Hydrology and Earth System Sciences

Abstract. Environment and Climate Change Canada has initiated the production of a 1980–2018, 10 km, North American precipitation and surface reanalysis. ERA-Interim is used to initialize the Global Deterministic Reforecast System (GDRS) at a 39 km resolution. Its output is then dynamically downscaled to 10 km by the Regional Deterministic Reforecast System (RDRS). Coupled with the RDRS, the Canadian Land Data Assimilation System (CaLDAS) and Precipitation Analysis (CaPA) are used to produce surface and precipitation analyses. All systems used are close to operational model versions and configurations. In this study, a 7-year sample of the reanalysis (2011–2017) is evaluated. Verification results show that the skill of the RDRS is stable over time and equivalent to that of the current operational system. The impact of the coupling between RDRS and CaLDAS is explored using an early version of the reanalysis system which was run at 15 km resolution for the period 2010–2014, with and without the use of CaLDAS. Significant improvements are observed with CaLDAS in the lower troposphere and surface layer, especially for the 850 hPa dew point and absolute temperatures in summer. Precipitation is further improved through an offline precipitation analysis which allows the assimilation of additional observations of 24 h precipitation totals. The final dataset should be of particular interest for hydrological applications focusing on transboundary and northern watersheds, where existing products often show discontinuities at the border and assimilate very few – if any – precipitation observations.

Tóm tắt. Bài báo này giải quyết vấn đề tính duy nhất của vùng lưu vực liên quan đến các biểu diễn mô hình của quá trình dòng chảy. Tính duy nhất của các phép đo thực địa như một giới hạn đối với các biểu diễn mô hình được thảo luận. Việc xem xét tính duy nhất như một phần dư từ một mối quan hệ đã được mô hình hóa có thể che giấu thông tin về tính duy nhất của các vùng lưu vực, trong khi việc xem xét tính duy nhất như một tập hợp các giá trị tham số trong một cấu trúc mô hình cụ thể là vấn đề do tính đồng nhất của các cấu trúc mô hình và tập hợp tham số. Phân tích cho thấy rằng tiếp cận hoàn toàn giảm thiểu để mô tả tính duy nhất của các vùng lưu vực riêng lẻ qua việc tổng hợp các mô tả về hành vi quy mô nhỏ sẽ là không thể cho đến những công nghệ đo đạc hiện tại. Một chiến lược đề xuất cho việc biểu diễn tính duy nhất của địa điểm như một ánh xạ mờ của cảnh quan vào không gian mô hình được đề xuất. Điều này sẽ dẫn đến việc định lượng sự không chắc chắn trong các dự đoán về bất kỳ vị trí cụ thể nào theo cách cho phép điều kiện hóa ánh xạ dựa trên dữ liệu có sẵn. Quy trình này có thể tích hợp một phương pháp kiểm định giả thuyết cho việc đánh giá mô hình nhưng vấn đề của nhiều mô hình hành vi có thể cung cấp một giới hạn cuối cùng về tính hợp lý của các biểu diễn quá trình: không phải trên nguyên tắc của tính hợp lý mà trên khả năng của các biểu diễn quá trình không mơ hồ.

Tóm tắt. Sự phát triển đô thị làm tăng nguy cơ ngập lụt trong các thành phố do những thay đổi địa phương trong điều kiện thủy văn và khí tượng thủy văn làm gia tăng mối đe dọa ngập lụt, cũng như do sự tập trung đô thị làm gia tăng tính dễ bị tổn thương. Mối quan hệ giữa dòng chảy bề mặt đô thị ngày càng tăng và ngập lụt do sự gia tăng diện tích không thấm nước được nhận biết rõ hơn so với mối quan hệ giữa tác động chu kỳ của sự phát triển đô thị và lượng mưa đô thị thông qua những thay đổi vi khí hậu. Các tác động quy mô lớn toàn cầu do biến đổi khí hậu có thể làm tăng cường những rủi ro này. Chúng tôi trình bày trường hợp của một thành phố điển hình của thế giới thứ ba - Cần Thơ (thành phố lớn nhất đồng bằng sông Cửu Long, Việt Nam) - đang đối mặt với nhiều thách thức trong tương lai, bao gồm: (i) tác động có thể xảy ra do tình trạng mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu, (ii) dự báo gia tăng dòng chảy sông do biến đổi khí hậu như được chính phủ Việt Nam ước tính, (iii) gia tăng dòng chảy bề mặt đô thị do sự không thấm nước, và (iv) sự gia tăng lượng mưa cực đoan do sự phát triển đô thị gây ra, thay đổi vi khí hậu (các đảo nhiệt đô thị). Một bộ mô phỏng mô hình đã được sử dụng để xây dựng các kịch bản trong tương lai, kết hợp các yếu tố này. Sự phát triển đô thị của thành phố được dự báo đến năm 2100 dựa trên các mô hình tăng trưởng lịch sử, sử dụng mô hình mô phỏng sử dụng đất (Dinamica EGO). Một mô hình bầu không khí động lực diện tích giới hạn (WRF), được ghép nối với một mô hình bề mặt đất chi tiết có tham số hóa thực vật (Noah LSM), đã được sử dụng trong các thí nghiệm số được kiểm soát để ước lượng những thay đổi dự kiến trong mẫu lượng mưa cực đoan do hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Cuối cùng, một mô hình kết hợp thoát nước đô thị/ngập lụt 1-D/2-D (SWMM-Brezo) đã được sử dụng để mô phỏng tình trạng tràn nước cống và ngập lụt bề mặt nhằm xác định sự gia tăng nguy cơ ngập lụt do những thay đổi này. Kết quả cho thấy, dưới kịch bản kết hợp tác động thay đổi đáng kể ở mực nước sông (do mực nước biển dâng do biến đổi khí hậu và gia tăng dòng chảy ở sông Mekong) và sự đô thị hóa "như thường lệ", ngập lụt ở Cần Thơ có thể gia tăng đáng kể. Trường hợp tồi tệ nhất có thể xảy ra nếu mực nước biển dâng 100 cm và dòng chảy từ thượng nguồn xảy ra đồng thời với các kịch bản phát triển cao. Đóng góp tương đối của các nguyên nhân gây ra ngập lụt có sự khác biệt đáng kể ở các vị trí khác nhau; do đó, sự nghiên cứu chi tiết về khả năng thích ứng là cần thiết để đầu tư tương lai trở nên hiệu quả.

Tóm tắt. Một phiên bản mới của bản đồ toàn cầu số về các khu vực tưới tiêu đã được phát triển bằng cách kết hợp các thống kê về tưới tiêu cho 10.825 đơn vị thống kê cấp quốc gia và thông tin địa không gian về vị trí và quy mô của các kế hoạch tưới tiêu. Bản đồ thể hiện tỷ lệ phần trăm của mỗi ô 5 phút cung đường x 5 phút được trang bị cho tưới tiêu vào khoảng năm 2000. Do đó, đây là một tập dữ liệu quan trọng cho các nghiên cứu toàn cầu liên quan đến nguồn nước và sử dụng đất. Bài báo này mô tả tập dữ liệu và phương pháp lập bản đồ, đồng thời cung cấp, lần đầu tiên, ước lượng về chất lượng bản đồ ở quy mô các quốc gia, vùng miền trên thế giới và toàn cầu. Hai chỉ số chất lượng bản đồ đã được phát triển cho mục đích này, và bản đồ đã được so sánh với các khu vực tưới tiêu như được xác định từ hai cuộc khảo sát phủ đất toàn cầu dựa trên cảm biến từ xa.

Tóm tắt. Đã được công nhận rộng rãi rằng các vùng đất ngập nước có ảnh hưởng đáng kể đến chu trình thủy văn. Do đó, các vùng đất ngập nước đã trở thành những yếu tố quan trọng trong chính sách quản lý nước ở cấp độ quốc gia, khu vực và quốc tế. Có nhiều ví dụ cho thấy các vùng đất ngập nước giảm lũ lụt, bổ sung nước ngầm hoặc tăng cường dòng chảy thấp. Tuy nhiên, ít được công nhận hơn là nhiều ví dụ cho thấy các vùng đất ngập nước làm tăng lũ lụt, trở thành rào cản cho việc bổ sung nước, hoặc giảm dòng chảy thấp. Bài báo này trình bày một cơ sở dữ liệu gồm 439 tuyên bố đã được công bố về chức năng lượng nước của các vùng đất ngập nước từ 169 nghiên cứu trên toàn thế giới. Điều này thiết lập một tiêu chuẩn về kiến thức tổng hợp về ảnh hưởng của vùng đất ngập nước đối với lưu lượng sông hạ lưu và các tầng chứa nước ngầm. Sự chú trọng được đặt lên các chức năng thủy văn liên quan đến cân bằng nước tổng thể, bổ sung nước ngầm, dòng chảy nền và dòng chảy thấp, phản ứng với lũ lụt và biến động lưu lượng sông. Các tuyên bố chức năng được cấu trúc theo loại thủy văn của vùng đất ngập nước và cách thức mà các kết luận chức năng đã được rút ra. Một tổng hợp các tuyên bố chức năng thiết lập sự cân bằng của bằng chứng khoa học cho các biện pháp thủy văn cụ thể. Bằng chứng cho thấy sự đồng thuận mạnh mẽ cho một số biện pháp thủy văn cho một số loại vùng đất ngập nước nhất định. Đối với các biện pháp thủy văn khác, có sự đa dạng chức năng cho các vùng đất ngập nước có vẻ tương tự. Sự cân bằng của bằng chứng khoa học đang nổi lên chỉ cung cấp hỗ trợ hạn chế cho mô hình tổng quát về kiểm soát lũ lụt, khuyến khích bổ sung và duy trì dòng chảy bởi các vùng đất ngập nước được mô tả trong suốt thập niên 1990 như một thành phần trong cơ sở xây dựng chính sách vùng đất ngập nước. Sự hỗ trợ đó chủ yếu bị giới hạn ở các vùng đất ngập nước vùng trũng, trong khi nhiều loại vùng đất ngập nước khác thực hiện các chức năng khác – một phần hoặc hoàn toàn. Bài báo này cung cấp bước đầu tiên hướng tới một hệ thống đánh giá chức năng khoa học có tính chất phòng thủ hơn.

Tóm tắt. Bài báo này xem xét các mô hình thủy văn phân tán trong lĩnh vực thủy văn như một biểu hiện của chủ nghĩa hiện thực thực dụng. Một số vấn đề của mô hình phân tán được thảo luận, bao gồm vấn đề phi tuyến tính, vấn đề quy mô, vấn đề tính đồng nhất, vấn đề tính duy nhất và vấn đề không chắc chắn. Một cấu trúc để áp dụng mô hình phân tán được đề xuất dựa trên một không gian cảnh quan không chắc chắn hoặc mờ để lập bản đồ không gian mô hình. Điều này được đưa ra như là cơ sở cho một Khung kế hoạch Thay thế cho mô hình phân tán dưới dạng một phương pháp ứng dụng. Khung kế hoạch Thay thế này mang tính khoa học ở chỗ nó cho phép lập luận các giả thuyết có thể thử nghiệm. Nó tập trung vào việc đánh giá trước các mô hình về tính hiện thực vật lý và giá trị của dữ liệu trong việc bác bỏ mô hình. Cuối cùng, một số câu hỏi chưa được giải quyết mà mô hình phân tán phải giải quyết trong tương lai được phác thảo, cùng với một tầm nhìn cho mô hình phân tán như một phương tiện học hỏi về các địa điểm.

Tóm tắt. Bài báo này phác thảo một chiến lược mới để xác định sự bay hơi từ các quan sát vệ tinh. Phương pháp tiếp cận sử dụng nhiều sản phẩm cảm biến vệ tinh để ước lượng sự bay hơi hàng ngày trên quy mô toàn cầu và độ phân giải không gian 0.25 độ. Trung tâm của phương pháp này là việc sử dụng mô hình bay hơi Priestley và Taylor (PT). Phương trình PT tối giản kết hợp một số lượng đầu vào nhỏ, hầu hết trong số đó có thể được phát hiện từ không gian. Điều này giảm số lượng biến cần được lập mô hình. Các đặc điểm phân biệt quan trọng của phương pháp này là việc sử dụng độ ẩm đất thu được từ sóng vi ba, nhiệt độ bề mặt đất và mật độ thực vật, cũng như ước lượng chi tiết về tổn thất do nước mưa rơi xuống. Sự bay hơi được mô hình hóa được xác thực so với một năm đo đạc từ 43 trạm lấy mẫu thông qua phương pháp biến thiên xoáy. Tổng ước lượng hàng năm tương quan tốt với tổng bay hơi tích lũy hàng năm của các trạm (R=0.80, N=43) và trình bày một độ thiên lệch trung bình thấp (−5%). Việc xác thực chuỗi thời gian hàng ngày tại mỗi trạm riêng lẻ cho thấy hiệu suất mô hình tốt ở tất cả các loại hình thực vật và điều kiện khí hậu với hệ số tương quan trung bình là R=0.83, vẫn thấp hơn so với R=0.90 được tìm thấy trong việc xác thực chuỗi thời gian hàng tháng. Bản đồ toàn cầu đầu tiên về sự bay hơi hàng năm được phát triển thông qua phương pháp này cũng được trình bày.

Tóm tắt. Tưới tiêu là lĩnh vực sử dụng nước quan trọng nhất, chiếm khoảng 70% tổng lượng nước ngọt khai thác trên toàn cầu và 90% tổng lượng nước tiêu thụ. Dù diện tích tưới tiêu và các sử dụng nước liên quan được báo cáo trong các cơ sở dữ liệu thống kê hoặc ước tính qua mô hình mô phỏng, thông tin về nguồn nước tưới tiêu lại rất hiếm và rải rác. Ở đây, chúng tôi trình bày một danh mục toàn cầu mới về diện tích được tưới tiêu bằng nước ngầm, nước mặt hoặc nguồn không thông thường, và chúng tôi xác định các sử dụng nước tiêu thụ liên quan. Danh mục này cung cấp dữ liệu cho 15.038 đơn vị hành chính quốc gia và cấp dưới quốc gia. Diện tích tưới tiêu được cung cấp từ thống kê dựa trên điều tra dân số từ các tổ chức quốc tế và quốc gia. Một mô hình toàn cầu sau đó đã được áp dụng để mô phỏng các sử dụng nước tiêu thụ cho tưới tiêu theo nguồn nước. Trên toàn cầu, diện tích được trang bị cho tưới tiêu hiện khoảng 301 triệu ha, trong đó 38% được trang bị cho tưới tiêu bằng nước ngầm. Tổng lượng nước ngầm tiêu thụ cho tưới tiêu được ước tính là 545 km3/năm, tương đương 43% tổng lượng nước tiêu thụ cho tưới tiêu là 1277 km3/năm. Các quốc gia có diện tích được trang bị tưới tiêu bằng nước ngầm lớn nhất, theo số tuyệt đối, là Ấn Độ (39 triệu ha), Trung Quốc (19 triệu ha) và Hoa Kỳ (17 triệu ha). Việc sử dụng nước ngầm trong tưới tiêu đang tăng lên cả về số tuyệt đối và tỷ lệ phần trăm của tổng lượng tưới tiêu, dẫn đến việc một số khu vực có nồng độ người sử dụng khai thác nguồn nước ngầm với tốc độ cao hơn mức tái nạp nước ngầm. Dù có những không chắc chắn liên quan đến dữ liệu thống kê có sẵn để theo dõi các mô hình và sự gia tăng sử dụng nước ngầm cho tưới tiêu, danh mục được trình bày ở đây là một bước quan trọng hướng tới một đánh giá rõ ràng hơn về sử dụng nước trong nông nghiệp và những tác động của nó đối với chu trình nước toàn cầu.

Tóm tắt. Hệ thống Cân bằng Năng lượng Bề mặt (SEBS) được đề xuất để ước lượng các dòng hỗn loạn khí quyển và phân số bay hơi bằng cách sử dụng dữ liệu quan sát Trái đất từ vệ tinh, kết hợp với thông tin khí tượng ở các quy mô phù hợp. SEBS bao gồm: một bộ công cụ để xác định các tham số vật lý của bề mặt đất, chẳng hạn như độ phản xạ, độ phát xạ, nhiệt độ, tỷ lệ che phủ thực vật, v.v., từ các phép đo phản xạ và bức xạ quang phổ; một mô hình để xác định chiều dài thô cho chuyển giao nhiệt; và một công thức mới để xác định phân số bay hơi dựa trên cân bằng năng lượng ở các trường hợp giới hạn. Bốn bộ dữ liệu thực nghiệm được sử dụng để đánh giá độ tin cậy của SEBS. Dựa trên các nghiên cứu trường hợp này, SEBS đã chứng minh khả năng ước lượng các dòng nhiệt hỗn loạn và phân số bay hơi ở nhiều quy mô khác nhau với độ chính xác chấp nhận được. Các độ không chắc chắn trong các dòng nhiệt ước lượng là so sánh được với các độ không chắc chắn trong các phép đo tại chỗ. Từ khóa: Cân bằng năng lượng bề mặt, dòng nhiệt hỗn loạn, bay hơi, viễn thám

Tóm tắt. Nghiên cứu này định lượng dấu ấn nước xanh, nước xanh và nước xám của sản xuất cây trồng toàn cầu theo cách cụ thể về mặt không gian trong giai đoạn 1996–2005. Đánh giá này cải thiện so với các nghiên cứu trước bằng cách tiếp cận độ phân giải cao, ước lượng dấu ấn nước của 126 loại cây trồng tại lưới 5 x 5 phút cung. Chúng tôi đã sử dụng một mô hình cân bằng nước động lực học dựa trên lưới để tính toán mức sử dụng nước của cây trồng theo thời gian, với bước thời gian một ngày. Mô hình này xem xét sự cân bằng nước trong đất hàng ngày và các điều kiện khí hậu cho mỗi ô lưới. Thêm vào đó, ô nhiễm nước liên quan đến việc sử dụng phân đạm trong sản xuất cây trồng cũng được ước lượng cho mỗi ô lưới. Sự bốc hơi nước của 20 loại cây trồng phụ khác được tính toán bằng mô hình CROPWAT. Ngoài ra, chúng tôi đã tính toán dấu ấn nước của hơn hai trăm sản phẩm cây trồng chế biến, bao gồm nhiều loại bột, đồ uống, sợi và nhiên liệu sinh học. Chúng tôi đã sử dụng khung đánh giá dấu ấn nước theo hướng dẫn của Mạng lưới Dấu ấn Nước. Khi xem xét dấu ấn nước của các cây trồng chính, chúng tôi nhận thấy rằng dấu ấn nước trung bình toàn cầu trên mỗi tấn cây trồng tăng từ cây mía (khoảng 200 m3 tấn−1), rau củ (300 m3 tấn−1), củ và khoai (400 m3 tấn−1), trái cây (1000 m3 tấn−1), ngũ cốc (1600 m3 tấn−1), cây dầu (2400 m3 tấn−1) đến cây đậu (4000 m3 tấn−1). Dấu ấn nước tuy nhiên còn biến đổi giữa các loại cây trồng khác nhau trong mỗi nhóm cây trồng và theo từng vùng sản xuất. Bên cạnh đó, nếu xem xét dấu ấn nước trên mỗi kcal, bức tranh cũng thay đổi. Khi tính trên mỗi tấn sản phẩm, các hàng hóa có dấu ấn nước tương đối lớn là: cà phê, trà, ca cao, thuốc lá, gia vị, hạt dẻ, cao su và sợi. Phân tích dấu ấn nước của các nhiên liệu sinh học khác nhau cho thấy etanol sinh học có dấu ấn nước thấp hơn (trong m3 GJ−1) so với biodiesel, điều này hỗ trợ cho các phân tích trước đó. Loại cây trồng được sử dụng cũng rất quan trọng: dấu ấn nước trung bình toàn cầu của etanol sinh học dựa trên củ đường khoảng 51 m3 GJ−1, trong khi đó là 121 m3 GJ−1 cho ngô. Dấu ấn nước toàn cầu liên quan đến sản xuất cây trồng trong giai đoạn 1996–2005 là 7404 tỷ mét khối mỗi năm (78 % nước xanh, 12 % nước xanh, 10 % nước xám). Dấu ấn nước tổng thể lớn được tính toán cho lúa mì (1087 Gm3 yr−1), gạo (992 Gm3 yr−1) và ngô (770 Gm3 yr−1). Lúa mì và gạo có dấu ấn nước xanh lớn nhất, chung cộng lại chiếm 45 % dấu ấn nước xanh toàn cầu. Ở cấp độ quốc gia, dấu ấn nước tổng thể lớn nhất là ở Ấn Độ (1047 Gm3 yr−1), Trung Quốc (967 Gm3 yr−1) và Hoa Kỳ (826 Gm3 yr−1). Một dấu ấn nước xanh tổng thể tương đối lớn do sản xuất cây trồng được quan sát trong lưu vực sông Ấn (117 Gm3 yr−1) và lưu vực sông Hằng (108 Gm3 yr−1). Hai lưu vực này chung cộng lại chiếm 25 % dấu ấn nước xanh liên quan đến sản xuất cây trồng toàn cầu. Toàn cầu, nông nghiệp truyến mưa có dấu ấn nước là 5173 Gm3 yr−1 (91 % nước xanh, 9 % nước xám); nông nghiệp tưới tiêu có dấu ấn nước là 2230 Gm3 yr−1 (48 % nước xanh, 40 % nước xanh, 12 % nước xám).