không gian (diện rộng và cục bộ):
  • Rét đậm diện rộng (RĐDR) và cục bộ (RĐCB): Ngày có nhiệt độ trung bình ngày $T_{tb} \in (13^\circ\text{C}, 15^\circ\text{C}]$. Diện rộng khi có $\ge 2/3$ số trạm trong vùng thỏa mãn; cục bộ khi có $[1/3, 2/3)$ số trạm thỏa mãn.
  • Rét hại diện rộng (RHDR) và cục bộ (RHCB): Ngày có $T_{tb} \le 13^\circ\text{C}$. Tỷ lệ trạm tương tự ($\ge 2/3$ cho diện rộng, $[1/3, 2/3)$ cho cục bộ).
  • Nắng nóng nhẹ diện rộng (NNNDR) và cục bộ (NNNCB): Ngày có nhiệt độ tối cao ngày $T_x \in [35^\circ\text{C}, 37^\circ\text{C})$.
  • Nắng nóng mạnh cục bộ (NNMCB): Ngày có $T_x \ge 37^\circ\text{C}$ và có $[1/3, 2/3)$ số trạm trong vùng thỏa mãn.
  • Mưa lớn diện rộng (MLDR) và cục bộ (MLCB): Ngày có lượng mưa tích lũy 24 giờ $R_{24} \ge 50\text{ mm}$.
  • Khái niệm đợt: Các ngày xảy ra hiện tượng liên tiếp nhau được gộp thành một đợt; ngày đơn lẻ không liên tiếp cũng tính là một đợt riêng biệt.

Phương pháp nghiên cứu thực tế

Luận án sử dụng phương pháp thống kê toán học, phương pháp kiểm tra chất lượng số liệu và phương pháp đánh giá khách quan sai số mô hình.

  1. Quy trình kiểm tra chất lượng số liệu quan trắc (Quality Control - QC): Áp dụng 3 bước liên hoàn trước khi đưa vào tính toán:
  • Kiểm tra tính phù hợp vật lý: Loại bỏ các giá trị phi lý (lượng mưa âm, tốc độ gió âm, $T_{min} > T_{max}$).
  • Kiểm tra khí hậu: Nhận diện và loại bỏ các giá trị nằm ngoài khoảng $\pm 3\sigma$ ($\sigma$ là độ lệch chuẩn của chuỗi 50 năm).
  • Kiểm tra tính liên tục không gian: So sánh giá trị quan trắc với các trạm lân cận (không áp dụng cho biến lượng mưa ngày).
  1. Ba phương pháp xây dựng chỉ tiêu hiệu chỉnh đầu ra mô hình (Post-processing):
  • Phương pháp hiệu chỉnh sai số hệ thống (DMO_ME): Dựa trên sai số trung bình (Mean Error) giữa mô phỏng và quan trắc để tịnh tiến ngưỡng xác định hiện tượng cho dữ liệu mô hình.
  • Phương pháp phân vị (DMO_PER): Tính toán giá trị phân vị tương ứng của ngưỡng quan trắc trong hàm phân bố tích lũy của số liệu quan trắc, sau đó xác định ngưỡng của mô hình tại chính phân vị đó trên hàm phân bố của số liệu mô hình.
  • Phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP): Tối ưu hóa ngưỡng xác định hiện tượng bằng cách thay đổi ngưỡng mô phỏng từng bước nhỏ và lựa chọn ngưỡng cực tiểu hóa chỉ số sai sai (BIAS) hoặc sai số số ngày/đợt.
  1. Chỉ số đánh giá định lượng: Sử dụng sai số trung bình (ME), sai số bình phương trung bình (RMSE) và chỉ số độ lệch (BIAS) để định lượng độ lệch giữa kết quả mô phỏng và số liệu quan trắc.

Nguồn tư liệu và phân bố mạng lưới trạm

Nguồn dữ liệu của luận án gồm:

  • Dữ liệu quan trắc bề mặt: Chuỗi số liệu ngày từ năm 1961 đến 2010 của nhiệt độ bề mặt (T2m qua các phiên quan trắc để tính nhiệt độ trung bình ngày $T_{tb}$ từ 19h hôm trước đến 19h hôm sau), nhiệt độ tối cao ngày ($T_x$) và lượng mưa ngày ($R_{24}$) tại 58 trạm khí tượng.
  • Dữ liệu mô phỏng: Chuỗi số liệu ngày thời kỳ 1990 - 1999 từ 3 mô hình khí hậu khu vực RegCM, REMO và MM5CL kế thừa từ Đề tài KC08.29/06-10.
Ký hiệu vùng Tên vùng khí hậu Số lượng trạm quan trắc sử dụng
B1 Tây Bắc Bộ 5 trạm
B2 Đông Bắc Bộ 9 trạm
B3 Đồng bằng Bắc Bộ 7 trạm
B4 Bắc Trung Bộ 13 trạm
N1 Nam Trung Bộ 10 trạm
N2 Tây Nguyên 7 trạm
N3 Nam Bộ 7 trạm
Toàn quốc 7 vùng khí hậu 58 trạm

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tình hình nghiên cứu mô phỏng một số cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan dựa trên mô hình khí hậu khu vực

Chương 1 hệ thống hóa toàn diện các khái niệm, cơ sở toán học và cơ sở thực nghiệm liên quan đến ECEs:

  • Trình bày chi tiết lý thuyết hàm phân bố cực trị chung (GEV) cùng các trường hợp riêng (Gumbel, Fréchet, Weibull).
  • Phân tích danh mục 27 chỉ số cực trị khí hậu theo khuyến nghị của nhóm chuyên gia IPCC (Peterson và CS, 2001) và chỉ rõ sự cần thiết phải bản địa hóa các chỉ tiêu cực đoan khi áp dụng vào điều kiện địa hình, thời tiết đặc thù tại Việt Nam (có xét đến quy mô diện rộng và cục bộ).
  • Khái quát bức tranh nghiên cứu quốc tế: Đánh giá khả năng của các mô hình toàn cầu (GCMs) và mô hình khu vực (RCMs như RegCM, MM5, REMO, PRECIS, CRCM, WRF). Điểm lại kết luận của các công trình quốc tế cho thấy các RCMs tái tạo tương đối tốt trường nhiệt độ quy mô vừa và lớn nhưng gặp khó khăn lớn trong việc nắm bắt lượng mưa cực đoan do tác động phức tạp của đối lưu nhiệt đới và địa hình.
  • Điểm luận tình hình nghiên cứu trong nước: Tổng kết các công trình sử dụng số liệu quan trắc (Nguyễn Đức Ngữ, Chu Thị Thu Hường, Nguyễn Văn Thắng) và các công trình ứng dụng mô hình số (Kiều Thị Xin, Hồ Thị Minh Hà, Hoàng Đức Cường, Mai Văn Khiêm, Phan Văn Tân).
  • Luận giải sự cần thiết phải đánh giá so sánh đồng thời ba mô hình RegCM, REMO, MM5CL và xây dựng các phương pháp hiệu chỉnh sau mô hình thích hợp cho 7 vùng khí hậu Việt Nam.

Chương 2: Xây dựng phương pháp xác định chỉ tiêu cho các hiện tượng khí hậu cực đoan ở Việt Nam

Chương 2 thiết lập khung phương pháp luận, tiêu chí phân loại và quy trình kỹ thuật xử lý dữ liệu:

  • Xác định cụ thể 3 cực trị khí hậu nghiên cứu (TXx, TNn, Rx1day) và hệ thống 18 hiện tượng khí hậu cực đoan (bao gồm số ngày và số đợt của rét đậm diện rộng/cục bộ, rét hại diện rộng/cục bộ, mưa lớn diện rộng/cục bộ, nắng nóng nhẹ diện rộng/cục bộ và nắng nóng mạnh cục bộ).
  • Quy chuẩn hóa mạng lưới 58 trạm quan trắc trên 7 vùng khí hậu; thiết lập quy trình kiểm tra chất lượng dữ liệu 3 bước (kiểm tra tính phù hợp vật lý, kiểm tra khí hậu $\pm 3\sigma$, kiểm tra không gian). Kết quả kiểm tra chỉ ra các trạm vùng B4, N1, N2, N3 có tần suất thiếu hụt số liệu trước năm 1975 cao hơn do lịch sử thành lập trạm.
  • Trình bày cấu hình mô phỏng của ba mô hình RCMs (RegCM, REMO, MM5CL) và miền tích phân bao phủ khu vực Việt Nam.
  • Thiết lập quy trình toán học cho 3 phương pháp xây dựng chỉ tiêu hiệu chỉnh sai số:
    1. Phương pháp hiệu chỉnh sai số hệ thống (DMO_ME).
    2. Phương pháp phân vị (DMO_PER).
    3. Phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP).
  • Thiết lập hệ thống chỉ số thống kê định lượng đánh giá sai số gồm ME, RMSE và BIAS.

Chương 3: Một số kết quả đánh giá khả năng mô phỏng các cực trị khí hậu và hiện tượng khí hậu cực đoan của mô hình khí hậu khu vực

Chương 3 trình bày toàn bộ các phát hiện định lượng rút ra từ phân tích thống kê và đánh giá mô phỏng:

  • Đặc điểm thống kê thực tế chuỗi quan trắc 50 năm (1961 - 2010): Xác định các giá trị kỷ lục của TXx, TNn, Rx1day và phân bố tần suất xuất hiện các đợt rét đậm, rét hại (tập trung ở B1, B2, B3, B4), nắng nóng (tập trung cao nhất tại B4 và lan sang B1, B2, B3, N1, N2, N3), mưa lớn (phân bố cực đại tại B4 và N1).
  • Đánh giá sai số thô của các mô hình RCMs (chuỗi 1990 - 1999):
    • Mô phỏng trường nhiệt độ ($T_x$, $T_{tb}$): Cả ba mô hình đều nắm bắt tốt diễn biến mùa của nhiệt độ cực trị, trong đó sai số ME và RMSE của nhiệt độ ở mức chấp nhận được. REMO và MM5CL có xu hướng mô phỏng nhiệt độ sát thực tế hơn RegCM tại một số vùng đồng bằng và ven biển.
    • Mô phỏng trường mưa ($R_{24}$ và Rx1day): Cả ba mô hình đều gặp khó khăn lớn, có xu hướng mô phỏng thấp hơn đáng kể so với quan trắc đối với các cực trị mưa lớn tại miền Trung (B4, N1), đồng thời tạo ra sai số dương về số ngày mưa nhỏ.
    • Mô phỏng hiện tượng cực đoan trực tiếp (Direct Model Output - DMO): Kết quả mô phỏng trực tiếp từ mô hình cho sai số rất lớn về số ngày và số đợt rét đậm, rét hại, nắng nóng và mưa lớn. Số ngày mưa lớn bị đánh giá thấp nghiêm trọng nếu dùng trực tiếp ngưỡng quan trắc 50 mm/ngày.
  • Kết quả xây dựng bộ chỉ tiêu và hiệu chỉnh sai số:
    • Luận án tính toán bộ ngưỡng chỉ tiêu mới cho từng mô hình theo ba phương pháp DMO_ME, DMO_PER và DMO_EXP trên từng vùng khí hậu.
    • Đánh giá so sánh sai số sau hiệu chỉnh cho thấy: Phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP) và phương pháp phân vị (DMO_PER) cho kết quả cải thiện vượt trội so với phương pháp hiệu chỉnh sai số hệ thống tuyến tính (DMO_ME).
    • Sau khi áp dụng các bộ chỉ tiêu mới, sai số số ngày và số đợt của các hiện tượng rét đậm, rét hại, nắng nóng và mưa lớn của cả ba mô hình RegCM, MM5CL và REMO đều giảm mạnh, tiệm cận sát với giá trị quan trắc thực tế tại từng vùng khí hậu.
Mô hình Đặc điểm mô phỏng nhiệt độ ($T_x, T_{tb}$) Đặc điểm mô phỏng lượng mưa ($R_{24}, \text{Rx}$) Phương pháp hiệu chỉnh phù hợp nhất
RegCM Nắm bắt tốt chu trình mùa; sai số nhiệt độ vừa phải Thiên thấp đối với mưa lớn; sai số cao ở địa hình phức tạp DMO_EXP và DMO_PER
MM5CL Mô phỏng tốt cực trị nhiệt độ tại vùng núi và phía Bắc Lượng mưa cực đại bị đánh giá thấp ở miền Trung DMO_EXP
REMO Tái hiện tốt nền nhiệt độ trung bình và cực đại Mô phỏng mưa cực đoan có sai số nhưng phân bố tương đối ổn định DMO_PER và DMO_EXP

Kết quả và những đóng góp mới

  1. Đóng góp về mặt khoa học và lý luận:

    • Luận án đã đánh giá và chỉ ra một cách toàn diện, định lượng về năng lực và giới hạn mô phỏng các cực trị khí hậu (TXx, TNn, Rx1day) và hiện tượng khí hậu cực đoan (rét đậm, rét hại, nắng nóng, mưa lớn diện rộng và cục bộ) của ba mô hình khí hậu khu vực RegCM, REMO và MM5CL trên 7 vùng khí hậu Việt Nam.
    • Làm sáng tỏ mức độ sai số và tính bất định của các mô hình RCMs khi áp dụng vào điều kiện địa hình phức tạp và khí hậu nhiệt đới gió mùa tại Việt Nam, đặc biệt chỉ rõ sự khác biệt giữa mô phỏng trường nhiệt và trường mưa.

  2. Đóng góp về mặt thực tiễn và phương pháp:

    • Xây dựng thành công 3 phương pháp hiệu chỉnh và thiết lập bộ chỉ tiêu xác định các hiện tượng khí hậu cực đoan chuyên biệt cho từng mô hình (RegCM, REMO, MM5CL) áp dụng riêng cho 7 vùng khí hậu Việt Nam.
    • Khẳng định tính ưu việt của phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP) và phương pháp phân vị (DMO_PER) so với phương pháp sai số hệ thống (DMO_ME) trong việc triệt tiêu sai số mô hình đối với các hiện tượng thời tiết cực đoan.

  3. Kiến nghị và đề xuất ứng dụng:

    • Đề xuất ứng dụng hệ thống phương pháp hiệu chỉnh và bộ chỉ tiêu đã xây dựng vào quy trình xử lý sản phẩm đầu ra của các mô hình RCMs trong nghiên cứu khí hậu nghiệp vụ.
    • Khuyến nghị sử dụng các kết quả đánh giá và bộ chỉ tiêu hiệu chỉnh này làm cơ sở tham khảo trong việc xây dựng và cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu chi tiết cho từng vùng khí hậu ở Việt Nam trong tương lai.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế của luận án:

    • Luận án chỉ tập trung vào bài toán đánh giá kết quả mô phỏng khí hậu quá khứ mà chưa thực hiện bài toán dự báo hạn mùa nghiệp vụ hoặc dự tính khí hậu tương lai theo các kịch bản phát thải.
    • Chuỗi số liệu mô phỏng được giới hạn trong thời kỳ 10 năm (1990 - 1999) do kế thừa từ kết quả chạy mô phỏng có sẵn của đề tài KC08.29/06-10 chứ tác giả không trực tiếp thiết lập và tích phân mới các mô hình RCMs.
    • Việc xây dựng bộ chỉ tiêu xác định hiện tượng cực đoan mới chỉ áp dụng cho bản chất hiện tượng ở quy mô cấp vùng khí hậu, chưa chi tiết hóa đến từng điểm trạm đơn lẻ và chưa xem xét trên các vùng biển đảo/lãnh hải.
    • Dữ liệu quan trắc lịch sử tại các vùng phía Nam (B4, N1, N2, N3) bị gián đoạn hoặc thiếu hụt trong giai đoạn trước năm 1975 do hoàn cảnh lịch sử mạng lưới trạm.

  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:

    • Mở rộng thử nghiệm mô phỏng với chuỗi thời gian dài hơn (20 - 30 năm trở lên) và độ phân giải không gian cao hơn.
    • Ứng dụng bộ chỉ tiêu và phương pháp hiệu chỉnh vào bài toán dự tính xu thế biến đổi của các hiện tượng cực đoan trong các kịch bản biến đổi khí hậu tương lai.
    • Nghiên cứu chi tiết hóa các chỉ tiêu hiệu chỉnh đến từng trạm quan trắc cụ thể và mở rộng sang các hiện tượng cực đoan khác như bão, áp thấp nhiệt đới, hạn hán.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Chuyên ngành Khí tượng học, Khí hậu học, Biến đổi khí hậu, Thủy văn học và Khoa học môi trường; đặc biệt có giá trị tham khảo cao ở Chương 2 (phương pháp luận kiểm tra chất lượng số liệu QC và kỹ thuật hiệu chỉnh sai số mô hình DMO_EXP, DMO_PER) và Chương 3 (bộ số liệu thống kê cực trị 50 năm tại 7 vùng khí hậu).
  • Cơ quan dự báo và nghiên cứu nghiệp vụ: Trung tâm Dự báo Khí tượng Thủy văn Quốc gia, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu, các Đài Khí tượng Thủy văn khu vực trong việc khai thác, hậu xử lý số liệu đầu ra từ các mô hình RCMs phục vụ cảnh báo thiên tai cực đoan.
  • Các nhà hoạch định chính sách: Các đơn vị xây dựng Kịch bản Biến đổi khí hậu và Nước biển dâng của Bộ Tài nguyên và Môi trường, phục vụ tích hợp thông tin khí hậu cực đoan vào quy hoạch phát triển kinh tế - xã hội vùng.

Câu hỏi thường gặp

1. Vì sao luận án không sử dụng trực tiếp ngưỡng quy chuẩn nghiệp vụ (như mưa $\ge 50\text{ mm}$, nhiệt độ $\le 13^\circ\text{C}/\le 15^\circ\text{C}$) để xác định hiện tượng cực đoan từ sản phẩm mô hình RCMs? Bởi vì các mô hình RCMs luôn tồn tại sai số hệ thống (do độ phân giải lưới, xấp xỉ địa hình và các sơ đồ tham số hóa vật lý). Nếu áp dụng trực tiếp ngưỡng quan trắc thực tế vào sản phẩm thô của mô hình (Direct Model Output), sai số về số ngày và số đợt cực đoan sẽ rất lớn (ví dụ mô hình thường đánh giá thấp lượng mưa cực đoan và mưa lớn diện rộng). Việc xây dựng bộ chỉ tiêu riêng đã hiệu chỉnh là điều kiện bắt buộc để phát hiện chính xác hiện tượng cực đoan từ mô hình.

2. Điểm khác biệt căn bản trong định nghĩa hiện tượng khí hậu cực đoan của Việt Nam so với định nghĩa của IPCC trong luận án là gì? Định nghĩa của IPCC (như bộ 27 chỉ số) chủ yếu dựa trên các ngưỡng xác suất/phân vị hoặc giá trị tuyệt đối tại điểm trạm độc lập. Trong khi đó, định nghĩa của Việt Nam bắt buộc phải lồng ghép yếu tố không gian (phân biệt quy mô diện rộng khi có từ 2/3 số trạm trong vùng thỏa mãn và cục bộ khi có từ 1/3 đến dưới 2/3 số trạm trong vùng thỏa mãn).

3. Ba phương pháp xây dựng chỉ tiêu hiệu chỉnh được thử nghiệm trong luận án là gì và phương pháp nào cho kết quả tốt nhất? Ba phương pháp gồm: hiệu chỉnh sai số hệ thống (DMO_ME), phương pháp phân vị (DMO_PER) và phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP). Kết quả đánh giá cho thấy phương pháp thực nghiệm (DMO_EXP) và phương pháp phân vị (DMO_PER) đạt hiệu quả cao nhất trong việc giảm thiểu sai số số ngày và số đợt của các hiện tượng cực đoan trên hầu hết các vùng khí hậu.

4. Khả năng mô phỏng giữa trường nhiệt độ và trường mưa của ba mô hình RegCM, REMO, MM5CL khác nhau như thế nào? Cả ba mô hình đều có kỹ năng mô phỏng trường nhiệt độ (Tx, Ttb, TXx, TNn) tốt hơn nhiều so với trường mưa (R24, Rx1day). Đối với trường mưa, các mô hình đều có xu hướng mô phỏng lượng mưa cực đại thấp hơn quan trắc thực tế, đặc biệt là tại các vùng có địa hình đón gió và mưa lớn cực đoan như Bắc Trung Bộ (B4) và Nam Trung Bộ (N1).

5. Luận án sử dụng nguồn dữ liệu nào và thời gian mô phỏng trong bao lâu? Luận án sử dụng chuỗi số liệu quan trắc bề mặt 50 năm (1961 - 2010) tại 58 trạm khí tượng phân bố trên 7 vùng khí hậu Việt Nam để phân tích đặc trưng thống kê thực tế; và sử dụng chuỗi số liệu mô phỏng 10 năm (1990 - 1999) của ba mô hình RegCM, REMO, MM5CL được trích xuất từ kết quả của Đề tài cấp Nhà nước KC08.29/06-10.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Đỗ Huy Dương là công trình nghiên cứu định lượng chuyên sâu trong lĩnh vực Khí hậu học, đã đánh giá một cách hệ thống năng lực mô phỏng các cực trị khí hậu và hiện tượng cực đoan của ba mô hình RCMs (RegCM, REMO, MM5CL) trên 7 vùng khí hậu Việt Nam. Nghiên cứu đã chỉ rõ các đặc trưng sai số của từng mô hình, khẳng định trường nhiệt độ được mô phỏng tốt hơn rõ rệt so với trường mưa cực đoan. Đóng góp cốt lõi của luận án là đã phát triển và kiểm nghiệm thành công các phương pháp hiệu chỉnh (đặc biệt là phương pháp DMO_EXP và DMO_PER) nhằm xây dựng bộ chỉ tiêu xác định cực đoan tối ưu cho từng vùng lãnh thổ. Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận thiết thực phục vụ công tác hiệu chỉnh sản phẩm mô hình số, đóng góp trực tiếp vào nhiệm vụ xây dựng và cập nhật các kịch bản biến đổi khí hậu tại Việt Nam.