Bài giảng khí hậu và biến đổi khí hậu (dành cho cao học thủy văn)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN HÀ NỘI BỘ MƠN KHÍ TƯỢNG KHÍ HẬU VÀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU (Dành cho Cao học Thủy văn) Phan Văn Tân tanpv@vnu.edu.vn Giới thiệu môn học (7) |  Tài liệu tham khảo: 1.  James E Burt, Edward Aguado 2003 Understanding Weather & Climate, edition, Prentice Hall, 592 p 2.  IPCC: Climate Change 2007 - The Physical Science Basis Cambridge University Press., 996 p 3.  Will Steffen, Regina Angelina Sanderson, Peter D Tyson, Jill Jäger 2005 Global change and the Earth system, Springer, 332 p 4.  Dennis L Hartmann, 1994: Global Physical Climatology Academic Press, Inc., 330p 5.  Phạm Ngọc Toàn, Phan Tất Đắc, 1993: Khí hậu Việt Nam NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội 6.  Nguyễn Đức Ngữ, Nguyễn Trọng Hiệu, 2004: Khí hậu tài nguyên khí hậu Việt Nam NXB Nông nghiệp, Hà Nội Mở đầu |  Những câu hỏi thường gặp {  Khí hậu gì? {  Khí hậu khác với thời tiết nào? {  Khí hậu thời tiết có liên hệ với khơng” {  Cái chi phối khí hậu? {  Khí hậu có biến đổi khơng? {  Có thể dự báo khí hậu khơng? {  Tại hạn hán thường xảy miền Trung {  Tại mùa đơng miền Bắc thường hay có rét đậm, rét hại? {  … Mở đầu |  Căn nguyên vấn đề Trái đất hấp thụ lượng xạ mặt trời, nóng lên phát xạ vào không gian Mặt trời phát xạ lượng xạ xuống trái đât Nng lượng đến = Năng lượng S (1 − α )π R = 4π R 2σ T T ≈ −18o C Mở đầu |  Tính tốn từ phương trình cân đây: T ~ -18oC |  Thực tế quan trắc được: T ~ +15oC |  è Chênh lệch ~33oC |  Tại sao? {  Chưa tính đến cấu trúc thẳng đứng khí vai trị khí {  Chưa tính đến vai trị dịng lượng khác {  Chưa tính đến vận chuyển lượng {  … |  Cần phải làm rõ !!! Mở đầu |  Những nhân tố định khí hậu Trái đất {  Sự biến đổi xạ đến từ mặt trời (do biến đổi quĩ đạo Trái đất lượng xạ mặt trời) {  Sự biến đổi tỷ lệ xạ mặt trời bị phản xạ (albedo; thay đổi độ phủ mây, hạt phân tử khí thực vật) {  Sự biến đổi xạ sóng dài từ Trái đất trở lại vũ trụ (do biến đổi hàm lượng khí nhà kính) {  Sự phản ứng lại hệ thống khí hậu, cách trực tiếp gián tiếp, với biến đổi thơng qua tính đa dạng chế hồi tiếp Mở đầu |  Khái niệm tác động xạ |  Biến đổi khí hậu |  Dao động khí hậu (biến động khí hậu - Variability) |  Cực trị thời tiết {  Thời tiết nguy hiểm {  Thời tiết {  Thời tiết cực đoan |  Cực trị khí hậu – Cực đoan khí hậu Mở đầu Chương Giới thiệu hệ thống khí hậu tồn cầu Khái niệm thời tiết khí hậu (1) |  Thời tiết trạng thái tức thời khí địa điểm cụ thể, đặc trưng đại lượng đo được, nhiệt độ, độ ẩm, gió, lượng mưa,… tượng quan trắc được, sương mù, dông, mưa, nắng, … |  Ví dụ: {  “Hơm qua mưa to Hà Nội” {  “Ngày mai trời trở rét, vùng núi phía bắc nhiệt độ xuống 5oC” {  … Sự biến đổi mực nước biển kỷ 21 Chuối thời gian mực nước biển trung bình (độ lệch so với trung bình thời kỳ 1980-1999) khứ dự tính cho tương lai Thời kỳ trước 1870, số đo toàn cầu mực nước biển khơng có Vùng bóng xám khơng chắn tốc độ ước lượng biến đổi mực nước biển Đường đỏ tái tạo lại mực nước biển từ số liệu thủy triều, vùng bóng đỏ ký hiệu phạm vi biến động đường cong làm trơn Đường xanh mực biển trung bình tồn cầu quan trắc từ số liệu vệ tinh Vùng bóng xanh nước biển biểu diễn phạm vi ước tính theo mơ hình theo kịch SRES A1B cho kỷ 21 soi với trung bình thời kỳ 1980 – 1999 Sự biến đổi mực nước biển kỷ 21 Projected global average sea level rise (m) due to thermal expansion during the 21st century relative to 1980 to 1999 under SRES scenarios A1B, A2 and B1 See Table 8.1 for model descriptions Sự biến đổi mực nước biển kỷ 21 Local sea level change (m) due to ocean density and circulation change relative to the global average (i.e., positive values indicate greater local sea level change than global) during the 21st century, calculated as the difference between averages for 2080 to 2099 and 1980 to 1999, as an ensemble mean over 16 AOGCMs forced with the SRES A1B scenario Stippling denotes regions where the magnitude of the multimodel ensemble mean divided by the multi-model standard deviation exceeds 1.0 Sự biến đổi mực nước biển kỷ 21 Projections and uncertainties (5 to 95% ranges) of global average sea level rise and its components in 2090 to 2099 (relative to 1980 to 1999) for the six SRES marker scenarios The projected sea level rise assumes that the part of the present-day ice sheet mass imbalance that is due to recent ice flow acceleration will persist unchanged It does not include the contribution shown from scaled-up ice sheet discharge, which is an alternative possibility It is also possible that the present imbalance might be transient, in which case the projected sea level rise is reduced by 0.02 m It must be emphasized that we cannot assess the likelihood of any of these three alternatives, which are presented as illustrative The state of understanding prevents a best estimate from being made Chương Dự tính khí hậu khu vực Giới thiệu dự tính khí hậu khu vực |  Ở nhiều vùng lục địa ấm lên lớn nhiều so với ấm lên tồn cầu nước sẵn có cho q trình làm mát nhờ bốc quán tính nhiệt nhỏ so với đại dương |  Nói chung ấm lên làm tăng biến động không gian giáng thủy, góp phần vào giảm mưa vùng cận nhiệt đới tăng vĩ độ cao số nơi nhiệt đới Ranh giới vùng tăng giảm mạnh chưa chắn nói chung nơi mà dự tính mơ hình hồn lưu chung khí – đại dương (AOGCM) chưa hợp lý |  Sự mở rộng phía cực cao áp cận nhiệt đới kết hợp với xu giảm giáng thủy cận nhiệt đới tạo dự tính giảm đặc biệt mạnh giáng thủy vùng biên cận nhiệt đới phía cực Hầu hết dự tính giảm giáng thủy khu vực kỷ 21 có liên quan với vùng lân cận cao áp cận nhiệt |  Có xu hồn lưu gió mùa dẫn tới giáng thủy tăng hội tụ ẩm tăng cường có xu yếu dịng gió mùa Tuy nhiên, nhiều khía cạnh phản ứng lại khí hậu nhiệt đới chưa chắn Giới thiệu dự tính khí hậu khu vực |  Dự tính nhiệt độ: So với báo cáo lần thứ ba (TAR) kết dự tính AR4 có độ tin cậy cao sử dụng nhiều mô khác nhau, mơ hình cải thiện, hiểu biết tốt vai trò khiếm khuyết kết phân tích kỹ Sự ấm lên thường lớn trung bình tồn cầu vùng lục địa |  Dự tính giáng thủy: Nói chung biến đổi giáng thủy tương tự kết TAR với độ tin cậy cao dự tính số khu vực Sự phù hợp mơ hình quan trắc nhận thấy nhiều khu vực rộng lớn |  Các tượng cực trị: Biến đổi tượng cực đoan tăng mạnh Những kết nhận sóng nóng, mưa lớn hạn hán có độ tin cậy tăng lên đáng kể so với TAR Tuy phân tích cụ thể mơ hình chưa có số khu vực Đặc biệt kết dự tính tượng cực đoan cho vùng nhiệt đới chưa chắn Sự khó khăn dự tính phân bố xốy thuận nhiệt đới góp phần vào tính khơng chắn Giới thiệu dự tính khí hậu khu vực |  Temperature anomalies with respect to 1901 to 1950 for six continental-scale regions for 1906 to 2005 (black line) and as simulated (red envelope) by MMD models incorporating known forcings; and as projected for 2001 to 2100 by MMD models for the A1B scenario (orange envelope) The bars at the end of the orange envelope represent the range of projected changes for 2091 to 2100 for the B1 scenario (blue), the A1B scenario (orange) and the A2 scenario (red) The black line is dashed where observations are present for less than 50% of the area in the decade concerned Giới thiệu dự tính khí hậu khu vực |  Robust findings on regional climate change for mean and extreme precipitation, drought, and snow This regional assessment is based upon AOGCM based studies, Regional Climate Models, statistical downscaling and process understanding More detail on these findings may be found in the notes below, and their full description, including sources is given in the text The background map indicates the degree of consistency between AR4 AOGCM simulations (21 simula- tions used) in the direction of simulated precipitation change Giới thiệu dự tính khí hậu khu vực |  Blue and green areas on the map are by the end of the century projected to experience increases in precipitation, while areas in yellow and pink are projected to have decreases The top panel shows projections for the period covering December, January and February, while the bottom panel shows projections for the period covering June, July and August Dự tính khí hậu cho khu vực Châu Á Temperature anomalies with respect to 1901 to 1950 for six Asian land regions for 1906 to 2005 (black line) and as simulated (red envelope) by MMD models incorporating known forcings; and as projected for 2001 to 2100 by MMD models for the A1B scenario (orange envelope) The bars at the end of the orange envelope represent the range of projected changes for 2091 to 2100 for the B1 scenario (blue), the A1B scenario (orange) and the A2 scenario (red) The black line is dashed where observations are present for less than 50% of the area in the decade concerned Dự tính khí hậu cho khu vực Châu Á Temperature and precipitation changes over Asia from the MMD-A1B simulations Top row: Annual mean, DJF and JJA temperature change between 1980 to 1999 and 2080 to 2099, averaged over 21 models Middle row: same as top, but for fractional change in precipitation Bottom row: number of models out of 21 that project increases in precipitation Dự tính khí hậu cho khu vực Châu Á (a) The ensemble mean change in withdrawal date of the summer rainy season between the MMD-A1B projections in 2081 to 2100 as compared with the 1981 to 2000 period in the 20C3M simulations A positive value indicates a later withdrawal date in the A1B scenario Units are days (b) Fraction of the models projecting a positive difference in withdrawal date Dự tính khí hậu tượng cực đoan Việt Nam |  Các phương pháp sử dụng {  Downscaling thống kê: Sử dụng mối quan hệ thống kê số liệu quan trắc sản phẩm kết xuất từ GCM |  Ưu điểm: Đơn giản, khơng địi hỏi lực máy tính |  Nhược điểm: Chấp nhận giả thiết qui luật thống kê khứ trì cho tương lai; quan hệ vật lý biến bị phá vỡ {  Downscaling động lực: Chạy mơ hình khí hậu khu vực với điều kiện biên sản phẩm từ GCM |  Ưu điểm: Mô tả chi tiết q trình địa phương, bảo đảm tính lơgic vật lý biến |  Nhược điểm: Chi phí tính tốn lớn; sai số mơ hình Tính bất định nghiên cứu biến đổi khí hậu khu vực |  Sai số mơ hình khu vực {  Động lực học {  Tham số hóa vật lý |  Sai số số liệu điều kiện biên {  Sai số mơ hình tồn cầu |  Tính khơng chắn kịch ... thường gặp {  Khí hậu gì? {  Khí hậu khác với thời tiết nào? {  Khí hậu thời tiết có liên hệ với khơng” {  Cái chi phối khí hậu? {  Khí hậu có biến đổi khơng? {  Có thể dự báo khí hậu khơng?... Biến đổi khí hậu |  Dao động khí hậu (biến động khí hậu - Variability) |  Cực trị thời tiết {  Thời tiết nguy hiểm {  Thời tiết {  Thời tiết cực đoan |  Cực trị khí hậu – Cực đoan khí hậu Mở... làm thay đổi thành phần khí quyển, biến đổi sử dụng đất Các thành phần hệ thống khí hậu (2) Sơ đồ minh họa hệ thống khí hậu: A, H (O), B, C, L Các thành phần hệ thống khí hậu (2) 1) Khí |  Là