Giáo trình tài nguyên khí hậu

MAI TRỌNG THƠNG (Chủ biên) - HỒNG XN c Đ K l HA NỘI NHÀ XUẤT BẢN ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI MAI TRỌNG THONG (Chủ biên) - HỒNG XN c GIÁO TRÌNH TÀI NGUN KHÍ HẬU (IN LẦN THỨ 2) NHÀ XUẤT ISAN [)Ạ1 HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI C h ịu tr c h n h iệ m x u ấ t b ả n G iá m đốc: NGUYỄN VĂN THỎA Tổng biên tập: NGUYỄN THIỆN GIÁP N h ậ n xét: TS ĐẶNG KIM NHUNG ThS NGUYỄN THỊ PHƯƠNG LOAN B iê n tậ p v s a b ả n in: v ũ XUÂN BAN T r ìn h b y b ìa : NGỌC ANH GIÁO TRÌNH TÀI NGUYÊN KHÍ HẬU Mã số: Q1.35.ĐK2002 In 1000 Nhà in Đại học Quốc gia Hà Nội Sô' xuất bản:197/171/CXB số trích ngang 163 KH/XB In xong nộp lưu chiểu q lí năm 2002 LỜI NĨI ĐẦU Giáo trình nhằm phục vụ cho việc giảng dạy mịn Tài ngun khí hậu, chương trình năm thứ III, khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên thuộc Dại học Quốc gia Hà Nội Ngoài ra, giáo trình tài liệu nghiên cứu, giảng dạy trường đại học cao đẳng khác Giáo trình cung cấp cho sinh viên học viên cao học kiến thức nguyên lý khí hậu học, khí hậu tài nguyên khí hậu Việt Nam, quan điểm mởi hiến đổi khí hậu tác động khí hậu đến mơi trường sinh thái, Vì thịi gian có hạn, chúng tơi gắng biên soạn có tham khảo chương trình giảng dạy mơn K hí hậu học khoa Địa lý Địa chất (cũ) khoa Môi trường, trường Đại học Khoa học Tự nhiên Tập thể tác giả cho rằng: giáo trình chắn cịn có khiếm khuyết Rất mong nhận ý kiến đóng góp thầy giáo, nhà khoa học, hệ siqh viên hạn đọc, để lần tái sau hoàn thiện Tãp thê tá c g iả TS Hoàng Xuân Cơ TS Mai Trọng Thông Mở đầu MỘT SỐ KHÁI NIỆM Cơ BẢN VỂ KHÍ TƯỢNG HỌC VÀ KHÍ HẬU HỌC » * * * * * Khí tượng học Trái đất từ phía bao bọc bỏi lớp khơng khí khổng lồ Lớp khơng khí gọi khí Khí trái đất nói chung suốt nên nhiều ta khơng có cảm giác ị khí Nhưng khí lại tự khẳng định tồn thơng qua: gió, mưa, giơng tố, bão, nóng rát vào mùa hè, rét cóng vào mùa đơng Những tượng liên quan mật thiết với tồn Khoa học vể khí nghiên cửu tất tượng, trình vật lý xảy bên trgụg khí quyển, gọi khí tượng học Khi tượng học cịn gọi vật lý khí quyển, giải thích chất vật lý tượng xảy khí Trong khí thường xuyên xảy đồng thời tập hợp tượng vật lý khác lại liên quan chặt chẽ với Trạng thái khí với tập hợp tượng, trình vật lý quan sát khí thời điểm định gọi thài tiế t Thời tiết thay dổi theo thời gian không gian Học thuyết vể thời tiết phương pháp dự báo gọi tượng đựbáo Khí hậu học Khái niệm thời tiết liên quan chặt chẽ đến khái niệm khí hậu nơi trái đất, thời tiết khác hàng giờ, hàng ngày, hàng tháng, hàng nàm Song, ta tìm đặc điểm khí tượng đặc trưng riêng cho địa phương so sánh với địa phương khác Chảng hạn, ta nói vùng nóng ấm hơn, nhiều mưa hơn, v.v vùng Tập hợp điểu kiện khí tượng đặc trưng xác định ba nhản tố bản: - Bức xạ mặt trời; - Hồn lưu khí qun; - Điều kiện địa lý địa phương Bức xạ mặt trời nhân tố quan trọng trình vật lý khác xảy khí nhờ có lượng mặt trời Song, xạ mặt trời phân bố khơng đểu mặt đất Có nơi nhận nhiều xạ mặt trời (vùng xích đạo) lại có nơi nhận xạ mặt trời (vùng cực) Chính khác biệt ngun nhân gây chuyển động khơng khí Tổng hợp dịng khí hay vận chuyển chung khí gọi hồn lưu chung khí Ngoài ra, khác địa phương diều kiện địa hình, lớp phủ thực vật, độ ẩm mặt đất v.v ảnh hường yếu tố khí tượng nói riêng chế độ thời tiết nói chung khu vực Khí hậu khu vực kết tác động tương hỗ ba nhân tố Vậy khí hậu gì? Khái niệm làm rõ giáo trình Trưốc hết, thấy khí hậu đặc trưng chế độ thời tiết nhiều năm (theo ý nghĩa chê' độ thời tiết thịnh hành) điểu kiện thời tiết nói chưng xảy nơi Các quan niệm khí hậu: - Theo Vơâycốp: Khí hậu trạng thái thời tiết trung bình; - Theo Phêđơrơp: Khí hậu tơng hợp thời tiết: - Theo Bec: Khí hậu phận trình địa lý: - Theo quan điểm đại: Khí hậu trạng thái vật lý tổng qt hệ thống khơng khí bao quanh trái đất, hình thành dưối tác dụng tương hỗ xạ mặt trời, hồn lưu khí điểu kiện địa lý Đ ịnh n gh ĩa k h í hậu: Hiện nay, theo chúng tơi, sử dụng quan niệm Alixơp vể khí hậu để làm định nghĩa: Khí hậu nơi chê độ thòi tiết đặc trưng nỉũều năm, tạo nên xạ mặt trời, đặc tính mặt đệm hồn lưu khí Khoa học nghiên cứu điểu kiện hình thành khí hậu chế độ khí hậu lãnh thổ gọi khí hậu học Đ ối tương ngh iên cứu k h í h âu hoc: - Tác động nhân tố mối quan hệ nhân tố tạo thành khí hậu; - Các quy luật phân bố theo lãnh thổ biến đổi theo thịi gian yếu tố khí tượng lãnh thổ đó; - Sự phân loại, phân vùng khí hậu tồn trái đất khu vực, lãnh thổ khác nhau; - Sự biến đổi khí hậu tác động người Vậy khí hậu bước tất yếu, bước sau việc nghiên cứu thòi tiết, đồng thời kết nghiên cứu khí hậu lại phục vụ nghiên cứu thời tiết Muốn nắm vững quy luật khí hậu phải nắm vững quy luật thời tiết Ngược lại, muốn làm dự báo thời tiết tốt phải nắm vững khí hậu khu vực Căn vào quy mô, phạm vi, đôi tượng nghiên cứu, người ta chia khí hậu thành đại khí hậu, khí hậu địa phương vi khí hậu Đại hậu: biểu thị phức tạp hồn lưu chung khí ỏ quy mô lớn miền, đdi địa lý Khí hậu điạ phương: hậu khu vực có quy mơ địa phương tạo nên quan hệ diếu kiện địa hình (hướng dốc độ dõc), địa mạo (kiểu dạng địa hình khu vực đó) với diểu kiện xạ mặt trời Từ mốì quan hệ hỉnh thành nên điều kiện nhiệt độ khơng k h í chế độ gió, chế độ mưa khác khu vực Vi khí hậu: khí hậu lãnh thổ, hình thành ảnh hưởng khác biệt vể địa hình, lớp phủ thực vật, trạng thái đất, hồ chứa nưóc Các đặc trưng bẳn vi khí hậu thể lớp khơng khí sát mặt đất (đến độ cao vài chục mét) Cao nữa, đặc trưng vi khí hậu bị biến ảnh hưởng chuyển vận khơng khí theo chiều cao theo chiều ngang Khí hậu ứng dụng: cơng trình nghiên cứu khí hậu có ý nghĩa chung có ý nghĩa đặc thù phục vụ thực tiễn Liên quan với yêu cầu thực tiễn, xuất mơn khí hậu ứng dạng: khl hậu nơng nghiệp, khí hậu rừng, khí hậu giao thơng, khí hậu xây dựng, khí hậu y học Đia lý khí hậu: khí hậu thành phần điạ lý quan trọng, nhân tố động lực chủ đạo để hình thành nên lớp phủ bể mặt trái đất, lớp vỗ địa lý như; lớp phủ thổ nhưỡng, lớp phủ thực vật, chế độ thủy văn, cảnh quan tự nhiên Như vậy, đốì với khu vực địa lý tự nhiên đó, khí hậu có vai trị định để hình thành ỏ nơi loại đất, thảm thực vật nguyên sinh, chế dộ dòng chảy, loại cảnh quan sinh thái Phần nghiên cứu khí hậu gắn liền với địa lý học có tính đặc thù riêng theo quan điểm địa lý gọi địa lý khí hậu Định nghĩa mang tính chất địa lý khí hậu theo Sneider Karius sau: Khí hậu cảnh quan điển hình nơi đó, tập hợp trạng thái khí q trinh thời tiết ìnột khoảng khơng gian lởn quan sát gần ìnặt đất, có tác động đến bề m ặt trái đất khoảng thời gian dài Tập hợp biểu thị phân bô giá trị trung binh lặp lại thường xuyên giá trị cực trị Khái niệm tài nguyên khí hậu K h i n iêm tà i nguyên Trong thiên nhiên tồn khối lượng dự trữ chất Đó tổng lượng chất có mơi trường, phần lớn chưa khai thác hoậc chưa thể gia công theo công nghệ đại Phần khối dự trữ sứ dụng điểu kiện xã hội, kinh tế công nghệ định gọi tài nguyên Vậy, tài nguyên dạng thức có sẵn để cung cấp cho nhu cầu kinh tế xã hội người (ví dụ đất đai, khống sản, nhân lực ) Các chất khống nhiên liệu hóa thạch coi nguyên liệu tài nguyên nguyên liệu dự trữ Tài nguyên k h í hâu Từ quan niệm tài nguyên nêu trên, ta coi dạng thức tài nguyên khí hậu nguồn lợi ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, gió vùng khai thác nhằm thúc đẩy sinh trưởng, phát triển, tảng suất trồng, vật ni phục vụ mục đích phát triển ngành kinh tế - xã hội Khái niệm biến đổi khí hậu Chế độ khí hậu nói chung đểu biểu thị biến đổi có quy luật quãng thời gian dài hàng chục năm hàng tràm nàm Trong trình biến đổi này, khí hậu vùng â'm lên, lạnh đi, ẩm khơ Trong biến đổi có tính chất hệ thống này, xuất dao động thường không điều hịa chế độ khí tượng từ năm qua năm khác, tạo nên dao động nhỏ với chư kỹ khác xu biến đổi chung khí hậu Các khái niệm yếu tố khí tượng Trạng thái khí quyên, trinh xảy khí quyển, tượng thời tiết riêng biệt biểu thị đặc trưng định tính định lượng Các đặc trưng dược gọi yếu tố khí tượng Các yếu tố là: a Bóc xạ mật trời: tổng thể lượng vật chất mặt trời đến trái đất gọi bớc xạ mặt trời Bức xạ mặt trời nguồn lượng tất q trình khí Bức xạ mặt trời quy định vể chế độ nhiệt, chế độ ánh sáng lớp vỏ địa lý Cường đọ xạ mặt trời đo theo tác động nhiệt xạ mặt trời biểu thị cal/cm^phút w/ms theo phương thẳng đứng với bể mặt Cường độ ỏ biên giới khí gọi số mặt ười b Lượng máy: tập hợp loại máy quan sát bầu trời thời điểm quan trác Lượng mây coi phần bầu trời bị mây che phủ Lượng mây tính phần mười bầu trời e Khí áp ịáp suất khí quyển): sỏ dĩ có áp lực khơng khí khí có trọng lượng Lực tác dụng trọng lượng cột khơng khí có chiểu cao bề dày khí lên đơn vị diện tích gọi khí áp Trong trạm khí tượng, khí áp đo khí áp biểu thủy ngán Đơn vị đo mmHg, mb (milibar) Pa (Pascal), hPa, kPa d Tốc độ hướng gió: gió chuyển dời khơng khí theo phương nằm ngang tương đối so với mặt đất, đặc trưng yếu tố: tốc độ gió hướng gió Tốc độ gió biểu thị m/s, km/h Hướng gió hướng từ đâu gió thổi tới, xác định theo 16 hướng Người ta thường dùng máy wild để đo tốc độ hướng gió Có thể dùng máy gáo phong tiêu để đo e Nhiệt độ khơng khí: xác định dụng cụ đo điểu kiện cân nhiệt hoàn toàn dụng cụ với khí xung quanh với đất Nhiệt độ khơng khí đo bỏi nhiệt kế khơ đặt lểu khí tượng độ cao 2m so với mặt đát, biểu thị °c số nước nhiệt độ đo °F, vật lý dùng thang độ tuyệt đối (°K) 10 1.2 Sự biến đổi khí hậu h iệu ứng khí nhà kinh Sự biến đổi khí hậu tồn cầu thời kỳ đại điíợc biểu chủ yếu nóng lên toàn cầu, bắt nguồn từ phát thải mức vào khí chất khí có hiệu ứng nhà kính nhiếu lĩnh vực hoạt động kinh tế người trái đất Theo tính tốn nhóm liên quốc gia vể biến đổi khí hậu (viết tắt IPCC) thì: - Nhiệt độ bề mặt trung bình tồn cầu tảng lên từ 0,3 đến 0,6nc từ cuối kỷ 10: O ^-O ^c vòng 40 năm qua Hai thời kỹ nóng lên đáng kể từ 1910 đến 1940 từ 1970 đến - Kết quà phân tích số liệu 600 nám (từ 1400-2000) nhiệt độ trung bình bán cầu Bắc cho thây: thập ký cuối kỷ 20 nóng lên cách khơng bình thường - Lượng mưa trung bình lục địa toàn cầu tâng từ đầu kỷ đến năm 1960 Từ năm 1980 đến nay, lượng mưa có xu giảm Như vậy, nguyên nhân chủ yếu biến đổi khí hậu tồn cầu gia táng cách đáng kể lượng khí nhà kính vào khí quyển, từ hoạt dộng người Việc tăng lượng khí nhà kính làm tăng hiệu ứng nhà kính, làm táng nhiệt độ khí trái đất kèm theo làm biến đổi loạt đặc trưng khí hậu khác Trong bốn loại khí nhà kính phát thài vào khí (CO*, CH4, NO„) C 02 đóng vai trị quan trọng thành phần khí nhà kính - Khí C 02 NOx phát thải trình dốt cháy nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí tự nhiên) Nhiên liệu hóa thạch sử dụng lị cơng nghiệp đê phát điện, sân xuất xi măng, giấy, sản phẩm dệt, đường, vật liệu xãy dựng Nguồn phát thải CO;, khác sủ dụng lượng phi thương mại đốt cháy củi, gỗ, chất thải chế biến nông sản SỐ liệu kiểm kê khí C 02 phát thải vào khơng khí 20 nám trở lại đậy toàn cầu theo IPCC bảng 9.1 130 Báng 9.1: Phát thải Khí C02 tồn cầu Trung bình 1980-1989 1994 5,5 tỷ ± 0,5 6,1 tỷ Phát thải dịt nhiên liêu hóa thạch sản xuất xi mâng Phát thải sử dụng dất 1.6 tỷ + 1,0 Tổng lượng phát thài nhân tạo 7,1 tỷ + 1,1 Nguồn: IPCC Cũng theo tính toán IPCC, lượng phát thải cacbon thay đổi sử dụng đất vùng nhiệt đới cân nhờ hấp thụ từ trồng rừng ị vùng khác ngồi nhiệt đới Trong nảm 80, cacbon từ khí hấp thụ bỏi sinh từ 0,5-2,0 tỳ tấn/năm Trong vịng 30 năm, 40-60% co* có khí bị hấp thụ Nếu giảm phát thãi tự điều chỉnh lượng C02 nhiều trình khác để đạt cán khí - Khí mêtan (CH„) khí tăng nhanh hoạt động người, đặc biệt lĩnh vực nông nghiệp, xử lý chất thải khai thác nhiên liệu hóa thạch Số liệu IPCC cho thấy, tổng lượng CH4 từ tất nguồn phát thải toàn cầu đạt khoảng 535 triệu năm Nồng độ CH4 khí trung bình từ 1984 tảng 6%/năm IPCC nhận định 60-80% tổng lượng CH4 phát thải hoạt động người - Ơxít nitđ (NịO) khí tảng lên hoạt động nơng nghiệp cịng nghiệp sản xuất số loại axít Các nguổn nhân tạo ước tính phát thải khoảng 38 triệu tấn/năm Các nguồn tự nhiên gấp đơi số lượng 1.3 D ự tính nồng độ k h í nhà kính tương lai khí h ậu tron g tương lai IPCC dự tính vào năm 2100, nồng độ khí nhà kính tăng với tổc độ: ,131 - C 02 tăng 35 đến 170%: - CH4 táng 22 đến 175%: - NäO tăng 26 đến 40% Từ dự tính này, quan hệ với biến đổi khí hận tương lai, IPCC dự đoán: + Vào năm 2100, nhiệt độ khơng khí tăng lên 2°c (trong khoảng 0,9-3,5*0 với dao động khí hậu từ 1,5 đến 4,5°c Sự tăng lên nhiệt độ kỷ 21 lớn tất thời kỳ cúa 10.000 năm trước Sau năm 2100, nhiệt độ không khí tiếp tục tăng, nồng độ khí nhà kính ổn định Vai trị tăng nhiệt độ phát thải COá Tuy nhiên loại khí nhà kính khác đóng góp khoảng 30% tác động + Vào nảm 2100, nước biển dâng lên khoảng 49 cm Mức độ dâng lên nước biển dao động khoảng 15 đến 95cm Nửa thê kỷ đầu, biến đổi mực nước biển sức ĩ đại dương so với khí Trong nửa kỷ sau, tác động mạnh mẽ nước biển tiếp tục dâng lên nồng độ khí nhà kính nhiệt độ bề mặt ổn định II Sự biến đổi khí hậu Việt Nam 100 năm qua vài chục năm tới Biến đổi khí hậu ỏ Việt Nam phận biến đổi khí hậu giới Đặc điểm mức độ biến đổi yếu tố khí hậu Việt Nam vừa phản ảnh xu nóng lên phạm vi tồn cầu, vừa thể tính bất ổn định chế khí hậu gió mùa nhiệt đới lãnh thổ có bờ biển dài 3200km 2.1 M ức độ, tín h ch ất b iến đ ổi củ a loai k h í h âu ch ủ y ếu Trong khoảng 100 năm vừa qua, theo dự thảo lần thứ vể chương trình Quốc gia Việt Nam thực Công ước khung Liên hợp quốc biến dổi khí hậu, kể số biểu sau: 132 - Số bão trung bình hàng năm đạt khoảng khác thập kỷ Riêng 2-3 thập kỷ gần đây, trung bình hàng năm lên đến 6-7 - Trong nảm gần đây, số ngày mưa phùn giảm rõ rệt ỏ nhiều nơi, vùng núi phía Bắc - Nhiệt độ trung bình tháng mùa hè có xu tăng lên với mức 0,l-0,3°c thập kỷ, nhiệt độ tháng khác khơng có xu rõ ràng - Lượng mưa năm lượng mưa tháng rõ rệt xu tăng hay giảm Song 30 năm gần đáy, xảy dị thường đáng kể: mưa lỡn vào cuối mùa mưa, lũ đột ngột, hạn hán gay gắt - Mực nước biển dâng lên chừng 3-4 cm thập kỷ thời gian gần Lượng p h át thài kh í nhà kính Việt Nam