Tổng quan nghiên cứu

Hiện tượng nắng nóng tại khu vực Bắc Trung Bộ Việt Nam đã trở thành vấn đề khí tượng quan trọng trong bối cảnh biến đổi khí hậu toàn cầu. Theo số liệu quan trắc từ năm 1981 đến 2020 tại 17 trạm khí tượng, khu vực này ghi nhận tổng số đợt nắng nóng lên đến 450 đợt tại một số trạm như Tương Dương, với xu hướng gia tăng rõ rệt qua các thập niên, đặc biệt là từ 2011 đến 2020. Nắng nóng gay gắt và nắng nóng đặc biệt gay gắt cũng có xu hướng tăng, gây ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe cộng đồng, sản xuất nông nghiệp và kinh tế xã hội. Ví dụ, đợt nắng nóng kéo dài 43 ngày năm 2020 với nhiệt độ phổ biến 36-39°C, có nơi trên 41°C, đã gây thiệt hại nghiêm trọng tại các tỉnh ven biển Trung Bộ.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc phân tích các đặc trưng thống kê của nắng nóng, xác định mối quan hệ giữa các chỉ số dao động khí hậu quy mô lớn với số ngày nắng nóng, từ đó xây dựng phương trình dự báo số ngày nắng nóng hạn mùa trong khoảng 1-3 tháng cho khu vực Bắc Trung Bộ. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, với dữ liệu nhiệt độ tối cao ngày từ 1981 đến 2020. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ dự báo, cảnh báo sớm nắng nóng, giúp giảm thiểu thiệt hại do hiện tượng này gây ra, đồng thời hỗ trợ công tác quản lý rủi ro thiên tai và thích ứng biến đổi khí hậu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình khí tượng học liên quan đến hiện tượng nắng nóng và dao động khí hậu quy mô lớn. Hai khung lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Lý thuyết về các trung tâm khí áp và hiện tượng nắng nóng: Giải thích vai trò của áp thấp Nam Á, áp cao Thái Bình Dương (ACTBD) và áp thấp Trung Hoa trong việc hình thành và duy trì các đợt nắng nóng tại Bắc Trung Bộ. Các trung tâm khí áp này ảnh hưởng đến dòng khí, độ trong suốt khí quyển và nhiệt độ bề mặt, tạo điều kiện cho nắng nóng kéo dài.

  2. Lý thuyết về dao động khí hậu quy mô lớn: Bao gồm các chỉ số ENSO (NINO1, NINO3.4, NINO4, ONI, SOI), dao động Bắc Đại Tây Dương (NAO), dao động Bắc Cực (AO), dao động tựa 2 năm (QBO), và các chỉ số nhiệt độ mặt biển khu vực Đại Tây Dương (TNA, TSA, WHWP). Các chỉ số này mô tả trạng thái biến đổi khí hậu toàn cầu và khu vực, có ảnh hưởng đến tần suất và cường độ nắng nóng.

Các khái niệm chính bao gồm: ngày nắng nóng (Tx ≥ 35°C), ngày nắng nóng gay gắt (37°C ≤ Tx < 39°C), ngày nắng nóng đặc biệt gay gắt (Tx ≥ 39°C), đợt nắng nóng (liên tục từ 2 ngày trở lên), và các chỉ số dao động khí hậu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là số liệu nhiệt độ tối cao ngày tại 17 trạm khí tượng thuộc các tỉnh Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh trong giai đoạn 1981-2020. Các chỉ số dao động khí hậu quy mô lớn được thu thập từ các nguồn dữ liệu quốc tế, bao gồm 18 chỉ số liên quan đến nhiệt độ bề mặt biển và dao động khí quyển.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Phân tích đặc trưng nắng nóng: Tính toán số ngày và số đợt nắng nóng, nắng nóng gay gắt, nắng nóng đặc biệt gay gắt dựa trên tiêu chí nhiệt độ tối cao ngày.

  • Phân tích tương quan tuyến tính Pearson giữa các chỉ số dao động khí hậu và số ngày nắng nóng, với mức ý nghĩa 5%, kiểm tra ở các độ trễ từ 0 đến 6 tháng để xác định các chỉ số có tiềm năng dự báo.

  • Phương pháp hồi quy thành phần chính (PCR) được sử dụng để xây dựng phương trình dự báo số ngày nắng nóng hạn mùa (1-3 tháng) dựa trên các chỉ số dao động khí hậu đã chọn lọc. Dữ liệu được chia thành chuỗi phụ thuộc (1981-2015) để xây dựng mô hình và chuỗi độc lập (2016-2020) để đánh giá thử nghiệm.

  • Đánh giá mô hình dự báo sử dụng các chỉ số: hệ số tương quan Pearson, tỷ lệ phần trăm dự báo chính xác (Hit Score), độ lệch tuyệt đối trung bình (MAE), sai số trung bình bình phương (RMSE), và diện tích dưới đường cong ROC (ROC area) cho các ngưỡng below-normal và above-normal.

Công cụ hỗ trợ phân tích là Climate Predictability Tool (CPT) phiên bản 17.4, phát triển bởi Viện Nghiên cứu Khí hậu và Xã hội Hoa Kỳ (IRI), cho phép thực hiện hồi quy thành phần chính và đánh giá dự báo xác suất.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng nắng nóng tại Bắc Trung Bộ: Tổng số đợt nắng nóng trong 40 năm dao động từ trên 150 đến 450 đợt tại các trạm, với trạm Tương Dương ghi nhận nhiều nhất. Số đợt nắng nóng gay gắt và đặc biệt gay gắt ít hơn nhưng cũng có xu hướng tăng, với trạm Tương Dương ghi nhận đến 262 đợt nắng nóng gay gắt và 100 đợt nắng nóng đặc biệt gay gắt. Tần suất các đợt nắng nóng kéo dài 2 ngày chiếm ưu thế, trong khi các đợt kéo dài trên 6 ngày rất hiếm.

  2. Xu hướng biến động qua các thập niên: Tổng số ngày nắng nóng tăng rõ rệt qua các thập niên, cao nhất trong giai đoạn 2011-2020. Số ngày nắng nóng gay gắt và đặc biệt gay gắt cũng tăng, tập trung chủ yếu vào các tháng mùa hè từ tháng 5 đến tháng 8, đặc biệt tháng 6 là đỉnh điểm. Ví dụ, tại trạm Tương Dương, số ngày nắng nóng đặc biệt gay gắt tháng 6 trong thập niên 2011-2020 là 60 ngày, gấp gần 3 lần so với thập niên trước.

  3. Mối quan hệ giữa các chỉ số dao động khí hậu và số ngày nắng nóng: Phân tích tương quan Pearson cho thấy các chỉ số ENSO như NINO3.4, ONI, SOI có mối liên hệ chặt chẽ với số ngày nắng nóng, đặc biệt ở các độ trễ từ 1 đến 3 tháng. Ngoài ra, các chỉ số dao động khí quyển như AO, NAO và các chỉ số nhiệt độ mặt biển Đại Tây Dương như WHWP cũng có ảnh hưởng đáng kể.

  4. Kết quả dự báo thử nghiệm: Mô hình hồi quy thành phần chính xây dựng trên các chỉ số dao động khí hậu đạt hệ số tương quan Pearson trung bình từ 0,6 đến 0,75 trong giai đoạn đánh giá độc lập (2016-2020). Tỷ lệ dự báo chính xác (Hit Score) đạt trên 70%, MAE dao động khoảng 1-2 ngày, RMSE tương ứng từ 1,5 đến 2,5 ngày. Diện tích dưới đường cong ROC cho các ngưỡng below-normal và above-normal đều trên 0,7, cho thấy mô hình có khả năng phân loại tốt các mức độ nắng nóng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân gia tăng số ngày và đợt nắng nóng được giải thích bởi sự mạnh lên của áp cao Thái Bình Dương và áp thấp Nam Á, cùng với tác động của các dao động khí hậu quy mô lớn như ENSO. Sự gia tăng nhiệt độ bề mặt đại dương ở vùng Tây Thái Bình Dương và Đại Tây Dương tạo điều kiện thuận lợi cho hình thành các đợt nắng nóng kéo dài. Kết quả dự báo phù hợp với các nghiên cứu quốc tế và trong nước, đồng thời bổ sung thêm các chỉ số dao động khí hậu ít được nghiên cứu trước đây như AO, NAO, WHWP, góp phần nâng cao độ chính xác dự báo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ phân bố số đợt nắng nóng theo trạm, biểu đồ xu hướng số ngày nắng nóng qua các thập niên, và bảng so sánh các chỉ số đánh giá mô hình dự báo (Pearson, MAE, RMSE, ROC area) cho từng hạn dự báo 1-3 tháng, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả mô hình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Xây dựng hệ thống dự báo nắng nóng hạn mùa chính thức: Áp dụng mô hình hồi quy thành phần chính dựa trên các chỉ số dao động khí hậu đã được xác định để phát triển công cụ dự báo số ngày nắng nóng hạn mùa cho khu vực Bắc Trung Bộ, với hạn dự báo từ 1 đến 3 tháng. Thời gian triển khai trong 1-2 năm, do Sở Khí tượng Thủy văn khu vực chủ trì.

  2. Tăng cường giám sát và thu thập dữ liệu khí tượng: Mở rộng mạng lưới trạm quan trắc và nâng cao chất lượng số liệu nhiệt độ tối cao ngày, đảm bảo dữ liệu liên tục và đầy đủ để cải thiện độ chính xác dự báo. Thực hiện liên tục hàng năm bởi các cơ quan khí tượng quốc gia.

  3. Phối hợp liên ngành trong công tác cảnh báo và ứng phó: Kết nối thông tin dự báo với các ngành y tế, nông nghiệp, quản lý thiên tai để xây dựng kế hoạch ứng phó kịp thời, giảm thiểu thiệt hại do nắng nóng gây ra. Thời gian thực hiện ngay và duy trì thường xuyên.

  4. Nghiên cứu mở rộng các yếu tố ảnh hưởng và mô hình dự báo: Tiếp tục nghiên cứu các dao động khí hậu khác và áp dụng các phương pháp học máy nâng cao để cải thiện khả năng dự báo, mở rộng phạm vi nghiên cứu ra các khu vực khác của Việt Nam. Thời gian nghiên cứu 3-5 năm, do các viện nghiên cứu khí tượng chủ trì.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà khí tượng học và nghiên cứu khí hậu: Sử dụng kết quả nghiên cứu để phát triển các mô hình dự báo khí hậu khu vực, nâng cao hiểu biết về mối quan hệ giữa dao động khí hậu và hiện tượng nắng nóng.

  2. Cơ quan quản lý thiên tai và khí tượng thủy văn: Áp dụng công cụ dự báo và cảnh báo sớm nắng nóng để xây dựng kế hoạch phòng chống thiên tai, giảm thiểu thiệt hại cho cộng đồng.

  3. Ngành nông nghiệp và thủy lợi: Dựa vào dự báo số ngày nắng nóng để điều chỉnh lịch gieo trồng, tưới tiêu, phòng chống hạn hán, bảo vệ mùa màng và nguồn nước.

  4. Các tổ chức y tế và cộng đồng dân cư: Sử dụng thông tin dự báo để chuẩn bị các biện pháp bảo vệ sức khỏe, đặc biệt cho nhóm người dễ bị tổn thương như người già, trẻ em và người lao động ngoài trời.

Câu hỏi thường gặp

  1. Nắng nóng được định nghĩa như thế nào trong nghiên cứu này?
    Nắng nóng được xác định khi nhiệt độ tối cao ngày (Tx) đạt từ 35°C trở lên, trong đó 35°C ≤ Tx < 37°C là ngày nắng nóng, 37°C ≤ Tx < 39°C là nắng nóng gay gắt, và Tx ≥ 39°C là nắng nóng đặc biệt gay gắt.

  2. Các chỉ số dao động khí hậu nào có ảnh hưởng lớn nhất đến nắng nóng ở Bắc Trung Bộ?
    Các chỉ số ENSO như NINO3.4, ONI, SOI có mối liên hệ chặt chẽ với số ngày nắng nóng, cùng với các chỉ số khí quyển như AO, NAO và chỉ số nhiệt độ mặt biển Đại Tây Dương WHWP.

  3. Phương pháp hồi quy thành phần chính (PCR) được sử dụng như thế nào trong dự báo?
    PCR giúp giảm chiều không gian của biến độc lập, xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính đa biến dựa trên các thành phần chính, từ đó dự báo số ngày nắng nóng hạn mùa với độ chính xác cao hơn.

  4. Độ chính xác của mô hình dự báo ra sao?
    Mô hình đạt hệ số tương quan Pearson trung bình từ 0,6 đến 0,75, tỷ lệ dự báo chính xác trên 70%, MAE khoảng 1-2 ngày và RMSE từ 1,5 đến 2,5 ngày, cho thấy khả năng dự báo tốt trong thực tế.

  5. Làm thế nào để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào công tác quản lý rủi ro thiên tai?
    Kết quả dự báo có thể được tích hợp vào hệ thống cảnh báo sớm, giúp các cơ quan chức năng và cộng đồng chuẩn bị biện pháp ứng phó kịp thời, giảm thiểu thiệt hại về sức khỏe và kinh tế do nắng nóng gây ra.

Kết luận

  • Nắng nóng tại Bắc Trung Bộ có xu hướng gia tăng về số ngày và cường độ trong 40 năm qua, đặc biệt từ 2011 đến 2020.
  • Các chỉ số dao động khí hậu quy mô lớn như ENSO, AO, NAO và WHWP có mối quan hệ chặt chẽ với số ngày nắng nóng, có thể sử dụng làm nhân tố dự báo.
  • Mô hình hồi quy thành phần chính xây dựng dựa trên các chỉ số này cho kết quả dự báo số ngày nắng nóng hạn mùa với độ chính xác cao, phù hợp cho ứng dụng thực tiễn.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để phát triển công cụ dự báo và cảnh báo sớm nắng nóng, hỗ trợ công tác quản lý thiên tai và thích ứng biến đổi khí hậu.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai hệ thống dự báo chính thức, mở rộng nghiên cứu và tăng cường phối hợp liên ngành nhằm giảm thiểu tác động tiêu cực của nắng nóng tại khu vực.

Hành động ngay hôm nay để ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tiễn sẽ góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và phát triển bền vững khu vực Bắc Trung Bộ.