Tài liệu Dự tính khí hậu tương lai độ phân giải cao cho tỉnh tuyên quang và khuyến nghị sử dụng trong đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VŨ THỊ THU HƯƠNG DỰ TÍNH KHÍ HẬU TƯƠNG LAI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO CHO TỈNH TUYÊN QUANG VÀ KHUYẾN NGHỊ SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN NHU CẦU NƯỚC CỦA CÂY TRỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU HÀ NỘI - 2020 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI KHOA CÁC KHOA HỌC LIÊN NGÀNH VŨ THỊ THU HƯƠNG DỰ TÍNH KHÍ HẬU TƯƠNG LAI ĐỘ PHÂN GIẢI CAO CHO TỈNH TUYÊN QUANG VÀ KHUYẾN NGHỊ SỬ DỤNG TRONG ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU ĐẾN NHU CẦU NƯỚC CỦA CÂY TRỒNG LUẬN VĂN THẠC SĨ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Chuyên ngành: BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Mã số: 8900201.01QTD Người hướng dẫn khoa học: TS. Vũ Văn Thăng HÀ NỘI - 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này công trình nghiên cứu do cá nhân tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Vũ Văn Thăng, không sao chép các công trình nghiên cứu của người khác. Số liệu và kết quả của luận văn chưa từng được công bố ở bất kì một công trình khoa học nào khác. Các thông tin thứ cấp sử dụng trong luận văn là có nguồn gốc rõ ràng, được trích dẫn đầy đủ, trung thực và đúng qui cách. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về tính xác thực và nguyên bản của luận văn. Tác giả Vũ Thị Thu Hương i LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin trân trọng cảm ơn Tiến sĩ Vũ Văn Thăng đã định hướng nghiên cứu và các phương pháp luận cho tôi trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu Luận văn thạc sỹ. Trong quá trình được học tập, nghiên cứu tại Khoa Các khoa học liên ngành, Đại học Quốc gia Hà Nội, tôi đã có cơ hội được tiếp thu những kiến thức cơ bản và chuyên sâu về biến đổi khí hậu qua đó đã giúp tôi có đủ kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm trong suốt quá trình học tập, tạo cho tôi niềm say mê nghiên cứu khoa học, phục vụ hiệu quả cho quá trình nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành Luận văn thạc sỹ của bản thân. Tôi xin trân trọng cảm ơn các thầy, cô giáo và các đồng chí Lãnh đạo cùng với các cán bộ Khoa Các khoa học liên ngành, Đại học Quốc gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ, tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Xin trân trọng cảm ơn các cán bộ của Trung tâm nghiên cứu Khí tượng - Khí hậu, Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu đã cung cấp thông tin, tài liệu và tận tình giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn này. Cuối cùng tôi vô cùng cảm ơn sự quan tâm, giúp đỡ của bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã luôn sát cánh, động viên, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn./. Hà Nội, ngày 04 tháng 05 năm 2020 Tác giả Vũ Thị Thu Hương ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN .............................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................................v DANH MỤC BẢNG .................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH .................................................................................................... viii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ........................................4 Tổng quan về các nghiên cứu dự tính khí hậu và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam. .................................... 4 1.1.1. Trên thế giới .......................................................................................................4 1.1.2. Việt Nam ..........................................................................................................11 Tổng quan về mô hình khí hậu trong xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu ............ 16 Tổng quan về điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, khí hậu của tỉnh Tuyên Quang . 19 Một số nhận xét cuối Chương 1 ............................................................................. 24 CHƯƠNG 2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ SỐ LIỆU....................................28 Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................ 28 2.1.1. Phương pháp phân tích xu thế ..........................................................................28 2.1.2. Phương pháp mô hình ......................................................................................28 2.1.3. Phương pháp nội suy không gian .....................................................................28 2.1.4. Các chỉ số đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình .....................................29 2.1.5. Phương pháp đánh giá mức độ biến đổi của khí hậu trong tương lai ..............30 2.1.6. Phương pháp phân tích tính chưa chắc chắn trong dự tính khí hậu .................31 2.1.7. Phương pháp đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng. .......................................................................................................................... 31 Số liệu sử dụng ....................................................................................................... 34 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN ......................................36 Xu thế và mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu tỉnh Tuyên Quang................... 36 3.1.1. Nhiệt độ trung bình........................................................................................... 36 3.1.2. Lượng mưa .......................................................................................................36 3.1.3. Xu thế biến đổi của một số yếu tố và hiện tượng khí hậu cực đoan ................37 iii Đánh giá khả năng mô phỏng của các mô hình khí hậu ......................................... 42 3.2.1. Nhiệt độ trung bình........................................................................................... 42 3.2.2. Nhiệt độ tối cao trung bình ...............................................................................43 3.2.3. Nhiệt độ tối thấp trung bình .............................................................................44 3.2.4. Lượng mưa .......................................................................................................44 Kết quả dự tính khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang ..................................................... 45 3.3.1. Kịch bản biến đổi khí hậu tỉnh Tuyên Quang từ các mô hình thành phần .......45 3.3.2. Kịch bản tổ hợp từ các mô hình thành phần sau khi đã hiệu chỉnh thống kê ...50 Đánh giá mức độ tin cậy và tính chưa chắc chắn trong các kịch bản biến đổi khí hậu tỉnh Tuyên Quang .......................................................................................................... 68 3.4.1. Mức độ tin cậy đối với nhiệt độ trung bình năm ..............................................68 3.4.2. Mức độ tin cậy đối với lượng mưa năm ........................................................... 69 Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước của cây trồng ............. 71 3.5.1. Tính toán số liệu đầu vào cho mô hình Cropwat..............................................71 3.5.2. Kết quả tính nhu cầu nước cho cây trồng .........................................................73 KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ................................................................................76 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 81 PHỤ LỤC ........................................................................................................................ a PHỤ LỤC A ....................................................................................................................b PHỤ LỤC B.....................................................................................................................h PHỤ LỤC C.....................................................................................................................u PHỤ LỤC D ................................................................................................................... ii iv DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT Chữ viết tắt Nguyên nghĩa AGCM/MRI Mô hình hoàn lưu chung khí quyển (Atmosphere General Circulation Model)/ Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản (Meteorology Research Institute) AOGCMs Mô hình hoàn lưu chung khí quyển - đại dương (Atmosphere-Ocean General Circulation Model) AR4 Báo cáo lần thứ 4 của IPCC (Fourth Assesment Report) AR5 Báo cáo lần thứ 5 của IPCC (Fifth Assesment Report) BĐKH Biến đổi khí hậu CCAM Mô hình Khí quyển bảo giác lập phương (Conformal Cubic Atmospheric Model) clWRF Mô hình quy mô vừa WRF phiên bản cho nghiên cứu khí hậu CMIP5 Dự án đối chứng các mô hình khí hậu lần 5 (Coupled Model Intercomparison Project Phase 5) CSIRO Tổ chức Nghiên cứu khoa học và công nghiệp Liên bang Úc (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation) DSSAT Hệ thống hỗ trợ ra quyết định chuyển giao công nghệ trong nông nghiệp (A Decision Support System for Agrotechnology Transfer) FAO Tổ chức Lương thực và Nông nghiệp Liên Hiệp Quốc (Food and Agriculture Organization of the United Nations) GCM Mô hình khí hậu toàn cầu (Global Climate Model) GIS Hệ thống thông tin địa lý (Geographic Information System) GMSL Mực nước biển trung bình toàn cầu (Global Mean Sea Level) IPCC Ban liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on Climate Change) KNK Khí nhà kính MAGICC/SCEN Phần mềm tổ hợp các kịch bản phát thải khí nhà kính GEN (Model for the Assessment of Greenhouse-gas Induced Climate Change/ Regional Climate SCENario GENerator) NBD Nước biển dâng nnk Những người khác v PRECIS Mô hình khí hậu khu vực của Trung tâm Khí tượng Hadley, Vương quốc Anh (Providing Regional Climates for Impacts Studies) RCM Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Model) RCP Đường nồng độ khí nhà kính đại diện (Representative Concentration Pathways) RCP4.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính trung bình thấp RCP8.5 Kịch bản nồng độ khí nhà kính cao RegCM Mô hình khí hậu khu vực của Trung tâm quốc tế về Vật lý lý thuyết (Regional Climate Model) Rx1day Lượng mưa 1 ngày lớn nhất Rx3day Lượng mưa 3 ngày lớn nhất Rx5day Lượng mưa 5 ngày lớn nhất SDSM Mô hình chi tiết hóa thống kê (Statistical Downscaling Model) SRES Báo cáo đặc biệt về kịch bản phát thải (Special Report on Emission Scenarios) SST Nhiệt độ bề mặt nước biển (Sea Surface Temperature) TAR Báo cáo đánh giá lần thứ ba của IPCC (Third Assessment Report) T2m Nhiệt độ không khí trung bình tại độ cao 2m Tm Nhiệt độ tối thấp Tx Nhiệt độ tối cao TNMT Tài nguyên và Môi trường TNN Tài nguyên nước UNEP Chương trình Môi trường Liên Hợp Quốc (United Nations Environment Programme) UNFCCC Công ước Khung của Liên Hợp Quốc về BĐKH (United Nations Framework Convention on Climate Change) WMO Tổ chức khí tượng thế giới (World Meteorological Organization) WRF Mô hình Nghiên cứu và Dự báo thời tiết (Weather Research and Forecast) vi DANH MỤC BẢNG Bảng 1.1. Thông tin các mô hình sử dụng trong tính toán cập nhật kịch bản ...............18 Bảng 2.1. Danh sách các trạm khí tượng thủy văn tỉnh Tuyên Quang được sử dụng ...34 Bảng 2.2. Các mô hình khí hậu được sử dụng trong tính toán xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang ................................................................................34 Bảng 2.3. Các yếu tố khí tượng trung bình tháng đặc trưng cho tỉnh Tuyên Quang ....35 Bảng 3.1. Nhiệt độ cao nhất các thập kỷ và thời kỳ 1961 - 2017 (oC) .......................... 38 Bảng 3.2. Nhiệt độ thấp nhất các thập kỷ và thời kỳ 1961 - 2017 (oC) ........................39 Bảng 3.3. Những thành phần mô hình được lựa chọn để xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang ............................................................................................ 51 Bảng 3.4. Mức biến đổi nhiệt độ trung bình (°C) so với thời kỳ cơ sở (1986-2005) từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 .........51 Bảng 3.5. Kịch bản BĐKH của nhiệt độ trung bình cho tỉnh Tuyên Quang.................55 Bảng 3.6. Mức biến đổi nhiệt độ tối cao trung bình năm (°C) tổ hợp từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5............................ 57 Bảng 3.7. Mức biến đổi nhiệt độ tối thấp trung bình năm (°C) tổ hợp từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5............................ 57 Bảng 3.8. Mức biến đổi lượng mưa (%) so với thời kỳ cơ sở (1986-2005) từ 10 phương án của các mô hình khí hậu khu vực theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 .......................59 Bảng 3.9. Kịch bản BĐKH của lượng mưa cho tỉnh Tuyên Quang .............................. 63 Bảng 3.10. Mức biến đổi lượng mưa 1 ngày lớn nhất năm (%) từ kết quả tổ hợp 10 phương án tính toán của các mô hình khí hậu khu vực .................................................64 Bảng 3.11. Mức biến đổi lượng mưa 5 ngày lớn nhất năm (%) từ kết quả tổ hợp 10 phương án tính toán của các mô hình khí hậu khu vực ................................................66 Bảng 3.12. Mức biến đổi và khoảng tin cậy của nhiệt độ trung bình năm (oC) so với thời kỳ cơ sở 1986 - 2005 theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5 ...............................................68 Bảng 3.13. Mức biến đổi và khoảng tin cậy của lượng mưa năm (%) so với thời kỳ cơ sở 1986 - 2005 theo kịch bản RCP4.5 và RCP8.5.........................................................70 Bảng 3.14. Các đặc trưng của thông số cây trồng cho mô hình Cropwat .....................73 Bảng 3.15. Nhu cầu tưới cho cây lúa trên diện tích canh tác hiện tại ở một số vùng thuộc tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản biến đổi khí hậu ..................................................74 Bảng 3.16. Nhu cầu tưới của cây lúa trên diện tích canh tác quy hoạch đến 2020 tại một số vùng thuộc tỉnh Tuyên Quang theo các kịch bản biến đổi khí hậu........................... 75 vii DANH MỤC HÌNH Hình 1.1. Tác động bức xạ tổng cộng (RF total) lịch sử và dự tính từ năm 1950-2100 của 3 họ kịch bản IS92, SRES và RCP (Nguồn: IPCC, 2013) ........................................6 Hình 1.2. Sự phát triển của các mô hình khí hậu trong 35 năm qua ............................. 17 Hình 1.3. Sơ đồ mô tả quá trình chi tiết hóa động lực độ phân giải cao .......................18 Hình 1.4. Bản đồ hành chính tỉnh Tuyên Quang ........................................................... 20 Hình 1.5. Hiện trạng sử dụng đất của tỉnh Tuyên Quang năm 2018 ............................. 23 Hình 1.6. Sơ đồ các bước xây dựng kịch bản BĐKH và đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây lúa ........................................................................................27 Hình 3.1. Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí trung bình năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 ...........................................................................36 Hình 3.2. Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 .........................................................................................................37 Hình 3.3. Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí tối cao tuyệt đối năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017. .....................................................38 Hình 3.4. Hệ số góc a (oC/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu nhiệt độ không khí tối thấp tuyệt đối năm và các mùa trong năm tính cho một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 ............................................................ 39 Hình 3.5. Hệ số góc a của xu thế biến đổi tuyến tính của số ngày rét đậm (trái), rét hại (phải) trung bình năm qua các thập kỷ tại một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang, thời kỳ 1961-2017 .........................................................................................................40 Hình 3.6. Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa 1 ngày lớn nhất (Rx1day) năm và các mùa trong năm tại một số trạm của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 .....................................................................41 Hình 3.7. Hệ số góc a (mm/thập kỷ) của đường xu thế tuyến tính xây dựng từ chuỗi số liệu lượng mưa 5 ngày lớn nhất (Rx5day) năm và các mùa trong năm tại một số trạm tiêu biểu của tỉnh Tuyên Quang thời kỳ 1961-2017 ......................................................42 Hình 3.8. Mức biến đổi nhiệt độ trung bình năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .....................................................................................52 viii Hình 3.9. Mức biến đổi nhiệt độ tối cao năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .....................................................................................56 Hình 3.10. Mức biến đổi nhiệt độ tối thấp năm (oC) tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .....................................................................................58 Hình 3.11. Mức biến đổi tổng lượng mưa năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .......................................60 Hình 3.12. Mức biến đổi tổng lượng mưa một ngày lớn nhất năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .............65 Hình 3.13. Mức biến đổi tổng lượng mưa năm ngày lớn nhất năm (%) trung bình từng thời kỳ của tỉnh Tuyên Quang theo kịch bản RCP4.5 (trái) và RCP8.5 (phải) .............67 Hình 3.14. Khoảng biến đổi xung quanh trị số trung bình với cận dưới 10% và cận trên 90% của nhiệt độ trung bình năm tỉnh Tuyên Quang....................................................69 Hình 3.15. Khoảng biến đổi xung quanh trị số trung bình với cận dưới là 20% và cận trên là 80% của lượng mưa năm tỉnh Tuyên Quang......................................................71 Hình 3.16. Mức thay đổi nhu cầu nước tưới của cây lúa ở một số khu vực thuộc tỉnh Tuyên Quang theo diện tích canh tác hiện tại ............................................................... 74 Hình 3.17. Mức thay đổi nhu cầu nước tưới của cây lúa ở một số khu vực thuộc tỉnh Tuyên Quang theo diện tích canh tác quy hoạch........................................................... 75 ix MỞ ĐẦU Theo Tổ chức liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC), sự gia tăng nồng độ của các khí nhà kính, đặc biệt là khí CO2, kể từ sau cuộc cách mạng công nghiệp là nguyên nhân chính gây nên biến đổi khí hậu (BĐKH) ngày nay, với những biểu hiện rõ rệt nhất là nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng và mực nước biển dâng trên phạm vi toàn cầu. BĐKH đã, đang và sẽ tác động nghiêm trọng đến mọi mặt của cuộc sống trên phạm vi toàn cầu như: kinh tế - xã hội, tài nguyên nước, sức khỏe... Với vai trò của mình, IPCC đã tiến hành những nghiên cứu quy mô và chuyên sâu nhằm tăng cường hiểu biết sâu rộng hơn về khoa học BĐKH cũng như những tác động của nó đối với môi trường, kinh tế và xã hội. Cho tới nay, IPCC đã thực hiện 05 lần xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH và NBD thông qua các lần báo cáo đánh giá vào các năm: 1990, 1995, 2001, 2007 và gần đây nhất vào năm 2013 là báo cáo đánh giá lần thứ năm (AR5). Một trong những điểm mới trong AR5 là IPCC đã xây dựng kịch bản dựa trên đường phân bố nồng độ khí nhà kính đại diện (RCP) thay cho các kịch bản phát thải SRES trước đây. Các RCP được lựa chọn sao cho đại diện được các nhóm kịch bản phát thải và đảm bảo bao gồm được khoảng biến đổi của nồng độ các khí nhà kính trong tương lai một cách hợp lý. Các RCP cũng đảm bảo tính tương đồng với các kịch bản SRES (IPCC, 2007). Nếu như trong năm 2007, IPCC đã triển khai dự án nghiên cứu tổ hợp các mô hình khí hậu (CMIP3) nhằm mục đích thu thập dữ liệu đầu ra của 21 mô hình toàn cầu khác nhau phục vụ cho báo cáo đánh giá lần thứ 4 (AR4) thì trong AR5 dự án CMIP5 đã được thực hiện với tổ hợp của gần 50 mô hình toàn cầu và chạy với kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP. Ngoài ra, thời kỳ cơ sở được lựa chọn để so sánh là 19862005, thay cho thời kỳ 1980-1999 trong AR4. Trong những năm gần đây, khí hậu Việt Nam nói chung và khí hậu khu vực tỉnh Tuyên Quang nói riêng cũng có những biến đổi bất thường, ảnh hưởng rất lớn đến sự phát triển kinh tế - xã hội của tỉnh. Những đợt thiên tai như bão, lũ, rét đậm, rét hại, hạn hán,… xảy ra thường xuyên, biến đổi bất thường và nghiêm trọng hơn. Trước tình hình đó, Việt Nam đã tích cực hưởng ứng và tham gia các tổ chức quốc tế về BĐKH và đề ra những chính sách nhằm ứng phó với BĐKH. Kịch bản BĐKH chính thức được Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố vào năm 2009 và được cập nhật mới nhất vào năm 2016 đã cung cấp các cơ sở khoa học để Bộ, ngành và địa phương làm căn cứ đánh giá các tác động của BĐKH và xây dựng kế hoạch hành động ứng phó. 1 Các mô hình khí hậu toàn cầu được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH toàn cầu thường có độ phân giải thấp (khoảng 125 - 400 km), không đủ chi tiết cho việc phân tích, đánh giá BĐKH và tác động của nó ở quy mô khu vực. Do đó, người ta thường sử dụng các mô hình thống kê hoặc mô hình khí hậu khu vực để chi tiết hóa các sản phẩm của mô hình toàn cầu cho từng khu vực, địa phương. Với sự phát triển mạnh mẽ của năng lực tính toán, các mô hình khí hậu khu vực có độ phân giải cao ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong việc cập nhật kịch bản BĐKH. Đối với Việt Nam, trong kịch bản BĐKH năm 2016 đã sử dụng 5 mô hình khí hậu khu vực: CCAM, RegCM, clWRF, PRECIS, AGCM/MRI để chi tiết hóa kịch bản toàn cầu cho Việt Nam. Với lộ trình cập nhật kịch bản BĐKH dựa trên các kịch bản nồng độ KNK trong CMIP5 của IPCC và Việt Nam, việc chi tiết hóa các kịch bản BĐKH quốc gia cho quy mô cấp tỉnh bằng phương pháp chi tiết hóa động lực vẫn là một vấn đề cần quan tâm nghiên cứu. Trong 30 năm qua, tình hình thời tiết và thiên tai ở tỉnh Tuyên Quang diễn ra rất phức tạp, dị thường và khó dự đoán: nhiệt độ trung bình năm của tăng khoảng 0,62°C, lượng mưa trung bình năm trên toàn tỉnh có xu hướng giảm, hàng năm thường phải hứng chịu các loại thiên tai như: rét đậm, rét hại, hạn hán làm giảm năng suất cây trồng, mực nước của các sông suối xuống thấp so với nhiều năm gần đây; ảnh hưởng của bão và áp thấp nhiệt đới, mưa lớn, mưa đá kèm gió lốc, lũ quét trên sông Lô, sông Gâm và một số trận mưa cục bộ gây lũ trên các suối nhỏ, ngập lụt, lũ lụt làm sạt lở đất đá, làm các công trình cầu cống, giao thông, thủy lợi bị hư hỏng, gia súc gia cầm bị chết, sản lượng cây trồng giảm... Thiên tai đã ảnh hưởng nghiêm trọng đến mọi lĩnh vực kinh tế - xã hội và sức khỏe của người dân. Kịch bản BĐKH quốc gia năm 2016 đã dự tính khí hậu cho tỉnh Tuyên Quang trong thế kỷ 21 tuy nhiên kịch bản này mới sử dụng số liệu của 3 trạm khí tượng nên độ chi tiết chưa cao. Do đó Luận văn muốn đưa ra một bộ số liệu dự tính chi tiết hơn và sử dụng phương pháp tổ hợp khác (dựa trên kết quả tổ hợp của 10 phương án tính toán của 3 mô hình khí hậu khu vực CCAM, clWRF, PRECIS) để có thêm một nguồn tham khảo cho việc nghiên cứu, phân tích và đánh giá tác động của BĐKH nói chung và đến nhu cầu nước của cây trồng nói riêng cho tỉnh Tuyên Quang. Ngoài phần mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục luận văn được bố cục làm 3 chương sau đây: 2 Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu, chương này đề cập những nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến BĐKH, dự tính khí hậu và đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu và số liệu, trình bày phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận văn, chi tiết về số liệu dùng để tính toán, nghiên cứu. Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận, chương này đưa ra kết quả nghiên cứu về xu thế của một số yếu tố khí hậu tỉnh Tuyên Quang; đánh giả khả năng mô phỏng của mô hình; phân tích kết quả dự tính và đánh giá tính chưa chắc chắn trong các dự tính đối với nhiệt độ, lượng mưa vào đầu, giữa và cuối thế kỷ 21 theo hai kịch bản KNK trung bình thấp RCP4.5 và cao RCP8.5; ứng dụng kết quả dự tính vào đánh giá tác động của BĐKH đến nhu cầu nước của cây trồng (lúa). 3 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU Tổng quan về các nghiên cứu dự tính khí hậu và đánh giá tác động của biến đổi khí hậu đến nhu cầu nước cho cây trồng trên thế giới và Việt Nam. Biến đổi khí hậu (BĐKH) [35] là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến động của các thuộc tính của nó, được duy trì trong một thời gian đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn. BĐKH có thể là do các quá trình tự nhiên bên trong hệ thống khí hậu, hoặc do những tác động từ bên ngoài [49]. Theo báo cáo đánh giá lần thứ 4 (AR4) của IPCC, tác động bức xạ thay đổi trong thời đại công nghiệp chủ yếu do sự gia tăng về nồng độ của các KHK hỗn hợp trong khí quyển do các hoạt động của con người. Theo báo cáo đánh giá lần thứ 5 (AR5), thứ tự đóng góp cho tác động bức xạ của các KNK quan trọng lần lượt là CO2, CH4, N2O và CFC-12. [44]. Trước những diễn biến ngày một phức tạp của biến đổi khí hậu, các quốc gia trên thế giới đã có nhiều nỗ lực để ứng phó với biến đổi khí hậu: Đầu tiên phải kể đến là sự thành lập của Ban Liên Chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC); Công ước Khung của Liên Hợp Quốc về BĐKH (UNFCCC); Nghị định thư Kyoto (KP) [50]; Các hội nghị của Liên Hợp Quốc về BĐKH (COP) với thành quả mới nhất là Hiệp định Paris được ký kết năm 2015 của gần 200 nước tham gia với mục tiêu giữ nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng so với thời kỳ tiền công nghiệp ở mức thấp hơn đáng kể so với 2°C và nỗ lực để giới hạn mức tăng nhiệt độ đến 1.5°C so với thời kỳ tiền công nghiệp, với nhận thức rằng điều này sẽ giúp giảm đáng kể rủi ro và tác động của biến đổi khí hậu [46]. Việc nghiên cứu dự tính khí hậu cũng như việc đánh giá tác động của biến đổi khí hậu lên các ngành, các lĩnh vực luôn thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học và cả các nhà quản lý trên toàn thế giới. 1.1.1. Trên thế giới Trên thế giới đã sớm có nhiều nghiên cứu dự tính khí hậu tương lai, chủ yếu được thực hiện dựa trên 2 phương pháp: phương pháp tương tự (cố gắng dự tính sự thay đổi của khí hậu tương lai từ việc tái tạo khí hậu quá khứ sử dụng dữ liệu khí hậu – Palaeo) và phương pháp mô phỏng khí hậu bằng các mô hình hoàn lưu chung khí quyển (GCM) (được bắt nguồn từ những mô hình dự báo thời tiết), các GCM dựa trên các định luật bảo toàn vật lý mô tả sự phân bố lại của động lượng, nhiệt lượng và hơi nước bởi các 4 chuyển động trong khí quyển [34]. Bởi các ưu điểm vượt trội của nó nên các GCM ngày càng được chú trọng nghiên cứu phát triển. Đặc biệt là sau khi IPCC được thành lập, qua các báo cáo đánh giá của mình, IPCC đã đánh giá và sử dụng các phương pháp tối ưu nhất để xây dựng kịch bản BĐKH quy mô toàn cầu. Cùng với sự phát triển của các mô hình khí hậu, IPCC cũng đã xây dựng các kịch bản phát thải khí nhà kính (KNK) dựa trên những thay đổi của các nhân tố như tăng trưởng kinh tế, dân số, chính trị hay công nghệ. Kịch bản đầu tiên hình thành vào năm 1990 (SA90 gồm 4 họ kịch bản A,B,C,D), kế tiếp là bộ kịch bản được xây dựng vào năm 1992 (IS92 gồm 6 họ kịch bản (IS92a-IS92f)) và bộ các kịch bản SRES (Special Report on Emissions Scenarios) được ban hành chính thức năm 2000 gồm 6 nhóm kịch bản với 3 họ kịch bản gốc là A2, B1 và B2, và 3 nhóm trong họ kịch bản A1 là A1B, A1FI và A1T. Tất cả các kịch bản SRES giả định rằng không có chính sách giảm thiểu khí hậu nào được thực hiện [49]. Và mới đây, IPCC đã xây dựng bộ kịch bản nồng độ khí nhà kính đặc trưng (Representative Concentration Pathways) RCP gồm có 4 kịch bản: RCP2.6, RCP4.5, RCP6.0, RCP8.5, kịch bản RCP chú trọng đến nồng độ khí nhà kính thay vì các quá trình phát thải trên cơ sở các giả định về phát triển của kinh tế- xã hội, công nghệ, dân số… Một RCP thể hiện một kịch bản biến đổi theo thời gian của nồng độ khí nhà kính trong khí quyển, đại diện đầy đủ phạm vi của những kịch bản trước đây có đặc điểm phát thải và RF tương tự. Các RCP được xác định bởi giá trị gần đúng của RF (Wm-2) tại năm 2100. Tên các kịch bản được ghép bởi RCP và độ lớn của RF của các KNK trong khí quyển tại năm 2100 [44]. Các kịch bản được so sánh trên Hình 1.1. Cho tới nay, IPCC đã thực hiện 5 lần xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH và NBD chính thông qua 5 lần báo cáo đánh giá BĐKH: FAR (1990), SAR (1994), TAR (2001), AR4 (2007), AR5 (2013). Các mô hình GCM đã liên tục được phát triển về độ phân giải và độ chính xác do ngày càng được bổ sung đầy đủ các thành phần của hệ thống khí hậu, các hoàn lưu quy mô lớn và các sơ đồ tham số hóa cho các quy trình nhỏ hơn. Trong AR4, IPCC đã xây dựng kịch bản BĐKH từ tổ hợp 21 mô hình toàn cầu (dự án CMIP3), và sử dụng bộ kịch bản phát thải KNK SRES để xây dựng kịch bản BĐKH cho thế kỷ 21. Đến AR5, số lượng mô hình đã tăng lên gần 50 mô hình toàn cầu (dự án CMIP5) và chạy với kịch bản nồng độ khí nhà kính RCP. Điểm mới trong AR5 đó là IPCC đã có cách tiếp cận mới có tính đồng thời, tức là sau khi RCPs được xác định, quá trình phát triển kịch bản được thực hiện song song giữa các 3 nhóm nghiên cứu: (1) cộng 5 đồng mô hình biến đổi khí hậu (CM); (2) cộng đồng xây dựng kịch bản kinh tế - xã hội (IAM); và (3) cộng đồng đánh giá tác động, thích ứng, tổn thương và giảm thiểu (IAV), khác với hình thức tuần tự trong AR4 (xác định các kịch bản về phát thải và kinh tế - xã hội trước, trên cơ sở đó mới xây dựng các kịch bản BĐKH và cuối cùng mới thực hiện các mô hình đánh giá tác động). Về mặt khoa học, CMIP5 tập trung vào ba khía cạnh chính mà CMIP3 còn hạn chế, cụ thể: (1) Đánh giá cơ chế quyết định sự khác biệt trong mô phỏng của các mô hình đối với chu trình các - bon và mây; (2) Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình đối với các hiện tượng có quy mô thập kỷ; và (3) Tìm nguyên nhân dẫn tới việc các mô hình mô phỏng rất khác nhau đối với cùng một kịch bản. Về thời kỳ cơ sở được lựa chọn để so sánh là thời kỳ 1986-2005, thay cho thời kỳ 19801999 như lần công bố trước đây. Ngoài ra, trong AR5 đã bổ sung thêm các đánh giá toàn diện hơn về mức độ biến đổi của cực đoan khí hậu (SREX) và xuất bản tập Atlas biến đổi khí hậu mà trong báo cáo AR4 không có hoặc chưa đầy đủ. Hình 1.1. Tác động bức xạ tổng cộng (RF total) lịch sử và dự tính từ năm 19502100 của 3 họ kịch bản IS92, SRES và RCP (Nguồn: IPCC, 2013) Theo như dự tính trong báo cáo AR5, mức tăng của nhiệt độ, lượng mưa, và mực nước biển trung bình toàn cầu cụ thể như sau [44]: Về nhiệt độ: nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu giai đoạn từ năm 2081–2100 tăng so với giai đoạn 1986-2005 trong phạm vi từ 0,3 - 1,7°C (RCP2.6), 1,1 - 2,6°C (RCP4.5), 1,4 – 3,1°C (RCP6.0), 2,6 – 4,8°C (RCP8.5). Vùng Bắc cực sẽ nóng nhanh hơn toàn cầu và sự ấm lên trên mặt đất sẽ lớn hơn đại dương. So với giai đoạn 1850-1900, thay đổi nhiệt độ bề mặt trung bình toàn cầu vào cuối thế kỷ 21, với độ tin cậy cao, có khả năng 6 (xác suất >66%) vượt quá 1,5°C đối với RCP4.5, RCP6.0 và RCP8.5, vượt quá 2°C với RCP6.0 và RCP8.5, nhiều khả năng (more likely) không vượt quá 2°C với RCP4.5; mức tăng nhiệt không thể (xác suất <33%) vượt quá 4°C đối với RCP2.6, RCP4.5 và RCP6.0 (độ tin cậy cao) và có khả năng (xác suất >66%) không vượt quá 4°C với RCP8.5 (độ tin cậy trung bình). Sự nóng lên sẽ tiếp tục biến đổi giữa các giai đoạn hàng năm cho đến thập kỷ và sẽ không đồng đều theo khu vực. Các hiện tượng nóng cực đoan chắc chắn sẽ tăng lên và cực đoan lạnh sẽ giảm đi trên hầu hết các vùng lục địa trên quy mô thời gian hàng ngày và mùa, rất có khả năng (xác suất >90%) các đợt nóng sẽ xảy ra với tần suất và thời gian dài hơn. Về lượng mưa: Theo kịch bản RCP8.5, vào cuối thế kỷ 21, lượng mưa ở vĩ độ trung bình và cận nhiệt đới sẽ tăng ở nhiều vùng khô hạn và giảm ở các vùng ẩm ướt, ở vĩ độ cao và xích đạo Thái Bình Dương, lượng mưa sẽ tăng. Mưa cực đoan sẽ tăng ở các vùng vĩ độ trung bình và vùng ẩm ướt cận nhiệt đới. Về mực nước biển: Mực nước biển dâng trung bình toàn cầu sẽ tiếp tục tăng trong thế kỷ 21, mức tăng trong giai đoạn 2081–2100 so với giai đoạn 1986-2005 có khả năng nằm trong khoảng từ 0,26 - 0,55m (RCP2.6), 0,32 - 0,63m (RCP4,5), 0,33 - 0,63m (RCP6.0) và 0,45 - 0,82m (RCP8.5), với tốc độ tăng của RCP8.5 trong khoảng 8 - 16 mm/năm (độ tin cậy trung bình). Mặc dù các GCM có độ phân giải ngày càng tăng nhưng hầu hết chúng không thể mô phỏng tốt các thay đổi ở quy mô khu vực đến địa phương. Do đó, các phương pháp hạ quy mô thường được sử dụng để chuyển các dự báo của GCM thành thông tin có độ phân giải cao được yêu cầu làm đầu vào để phân tích tác động. Có 2 phương pháp chính để hạ quy mô là: chi tiết hóa động lực (sử dụng đầu ra của mô hình khí hậu toàn cầu GCM làm đầu vào cho mô hình khí hậu khu vực RCM để đưa ra các thông tin chi tiết hơn, độ phân giải cao hơn cho một khu vực cụ thể (Christensen et al. 2007)) và chi tiết hóa thống kê (giả thiết rằng mối quan hệ thống kê giữa các yếu tố khí tượng quy mô địa phương/khu vực với các biến khí hậu quy mô lớn sẽ được duy trì trong tương lai, áp dụng chúng cho đầu ra của các mô phỏng GCM sẽ nhận được các thông tin về đặc điểm khí hậu tương lai cho địa phương và khu vực) [49]. Do sự phát triển mạnh mẽ về năng lực máy tính nên phương pháp chi tiết hóa động lực ngày càng được các nhà mô hình nghiên cứu ứng dụng. 7 Trên cơ sở báo cáo đánh giá của IPCC, các quốc gia trên thế giới tiến hành xây dựng và cập nhật kịch bản BĐKH cho quốc gia mình và cho những khu vực cụ thể trên lãnh thổ, có thể kể đến các kịch bản của các quốc gia lớn như: Tại Úc, cho đến nay CSIRO đã có 6 lần xây dựng và cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu và luôn bám sát vào các phương pháp qua các lần báo cáo của IPCC. So với AR4, các kịch bản cập nhật sau AR5 cũng có nhiều bước tiến mới như: số lượng mô hình tăng lên từ 23 mô hình ở CMIP3 thì nay tăng lên 40 mô hình ở CMIP5. Một số mô hình hoạt động kém trong bộ mô hình của CMIP5 đã được xác định cho Úc. Đồng thời, việc xây dựng các dự tính từ các mô hình có đánh giá tốt để so sánh với các bộ mô hình CMIP5 cũng đã được thực hiện, tuy nhiên kết quả thu được không có sự khác biệt rõ ràng. Báo cáo CSIRO 2015 đã tạo ra 2 bộ dự tính khí hậu hạ quy mô cho Úc. Một bộ được tạo ra bằng mô hình CCAM sử dụng 6 GCM trong CMIP5 làm đầu vào (ACCESS1.0, CCSM4, CNRM-CM5, GFDL-CM5, GFDL-CM3, MPI-ESM-LR và NorESM1M). 6 mô hình này được chọn để bao phủ một phạm vi đại diện cho những thay đổi được dự tính cho Úc và khu vực rộng hơn, được chọn từ bộ những mô hình CMIP5 mô phỏng tốt nhất. Và một bộ dự tính khí hậu dựa trên mô hình hạ quy mô thống kê dựa trên phương pháp tương tự (Analogue-based SDM) của Cục khí tượng Úc sử dụng 22 mô hình GCM của CMIP5 làm đầu vào. Dự tính được tạo ra cho 2 kịch bản RCP4.5 và RCP8.5. Cùng với việc hạ quy mô mới này, tham chiếu được thực hiện với những khu vực cụ thể của Úc như: Tasmania, Đông Nam Úc, Biển Ấn Độ, phía đông nam Queensland,… là những nơi có địa hình phức tạp và ven biển [33]. Sau AR5, Hà Lan cũng cập nhật kịch bản biến đổi khí hậu KNMI’14 cho thế kỷ 21. Các kịch bản này được xây dựng dựa trên 8 thành phần của mô hình EC-Earth và các kết quả tính toán của CMIP5 kết hợp mô hình khí hậu khu vực RACMO2 với độ phân giải 10km. Quy trình xây dựng kịch bản: bước đầu tiên là xác định giai đoạn tham chiếu là từ năm 1981-2010, giai đoạn tương lai là 2031-2060 và 2046-2075 bước tiếp theo là lấy mẫu lại (resampling method) cho cả giai đoạn điều khiển và giai đoạn tương lai, khí hậu 30 năm được xây dựng từ sáu giai đoạn 5 năm, được chọn từ 8 thành phần của bộ mô hình EC-Earth (và trong bước hạ quy mô 5 năm từ bộ RACMO2). KNMI’14 đã cung cấp các đánh giá về mức độ biến đổi của các yếu tố khí hậu trung bình và các chỉ số cực đoan khí hậu [30]. Đối với vương quốc Anh (UK), kịch bản biến đổi khí hậu đã được xây dựng từ rất 8 sớm, dựa trên các kịch bản SRES về nồng độ khí nhà kính của IPCC. Các kịch bản này đều sử dụng mô hình khí hậu của trung tâm Hadley. Kịch bản UKCP09 được xây dựng năm 2009, sử dụng 3 kịch bản phát thải (cao, trung bình, thấp) và mô hình HadCM3 có độ phân giải 25 km, đồng thời sử dụng công cụ “Nguồn sinh thời tiết” (Weather Generator) để tiếp tục chi tiết hóa xuống độ phân giải 5km để nắm bắt những biến đổi ở những khu vực nhỏ nhằm tăng khả năng ứng dụng trong đánh giá tác động. UKCP09 là kịch bản đầu tiên có kèm xác suất ứng với từng mức độ khác nhau của BĐKH tương lai. Kịch bản UKCP18 được công bố vào năm 2018, sử dụng các kịch bản phát thải SRES A1B (cho phép so sánh giữa các kết quả UKCP09 và UKCP18) và 4 kịch bản phát thải mới RCP trong báo cáo AR5 của IPCC. Độ phân giải của các mô hình cũng tăng lên 12km thay vì 25km như trong UKCP09 [39]. Tại Nhật Bản, Viện Nghiên cứu Khí tượng Nhật Bản đã phát triển mô hình hệ thống trái đất mới ESM1 từ mô hình hoàn lưu chung kết hợp khí quyển và đại dương CGCM3 bổ sung thêm các quá trình hóa học và sinh hóa học cũng như động lực và nhiệt động lực, các mô-đun chu kỳ carbon cho đất và đại dương được bao gồm trong AGCM và OGCM tương ứng. Quá trình so sánh thử nghiệm MRI-ESM1 với MRI-CGCM3 trong 3 giai đoạn: tiền công nghiệp, lịch sử, dự đoán tương lai với RCP8.5 cho thấy khí hậu tiền công nghiệp không có khuynh hướng đáng kể; trong giai đoạn lịch sử, mô hình MRI-ESM1 cho kết quả nồng độ CO2 trong khí quyển và nhiệt độ không khí bề mặt tăng nhỏ hơn so với quan trắc; sự nóng lên vào cuối thế kỷ 20 được mô phỏng với MRIESM1 nhỏ hơn khoảng 36% so với MRI-CGCM3 và khoảng 15% vào cuối thế kỷ 21 với kịch bản RCP8.5 [47]. Ở Đức, Dự án ReKliEs-De (Dự tính khí hậu khu vực cho Đức) lần đầu tiên ước tính các dự báo khí hậu cho các tiểu bang và các lưu vực sông của liên bang Đức. Nhiều đợt nắng nóng và mưa lớn, ít đợt lạnh hơn, đến năm 2100 nhiệt độ trung bình hàng năm tăng 4°C là kết quả theo RCP8.5. Kịch bản bao gồm 52 kết quả dự tính khí hậu khu vực cho 3 giai đoạn 1971-2000, 2021-2050, 2071-2100 được xây dựng từ 7 mô hình GCMs và được hạ quy mô bởi 6 mô hình động lực (CCLM, REMO, WRF, RCA4, RACMO, HIRHAM5) và 2 mô hình thống kê (WETTREG, STARS) với 2 kịch bản RCP2.6 và RCP8.5 [38]. Ngoài ra, một số dự án còn cung cấp các mô hình miễn phí chạy trên máy tính cá nhân, ví dụ như mô hình RegCM, đã giúp cho các nước đang phát triển tiếp cận hướng 9