NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Đại Bình Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08-09-1982 Nơi sinh: Tiền GiangChuyên ngành: TOÁN ỨNG DỤNG MSHV: 02407154 NGHIÊN CỨU MỘT SỐ
TỔNG QUAN
Các nghiên cứu ngoài nước
Hiện nay, Cơ quan đánh giá môi trường Hà lan đã cập nhật lên phiên bản IMAGE 2.4, các tài liệu liên quan đã có trên trang web http://www.pbl.nl/en/themasites/images/index.html
Các nghiên cứu trong nước
1.3.1 Các kịch bản BĐKH cho Việt nam đã được xây dựng bao gồm:
- Kịch bản BĐKH năm 1994 (1994 – Nguồn: Báo cáo về BĐKH ở Châu á của Ngân hàng phát triển Châu á)
- Thông báo đầu tiên của Việt nam cho công ước khung của Liên hợp quốc về BĐKH (2003, Nguồn: Viện KHKTTV&MT, TBGQ1)
- Ứng dụng phương pháp nhân tố (2002, 2003 – Nguồn: Đại học Đông Anh, M.Kelly, Trần Việt Liễn, Nguyễn Hữu Ninh)
- Ứng dụng phần mềm MAGICC/SCENGEN 4.1 và phương pháp Downscaling thống kê (2005, 2006 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Việt Liễn,…)
- Kịch bản BĐKH trong dự thảo Thông báo lần hai của Việt nam cho công ước khung của Liên hợp quốc về BĐKH (2007 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Nguyễn Văn Thắng, Hoàng Đức Cường, Trần Việt Liễn,…)
- Ứng dụng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3 và phương pháp Downscaling thống kê (2008 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Thị Thảo, Nguyễn Thị Ngà,…)
- Các kịch bản BĐKH khác theo phương pháp MAGICC/SCENGEN ( 2007, 2008 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Đức Cường,…)
- Mô hình PRECIS (2008 – Nguồn: SEASTART, Hadley, Viện KHKTTV&MT.
1.3.2 Tiêu chí để lựa chọn các kịch bản BĐKH cho Việt nam
- Mức độ tin cậy của kịch bản BĐKH gốc: GCM, phương pháp tổ hợp - Mức độ chi tiết của kịch bản BĐKH: ít nhất đến vùng khí hậu
- Tính kế thừa: Thông báo quốc gia lần thứ nhất về BĐKH, dự thảo Thông báo quốc gia lần thứ hai về BĐKH,…
- Tính thời sự kịch bản: càng gần đây càng tốt, ưu tiên các kịch bản đã sử dụng số liệu của AR4/IPCC năm 2007
- Tính phù hợp địa phương: phù hợp với diễn biến khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa) ở Việt nam
- Tính đầy đủ của các kịch bản: có các kịch bản cao, trung bình, thấp ứng với các kịch bản phát thải khí nhà kính.
- Khả năng cập nhật kịch bản BĐKH: ở Việt nam có thể chủ động vận hành mô hình, phần mềm, có mã nguồn, khả năng cập nhật số liệu,…
Trên cơ sở phân tích các tiêu chí trên đây đối với các kịch bản BĐKH đã trình bày ở trên chúng tôi lựa chọn các kịch bản BĐKH cho Việt nam được xây dựng bằng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3 với ứng dụng phương pháp Downscaling thống kê.
Hai kịch bản phát thải khí nhà kính được chọn là kịch bản trung bình của nhóm các kịch bản phát thải cao (A2) và kịch bản trung bình của nhóm các kịch bản phát thải vừa (B2)
Trên các Bảng 1.1 và Bảng 1.2 là ví dụ về các kịch bản biến đổi nhiệt độ ở vùng khí hậu Tây Bắc và Nam Bộ được xây dựng bằng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3
Bảng 1-1 Mức tăng nhiệt độ trung bình ( 0 C)
Các mốc thời gian của thế kỷ 21 Kịch bản
Bảng 1-2 Mức tăng nhiệt độ trung bình ( 0 C)
Các mốc thời gian của thế kỷ 21 Kịch bản
1.3.3 Một số ứng dụng tính toán BĐKH cho Việt nam giai đoạn 2010 – 2100. a) Phần mềm MAGICC/SCENGEN MAGICC là một trong những mô hình chính được IPCC sử dụng từ những năm 1990 để dự báo nhiệt độ trung bình toàn cầu và mực nước biển dâng trong tương lai Cho đến nay phần mềm MAGICC/SCENGEN đã được nghiên cứu và phát triển qua ba phiên bản: Version 2.4 được sử dụng IPCC_SAR năm 2000, Version 4.1 trong IPCC_TAR với độ phân giải 5 0 ×5 0 độ kinh vĩ năm 2005, Version 5.3 trong IPCC_AR4 với độ phân giải 2.5 0 ×2.5 0 kinh vĩ năm 2007
MAGICC– Mô hình đánh giá khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu (Model for Assesment of Greenhouse Gas Induced Climate Change) là tổ hợp các mô hình về chu trình khí, về khí hậu và tan băng, cho phép ước lượng được nhiệt độ trung bình toàn cầu và các hệ quả về nước biển dâng theo những phương án phá t thải khác nhau của khí nhà kính và sol khí (chủ yếu là sunfur dioxide) MAGICC do cơ quan Nghiên cứu Khí hậu- CRU của Anh và Trung tâm quốc gia Nghiên cứu Khí quyển- NCAR của Mỹ phát triển, trong đó hai tác giả chính là T.Wigley và S.Raper CRU và NCAR là hai đơn vị chính cung cấp kết quả cho IPCC.
SCENGEN- Mô hình tạo các kịch bản khí hậu vùng (A Regional Climate
Scenario Generator) là mô hình tạo ra một loạt các kịch bản BĐKH theo vùng địa lý, trên cơ sở sử dụng kết hợp kết quả của MAGICC và một loạt thực nghiệm các mô hình hoàn lưu chung (GCM), mô hình kép đại dương - khí quyển toàn cầu (AOGCM), liên kết chúng với số liệu quan trắc khí hậu vùng đã tạo ra các kết quả rất đa dạng về BĐKH cho các vùng, vào các thời kỳ khác nhau của thế kỷ 21 Thời kỳ chuẩn được dung trong mô hình này là 1961- 1990 Kết quả của SCENGEN được thể hiện theo lưới phổ biến của các bài toán số trị là 2.5 0 ×2.5 0 độ kinh vĩ
Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi khí hậu (IPCC) khuyến nghị sử dụng MAGICC/SCENGEN như một công cụ hỗ trợ hiệu quả để các quốc gia và vùng lãnh thổ xây dựng các kịch bản biến đổi khí hậu phù hợp với điều kiện địa phương của họ.
Khi đã chọn được hai kịch bản được đưa vào, người sử dụng có thể lựa chọn cách khác liên quan đến tham số của mô hình mà các tham số đó ảnh hưởng đến thành phần khí quyển và khí hậu trung bình toàn cầu trong tương lai Tiếp theo luận văn phải chọn mô hình chu trình khí quyển để chuyển lượng phát thải thành nồng độ của các chất phát thải (hoặc thành phần sol khí, để chuyển lượng phát thải thành nồng độ của các chất phát thải (hoặc thành phần sol khí, hoặc trực tiếp thành lượng bức xạ bổ xung) Nồng độ các khí nhà kính sau khi đã được chuyển, sử dụng công thức chuẩn để tính lượng bức xạ và tổng lượng bức xạ được dùng để chạy một mô hình khí hậu cơ bản: mô hình cân bằng năng lượng và mô hình nước trồi Số liệu nhiệt độ trung bình toàn cầu dùng để chạy ba mô hình tan băng cho các sông băng và các lớp phủ băng nhỏ, Greenland, Nam cực Khi thêm vào đó giới hạn giãn nỡ vì nhiệt của nước và băng để đưa ra tổng mực nước biển dâng
SCENGEN khi biến đổi một trong số các dự báo nhiệt độ trung bình toàn cầu của UD EBM, với bản đồ biểu diễn khí hậu tương lai của một vùng một cách chi tiết cho tập hợp của các biến khác nhau như nhiệt độ, lượng mưa,…Thuật toán được sử dụng trong SCENGEN được phát triển bởi các báo cáo sau năm 1980 của các tác giả và được mô tả trong Santer et al (1990) Phương pháp đó gọi là phương pháp
“scaling”, dựa trên cơ sở sự thay đổi quan trọng của tổng thể hay chính là trung bình toàn cầu Điều đó có nghĩa là, luận văn có thể đưa ra hướng thay đổi chính của mô hình vùng trong tương lai trong khoảng thời gian khá dài từ mô hình toàn cầu GCM (General Circulation Model) và tương ứng sự nóng lên toàn cầu DT e , scale đơn giản được xác định bởi tỷ số e
D D để có được sự thay đổi của mô hình vùng về mặt lượng DT là lớn hay nhỏ hơn tương ứng với nóng lên của trung bình toàn cầu
D Do đó, ví dụ sự nóng lên trung bình toàn cầu giảm đi một nửa thì tất cả giá trị chi tiết cho thay đổi của mô hình vùng cũng giảm đi một nửa.
Công thức tính toán cho phương pháp scaling được viết như sau:
Trong đó X- vectơ gồm một số biến liên quan tới khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, áp suất, i- chỉ vị trí của điểm lưới; D- sự thay đổi so với giai đoạn chuẩn (trong MAGICC/SCENGEN là từ 1961- 1990);DX i t ( ) - sự thay đổi của biến X tại điểm lưới I tại thời điểm t; DX e i , - sự thay đổi của biến X ở điểm lưới I ứng với sự thay đổi của nhiệt độ trung bình toàn cầu DT e được lấy từ GCM; DT ( ) t - sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu tại thời điểm t trong tương lai được lấy từ đầu ra của MAGICC. b) Mô hình PRECIS PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts Studies) là mô hình động lực khí hậu khu vực, cơ bản được xây dựng bởi trung tâm Nghiên cứu Khí hậu Toàn cầu Hadley và được chạy trên máy tính cá nhân (PC) nhằm phục vụ việc xây dựng các kịch bản BĐKH cho khu vực nhỏ Tiền thân của mô hình PRECIS là mô hình HadRM3P xây dựng từ năm 1991 được phát triển, cải tiến kỹ thuật để dự báo biến đổi khí hậu.
Mô hình PRECIS đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để xây dựng kịch bản BĐKH cho từng khu vực và từng quốc gia, cụ thể như sau:
- Trước hết là tại Anh quốc, đặc biệt tại trung tâm Hadley và đại học READING
- Liên hiệp quốc: xây dựng kịch bản BĐKH độ phân giải cao sử dụng PRECIS cho một số khu vực và quốc gia trên thế giới;
- Ứng dụng mô hình PRECIS nhằm xây dựng các kich bản BĐKH cho các quốc gia thuộc khu vực Đông nam á trong khuôn khổ chương trình SEASTART
- Ứng dụng mô hình PRECIS nhằm xây dựng kịch bản BĐKH cho tài nguyên nước lưu vực sông Mê- Kông
CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG TRÌNH TỔNG QUÁT TRONG
Phương trình trạng thái
Đầu tiên luận văn định nghĩa biến trạng thái C ( ) t là khối vectơ chứa các khối biến sau :
= = x , , , là lượng cacbon chứa trong các khối mô hình khuếch tán đại dương, (GtC) y : nồng độ cacbon của CO2 trong khí quyển, (ppmv)
1 49 z = z j j , = , , là lượng cacbon chứa trong bảy cấp của hệ sinh thái được xét tới, (GtC)
1 7 s = s j j , = , , là diện tích các vùng đất ở châu Phi, tương ứng với trong bảy hệ sinh thái, (ha)
7 1 7 s = s j + , j = , , diện tích các vùng đất ở Nam Mĩ, tương ứng với bảy hệ sinh thái, (ha)
14 1 7 s = s + j , j = , , diện tích các vùng đất ở Đông Nam Á, tương ứng với bảy hệ sinh thái, (ha)
Nhiệt độ đại dương đã thay đổi đáng kể trong thế kỷ qua do sự nóng lên toàn cầu Các lớp đại dương sâu hơn đã ấm lên khoảng 0,49 độ C (1,1 độ F) kể từ năm 1900 Trong khi đó, lớp bề mặt đại dương đã ấm lên khoảng 0,12 độ C (0,22 độ F) trong cùng thời kỳ.
1 18 w=w j j , = , , là nồng độ, trong đó của các khí CFC khác nhau là
1, , 15 w w (pptv), CO là w 16 , CH4 là w 17 (ppmv), N2O là w 18 (ppbv), trong khí quyển.
Vectơ biến trạng thái X(t)- với t là thời gian cho toàn bộ hệ thống- chứa các đại lượng trên và các thành phần của véctơ cũng theo thứ tự trên với 151 phần tử, được thành lập bởi :
T là ma trận chuyển vị Những đại lượng cũng cần thiết trong việc lập mô hình là c , t x x là lượng cacbon cân bằng của hai khối bề mặt của mô hình khối khuếch tán (GtC)
1 7 p p , j j , , d =d = là sản phẩm trao đổi chất của mỗi cấp độ trong bảy hệ sinh thái (GtC/ hecta/ một năm)
IMAGE là cấu trúc liên kết các mô-đun, trong đó sự tương tác giữa các biến trạng thái trong mô hình biểu thị sự tương tác giữa các thành phần của vectơ trạng thái Những tương tác này được mô tả bởi hệ phương trình vi phân sau:
A là ma trận cấp 151×151, có thành phần giống như X ( ) t và X 0 là giá trị đầu của biến trạng thái X ( ) t
Với ma trận con A IJ lấy từ X Với A I z J s = , = là ma trận con cấp 49×21 liên hệ các tác động tuyến tính giữa các diện tích đất có những hệ sinh thái khác nhau với lượng cacbon trong các hệ sinh thái này.
Hàm vectơ N X ( ( ) t ) 151 1 x là hàm véctơ phi tuyến tính với các biến trạng thái.
U là hàm véctơ theo thời gian, biểu thị điều kiện- ví dụ như sự phát thải các loại khí cũng là hàm theo thời gian- cũng chứa nhiều hằng số.
Véc tơ:N N , U U ,I x, , z,s,u, , w= I = I = y v có cùng cấu trúc như X Ma trận thành phần A I J , và vectơ con N , U I I mô tả các phép toán của các môđun thành phần của IMAGE và sự tương tác giữa các biến, thường gọi là hiện tượng hồi tiếp
(feedback) Chú ý rằng có một số tương tác không xảy ra, ví dụ lượng cacbon của khu vực đại dương, x, và vùng đất trong các hệ sinh thái, s, thì không liên kết trực tiếp với nhau, vì thế một phần A, N, U là số không Thực ra có một mức độ thưa thớt trong hệ phương trình Để rõ ràng hơn, luận văn biểu diễn (1) dưới dạng ma trận
U U Điều kiện đầu lấy giá trị tại năm 1990, được xem là thời gian kết thúc thời kì tiền công nghiệp.
Một hệ sơ đồ rút gọn của mô hình IMAGE được cho dưới đây, chứa các biến trạng thái và các tiến trình chính mô tả các tương tác chủ yếu giữa các biến trạng thái then chốt Sau đây, tiến trình đánh dấu m trong hình n dùng chú thích là (m:n)
14 Sự kết tủa muối cacbonat từ biển.
Trong mô hình, hoạt động của con người yếu tố chính ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống ví dụ như sự phát thải CO2 khi đốt cháy nhiên liệu hoá thạch (quá trình 1 trên hình 2.1), thay đổi cách sử dụng đất (quá trình 2), và sự phát thải các loại khí khác như CH4, N2O, cic NKt CFC, CO bởi hoạt động nông nghiệp, hoạt động công nghiệp, giao thông và các nguồn tự nhiên (quá trình 3) Tâm điểm của mô hình IMAGE là chu trình cacbon, thể hiện sự trao đổi cacbon giữa ba nguồn lưu trữ lớn là khí quyển, biển, đất Cacbon lưu thông giữa ba nguồn này: từ khí quyển vào môi trường đất thông qua sự trao đổi chất (quá trình 4) và sự phân hủy các chất hữu cơ (quá trình 5); giữa khí quyển và hai lớp bề mặt biển thông qua sự trao đổi khí (quá trình 6), và giữa các lớp bề mặt biển với các lớp ở dưới sâu thông qua sự khuếch tán theo phương đứng (quá trình 7): sự trồi xuống của khối nước (down-welling – quá trình 7) và sự trồi lên của khối nước (up-welling – quá trình 8) Khí quyển đóng vai trò là bộ máy liên kết ba nguồn chứa này Đối lập với CO2, nồng độ của các khí vết (trace gas) khác được xác định bằng các phản ứng hoá học, chủ yếu là tỷ lệ mất đi do quang hóa (quá trình 9) Trong mô hình IMAGE, nồng độ các khí vết được mô phỏng là đóng vai trò dữ liệu vào cho môđun khí hậu Các tiến trình quan trọng trong mô hình là bức xạ nhiệt làm thay đổi nhiệt độ nước bề mặt của biển (quá trình 10) và sự trao đổi nhiệt giữa lớp bề mặt biển với các lớp dưới sâu (quá trình 11) Nhiệt độ trung bình toàn cầu của lớp xáo trộn đại dương liên quan tới nồng độ carbon chứa trong phần sinh quyển trên mặt đất và đại dương (quá trình 12) và quá trình 13.
Những mô hình độc lập trong mô hình IMAGE được biểu diễn bởi những sơ đồ trên hình 2.1 Sau đây luận văn xét mô hình cơ bản nhất và quan trọng nhất.
Phân tích cấu trúc mô hình IMAGE
Mô hình chu trình cacbon chứa mô hình khối khuếch tán đại dương, mô hình sinh quyển, mô hình khí quyển.
Mô hình phân tán dạng khối của đại dương Một sơ đồ hệ của mô hình khuếch tán dạng hộp được miêu tả ở hình 2.2
Ba tiến trình cơ bản được mô hình hoá là: thứ nhất là sự di chuyển của lượng cacbon khuếch tán theo chiều nổi lên và lắng xuống, thứ hai là thông qua sự pha trộn hỗn loạn hay là sự khuếch tán theo chiều dọc, và thứ ba là qua kết tủa muối cacbonat Trong sơ đồ trên, CO2 trong khí quyển đi vào biển thông qua sự trao đổi khí giữa khí quyển và hai khối bề mặt của đại dương, được cho là sự hoà trộn hoàn toàn Sử dụng đối số cacbon liên tục, một phép toán có thể được lập cho nồng độ cacbon trong mỗi khối Đối với mức độ cân bҵng hoá học của cacbon trong các khối thì các phương trình vi phân của Revelle có thể dùng được, biểu diễn các phản ứng hoá học trao đổi khí và cân bҵng với CO2 trong khí quyển
Mô hình sinh quyển đất liền được chia thành bảy loại hệ sinh thái: rừng nhiệt đới rậm và thưa, rừng ôn đới, đất nông nghiệp và đồng cỏ, đất thổ cư và đất nửa sa mạc hay đất lãnh nguyên Mỗi hệ sinh thái này được chia nhỏ hơn nữa thành bảy vùng chứa cacbon phân cấp khác nhau (ví dụ: lá, cành, thân, rễ cây), mà tạo thành sinh khối, rác, mùn và than đá, cũng là thể hiện các giai đoạn của chu trình cacbon qua mỗi hệ sinh thái.
Sơ đồ đơn giản cho một hệ sinh thái được cho ở hình 2 3:
1 Sản phẩm trao đổi chất (net primary production) 2 Sự mùn hóa
3 Sự cacbon hoá 4 Sự phân huỷ chất hữu cơ 5 Hoạt động của con người 6 Sự mùn hóa và cacbon hoá do hoạt động của con người như phá rừng, đốt cháy sinh chất
7 Sự phóng thích cacbon do đốt cháy sinh chất.
Dòng chảy của cacbon trong hệ sinh thái trải qua các vùng chứa sinh khối (cây, lá, cành, thân, rễ) và các vùng chứa phi sinh khối (rác, mùn, than đá) Sau khi phân hủy, cacbon được giải phóng dưới dạng CO2 trở lại khí quyển Hoạt động của con người can thiệp vào dòng chảy tự nhiên này, ảnh hưởng đến việc chuyển đổi đất và giải phóng cacbon từ các vùng chứa khác nhau của hệ sinh thái Các mũi tên ra ngoài mô hình đại diện cho dòng chảy cacbon đến các hệ sinh thái khác, trong khi các đường kéo dài vào mô hình biểu thị dòng chảy từ 6 hệ sinh thái khác vào hệ sinh thái này.
12 Sự thoái hoá đất trồng trọt.
13 Sự thoái hoá đất đồng cỏ.
14 Sự sa mạc hoá đất nông nghiệp 15 Sự mở rộng đất đồng cỏ thành rừng nhiệt đới.
16 Sự phá rừng nhiệt đới.
Hình 2.4 chỉ ra các tương tác của sử dụng đất trong số bảy hệ sinh thái của Châu Phi, nhưng khi đặt lại tên biến thì có thể áp dụng cho ba lục địa còn lại
Những khu rừng bị biến đổi giả định là thành đất nông nghiệp, đồng cỏ, đất thái hoá, nửa sa mạc hay rừng tái sinh Hiện tượng phá rừng gây ra bởi nhiều cách chủ yếu bị điều khiển bởi số lượng nhu cầu do sự phát triển dân số và kinh tế Bất kì lúc nào, sự mở rộng đất nông nghiệp được phân bố vào các hệ sinh thái, rừng rậm và rừng thưa nhiệt đới, và các loại đất khác Yếu tố quyết định sự phân bố được xác định bởi sự thích hợp của đất Sự mở rộng đất đồng cỏ thành rừng rậm và rừng thưa nhiệt đới được phân bố dựa theo tỉ lệ giữa số lượng ban đầu và hiện tại của rừng rậm hoặc rừng nhiệt đới Tác động của việc đốn gỗ đến sự phá rừng nhiệt đới được giả định là tỉ số giữa tốc độ phát triển mong đợi của sản xuất cây gỗ cứng và thu hoạch hợp lý Tái sinh rừng được mô tả bằng những hàm logic độc lập với kịch bản
Tỷ lệ phá rừng để lấy gỗ nhiên liệu tỷ lệ thuận với tốc độ tăng trưởng dân số nông thôn Mặc dù khó xác định chính xác, nhưng cần nỗ lực định lượng tác động của các dự án công nghiệp, khai thác mỏ và cơ sở hạ tầng.
Đoạn văn này tập trung vào quá trình xói mòn đất, bao gồm quá trình chuyển đổi từ đất canh tác sang đồng cỏ, rồi thành đất bán sa mạc Hai ước lượng được đưa ra nhằm đại diện cho quá trình sa mạc hóa của đất nông nghiệp và đất đồng cỏ.
Các tiến trình này tạo ra các yêu cầu và cách để đạt được yêu cầu và những tiến trình liên kết tiếp theo Các phép toán hệ quả có tính phi tuyến rất cao, bao gồm hàm bước nhảy và hàm chuyển đổi- hàm cực tiểu- dùng để lựa chọn các chức năng mô tả các tiến trình thực hiện quyết đ ịnh, và việc sử dụng pha trộn phép nội suy tuyến tính và phép xấp xỉ bằng những giá trị mang tính logic để định lượng một số dữ liệu đưa vào Những phương trình cùng với những tương tác của chúng với CO2 trong môi trường đất và khí quyển được cho trong chương 1.
Những khí nhà kính khác bao gồm nhiều loại halocacbon, ví dụ các loại chloroflourocacbon thường thấy là (CFC-11, CFC-12, CFC-13, CFC-14, CFC-15)
Những hoá chất khác bao gồm cacbontetrachloride, metylchlorofom và hai chất thay thế mang tính lý thuyết mà mỗi chất đại diện cho một nhóm những chất có tính chất giống nhau, ngoài ra, còn có CO, N2O, CH4
Quá trình phát thải khí halocacbon bao gồm phát thải trực tiếp và trễ Phát thải trực tiếp xảy ra ngay sau khi sản xuất và tiếp tục trong suốt quá trình sử dụng sản phẩm Phát thải trễ bắt nguồn từ các quá trình sản xuất công nghiệp, với thời gian tồn tại khác nhau tùy theo từng loại sản phẩm Các hợp chất aerosol và bọt cao su hở có thời gian tồn tại dưới một năm, trong khi bọt cao su kín kéo dài khoảng hai năm Tủ lạnh không hàn kín có thời gian tồn tại khoảng bốn năm, trong khi tủ lạnh hàn kín lên tới mười hai năm.
Ngoài phát thải trực tiếp, mô hình còn tính đến phát thải trễ là tỷ lệ khí CFC không dễ dàng giải phóng vào khí quyển Những phát thải gián tiếp này được mô phỏng khối khuếch tán chậm theo Wigley Tên gọi của phát thải này xuất phát từ sự chậm trễ giữa quá trình sản xuất công nghiệp và phát thải khí, độ trễ này thay đổi tùy theo từng ứng dụng cụ thể Cả hai loại phát thải trực tiếp và gián tiếp đều góp phần tạo nên nồng độ của các halocarbon khác nhau trong khí quyển.
Tốc độ biến mất của các khí CFC được mô hình hóa là tỉ lệ nghịch với thời gian tồn tại của các khí CFC trong khí quyển, có thể rất lâu Việc sản xuất ra các hợp chất này là đối tượng nghiên cứu của Công ước Montreal , và sự phát thải các khí CFC sẽ luôn biến đổi theo thời gian
Mô hình mô phỏng quá trình quang hóa ở tầng đối lưu đã tái tạo chu trình toàn cầu CH4-OH-CO Mô hình này đơn giản hóa thực tế phức tạp nhưng cung cấp cái nhìn sâu sắc về động lực của chu trình mêtan và ước tính sự thay đổi tương lai về các phản ứng hóa học trong khí quyển Nồng độ mêtan trung bình toàn cầu ở tầng đối lưu được xác định bởi lượng phát thải mêtan, sự loại bỏ mêtan trong khí quyển (đất hấp thụ), và mêtan di chuyển vào tầng bình lưu Sự loại bỏ CH4 bắt nguồn từ quá trình oxy hóa gốc OH và được giả định là tỷ lệ thuận với nồng độ OH Đối với cacbon monoxit (CO), nguồn phát thải chủ yếu là oxy hóa các hydrocacbon không chứa gốc mêtan (NMHC) và oxy hóa mêtan.
Mô hình cho nitơ oxit bao gồm sự phát thải từ bề mặt đất và sự phân ly khỏi tầng bình lưu bởi tia bức xạ với sự phân ly tỷ lệ thuận với nồng độ và tỷ lệ nghịch với thời gian tồn tại của N2O, mà được cho là hằng số Mô hình cuối cùng được xét là mô hình khí hậu, là mô hình khối khuyếch tán cân bằng năng lượng
Mô hình khí hậu bao gồm mô hình đất, mô hình biển và mô hình khí quyển bao gồm đất và biển
Mô hình cân bằng năng lượng là m
Tóm tắt và đánh giá giải thuật
Mô hình IMAGE mô phỏng bằng máy tính được biểu diễn bằng hệ phương trình toán học gồm 151 phương trình vi phân và 9 phương trình đại số, có tương tác tuyến tính, tương tác không tuyến tính và phát thải khí nhà kính Các tính chất phi tuyến chủ yếu xuất phát từ cưỡng bức phát xạ khí nhà kính trong khí quyển, lý thuyết về nồng độ carbon trong đại dương và sản xuất sơ cấp ròng trong hệ sinh thái Mô-đun sử dụng đất bổ sung các tính chất phi tuyến như hàm Heaviside để điều khiển phân bổ đất thỏa mãn nhu cầu con người, cũng như các hàm bậc hai, bậc ba và hàm phi tuyến khả nghịch Tuy nhiên, tính chất phi tuyến trong mô-đun sử dụng đất không đáng kể, không cần phân tích thêm.
Khi mô dun sử dụng đất được tách ra, hệ 130 phương trình còn lại có thể phân tích theo khía cạnhWtnh cân bҵng và tính ổn định địa phương Trong hệ thống IMAGE (90), điểm chìm cacbon duy nhất không tính trong hệ là kết tủa dưới biển mà được giữ không đổi Trong trường hợp này, hệ không có một điểm ổn định cân bҵng Khi sự phát thải khí CO2 tiếp tục sụt giảm và ngay cả đạt giá trị âm thì sự mô phỏng của hệ là một biểu thức số phức qua việc lấy logarit của một số âm trong biểu thức bức xạ nhiệt Khi phát thải khí CO2 lớn hơn lượng kết tủa đại dương, sự mô phỏng hiển nhiên đưa tới sự tăng nồng độ cân bҵng của CO2 trong khí quyển.
Khi biểu thức lắng đọng tuyến tính được thêm vào hệ phương trình vi phân để kiểm soát tốc độ thay đổi của CO2 trong khí quyển, thì hệ đạt được trạng thái cân bҵng cho toàn bộ vectơ trạng thái Phương pháp sử dụng trong phần 2.3 có thể được dùng để lấy giá trị số từ các điӇm cân bҵng cho một khoảng rộng các giá trị thực tham số của mô hình Thuật toán lặp cổ chai 3 cấp liên quan với tốc độ phản ứng của các phản ứng hoá học tương ứng trong khí quyển Sự hội tụ của sơ đồ lặp là tuyến tính khi điểm chìm tuyến tính CO2 được thêm vào Vẫn có nghi ngờ đáng kể về khía cạnh lượng cacbon tổng cộng và sự tồn tại của những điểm chìm cacbon chưa biết đến Nếu những điểm chìm tuyến tính chưa tìm ra này được chứng minh có lượng không đổi, thì hệ sẽ được xét đến như trên mà chỉ cần sử dụng lượng kết tủa của đại dương Nếu điểm chìm chưa tìm ra này có lượng thay đổi theo y, thì vẫn có thể thừa nhận các giá trị cân bҵng phụ thuộc hàm số.
Tình huống đối với những khí nhà kính khác nhau trong khí quyển, như N2O, CO, CH4, và các khí CFC thì khác nhau do mà mỗi khí có thời gian phân rã tuyến tính theo nồng độ trong hệ phương trình vi phân Trong mọi trường hợp, tính năng này mang đến một mức độ cân bằng cho những khí này Bản chất của hệ thống là cung cấp những giải pháp tiếp cận điểm cân bằng thích hợp qua sự phân rã theo cấp số nhân.
Thời gian tương ứng cho cả hệ được lấy từ hệ được tuyến tính hoá gần điӇm cân bҵng Thời gian đáp ứng thay đổi từ phần nhỏ của năm đến 500 năm và hơn nữa dựa theo cách mà các tính chất nhiệt độ của đại đương được đưa vào mô hình Một giới hạn lớn hơn 3000 năm được đề nghị khi xét toàn bộ chiều sâu của đại dương
Tổng quát, thời gian phản ứng ngắn hơn tương ứng với phản ứng củalớp bề mặt của đại dương, và tập trung vào các phản ứng hóa học của gốc OH Phạm vi rộng các giá trị riêng chỉ ra rằng hệ thống khá cứng. Độ biến thiên của các giá trị riêng, thời gian đáp ứng, những thay đổi trong giá trị tham số cũng có thể được kiểm tra Đây là bài toán phi tuyến lớn được xử lý tốt nhất bằng đánh giá và kiểm tra số Kết quả chỉ ra rằng thời gian đáp ứng thay đổi một cách tương đối theo tham số cảm biến khí hậu và nhiệt lượng của lớp mặt biển xáo trộn.Chú ý rằng việc kiểm tra đặt trên cơ sở của một tham số tại một thời điểm chỉ đúng khi gần bằng giá trị tham số tiêu chuẩn cho bởi Rotmans Khoảng được đề nghị cho l và C m là thay đổiOj 10% của thời gian đáp ứng.
. ã Response system: chớnh sỏch của con người đối phú lại sự biến đổi sinh thái và xã hội.
3.2 Mô tả các nhóm dữ liệu trong mô hình IMAGE 2.2
Môđun dân số: Gồm 3 mô hình con
- Mô hình sự sinh sản - Mô hình sự chết - Mô hình dân số
Môđun kinh tế thế giới
Bảng 3-1 Mô tả dữ liệu của mô hình kinh tế thế giới
Dữ liệu vào Nhóm người dân trong độ tuổi
Thu nhập bình quân đầu người của từng khu vực Dữ liệu ra
Các giá trị thêm vào cho các ngành công nghiệp, dịch vụ và nông nghiệp
Môđun thảm thực trên mặt đất
Bảng 3-2 Mô tả dữ liệu mô hình thảm thực vật trên mặt đất
Nhiệt độ Lượng mưa Nồng độ CO2 trong đất Yêu cầu của vụ mùa liên quan đến khí hậu Dữ liệu vào
Chỉ số thu hoạch Chiều dài và nhiệt độ của mùa sinh sản Độ ẩm hiện có
Thực vật tiềm năng Năng suất tiềm năng của mùa màng Dữ liệu ra
Sự giảm năng suất tiềm năng của vụ mùa
Môđun kinh tế nông nghiệp
Bảng 3-3 Mô tả dữ liệu mô hình kinh tế nông nghiệp
Thu nhập của mỗi quốc gia Mật độ đất được sử dụng Dữ liệu vào(thực phẩm/thức ăn) Sự tồn tại lớn nhất của đất đai của quốc gia được xét
Giá trị được thêm vào ngành công nghiệp Dữ liệu vào
(gỗ) Diện tích của rừng hiện có trong khu vực được xem xét
Cấp ưu tiên( ví dụ: nhu cầu thức ăn trong trường trường hợp không hạn chế sản xuất.
Năng suất của động vật cho năm loại Sự giết mổ thú vật
Hiệu quả nuôi dưỡng heo và gia cầm Thành phần thức ăn
Tỉ lệ gia súc đẻ hàng năm Số lượng ngựa, la, lừa Giả thuyết
Tỉ lệ tự túc mà xác định thương mại lương thực Nhu cầu về các loại thức ăn cơ bản
Nhu cầu về các sản phẩm dồi dào Nhu cầu về các sản phẩm lương thực Dự liệu ra cho từng quốc gia
Nhu cầu về sản phẩm gỗ
Bảng 3-4 Mô tả dữ liệu mô hình thực vật
Thảm thực vật trước mỗi bước thời gian Nhu cầu về sản phẩm gỗ và cây ngũ cốc lương thực, thức ăn, nhiên liệu sinh học
Thực vật tiềm năng Những giả thuyết giảm năng suất cây trồng tiềm năng Mật độ dân số
Các nhân tố điều khiển và mật độ canh tác Dữ liệu vào
Bản đồ thảm thực vật ban đầu từ năm 1970 Dữ liệu ra Cập nhật cho bản đồ thảm thực vật ( 0.5× 0.5 degree)
Môđun phát thải do sử dụng đất
Bảng 3-5 Mô tả dữ liệu mô hình phát thải khí CO 2 do sử dụng đất
Lượng carbon đốt cháy do phá rừng Sản xuất nông nghiệp
Dân số Diện tích lúa được thu hoạch Thức ăn cho gia súc lấy sữa và không lấy sữa Số lượng gia súc của tất cả các loại riêng biệt Sử dụng phân bón tổng hợp N và N trong chất thải động vật Dữ liệu vào
Diện tích và sự sản xuất các cây trồng họ đậu
NPP, chỉ số dinh dưỡng của đất, độ ẩm và nhiệt độ trung bình hàng tháng
Diện tích thảm thực vật Các nhân tố phát thải Dòng carbon trên mỗi đơn vị diện tích đồng cỏ Tỉ lệ vụ mùa giảm gây cháy
Tỉ lệ diện tích thu hoạch lúa gạo của vùng có mưa và được tưới tiêu trên tổng diện tích thu hoạch lúa gạo.
Tỉ lệ chất thải động vật được sử dụng Dữ liệu ra Phát thải khí do tài nguyên và hợp chất
Môđun nhu cầu và cung cấp năng lượng
Bảng 3-6 Mô tả dữ liệu cho mô hình cung cầu năng lượng
Dân số khu vực Dữ liệu vào
Mức độ hoạt động kinh tế vĩ mô của từng khu vực Sự phát triển mật độ năng lượng
Sự phát triển khoa học kỹ thuật Giả thuyết cho các mô hình con Tài nguyên hiện có, nhiên liệu ưu tiên và sự hạn chế trong thương mại Sử dụng nguyên liệu và năng lượng cao cấp và thứ cấp Sản xuất các loại năng lượng
Phát thải khí nhà kính và ô nhiễm khí quyển liên quan đến năng lượng và công nghiệp
Dữ liệu ra của mô hình
Nhu cầu nhiên liệu sinh học truyền thống và hiện đại
Môđun phát thải công nhiệp và năng lượng
Bảng 3-7 Mô tả dữ liệu cho mô hình phát thải khí do công nghiệp và sử dụng năng lượng
Thu nhập trên mỗi quốc gia Sản xuất năng lượng và tiêu dùng năng lượng cuối cùng Dữ liệu vào
Tỉ lệ khai khoán than đá bề mặt và dưới sâu Các nhân tố phát thải cho các ngành và loại năng lượng Tỉ lệ xe được trang bị chất xúc tác
Giả thuyết của mô hình con Cải tiến kỹ thuật và kỹ thuật điều khiển cho CO, NMVOC, Nox,
Dân số khu vực Dữ liệu vào
(công nghiệp) Tiêu dùng năng lượng cuối cùng do công nghiệp
Nhân tố phát thải cho các ngành và loại năng lượng Kỹ thuật điều khiển cuối ống cho CO, VOC, Nox và SO2
Giả thuyết mô hình con
Nhiên liệu và nguyên liệu của đại dương.
Dữ liệu ra Phát thải khí CO2, CH4, N2O, Nox, NMVOC và halocarbon
Bảng 3-8 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đất
Bản đồ thảm thực vật (LCM) mô tả phân bố của các loại thảm thực vật trong một khu vực nhất định, còn Thực vật tiềm năng (TVM) chỉ ra loại thảm thực vật có khả năng phát triển ở một địa điểm cụ thể dựa trên các điều kiện khí hậu hiện tại Nồng độ CO2 trong khí quyển (ACM) ảnh hưởng đến sự phát triển của thực vật, và Bản đồ nhiệt độ (GPS) thể hiện phân bố nhiệt độ trong một khu vực Mô hình đầu vào sử dụng Độ ẩm hiện có (TVM) và giả thuyết rằng đất màu mỡ và độ cao cũng ảnh hưởng đến phân bố thảm thực vật.
Sự trao đổi chất và thông lượng hô hấp của đất Dữ liệu ra
Sự phát thải CO2 của hệ sinh thái và đất dùng
Môđun carbon trong đại dương
Bảng 3-9 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đại dương
Sự phát thải CO2 từ các nguồn công nghiệp và năng lượng (TEM) CO2 phát ra từ đất dùng (TCM)
CO2hấp thu bở rừng đang phát triển (TCM) Dữ liệu vào
Sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu (UDCM) CO2 hấp thu bởi đại dương
Nồng độ CO2 trong khí quyển
Môđun Hóa chất trong khí quyển:
Bảng 3-10 Mô tả dữ liệu cho mô hình các hóa chất trong khí quyển
Dữ liệu vào Phát thải khí từ CH4, N2O, NOx, CO, NMVOC, CFCs, CCs, HCFCs, bromocarbons, PFCs, SF6 và HFCs Dữ liệu ra
Nồng độ của CH4, N2O, CO, Ozon tầng đối lưu, CFCs, CCs, HCFCs, bromocarbons, PFCs, SF6, HFCs và gốc OH
Thời gian tồn tại của hợp chất CH4
Bảng 3-11 Mô tả dữ liệu cho mô hình khí hậu
Dữ liệu vào Nồng độ khí nhà kính trong khí quyển và sự phát thải SO2
Sự cưỡng bức phát xạ của khí nhà kính và aerosols Dữ liệu ra
Sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu và của đại dương
Môđun Hệ thống định vị toàn cầu
Bảng 3-12 Mô tả dữ liệu cho mô hình hệ thống định vị toàn cầu
Dữ liệu vào Sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu hàng năm
Dữ liệu ra Sự thay đổi nhiệt độ từng khu vực hàng tháng và hàng ngày(0.5 by
Môđun sự thoái hóa đất
Bảng 3-13 Mô tả dữ liệu cho mô hình thoái hóa đất
Sự kết tủa Số ngày mưa Chỉ số đất bị ngộ độc Chỉ số cứu trợ
Loại thảm thực vật Giả thuyết Chỉ số áp lực cho các loại thảm thực vật Dữ liệu ra Độ nhạy xói mòn của nước
Môđun sự tăng mực nước biển
Bảng 3-14 Mô tả dữ liệu cho mô hình tăng mực nước biển
Dữ liệu vào Nhiệt độ toàn cầu của các lớp đại dương và sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu
Dữ liệu ra Sự thay đổi mực nước biển thông qua sự giản nở nhiệt của đại dương và sự đóng góp của các sông băng nhỏ, Greenland and Antarctica
3.3 Giới thiệu các kịch bản biến đổi khí hậu:
Phần mềm dùng để b iểu diễn các kịch bản biến đổi khí hậu dưới dạng biểu đồ trực quan Từ đó các nhà làm chính sách ở các quốc gia khác nhau có cái nhìn tổng thể về tất cả các yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu giúp đưa ra các chiến lược và chính sách hợp lý trong tương lai cho xã hội, con người và hệ sinh thái… Các kịch bản biến đổi khí hậu này được xây bởi sự hợp tác của nhiều ngành khoa học và nhiều nhà nghiên cứu và được cập nhật các điều kiện mới vào mỗi năm (hiện nay đã có IMAGE 2.4) Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã phát hành một tập hợp những kịch bản mới trong các báo cáo đặc biệt dựa trên các kịch bản phát thải khí (SRES), (IPCC, 2000) Các kich bản này dựa trên việc tổng hợp các báo cáo về biến đổi khí hậu, và nội dung theo sơ đồ biểu diễn bên dưới.
Hình 3-3 Hình minh họa nội dung chính của các kịch bản BĐKH
Các kịch bản được chia nhóm dựa theo sơ đồ trên gồm họ A1 (A1F, A1T, A1B, A1F_low, A1F_high), họ A2, họ B1 (B1, B1_low, B1_high), họ B2 ( B2, B2_450, B2_550, B2_650, B2_400BCS)
Các giả thuyết về đường biểu diễn
Dân số ổn định (9 tỉ vào năm 2050) Dân số ổn định ( 9 tỉ vào năm 2050) Phát triển dân số (13.5 tỉ vào năm 2100), sinh sản giảm cùng với thu nhập giảm
Phát triển dân số (10.5 tỉ vào năm 2100), vài khu vực sinh sản giảm do thu nhập giảm
Toàn cầu hóa, phát triển khoa học kỹ thuật rất nhanh
Toàn cầu hóa, phát triển khoa học kỹ thuật
Tập trung vào đồng nhất các quốc gia, ít chú trọng về môi trường
Tập trung vào thống nhất khu vực, ưu tiên cao cho môi trường địa phương và khu vực, không hiệu quả đối với vấn đề toàn cầu
Phân phối lao động và quốc gia dựa trên thương mại
Cân đối giữa phát triển giao thương và chính trị
Hướng về lợi nhuận và cơ hội
Lợi tức tập trung và đẩy nhanh khoa học kỹ thuật, không có rào cản thương mại
Hướng về các giá trị phi vật chất của các khía cạnh cuộc sống Lợi tức tập trung, và mở rộng nhanh tài nguyên và hiệu quả khoa học kỹ thuật.
Không hội tụ thu nhập từng khu vực và giảm dần tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhiều rào cản thương mại Vài khu vực có luật và buôn bán tệ hại
Hướng về các khía cạnh phi vật chất của cuộc sống
Phát triển đa dạng kinh tế và khoa học kỹ thuật từng khu vực.
Hệ thống năng lượng động lực
Sự suy giảm mật độ năng lượng do các phát minh và tỉ lệ lặp lại cao trong từng quốc gia
Tập trung mạnh mẽ vào năng lượng hiệu quả đầy đủ và dịch vụ kinh tế
Tỉ lệ phát minh năng lượng hiệu quả thấp vì rào cản thương mại và sự khan hiếm
ỨNG DỤNG MÔ HÌNH IMAGE CHẠY CHO MỘT SỐ KỊCH BẢN
Mô tả các nhóm dữ liệu trong mô hình IMAGE 2.2
Môđun dân số: Gồm 3 mô hình con
- Mô hình sự sinh sản - Mô hình sự chết - Mô hình dân số
Môđun kinh tế thế giới
Bảng 3-1 Mô tả dữ liệu của mô hình kinh tế thế giới
Dữ liệu vào Nhóm người dân trong độ tuổi
Thu nhập bình quân đầu người của từng khu vực Dữ liệu ra
Các giá trị thêm vào cho các ngành công nghiệp, dịch vụ và nông nghiệp
Môđun thảm thực trên mặt đất
Bảng 3-2 Mô tả dữ liệu mô hình thảm thực vật trên mặt đất
Nhiệt độ Lượng mưa Nồng độ CO2 trong đất Yêu cầu của vụ mùa liên quan đến khí hậu Dữ liệu vào
Chỉ số thu hoạch Chiều dài và nhiệt độ của mùa sinh sản Độ ẩm hiện có
Thực vật tiềm năng Năng suất tiềm năng của mùa màng Dữ liệu ra
Sự giảm năng suất tiềm năng của vụ mùa
Môđun kinh tế nông nghiệp
Bảng 3-3 Mô tả dữ liệu mô hình kinh tế nông nghiệp
Thu nhập của mỗi quốc gia Mật độ đất được sử dụng Dữ liệu vào(thực phẩm/thức ăn) Sự tồn tại lớn nhất của đất đai của quốc gia được xét
Giá trị được thêm vào ngành công nghiệp Dữ liệu vào
(gỗ) Diện tích của rừng hiện có trong khu vực được xem xét
Cấp ưu tiên( ví dụ: nhu cầu thức ăn trong trường trường hợp không hạn chế sản xuất.
Năng suất của động vật cho năm loại Sự giết mổ thú vật
Hiệu quả nuôi dưỡng heo và gia cầm Thành phần thức ăn
Tỉ lệ gia súc đẻ hàng năm Số lượng ngựa, la, lừa Giả thuyết
Tỉ lệ tự túc mà xác định thương mại lương thực Nhu cầu về các loại thức ăn cơ bản
Nhu cầu về các sản phẩm dồi dào Nhu cầu về các sản phẩm lương thực Dự liệu ra cho từng quốc gia
Nhu cầu về sản phẩm gỗ
Bảng 3-4 Mô tả dữ liệu mô hình thực vật
Thảm thực vật trước mỗi bước thời gian Nhu cầu về sản phẩm gỗ và cây ngũ cốc lương thực, thức ăn, nhiên liệu sinh học
Thực vật tiềm năng Những giả thuyết giảm năng suất cây trồng tiềm năng Mật độ dân số
Các nhân tố điều khiển và mật độ canh tác Dữ liệu vào
Bản đồ thảm thực vật ban đầu từ năm 1970 Dữ liệu ra Cập nhật cho bản đồ thảm thực vật ( 0.5× 0.5 degree)
Môđun phát thải do sử dụng đất
Bảng 3-5 Mô tả dữ liệu mô hình phát thải khí CO 2 do sử dụng đất
Lượng carbon đốt cháy do phá rừng Sản xuất nông nghiệp
Dân số Diện tích lúa được thu hoạch Thức ăn cho gia súc lấy sữa và không lấy sữa Số lượng gia súc của tất cả các loại riêng biệt Sử dụng phân bón tổng hợp N và N trong chất thải động vật Dữ liệu vào
Diện tích và sự sản xuất các cây trồng họ đậu
NPP, chỉ số dinh dưỡng của đất, độ ẩm và nhiệt độ trung bình hàng tháng
Diện tích thảm thực vật Các nhân tố phát thải Dòng carbon trên mỗi đơn vị diện tích đồng cỏ Tỉ lệ vụ mùa giảm gây cháy
Tỉ lệ diện tích thu hoạch lúa gạo của vùng có mưa và được tưới tiêu trên tổng diện tích thu hoạch lúa gạo.
Tỉ lệ chất thải động vật được sử dụng Dữ liệu ra Phát thải khí do tài nguyên và hợp chất
Môđun nhu cầu và cung cấp năng lượng
Bảng 3-6 Mô tả dữ liệu cho mô hình cung cầu năng lượng
Dân số khu vực Dữ liệu vào
Mức độ hoạt động kinh tế vĩ mô của từng khu vực Sự phát triển mật độ năng lượng
Sự phát triển khoa học kỹ thuật Giả thuyết cho các mô hình con Tài nguyên hiện có, nhiên liệu ưu tiên và sự hạn chế trong thương mại Sử dụng nguyên liệu và năng lượng cao cấp và thứ cấp Sản xuất các loại năng lượng
Phát thải khí nhà kính và ô nhiễm khí quyển liên quan đến năng lượng và công nghiệp
Dữ liệu ra của mô hình
Nhu cầu nhiên liệu sinh học truyền thống và hiện đại
Môđun phát thải công nhiệp và năng lượng
Bảng 3-7 Mô tả dữ liệu cho mô hình phát thải khí do công nghiệp và sử dụng năng lượng
Thu nhập trên mỗi quốc gia Sản xuất năng lượng và tiêu dùng năng lượng cuối cùng Dữ liệu vào
Tỉ lệ khai khoán than đá bề mặt và dưới sâu Các nhân tố phát thải cho các ngành và loại năng lượng Tỉ lệ xe được trang bị chất xúc tác
Giả thuyết của mô hình con Cải tiến kỹ thuật và kỹ thuật điều khiển cho CO, NMVOC, Nox,
Dân số khu vực Dữ liệu vào
(công nghiệp) Tiêu dùng năng lượng cuối cùng do công nghiệp
Nhân tố phát thải cho các ngành và loại năng lượng Kỹ thuật điều khiển cuối ống cho CO, VOC, Nox và SO2
Giả thuyết mô hình con
Nhiên liệu và nguyên liệu của đại dương.
Dữ liệu ra Phát thải khí CO2, CH4, N2O, Nox, NMVOC và halocarbon
Bảng 3-8 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đất
Bản đồ thảm thực vật(LCM) Thực vật tiềm năng (TVM) CO2 nồng độ (ACM) Bản đồ nhiệt độ (GPS) Model input Độ ẩm hiện có (TVM) Giả thuyết Đất màu mỡ và độ cao
Sự trao đổi chất và thông lượng hô hấp của đất Dữ liệu ra
Sự phát thải CO2 của hệ sinh thái và đất dùng
Môđun carbon trong đại dương
Bảng 3-9 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đại dương
Sự phát thải CO2 từ các nguồn công nghiệp và năng lượng (TEM) CO2 phát ra từ đất dùng (TCM)
CO2hấp thu bở rừng đang phát triển (TCM) Dữ liệu vào
Sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu (UDCM) CO2 hấp thu bởi đại dương
Nồng độ CO2 trong khí quyển
Môđun Hóa chất trong khí quyển:
Bảng 3-10 Mô tả dữ liệu cho mô hình các hóa chất trong khí quyển
Dữ liệu vào Phát thải khí từ CH4, N2O, NOx, CO, NMVOC, CFCs, CCs, HCFCs, bromocarbons, PFCs, SF6 và HFCs Dữ liệu ra
Nồng độ của CH4, N2O, CO, Ozon tầng đối lưu, CFCs, CCs, HCFCs, bromocarbons, PFCs, SF6, HFCs và gốc OH
Thời gian tồn tại của hợp chất CH4
Bảng 3-11 Mô tả dữ liệu cho mô hình khí hậu
Dữ liệu vào Nồng độ khí nhà kính trong khí quyển và sự phát thải SO2
Sự cưỡng bức phát xạ của khí nhà kính và aerosols Dữ liệu ra
Sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu và của đại dương
Môđun Hệ thống định vị toàn cầu
Bảng 3-12 Mô tả dữ liệu cho mô hình hệ thống định vị toàn cầu
Dữ liệu vào Sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu hàng năm
Dữ liệu ra Sự thay đổi nhiệt độ từng khu vực hàng tháng và hàng ngày(0.5 by
Môđun sự thoái hóa đất
Bảng 3-13 Mô tả dữ liệu cho mô hình thoái hóa đất
Sự kết tủa Số ngày mưa Chỉ số đất bị ngộ độc Chỉ số cứu trợ
Loại thảm thực vật Giả thuyết Chỉ số áp lực cho các loại thảm thực vật Dữ liệu ra Độ nhạy xói mòn của nước
Môđun sự tăng mực nước biển
Bảng 3-14 Mô tả dữ liệu cho mô hình tăng mực nước biển
Dữ liệu vào Nhiệt độ toàn cầu của các lớp đại dương và sự thay đổi nhiệt độ toàn cầu
Dữ liệu ra Sự thay đổi mực nước biển thông qua sự giản nở nhiệt của đại dương và sự đóng góp của các sông băng nhỏ, Greenland and Antarctica
Giới thiệu các kịch bản biến đổi khí hậu
Phần mềm mô hình kịch bản biến đổi khí hậu là công cụ trực quan hóa các kịch bản biến đổi khí hậu, cung cấp cho các nhà hoạch định chính sách cái nhìn tổng thể về các yếu tố ảnh hưởng đến khí hậu Các kịch bản này được phát triển thông qua sự hợp tác của nhiều lĩnh vực khoa học và chuyên gia, thường xuyên cập nhật với phiên bản mới nhất là IMAGE 2.4 Ủy ban Liên chính phủ về Biến đổi Khí hậu (IPCC) đã công bố một loạt kịch bản mới dựa trên kịch bản Phát thải Khí nhà kính Nghiên cứu Đặc biệt (SRES), được tổng hợp từ các báo cáo đánh giá về biến đổi khí hậu.
Hình 3-3 Hình minh họa nội dung chính của các kịch bản BĐKH
Các kịch bản được chia nhóm dựa theo sơ đồ trên gồm họ A1 (A1F, A1T, A1B, A1F_low, A1F_high), họ A2, họ B1 (B1, B1_low, B1_high), họ B2 ( B2, B2_450, B2_550, B2_650, B2_400BCS)
Các giả thuyết về đường biểu diễn
Dân số ổn định (9 tỉ vào năm 2050) Dân số ổn định ( 9 tỉ vào năm 2050) Phát triển dân số (13.5 tỉ vào năm 2100), sinh sản giảm cùng với thu nhập giảm
Phát triển dân số (10.5 tỉ vào năm 2100), vài khu vực sinh sản giảm do thu nhập giảm
Toàn cầu hóa, phát triển khoa học kỹ thuật rất nhanh
Toàn cầu hóa, phát triển khoa học kỹ thuật
Tập trung vào đồng nhất các quốc gia, ít chú trọng về môi trường
Tập trung vào thống nhất khu vực, ưu tiên cao cho môi trường địa phương và khu vực, không hiệu quả đối với vấn đề toàn cầu
Phân phối lao động và quốc gia dựa trên thương mại
Cân đối giữa phát triển giao thương và chính trị
Hướng về lợi nhuận và cơ hội
Lợi tức tập trung và đẩy nhanh khoa học kỹ thuật, không có rào cản thương mại
Hướng về các giá trị phi vật chất của các khía cạnh cuộc sống Lợi tức tập trung, và mở rộng nhanh tài nguyên và hiệu quả khoa học kỹ thuật.
Không hội tụ thu nhập từng khu vực và giảm dần tiến bộ khoa học kỹ thuật, nhiều rào cản thương mại Vài khu vực có luật và buôn bán tệ hại
Hướng về các khía cạnh phi vật chất của cuộc sống
Phát triển đa dạng kinh tế và khoa học kỹ thuật từng khu vực.
Hệ thống năng lượng động lực
Sự suy giảm mật độ năng lượng do các phát minh và tỉ lệ lặp lại cao trong từng quốc gia
Tập trung mạnh mẽ vào năng lượng hiệu quả đầy đủ và dịch vụ kinh tế
Tỉ lệ phát minh năng lượng hiệu quả thấp vì rào cản thương mại và sự khan hiếm
Tập trung vào hiệu quả năng lượng và sự đầy đủ và dịch vụ kinh tế Ưu tiên cho năng lượng sạch và sự cạn kiệt nhanh gây tăng giá nhiên liệu hóa thạch. Điều này cho các lựa chọn hiệu quả và không carbon Ưu tiên mạnh mẽ cho năng lượng sạch, và sự cạn kiệt khiến nhiên liệu hóa thạch tăng giá
Sử dụng than đá tăng lên trong nhiều khu vực: dường như rẻ hơn nhiều so với nhiên liệu dầu hỏa và khí gas, nhưng lựa chọn không carbon ban đầu không còn nữa nhìn thấu trong một số vùng là chậm chạp. Ưu tiên cho nhiên liệu sạch và sự khánh kiệt gây ra nhiên liệu hóa thạch tăng giá ở vài khu vực, tạo ra các lựa chọn không carbon và tính hiệu quả
Hệ thống thực phẩm động lực
Tăng nhanh lương thực thực phẩm Tăng nhanh lương thực và thực phẩm Tăng vừa phải thương mại lương thực và thực phẩm
Tăng vừa phải thương mại lương thực và thực phẩm
Tăng nhanh lương thực và sản năng suất chăn nuôi
Tăng nhanh lương thực và sản phẩm chăn nuôi với việc sử dụng nhiều phân bón
Tăng chậm trồng trọt và sản phẩm vật nuôi Tăng vừa phải thực phẩm và sản phẩm chăn nuôi
Tăng nhanh tiêu thụ trên mỗi thủ đô dẫn đến tăng GDP
Tiêu thụ trên mỗi quốc gia về các sản phẩm chăn nuôi là 10% thấp hơn với kịch bản A1 vào năm 2050 và thấp hơn 20% vào năm 2100
Tăng chậm tiêu thụ trên mỗi quốc gia về sản phẩm vật nuôi như là kết quả của giảm GDP
Tăng vừa phải tiêu thụ trên mỗi quốc gia do giảm GDP
Kết quả chạy chương trình IMAGE 2.2 SRES
Luận văn sử dụng phần mềm IMAGE 2.2 chứa kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu cập nhật đến năm 2009 Phần mềm cung cấp ước tính về mức tăng khí CO2, ảnh hưởng đến nhiệt độ và mực nước biển, trong đó có đưa ra kết quả cho Việt Nam theo kịch bản B1.
Hình 3-4 Nồng độ CO 2 trong khí quyển toàn cầu
Hình 3-5 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu
Hình 3-6 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu
Hình 3-7 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) b) Kịch bản B2 :
Hình 3-8 Nồng độ CO 2 trong khí quyển toàn cầu
Hình 3-9 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu
Hình 3-10 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu
Hình 3-11 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) c) Kịch bản A1B
Hình 3-12 Nồng độ CO 2 trong khí quyển toàn cầu
Hình 3-13 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu
Hình 3-14 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu
Hình 3-15 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) d) Kịch bản A1F
Hình 3-16 Nồng độ CO 2 trong khí quyển toàn cầu
Hình 3-17 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu
Hình 3-18 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu
Hình 3-19 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) e) Kịch bản A2
Hình 3-20 Nồng độ CO 2 trong khí quyển toàn cầu
Hình 3-21 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu
Hình 3-22 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu
Hình 3-23 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010)
Các số liệu cụ thể theo từng vùng đã được tính toán cho Việt nam
- Theo kịch bản phát thải cao (A2) : Vào cuối thế kỉ 21, nhiệt độ trung bình năm ở các vùng khí hậu phía Bắc có thể tăng so với trung bình thời kì 1980 - 1999 khoang 3.1 đến 3.6 0 C, trong đó Tây Bắc là 3.3 0 C, Đông Bắc là 3.2 0 C, Đồng bằng Bắc Bộ là 3.1 0 C và Bắc Trung Bộ là 3.6 0 C Mức tăng nhiệt độ trung bình năm của các vùng khí hậu phía Nam là 2.4 0 C ở Nam Trung B ộ, 2.1 0 C ở Tây Nguyên và 2.6 0 C ở Nam Bộ (Bảng 3-15)
Bảng 3-15 Mức tăng nhiệt độ trung bình năm ( 0 C) so với thời kỳ 1980- 1999 theo kịch bản phát thải cao (A2)
Vùng Các mốc thời gian của thế kỉ 21
Tây Bắc 0.5 0.8 1.0 1.3 1.7 2.0 2.4 2.8 3.3 Đông Bắc 0.5 0.7 1.0 1.3 1.6 1.9 2.3 2.7 3.2 ĐB Bắc Bộ 0.5 0.7 1.0 1.3 1.6 1.9 2.3 2.6 3.1
- Theo kịch bản phát thải cao (A2) : Vào cuối thế kỉ 21, lượng mưa năm có thể tăng so với trung bình thời kỳ 1980- 1999, khoảng 9- 10% ở Tây Bắc, Đ ông Bắc, 10% ở Đồng Bằng Bắc Bộ, Bắc Trung Bộ, 4- 5% ở Nam Trung Bộ và khoảng 2% ở Tây Nguyên, Nam Bộ (Bảng 3-16) Lượng mưa thời kỳ từ tháng III đến tháng V sẽ giảm từ 6- 9% ở Tây Bắc, Đông Bắc và Đồng bằng Bắc bộ, khoảng 13% ở Bắc Trung Bộ, lượng mưa và o giữa mùa khô ở Nam trung bộ, Tây nguyên, Nam bộ có thể giảm tới 13- 22% so với thời kỳ 1980- 1999 Lượng mưa các tháng cao điểm của mùa mưa sẽ tăng từ 12- 19% ở cả bốn vùng khí hậu phía Bắc và Nam trung bộ, còn ở Tây nguyên và Nam bộ chỉ vào khoảng 1- 2%
Hình 3-24 Lượng mưa hằng năm tính từ năm 1990 đến năm 2010
Bảng 3-16 Mức thay đổi lượng mưa năm (%) (A2)
Vùng Các mốc thời gian của thế kỉ 21
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Nghiên cứu mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu và quốc gia nhằm đáp ứng nhu cầu nghiên cứu khoa học và ứng dụng thực tiễn Luận văn đã thực hiện nghiên cứu toàn diện về các mô hình biến đổi khí hậu và đạt được những kết quả cụ thể, cung cấp thông tin quan trọng để ứng phó với biến đổi khí hậu hiệu quả.
- Chương 1 tổng quan nghiên cứu liên quan đến đề tài Kết quả tr ình bày trong chương 1 cho thấy nghiên cứu ứng dụng các phương pháp toán học đác được các Viện môi trường trong và ngoài nước nghiên cứu
Trong các nghiên cứu đó thì mô hình IMAGE của người Hà Lan đã mô tả toàn diện về Biến đổi khí hậu toàn cầu Với Việt nam thì điều quan tâm nhiều nhất là sự thay đổi nhiệt độ hàng năm và sự dâng cao mực nước biển Trong chương 1 đã trình bày các phép toán cơ bản của các mô hình con cấu tạo nên IMAGE Phần này phục vụ cho Chương 2 của Luận văn.
- Dưa trên các khái niệm của chương 1, trong chương 2 đã xây dựng mô hình để tính toán các yếu tố liên quan đến Biến đổi khí hậu toàn cầu, tập trung chủ yếu vào chu trình cacbon giữa đất– nước- khí quyển Trong chương 2 đã đưa ra các phương trình toán tổng quát trong mô hình BĐKH IMAGE (90), và đưa ra giải thuật phân tích các trạng thái cân bằng ổn định của hệ thống.
- Trong chương 3 đã trình bày các kết quả ứng dụng của chương 2 vào mô hình IMAGE để đánh giá các tác động của hiệu ứng nhà kính lên khí hậu toàn cầu ( min h họa bằng phần mềm IMAGE 2.2).
Tính mới của đề tài
- Trong đề tài đã dựa trên cơ sở lý thuyết được trình bày trong các tài liệu được trích dẫn trong tài liệu tham khảo đã đề xuất các phương pháp nghiên cứu các yếu tố biến đổi khí hậu.
- Đã áp dụng công thức toán vào mô hình biến đổi khí hậu từ đó có thể đưa ra các nhận định chính xác hơn về các hiện tượng biến đổi khí hậu do con người gây ra.
- Áp dụng phần mềm IMAGE 2.2 trình diễn các BĐKH toàn cầu.
Hạn chế của đề tài
- Do đề tài rất rộng lớn và thời gian thực hiện có giới hạn nên đề tài chưa thể nêu lên và phân tích hết các nội dung liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Chưa áp dụng cụ thể vào từng khu vực của nước Việt nam.
Trong quá trình triển khai đề tài và luận văn, tác giả có sử dụng tài liệu nước ngoài để tham khảo Do đó, một số lỗi ngôn từ chưa được chuẩn hóa theo tiếng Việt có thể vẫn còn tồn tại trong bài viết này.
Với những kết quả đạt được và những hạn chế trên, hướng hoàn thiện của đề tài thể hiện ở các nội dung sau :
- Bổ sung kịch bản biến đổi khí hậu cho từng vùng nước Việt nam.
- Tiếp tục cập nhật những hạn chế cho mô hình. Đề xuất
- Ứng dụng mạnh mẽ hơn nữa toán học trong quản lý và bảo vệ môi trường.
- Dựa theo phần mềm IMAGE để xây dựng phần mềm BĐKH và viết kịch bản cho từng vùng của nước Việt nam.