Tổng quan nghiên cứu

Tỉnh Nghệ An, nằm ở vùng duyên hải Bắc Trung Bộ Việt Nam, có địa hình đa dạng với đồi núi chiếm tới 83% diện tích, cùng hệ thống sông suối dày đặc. Trong những năm gần đây, các trận mưa lớn với tần suất và cường độ ngày càng gia tăng đã gây thiệt hại nghiêm trọng về người và tài sản. Ví dụ, năm 2017, mưa lũ đã khiến tỉnh thiệt hại khoảng 3.514 tỷ đồng, với 23 người chết và 15 người bị thương. Quyết định 2125/QĐ-TTg năm 2015 quy định việc vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Cả phải thông báo xả lũ trước 24 giờ, đòi hỏi công tác dự báo mưa chính xác trong khoảng thời gian này. Do đó, việc xây dựng phương trình dự báo mưa thời hạn 24 giờ trong mùa mưa cho khu vực Nghệ An là cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai và hỗ trợ vận hành hồ chứa thủy lợi, thủy điện.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc xác định các hình thế thời tiết gây mưa lớn và xây dựng các phương trình dự báo mưa 24 giờ cho bốn trạm khí tượng chính: Vinh, Quỳnh Lưu, Tây Hiếu và Quỳ Châu, trong giai đoạn từ tháng 6 đến tháng 11, dựa trên chuỗi số liệu từ 2007 đến 2017. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cải thiện chất lượng dự báo mưa, phục vụ công tác phòng chống thiên tai và vận hành liên hồ chứa trên lưu vực sông Cả, góp phần giảm thiểu thiệt hại kinh tế - xã hội và bảo vệ môi trường sống của người dân.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết dự báo thống kê và mô hình khí tượng số trị (NWP). Lý thuyết dự báo thống kê sử dụng các phương pháp hồi quy đa biến để xây dựng phương trình dự báo xác suất xuất hiện mưa dựa trên các nhân tố khí tượng quan trắc và mô hình. Mô hình khí tượng số trị cung cấp dữ liệu đầu vào về các trường khí áp, gió, nhiệt độ và độ ẩm, giúp mô phỏng các hình thế thời tiết gây mưa lớn.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng gồm:

  • Hình thế thời tiết (synoptic patterns): các cấu trúc khí quyển đặc trưng gây mưa lớn như rãnh gió mùa, áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh.
  • Phương pháp hồi quy xác suất sự kiện (Regression Estimation of Event Probabilities - REEP): kỹ thuật ước lượng xác suất xuất hiện mưa dựa trên các biến độc lập.
  • Lọc nhân tố hồi quy từng bước (Stepwise Regression): phương pháp chọn lọc biến dự báo tối ưu nhằm xây dựng phương trình dự báo hiệu quả.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính gồm số liệu quan trắc khí tượng từ 9 trạm trên địa bàn tỉnh Nghệ An (Vinh, Hòn Ngư, Quỳnh Lưu, Đô Lương, Con Cuông, Tương Dương, Quỳ Hợp, Tây Hiếu, Quỳ Châu) và số liệu mô hình khí tượng số trị của Trung tâm Dự báo thời tiết hạn vừa châu Âu (ECMWF) trong giai đoạn 2007-2017. Các yếu tố khí tượng như lượng mưa, nhiệt độ, gió, khí áp, độ ẩm được thu thập tại các kỳ quan trắc 4 lần/ngày.

Phương pháp phân tích chính là hồi quy đa biến với kỹ thuật hồi quy từng bước để lựa chọn các nhân tố dự báo phù hợp. Quá trình xây dựng phương trình dự báo bao gồm:

  • Biến đổi các nhân tố khí tượng thành các biến sơ cấp và thứ cấp (biến thiên theo thời gian, biến nhị phân).
  • Xác định ngưỡng dự báo dựa trên tần suất xuất hiện mưa và không mưa.
  • Đánh giá độ chính xác dự báo qua các chỉ số như độ chính xác toàn phần (U), tỷ lệ dự báo đúng pha mưa và không mưa.
  • Sử dụng phần mềm NCSS để thực hiện hồi quy từng bước và lọc nhân tố.

Thời gian nghiên cứu tập trung vào mùa mưa từ tháng 6 đến tháng 11 hàng năm, với phạm vi không gian là toàn bộ tỉnh Nghệ An, đặc biệt chú trọng bốn trạm khí tượng đại diện.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Đặc trưng lượng mưa và phân bố theo mùa:

    • Tổng lượng mưa năm tại các trạm dao động từ khoảng 1.271 mm (Tương Dương) đến trên 2.000 mm (Hòn Ngư, Vinh).
    • Mùa mưa bắt đầu từ tháng 5 và kết thúc vào tháng 10, chiếm 75-83% tổng lượng mưa năm.
    • Lượng mưa lớn nhất tập trung vào tháng 9 và 10, với cường độ mưa ngày phổ biến từ 50 đến 300 mm tùy khu vực.

  2. Phân loại hình thế thời tiết gây mưa lớn:

    • Trong 66 đợt mưa lớn giai đoạn 2007-2017, 50% là do tổ hợp hai hình thế thời tiết, 38% do hình thế đơn lẻ và 12% do tổ hợp ba hình thế.
    • Các hình thế đơn lẻ gồm rãnh gió mùa (ITCZ), bão/áp thấp nhiệt đới (ATNĐ), gió đông nam (SE) và không khí lạnh (KKL). Bão/ATNĐ chiếm 44% số đợt đơn lẻ, gây lượng mưa phổ biến 100-300 mm.
    • Tổ hợp hai hình thế phổ biến nhất là áp thấp nhiệt đới kết hợp với không khí lạnh hoặc rãnh áp thấp, gây mưa lớn từ 100-300 mm.

  3. Hiệu quả phương trình dự báo mưa 24 giờ:

    • Phương trình dự báo được xây dựng cho bốn trạm khí tượng chính, sử dụng hơn 280 nhân tố dự báo sơ cấp và thứ cấp từ số liệu quan trắc và mô hình.
    • Kết quả thử nghiệm trên chuỗi số liệu độc lập cho thấy khoảng 50% phương trình đạt yêu cầu về độ chính xác dự báo mưa, với độ chính xác toàn phần trung bình trên 60%.
    • Phương trình dự báo có khả năng dự báo chính xác các đợt mưa lớn do các hình thế thời tiết phức tạp, đặc biệt là khi kết hợp các nhân tố mô hình và quan trắc.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các đợt mưa lớn là sự tương tác phức tạp giữa các hình thế thời tiết như áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh và rãnh gió mùa. Việc sử dụng đồng thời số liệu quan trắc và mô hình ECMWF giúp cải thiện độ chính xác dự báo nhờ cung cấp thông tin đa chiều về trạng thái khí quyển. So với các nghiên cứu trước đây trong nước, phương pháp hồi quy từng bước kết hợp lọc nhân tố đã giúp giảm thiểu số lượng biến dự báo nhưng vẫn giữ được hiệu quả dự báo cao.

Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy, việc xây dựng phương trình dự báo mưa 24 giờ cho khu vực địa hình phức tạp như Nghệ An là khả thi và có ý nghĩa thực tiễn lớn, hỗ trợ công tác vận hành liên hồ chứa và phòng chống thiên tai. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố lượng mưa theo tháng, bảng thống kê tần suất các hình thế thời tiết và biểu đồ so sánh độ chính xác dự báo giữa các phương trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai áp dụng phương trình dự báo mưa 24 giờ tại các trạm khí tượng trong tỉnh Nghệ An nhằm nâng cao độ chính xác dự báo, phục vụ công tác vận hành hồ chứa và phòng chống thiên tai. Thời gian thực hiện: trong vòng 1 năm, chủ thể: Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Bắc Trung Bộ.

  2. Tăng cường thu thập và cập nhật số liệu quan trắc khí tượng, đặc biệt tại các trạm vùng núi và trung du để bổ sung dữ liệu đầu vào cho mô hình dự báo, nâng cao chất lượng dự báo. Thời gian: liên tục, chủ thể: Sở Tài nguyên và Môi trường Nghệ An.

  3. Phát triển hệ thống đào tạo và nâng cao năng lực cho cán bộ dự báo khí tượng thủy văn về phương pháp thống kê và sử dụng phần mềm phân tích dữ liệu hiện đại như NCSS. Thời gian: 6 tháng, chủ thể: Trung tâm Dự báo khí tượng thủy văn Quốc gia.

  4. Nghiên cứu mở rộng xây dựng phương trình dự báo mưa cho các thời hạn dài hơn (48-72 giờ) và các khu vực lân cận nhằm phục vụ công tác cảnh báo sớm và quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả hơn. Thời gian: 2 năm, chủ thể: Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội phối hợp với các cơ quan liên quan.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Cán bộ dự báo khí tượng thủy văn: Nghiên cứu cung cấp phương pháp và công cụ dự báo mưa 24 giờ chính xác, hỗ trợ nâng cao chất lượng dự báo tại các trạm trong khu vực Bắc Trung Bộ.

  2. Quản lý thiên tai và vận hành hồ chứa thủy lợi, thủy điện: Thông tin dự báo mưa chính xác giúp điều phối xả lũ, giảm thiểu thiệt hại do ngập lụt và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành khí tượng và môi trường: Luận văn trình bày chi tiết phương pháp thống kê hồi quy từng bước, ứng dụng thực tiễn trong dự báo mưa vùng địa hình phức tạp.

  4. Cơ quan quản lý nhà nước về tài nguyên và môi trường: Cơ sở khoa học để xây dựng chính sách phòng chống thiên tai, quy hoạch phát triển bền vững vùng Bắc Trung Bộ.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương trình dự báo mưa 24 giờ được xây dựng dựa trên dữ liệu nào?
    Phương trình sử dụng số liệu quan trắc khí tượng từ 9 trạm trong tỉnh Nghệ An và số liệu mô hình khí tượng số trị ECMWF giai đoạn 2007-2017, bao gồm các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, gió, khí áp.

  2. Độ chính xác của phương trình dự báo mưa như thế nào?
    Kết quả thử nghiệm trên chuỗi số liệu độc lập cho thấy khoảng 50% phương trình đạt yêu cầu về độ chính xác, với độ chính xác toàn phần trung bình trên 60%, cải thiện đáng kể so với phương pháp dự báo truyền thống.

  3. Các hình thế thời tiết nào gây mưa lớn phổ biến ở Nghệ An?
    Các hình thế chính gồm áp thấp nhiệt đới/bão, rãnh gió mùa (ITCZ), gió đông nam (SE) và không khí lạnh (KKL), trong đó tổ hợp hai hoặc ba hình thế thường gây mưa lớn diện rộng và kéo dài.

  4. Phương pháp hồi quy từng bước có ưu điểm gì trong xây dựng phương trình dự báo?
    Phương pháp này giúp lựa chọn các biến dự báo có ảnh hưởng mạnh nhất, giảm thiểu số lượng biến không cần thiết, từ đó xây dựng phương trình dự báo hiệu quả và dễ áp dụng trong thực tế.

  5. Luận văn có đề xuất gì để nâng cao chất lượng dự báo mưa trong tương lai?
    Đề xuất tăng cường thu thập số liệu quan trắc, đào tạo cán bộ dự báo, áp dụng công nghệ mới và mở rộng nghiên cứu dự báo cho các thời hạn dài hơn nhằm phục vụ công tác phòng chống thiên tai hiệu quả hơn.

Kết luận

  • Xác định thành công các hình thế thời tiết gây mưa lớn diện rộng tại tỉnh Nghệ An trong giai đoạn 2007-2017, với sự phối hợp đa dạng giữa áp thấp nhiệt đới, không khí lạnh và rãnh gió mùa.
  • Xây dựng được bộ phương trình dự báo mưa 24 giờ cho bốn trạm khí tượng chính, đạt độ chính xác trung bình trên 60% trên chuỗi số liệu độc lập.
  • Phương pháp hồi quy từng bước kết hợp lọc nhân tố được chứng minh là hiệu quả trong việc lựa chọn biến dự báo phù hợp cho vùng địa hình phức tạp.
  • Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn cao, hỗ trợ công tác vận hành liên hồ chứa và phòng chống thiên tai tại Nghệ An.
  • Đề xuất triển khai áp dụng phương trình dự báo, tăng cường thu thập số liệu và đào tạo cán bộ để nâng cao chất lượng dự báo trong tương lai.

Các cơ quan dự báo khí tượng thủy văn và quản lý thiên tai cần phối hợp triển khai áp dụng phương trình dự báo mưa 24 giờ, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để nâng cao hiệu quả phòng chống thiên tai tại khu vực Bắc Trung Bộ.