Có thể nhận thấy rằng, khi nhiệt độ trung bình tăng lên (nóng lên toàn cầu), xác suất xảy ra thời tiết nóng cũng tăng lên, đặc biệt làm gia tăng tính cực đoan của thời tiết nóng. Trong [r]
(1)Kiến thức biến đổi khí hậu
CHƢƠNG NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN
1.1 Thời tiết khí hậu 1.1.1 Định nghĩa thời tiết khí hậu
Hàng ngày thường nghe tin “dự báo thời tiết” đài phát truyền hình, chẳng hạn, do ảnh hưởng khơng khí lạnh tăng cường, đêm ngày mai trời trở rét,
nhiệt độ thấp có thể xuống tới 12-14 độ C,…; chiều hôm qua trận mưa lớn kéo dài chừng ba tiếng đồng hồ xảy Hà Nội gây ngập úng nhiều tuyến phố; v.v.Chúng ta thường đọc nghe nói Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với miền Bắc có mùa đông lạnh,…; một đặc điểm quan trọng khí hậu khu vực Hà Nội tương phản sâu sắc nhiệt độ mùa nóng mùa lạnh: mùa nóng nhiệt độ trung bình tháng nóng là 29,0 độ C, cao có thể lên tới 42,0 độ C, nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất 16,6 độ C, thấp có thể xuống tới 3,0 độ C Vậy, thời tiết là gì, khí hậu là gì, chúng khác chỗ nào, chúng có mối liên hệ với khơng? Ta làm rõ vấn đề thông qua định nghĩa khái niệm sau
Thời tiếtlà 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,…
Khí hậulà tổng hợp thời tiết, đặc trưng giá trị trung bình thống kê cực trị đo quan trắc yếu tố tượng thời tiết khoảng thời gian đủ dài, thường hàng chục năm Một cách đơn giản, hiểu khí hậu trạng thái trung bình cực trị thời tiết xác định khoảng thời gian đủ dài nơi
Như vậy, thời tiết trạng thái vật lý tức thời khí nơi khí hậu khái niệm dùng để mơ tả khái qt khả xảy thời tiết khoảng thời gian đủ dài nơi Khí đặc trưng dao động ngẫu nhiên diễn nhanh theo thời gian khơng gian Do thời tiết biến đổi cách liên tục Cịn
khí hậu xem trạng thái thời tiết trung bình, tổng hợp lại từ yếu tố hợp thành thơng qua vài giới hạn biến đổi từ thông tin xuất kiện cực trị Một cách hình tượng hóa, ví khí hậu bọc mà bên bao hàm khả xảy thời tiết Do đó, yếu tố tượng xác định thời tiết, nhiệt độ, lượng mưa, tốc độ hướng gió, v.v yếu tố tượng dùng để mơ tả khí hậu
(2)tháng năm Chẳng hạn, nói thời tiết năm 2000 khơng thể nói khí hậu năm 2000!
Thường có nhầm lẫn thời tiếtvà khí hậuthể qua việc nhiều người hay đặt câu hỏi: dự báo khí hậutrong nhiều năm tới dự báo thời tiếtcho vài tuần tiếp theo? Bản chất dễ thay đổi khí làm khơng thể trì trạng thái cân (hệ thống thời tiết) thời gian dài hai tuần nên ta dự báo thời tiết (của ngày cụ thể đó) với hạn dự báo vượt hai tuần Còn dự báo khí hậu dự báo điều kiện trung bình thời tiết trong thời đoạn dài dựa vào thay đổi thành phần khí nhân tố khác, vấn đề khác hẳn Có thể lấy ví dụ, ta khơng thể dự đoán tuổi thọ niên cụ thể đó, lại nói với độ xác cao tuổi thọ trung bình người dân nước Hiểu theo nghĩa đơn giản, dự báo khí hậu tương tự việc ước tính tuổi thọ trung bình người dân nước, cịn dự báo thời tiết giống việc dự đoán tuổi thọ niên
1.1.2 Qui mô không gian, thời gian dạng thời tiết, khí hậu
Thời tiết khí hậu xác định qui mô không gian, từ vài chục mét đến hàng nghìn kilơmét, chí tồn cầu Ví dụ, qui mơ nhỏ người ta dự báo thời tiết cho vùng biển mà tổ chức đua thuyển buồn, xác định điều kiện khí hậu nhà máy, phân xưởng cho mục đích định mức bảo hộ lao động; qui mơ lớn hơn, ta theo dõi q trình hình thành, phát triển tan rã bão dự báo thời tiết, phân vùng xác định đặc điểm khí hậu cho khu vực Trái đất
Tuy nhiên, tính chất linh động khí quyển, thời tiết ln thay đổi từ thời điểm đến thời điểm khác Phụ thuộc vào chất tượng mà qui mô thời gian thời tiết kéo dài từ một vài giờ (thậm chí ngắn nữa) đến tối đa khoảng hai tuần Ví dụ, đám mây dơng tồn tại, từ lúc xuất đến lúc tan đi, khoảng nửa đến vài giờ, hệ thống qui mô lớn, di chuyển khối khơng khí lạnh, kéo dài mười ngày
Khác với thời tiết, khí hậu có tính ổn định tương đối Theo nghĩa trung bình thời tiết hiểu khí hậu trạng thái “nền” (có tính ổn định) khí nơi mà thời tiết nhiễu động tức thời khí xung quanh trạng thái Nhưng khí hậu
không phải không biến đổi Sự biến đổi khí hậu nhận thấy sau khoảng thời gian đủ dài, thường hàng thập kỷ
1.2 Hệ thống khí hậu 1.2.1 Định nghĩa hệ thống khí hậu
(3)lượng động lượng, tạo nên thể thống rộng lớn Hệ thống khí hậu tiến hóa theo thời gian tác động nhân tố bên bên
Các nhân tố bên chi phối hệ thống khí hậu bao gồm thuộc tính khí thành phần cấu tạo, tính chất ổn định, hồn lưu khí quyển, đặc tính địa phương, khoảng cách xa biển hay độ lục địa, độ cao địa hình, điều kiện tự nhiên bề mặt đất, lớp phủ thực vật trạng thái gần hồ ao, v.v
Khí thành phần bất ổn định linh động hệ thống khí hậu Khí bao gồm chất khí, nước, mây, xon khí, thành phần vật chất khác Khí có ảnh hưởng đến truyền xạ mặt trời xạ Trái đất Sự chuyển động khí quyển, qua di chuyển khối khí, đóng vai trị quan trọng vận chuyển phân bố lại lượng xạ vùng Trái đất Quá trình bị chi phối nhân tố mang tính địa phương độ cao địa hình, tính chất bề mặt, góp phần định điều kiện khí hậu vùng
Hình 1.1: Sơ đồ mô tả thành phần hệ thống khí hậu mối tương tác chúng (Nguồn IPCC, 2007)
(4)tại lục địa đại dương, tác động người làm thay đổi thành phần khí quyển, biến đổi sử dụng đất
Nguồn lượng cung cấp cho hệ thống khí hậu chủ yếu xạ mặt trời Mặt trời khoảng 1011
hệ ngân hà Milky Way Nhiệt độ phát xạ mặt trời vào khoảng 6000 độ K (khoảng 5727 độ C) Do xạ mặt trời chủ yếu xạ sóng ngắn với khoảng 99% nằm phổ bước sóng ánh sáng (0,4-0,7mm) Tính trung bình, lượng xạ mặt trời đến đỉnh khí vào khoảng 342 W/m2
(hình 1.2) trình truyền qua lớp khí để đến bề mặt Trái đất bị phản xạ lại không trung khoảng 30% (107 W/m2) Phần cịn lại bị hấp thụ khí (67 W/m2) bề mặt Trái đất (168 W/m2) Khí bề mặt Trái đất sau đốt nóng xạ mặt trời ấm lên phát xạ trở lại không trung Do nhiệt độ hệ thống Trái đất – khí nhỏ nhiều (vào khoảng 288 độ K, tương đương 15 độ C) nên xạ phát xạ Trái đất xạ sóng dài
Tuy nhiên, Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời theo quĩ đạo ellip với tốc độ vòng năm mà mặt trời nằm hai tiêu điểm (hình 1.3), đồng thời trục quay Trái đất nằm nghiêng góc so với mặt phẳng quĩ đạo nên lượng xạ mặt trời đến đỉnh khí biến thiên theo thời gian năm nơi khác Trái đất nhận lượng xạ mặt trời khác tùy thuộc vào vĩ độ địa lí Ngồi ra, khác khả hấp thụ phản xạ xạ mặt trời bề mặt đất bề mặt nước nên phân bố không đồng lục địa đại dương nhân tố gây nên khác biệt phân bố lượng xạ mặt trời nhận
(5)(6)(Nguồn http://mesoscale.agron.iastate.edu/)
1.2.2 Các thành phần hệ thống khí hậu
1) Khí quyển:Khí thành phần quan trọng hệ thống khí hậu Khí có khối lượng khoảng 5,14 ´1018
kg, nhỏ so với khối lượng đại dương (1,39 ´1021 kg) khối lượng Trái đất (5,98 ´1024
kg) Thành phần cấu tạo không khí khơ chủ yếu Nitơ (N2, chiếm 78,1%), Ơxy (O2, chiếm 20,9%) Acgon (Ar, chiếm 0,93%) Khoảng 1% khối
lượng khí chất khí có vai trị quan trọng hấp thụ phát xạ lượng xạ Những khí bao gồm nước (khoảng 3,3 ´10-3tổng khối lượng khí quyển), điôxit
cacbon (CO2 – khoảng 5,3´10-7), ôzôn (O3 – khoảng 6,42 ´10-7) chất khí khác mêtan
(CH4), oxit nitơ (N2O), v.v Khoảng 99% khối lượng khí nằm lớp vài chục km tính
(7)(8)(Nguồn http://mesoscale.agron.iastate.edu/)
Dựa phân bố nhiệt độ theo phương thẳng đứng khí Trái đất chia thành bốn tầng (hình 1.4) Dưới tầng đối lưu nhiệt độ giảm theo độ cao
xa bề mặt khí bị đốt nóng xạ nhiệt từ bề mặt Phía tầng đối lưu tầng bình lưu nhiệt độ tăng theo độ cao đỉnh tầng bình lưu tồn tầng ơzơn có khả hấp thụ xạ sóng ngắn mặt trời Tiếp đến tầng trung có nhiệt độ giảm theo độ cao, tầng nhiệt nhiệt độ tăng theo độ cao Sự tăng nhiệt độ theo độ cao tầng nhiệt q trình ion hóa quang hóa phân tử ôxy nitơ xạ mặt trời
(9)2) Thủy đại dƣơng giới:Khí chứa lượng nước nhỏ so với tổng lượng nước hệ thống khí hậu – khoảng 1/105 Hầu bề mặt Trái đất chứa
các đại dương tảng băng Tổng lượng nước Trái đất vào khoảng 1,35´109
km3, khoảng 97% nước biển Vì tất đại dương liên thơng với nên gọi đại dương giới Đại dương giới thành phần hệ thống khí hậu Đại dương bao phủ khoảng 71% bề mặt Trái đất Độ sâu trung bình đại dương giới 3729 m Đại dương có khả dự trữ giải phóng nhiệt vô lớn, qui mô thời gian từ mùa đến hàng kỷ Đại dương giới đóng vai trò quan trọng việc vận chuyển lượng từ xích đạo vùng cực để sưởi ấm vùng làm mát vùng xích đạo Đại dương giới kho dự trữ nước để cung cấp nước cho khí tạo thành giáng thủy rơi xuống bề mặt nói chung vùng lục địa nói riêng Đại dương đóng vai trị việc xác định thành phần khí thơng qua trao đổi khí hạt bụi qua mặt đất phân cách đại dương -khí quyển, phân huỷ CO2 khí tạo O2, tham gia vào chu
trình hố học quan trọng khác làm điều hồ mơi trường bề mặt Trái đất
Hình 1.4: Các tầng khí xác định theo phân bố nhiệt độ thẳng đứng 150N trong điều kiện trung bình năm (Nguồn: Dennis L Hartmann, 1994)
(10)tạo thành lớp cách ly tốt, làm cho nhiệt độ khơng khí khác xa nhiệt độ nước biển phía băng Hiện lớp băng vĩnh cửu chiếm khoảng 11% diện tích đất liền 7% diện tích đại dương Diện tích bề mặt bị phủ băng, tuyết biến đổi theo mùa phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hàng năm
4) Sinh quyển: Sinh bao gồm hệ động vật, thực vật mặt đất đại d-ương Sinh thành phần quan trọng hệ thống khí hậu Thực vật làm thay đổi độ gồ ghề, albedo, bốc hơi, dịng chảy mặt khả chứa đất Sinh tham gia vào trình trao đổi vật chất với khí đại dương, ảnh hưởng đến cân CO2 khí đại dương thơng qua q trình quang hợp hơ hấp Sinh biến đổi
cùng với biến đổi khí hậu Trái đất, thơng qua dấu hiệu hố thạch khứ ta nhận biết thơng tin khí hậu Trái đất
5) Bề mặt đất:Mặc dù bề mặt đất đóng vai trị nhỏ hệ thống khí hậu so với khí đại dương, khí hậu bề mặt đất quan trọng loài người Trên bề mặt đất, nhiệt độ độ ẩm đất yếu tố định đời sống thực vật tự nhiên tiềm nông nghiệp Lớp phủ thực vật, lớp phủ tuyết điều kiện đất đai có ảnh hưởng đến khí hậu địa phương ảnh hưởng đến khí hậu tồn cầu ngược lại
Bề mặt đất chiếm khoảng 30% diện tích bề mặt Trái đất Sự phân bố lục địa đại dương Trái đất đóng vai trị quan trọng khí hậu tồn cầu Hiện khoảng 70% diện tích bề mặt đất Trái đất nằm bắc bán cầu bất đối xứng gây nên khác biệt đáng kể khí hậu Bắc Nam bán cầu Địa hình bề mặt đất, vị trí địa lí, hướng, độ cao qui mô dãy núi nhân tố định khí hậu vùng đất liền
1.2.3 Mối tƣơng tác thành phần hệ thống khí hậu
Như trình bày đây, thành phần hệ thống khí hậu khác thành phần cấu tạo, cấu trúc, động thái tính chất lí, hóa Chẳng hạn, khí thành phần linh động không ổn định; thủy đại dương giới dạng mơi trường chất lỏng khí có tính ổn định cao nhiều; sinh bề mặt đất lại hoàn toàn khác hẳn Mặc dù vậy, thành phần tương tác với nhau, gắn kết với cách chặt chẽ thơng qua dịng trao đổi lượng, nước, khối lượng động lượng, tạo thành hệ thống khí hậu phức tạp Mối quan hệ tương tác thành phần hệ thống khí hậu xảy qui mô không gian thời gian
(11)Giữa khí quyển, sinh bề mặt đất xảy nhiều trình trao đổi nước, lượng vật chất thông qua nước, quang hợp thực vật, hơ hấp động thực vật nói chung Sự biến đổi sử dụng đất làm thay đổi albedo bề mặt qua ảnh hưởng đến thành phần cân lượng Nhiệt độ khí đại dương tăng lên làm tan chảy băng; băng tan bổ sung lượng nước vào đại dương góp phần làm dâng mực nước biển Diện tích lớp phủ băng bị giảm làm giảm albedo bề mặt làm tăng lượng xạ mặt trời hấp thụ
Nói chung khơng thể mơ tả đầy đủ trình trao đổi, tương tác thành phần hệ thống khí hậu Trên vài ví dụ nhìn nhận cách tương đối rõ ràng Trong thực tế cịn nhiều q trình xảy phức tạp mà hiểu biết người chưa tiếp cận
1.2.4 Mặt trời cân lƣợng toàn cầu
Nguồn lượng chủ yếu chi phối hệ thống khí hậu xạ mặt trời Khoảng nửa lượng xạ mặt trời có bước sóng nằm khoảng phổ ánh sáng, nửa cịn lại có bước sóng dải phổ gần hồng ngoại phần nằm dải phổ cực tím (ultraviolet) Trung bình năm mét vng đỉnh khí Trái đất nhận lượng xạ mặt trời 342W, khoảng 30% bị phản xạ trở lại khơng trung mây, khí bề mặt Trái đất (hình 1.2) Khoảng 235W/m2 cịn lại bị khí hấp thụ phần, phần lớn (168 W/m2) bề mặt đất đại dương hấp thụ Bề mặt nóng lên trở lại đốt nóng khí thơng qua dịng xạ sóng dài dòng phi xạ (hiển nhiệt ẩn nhiệt) Sự trao đổi lượng bề mặt khí chế trì điều kiện nhiệt độ toàn cầu khoảng 15 độ C gần bề mặt giảm nhanh theo độ cao xuống đến khoảng -58 độ C đỉnh tầng đối lưu
Để trì khí hậu ổn định địi hỏi phải có cân hệ thống lượng xạ mặt trời đến lượng phát xạ sóng dài vào khơng trung Do hệ thống khí hậu tự phải phát xạ lượng xạ sóng dài trung bình khoảng 235W/m2
trở lại khơng trung
1.2.5 Khái niệm tác động xạ
Trong trạng thái cân khí hậu xạ trung bình (lượng xạ mặt trời mà hệ thống nhận trừ lượng phát xạ sóng dài khỏi hệ thống) đỉnh khí Sự biến đổi xạ mặt trời phát xạ sóng dài làm biến đổi xạ dẫn đến cân Nguyên nhân gây nên cân gọi tác động xạ (radiative forcing) Trong thực tế để xem xét vấn đề đỉnh tầng đối lưu coi đỉnh khí
(12)1.2.6 Hiệu ứng nhà kính
Khái niệm “hiệu ứng nhà kính” dùng để mơ tả tượng tự nhiên sau Bức xạ sóng ngắn mặt trời truyền qua môi trường suốt (như mái nhà kính, cửa sổ kính, lớp khí Trái đất) đến đối tượng bị hấp thụ Sau hấp thụ xạ mặt trời, đối tượng bị nóng lên phát xạ xạ sóng dài Bức xạ sóng dài khơng thể “thốt” qua môi trường truyền bị giữ lại trở thành nguồn lượng đốt nóng bổ sung (hình 1.5)
Một ví dụ minh họa cho tượng là, bạn để ơtơ ngồi trời nắng đóng kín hết cửa kính lại lúc vừa đủ lâu, sau bạn mở cửa bước lên ôtô bạn cảm nhận
bên ơtơ nóng hơnnhiều so với bên ngồi Điều lí giải bởi, ngồi việc ánh nắng mặt
trời chiếu trực tiếp vào ôtô, vỏ ôtô bị đốt nóng xạ mặt trời, kết ôtô bạn nóng lên phát xạ nhiệt (phát xạ sóng dài) Lượng xạ sóng dài phát xạ từ phận bên ơtơ khơng thể ngồi khơng xun qua lớp kính cửa sổ (và lớp vỏ ôtô) trở thành phận đốt nóng bổ sung làm gia tăng nhiệt độ bên ôtô Tuy nhiên trường hợp bạn mở hết cửa sổ ơtơ thay đóng lại, chênh lệch nhiệt độ khơng khí bên bên ngồi ơtơ khơng cịn
Hình 1.5: Sơ đồ mơ tả hiệu ứng nhà kính (Nguồn:
(13)(Nguồn http://mesoscale.agron.iastate.edu/)
Bức xạ mặt trời vào hệ thống khí hậu bị phản xạ trở lại không trung khoảng 30%, phần cịn lại bị khí bề mặt Trái đất hấp thụ (hình 1.2) Bề mặt Trái đất nóng lên trở thành vật phát xạ lên Vì xạ mặt trời chủ yếu sóng ngắn, cịn xạ Trái đất chủ yếu sóng dài nên khí tác động đến xạ mặt trời xạ Trái đất khác Trong khí xem “trong suốt” xạ mặt trời lại gần “mờ đục” xạ Trái đất Chỉ phần nhỏ lượng xạ từ bề mặt Trái đất xuyên qua lớp khí để ngồi khơng trung Phần cịn lại bị khí hấp thụ nóng lên phát xạ trở lại bề mặt Đó “hiệu ứng nhà kính” khí Có thể khơng có lớp khí nhiệt độ bề mặt Trái đất vào khoảng -18 độ C, nhiệt độ trung bình quan trắc vào khoảng 15 độ C Như vậy, hiệu ứng nhà kính làm cho khí hậu Trái đất ấm nhiều Hiệu ứng nhà kính tự nhiên góp phần trì sống Trái đất
(14)Khí nhà kính chất khí khí có khả hấp thụ phát xạ xạ sóng dài (bức xạ nhiệt) gây nên hiệu ứng nhà kính Những chất khí nhà kính tự nhiên chủ yếu khí Trái đất gồm nước, điơxit cacbon, mêtan, ôxit nitơ ôzôn Mặc dù chiếm 99,9% khối lượng khí đóng góp vào nhiều q trình lí – hóa quan trọng khí quyển, chất khí nitơ, ơxy argon khơng phải khí nhà kính
Hơi nước khí nhà kính quan trọng khí Hơi nước đóng góp khoảng 36-72% hiệu ứng nhà kính khí Điơxit cacbon (CO2) chất khí nhà kính quan trọng thứ hai
Nó đóng góp khoảng 9-26% hiệu ứng nhà kính khí Cịn mêtan đóng góp khoảng 4-9% ôzôn 3-7% hiệu ứng nhà kính khí
Mức độ đóng góp vào hiệu ứng nhà kính khí chất khí nói ước tính Trên thực tế khó nói xác chúng đóng góp phần trăm, số chất khí hấp thụ phát xạ xạ có bước sóng với chất khác hiệu ứng nhà kính tổng cộng khơng đơn tổng đóng góp chất khí Ngồi ra, số chất khơng phải khí nhà kính, mây chẳng hạn, hấp thụ phát xạ xạ nhiệt có ảnh hưởng tới thuộc tính xạ khí nhà kính
Một số chất khí khác, ơxit cacbon (CO) clorua hydro (HCl) hấp thụ xạ sóng dài “tuổi thọ” chúng khí thường ngắn nên chúng khơng đóng vai trị quan trọng hiệu ứng nhà kính thường khơng đề cập đến
Hơi nước (H2O)là chất khí có đóng góp lớn vào hiệu ứng nhà kính khí quyển,
khơng phải chất khí nhà kính nguy hiểm, lượng nước tự nhiên khí biến đổi liên tục nước ngưng tụ tạo thành mây cho mưa Tuy nhiên, hoạt động người có ảnh hưởng trực tiếp, dù không đáng kể, đến lượng nước khí Nhưng người gây ảnh hưởng gián tiếp, tác động tiềm tàng đáng kể đến lượng nước làm biến đổi khí hậu Chẳng hạn, khơng khí ấm chứa nhiều nước Hoạt động người làm gia tăng lượng nước thông qua phát thải CH4, CH4 bị
phân hủy phản ứng hóa học tầng bình lưu, tạo lượng nhỏ nước
Điơxit cacbon (CO2)là chất khí nhà kính quan trọng sau nước Các q trình tự nhiên chủ
yếu sinh tiêu hao điôxit cacbon khí bao gồm: hơ hấp động, thực vật, quang hợp thực vật; trình trao đổi khí – đại dương; hoạt động núi lửa Hoạt động người làm gia tăng lượng điôxit cacbon chủ yếu sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chế tạo loại máy sưởi, máy làm lạnh, sản xuất xi măng, phá rừng, thay đổi sử dụng đất, v.v
Mêtan (CH4)là chất khí tự nhiên nguồn lượng quan trọng Tuổi thọ
của mêtan khí vào khoảng 9-15 năm Nếu so sánh khả gây hiệu ứng nhà kính phân tử mêtan lớn gấp lần so với điôxit cacbon Nhưng hàm lượng mêtan khí nhỏ nhiều so với điơxit cacbon nên đóng góp tổng cộng nhỏ Mêtan sinh trình tự nhiên vùng đầm lầy, đại dương, hoạt động người sản xuất nơng nghiệp, lấp đất ủ khí tự nhiên, khai thác than, v.v Ơzơn (O3)là chất khí liên tục tạo phân ly phản ứng hóa học Trong tầng bình
(15)trời đóng vai trị quan trọng cân xạ hệ thống khí hậu Lớp biết đến tên gọi tầng ơzơn Cịn ôzôn tầng đối lưu tầng bình lưu chất khí hấp thụ xạ sóng dài hiệu Trên thực tế người ta ước tính khả gây hiệu ứng nhà kính ơzơn lớn gấp 3000 lần ơxit cacbon Do đó, hàm lượng ơzơn nhỏ, vai trị hiệu ứng nhà kính khí đáng kể Hoạt động người làm tăng ôzôn tầng đối lưu thơng qua giải phóng chất khí ơxit cacbon, hydrocacbon ơxit nitơ Các chất khí tác dụng hóa học với tạo ơzơn
Ơxit Nitơ (N2O)cũng chất khí nhà kính quan trọng khác Ơxit nitơ tự nhiên sinh hoạt
động vi khuẩn, phóng điện khí quyển, đốt sinh khối cháy rừng, cháy đồng cỏ, trình tự nhiên đất đại dương, v.v Mặc dù lượng ôxit nitơ sinh hoạt động người không nhiều có khả hấp thụ lượng xạ sóng dài nhiều điơxit cacbon khoảng gần 300 lần Ước tính ơxit nitơ đóng góp khoảng 7% vào gia tăng hiệu ứng nhà kính khí
Ngồi ra, số chất khí thuộc nhóm halo-cacbon (CFC, HCFC) chủ yếu hoạt động người sinh ra, chlorofluorocarbons (CFC-11 CFC-12), hydro chlorofluorocarbons (HCFC) Các chất khí sử dụng sản xuất thiết bị làm lạnh trình cơng nghiệp khác Sự có mặt chúng khí nguyên nhân gây nên suy giảm ơzơn tầng bình lưu Tuy nhiên, sau có cơng ước quốc tế bảo vệ tầng ôzôn tăng lên chất kiểm sốt
Khác với chất khí nhà kính đây, có mặt xon khí (aerosol) khí chủ yếu ảnh hưởng đến truyền xạ mặt trời Xon khí phần tử nhỏ khí có kích thước, hàm lượng hợp phần hóa học biến thiên lớn Xon khí tác động trực tiếp gián tiếp đến truyền xạ mặt trời khí Tác động trực tiếp xon khí đến xạ mặt trời làm thay đổi thuộc tính quang học khí qua làm giảm lượng xạ mặt trời hấp thụ hệ thống khí hậu Tác động gián tiếp xon khí làm thay đổi tính chất quang học vi vật lí mây: Xon khí làm tăng hạt nhân ngưng kết dẫn đến làm tăng lượng mây, xon khí làm giảm kích thước hạt nước mây dẫn đến làm tăng “tuổi thọ” mây, kết làm tăng albedo mây, tức làm giảm lượng xạ mặt trời nhận Ngồi ra, xon khí hấp thụ xạ mặt trời, làm ấm mây dẫn đến làm giảm khả sinh giáng thủy kéo dài “tuổi thọ” mây Hiệu ứng gọi tác động bán trực tiếp xon khí
1.3 Biến đổi khí hậu 1.3.1 Khái niệm định nghĩa
(16)BĐKH đại nhận biết thông qua gia tăng nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất, dẫn đến tượng nóng lên tồn cầu Biểu BĐKH cịn thể qua dâng mực nước biển, hệ tăng nhiệt độ toàn cầu
Hiện khái niệm “biến đổi khí hậu” khơng cịn xa lạ nữa, ngược lại nhìn nhận tiềm ẩn nhiều nguy hậu tác động Sự tăng lên nhiệt độ trung bình toàn cầu tác động tiêu cực ngày nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên, kinh tế - xã hội Nhiệt độ toàn cầu gia tăng với thay đổi phân bố lượng bề mặt Trái đất bầu khí dẫn đến biến đổi hệ thống hồn lưu khí đại dương mà hậu biến đổi cực trị thời tiết khí hậu Nhiều chứng chứng tỏ rằng, thiên tai tượng cực đoan có nguồn gốc khí tượng ngày gia tăng nhiều vùng Trái đất mà nguyên nhân biến đổi bất thường tượng thời tiết, khí hậu Sự nóng lên tồn cầu ngun nhân dẫn đến dâng mực nước biển băng tan dãn nở nhiệt nước biển, làm cho nhiều vùng đất thấp bị ngập chìm vĩnh viễn, tượng xâm nhập mặn gia tăng, v.v
Các nhà khoa học nghiên cứu hoạt động người biến đổi khí hậu phải đối mặt với vấn đề quan trọng làm để phát khí hậu có biến đổi hay khơng Chúng ta biết thời tiết biến động mạnh qui mơ hàng ngày, hàng tuần chí hàng năm, khí hậu với qui mơ thời gian dài nhiều biến động Nếu 30 năm trước khí hậu ấm áp 30 năm qua liệu có phải chứng chắn khí hậu biến đổi? Hay dao động dài hạn thơng thường khí hậu? Trả lời câu hỏi khó nhà khoa học Trong mơ hình dự báo biến đổi khí hậu người dân nói chung chưa tin vào điều Chừng họ chưa chắn khí hậu biến đổi thực tế biến động ngẫu nhiên họ chưa thể ủng hộ việc thay đổi thói quen hoạt động kinh tế, xã hội thay đổi công nghệ nhằm làm chậm tốc độ biến đổi khí hậu Rõ ràng, để giải vấn đề này, điều quan trọng phải hiểu cách thấu đáo tạo nên biến động khí hậu thơng thường chúng khác với biến đổi khí hậu
1.3.2 Những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu
(17)1) Sự biến đổi tham số quĩ đạo Trái đất Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời theo quĩ đạo ellip phụ thuộc vào ba tham số độ lệch tâm, độ nghiêng trục quay Trái đất tiến động Những biến đổi tham số làm biến đổi lượng xạ mặt trời cung cấp cho hệ thống khí hậu hậu làm khí hậu Trái đất biến đổi
(a) Độ lệch tâm tham số phản ánh “độ méo” quĩ đạo so với đường tròn Sự biến đổi tham số chi phối biên độ biến trình năm lượng xạ mặt trời đến khác biệt lượng xạ mặt trời đến hai Bán cầu khoảng cách mặt trời Trái đất biến thiên năm Giá trị độ lệch tâm biến thiên khoảng từ (khơng méo, tức đường trịn) đến 0,07 (méo 7% so với đường tròn), giá trị 0,0174, tương ứng với Nam Bán cầu nhận nhiều xạ mặt trời Bắc Bán cầu khoảng 6,7% Tham số có chu kỳ dao động khoảng 96.000 năm;
(b) Độ nghiêng trục quay Trái đất Trái đất quay quanh trục vòng ngày Độ nghiêng Trục Trái đất so với pháp tuyến mặt phẳng quĩ đạo biến thiên khoảng từ 21,5 độ đến 24,5 độ có chu kỳ dao động khoảng 41.000 năm Khi độ nghiêng lớn làm tăng tương phản mùa, làm biến đổi độ dài mùa năm cực hướng phía mặt trời phía đối diện dài hơn;
(18)(19)(20)(21)(22)3) Sự biến đổi tính chất phát xạ mặt trời hấp thụ xạ Trái đất Mặt trời nguồn cung cấp lượng cho Trái đất Nguồn lượng biến thiên theo thời gian Từ Trái đất hình thành (khoảng tỷ năm) độ chói mặt trời tăng khoảng 30%.Sự phát xạ mặt trời có thời kỳ yếu gây băng hà có thời kỳ hoạt động mãnh liệt gây khí hậu khơ, nóng bề mặt Trái đất Thành phần khí Trái đất thay đổi nhiều qua thời kỳ địa chất Nguyên nhân đợt phun trào núi lửa, thải vào khơng khí nham thạch nóng nhiều khói, bụi giàu sunfua điôxit, sunfit hữu cơ, mêtan loại khí khác Có chứng cho thấy nhiều đợt phun trào núi lửa khứ có qui mô lớn so với đợt phun trào chứng kiến, gây biến đổi mạnh mẽ cân xạ khí
Biến đổi tự nhiên khí hậu nhận thấy qua thời kỳ băng hà, gian băng tương ứng với thời kỳ khí hậu lạnh giá khí hậu ấm áp Trái đất Qui mơ thời gian biến đổi cỡ hàng trăm nghìn năm (trung bình hai lần băng hà vào khoảng hai trăm nghìn năm)
(23)đây Nhưng hoạt động người tác động đáng kể đến hệ thống khí hậu mà có lẽ kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (khoảng từ năm 1750)
Vì nhu cầu mưu sinh, người “can thiệp” vào thành phần hệ thống khí hậu, làm thay đổi thuộc tính tự nhiên Từ chỗ đốt rừng làm nương rẫy, chặt lấy củi, khai thác tài nguyên, xây dựng nhà máy, xí nghiệp, người ngày sử dụng nhiều lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt), qua thải vào khí nhiều chất khí gây hiệu ứng nhà kính (hình 1.6) Nền cơng nghiệp phát triển, lượng chất phát thải ngày tăng, làm gia tăng hiệu ứng nhà kính khí quyển, dẫn đến tăng nhiệt độ Trái đất
Các khí nhà kính khí Trái đất có nguồn gốc tự nhiên hoàn toàn người sinh Chúng có nồng độ khác ảnh hưởng đến khí hậu Trái đất khác Có khí nhà kính tồn lâu khí CO2, CH4, N2O, ổn định mặt
hóa học nên pha trộn kỹ khí quyển, mật độ trung bình tồn cầu chúng ước lượng xác Bên cạnh có khí nhà kính tồn ngắn (ví dụ SO2 (sulfua điơxit), CO) dễ dàng bị ơxy hóa khí dễ bị loại bỏ mưa
Các chất khí có mật độ biến động lớn khơng đồng tồn cầu
Với mức độ hiểu biết nay, khí nhà kính có ảnh hưởng quan trọng đến biến đổi khí hậu tồn cầu hoạt động người gây điôxit cacbon (CO2), mêtan (CH4), ôxit nitơ
(N2O) ôzôn (O3) tầng đối lưu Ngồi cịn có chất khí thuộc nhóm halo-cacbon (CFC,
HCFC) xon khí
Hình 1.6 Sự biến đổi nồng độ chất khí CO2, CH4, N2O khí từ 20000 năm
trước đến 2005 (Nguồn IPCC, 2007)
CO2: Số liệu phân tích lõi băng khoan Greenland Nam cực cho thấy khoảng 18.000 năm trước, hàm lượng khí CO2 khí vào khoảng 180 đến 200 ppm (phần triệu),
bằng khoảng 70% so với thời kỳ tiền công nghiệp (280 ppm) Từ khoảng năm 1800, hàm lượng khí CO2 khí bắt đầu tăng lên đạt 379 ppm vào năm 2005, nghĩa tăng khoảng
31% so với thời kỳ tiền công nghiệp, vượt xa hàm lượng CO2 tự nhiên (hình 1.6) Tốc độ tăng
của CO2 giai đoạn 1960-2005 vào khoảng 1,4 ppm/năm Trong giai đoạn 1995-2005, tốc độ tăng
của CO2 nhanh hơn, lên tới 1,9 ppm/năm Người ta ước tính tăng CO2 từ
thời kỳ tiền công nghiệp tạo tác động xạ dương tới +1,66±0,17W/m2
(24)yếu làm thay đổi cân xạ toàn cầu Nguyên nhân làm tăng hàm lượng CO2
khí cho sử dụng nhiên liệu hóa thạch biến đổi sử dụng đất làm gia tăng lượng phát thải CO2 Từ năm 1990, gần 80% lượng phát thải CO2 nhân tạo sử dụng
nhiên liệu hóa thạch, 20% biến đổi sử dụng đất
CH4: Khí CH4 loại khí quan trọng thứ hai số khí nhà kính hoạt động
người tạo Nguồn khí CH4 sản sinh chủ yếu từ phân giải yếm khí cỏ
đầm lầy, ruộng lúa, phân súc vật, bãi rác thải, v.v Khí CH4cũng từ mỏ than,
giếng khoan dầu rò rỉ ống dẫn khí Khí CH4trong khí biết đến từ khoảng
những năm 1940, đến khoảng cuối năm 1960 có số liệu đo đạc thức Hàm lượng khí nhà kính CH4 tăng từ 715ppb (phần tỷ) thời kỳ tiền công
nghiệp lên đến giá trị gấp đôi 1774 ppb vào năm 2005 (hình 1.6) Trong vịng 10.000 năm trước đó, mật độ CH4 thay đổi chậm khoảng từ 550 đến 730 ppb Sự tăng hàm lượng khí
CH4 phần lớn tăng phát thải nhân tạo Từ cuối năm 1970 đầu năm
1980, CH4 có tốc độ tăng lớn nhất, xấp xỉ 1%/năm Tuy nhiên kể từ năm 1999, theo đo đạc
ghi nhận được, hàm lượng CH4 có xu hướng tăng chững lại Sự gia tăng hàm lượng CH4
khí làm gia tăng cân xạ toàn cầukhoảng +0,48±0,05W/m2, đứng thứ hai sau CO2
N2O: Nguồn sinh khí N2O chủ yếu đốt loại nhiên liệu, sử dụng phân hóa học,
sản xuất hóa chất, đốt sinh khối, phá rừng, v.v Những hoạt động người đóng góp khoảng 40% lượng phát thải N2O vào khí Việc đo nồng độ N2O khí
cũng thức thực gần Năm 2005 hàm lượng N2O 319 ppb, cao thời
kỳ tiền công nghiệp khoảng 18% Xu hướng tăng N2O gần tuyến tính, xấp xỉ 0,8
ppb/năm vài thập kỷ qua (hình 1.6) Sự gia tăng N2O đóng góp khoảng +0,16±0,02W/m2
vào gia tăng cân xạ toàn cầu
O3tầng đối lưu:O3 tầng đối lưu loại khí nhà kính quan trọng đứng hàng thứ ba sau
khí CO2 CH4 Nguồn O3 nhân tạo chủ yếu từ động ôtô, xe máy nhà máy điện
Trong tầng đối lưu, O3 loại khí nhà kính mạnh thời gian tồn ngắn biến
động theo không gian thời gian lớn, nên việc xác định tác động xạ tăng O3
hoạt động người mức hiểu biết trung bình Các quan trắc cho thấy xu O3 tầng đối lưu vài thập kỷ qua thay đổi dấu biên độ nhiều nơi khác nhau,
nhiên xu tăng tương đối rõ vùng vĩ độ thấp O3 tầng đối lưu đóng góp khoảng +0,35
W/m2(+0.25 đến +0.65)vào thay đổi cân xạ tồn cầu Đối với khí O3, người
phải đứng trước hai thử thách: phải tìm cách tăng O3 tầng bình lưu, củng cố “lá chắn”
tia xạ cực tím mặt trời; mặt khác phải giảm nồng độ O3 tầng đối lưu để hạn chế hiệu ứng
nhà kính gây
(25)Mặc dù lượng khí CFC HCFC khơng nhiều xu hướng tăng lên chúng làm nhà khí hậu lo ngại đặc tính nguy hiểm phá hoại tầng ơzơn Vì chất CFC HCFC nằm danh sách hàng đầu chất bị cấm hiệp ước bảo vệ tầng ôzôn Từ năm 1995, hiệu lực nghị định thư Montreal, nồng độ chất khí CFC HCFC tăng chậm lại có xu hướng giảm Từ năm 2010 trở đi, ngừng sản xuất chất toàn giới theo Nghị định thư Montreal
Xon khí: Xon khí tự nhiên bao gồm bụi vô từ bề mặt, hạt bụi muối biển, phát thải sinh vật từ đất đại dương, bụi sinh núi lửa phun trào Một số loại xon khí thải trực tiếp vào khí quyển, số khác hình thành khí từ hợp chất phát thải Hoạt động người góp phần làm gia tăng hàm lượng xon khí khí Việc đốt nhiên liệu hóa thạch sinh khối làm tăng hàm lượng xon khí chứa sunfua, chất hữu muội (black carbon – soot)
1.3.3 Dao động khí hậu tƣợng cực đoan
Có khác biệt định hai khái niệm “biến đổi khí hậu” “dao động khí hậu” hay “biến động khí hậu” (Climate Variability) BĐKH có nguồn gốc từ cân lượng hệ thống dẫn đến việc hệ thống phải tự điều chỉnh để lập lại trạng thái cân Thời gian cần thiết cho trình thiết lập trạng thái cân thường hàng chục năm Hơn nữa, khái niệm BĐKH gắn liền với khái niệm xu biến đổi, nghĩa biến đổi cần phải trì theo hướng Trong dao động khí hậu biến đổi thăng giáng khí hậu xung quanh trạng thái trung bình Những biến đổi thường ngược pha nhau, xảy có tính lặp lặp lại khoảng thời gian đó, nghĩa dao động khí hậu thường gắn liền với khái niệm chu kỳ Có dao động có chu kỳ ngắn dễ dàng nhận thấy, có dao động với chu kỳ lặp lại dài (các chu kỳ băng hà – gian băng) Một ví dụ điển hình dao động khí hậu tượng ENSO với pha El Nino (pha nóng) La Nina (pha lạnh) Các pha xuất luân phiên không thiết Chu kỳ xuất hiện tượng khoảng từ đến năm với hậu thời tiết, khí hậu trái ngược
Cụ thể hơn, hiểu dao động (hay biến động) khí hậu biến đổi thăng giáng biến khí hậu (như nhiệt độ lượng mưa) xung quanh trạng thái trung bình nhiều năm (thường vài chục năm), nghĩa lớn nhỏ giá trị trung bình nhiều năm Chẳng hạn, nhiệt độ cao trung bình tháng (30 năm qua) Hà Nội 33,5 độ C, giá trị hàng năm vượt thấp giá trị trung bình nhiều năm Tuy nhiên, so sánh giá trị nhiệt độ cao hàng ngày tháng năm với giá trị trung bình nhiều năm chênh lệch lớn nhiều Những dao động thường mang tính ngẫu nhiên, đặc trưng biên độ chu kỳ lặp lại Ứng với kiện quan tâm có xác suất xảy định Xác suất lớn nhỏ Ví dụ, xác xuất để nhiệt độ cao trung bình tháng nơi vượt ngưỡng 33,0 độ C 60%, lấy ngưỡng 35,0 độ C xác suất 10% Xác suất nhỏ kiện xảy khoảng thời gian lặp lại dài
(26)đoan Nói cách khác, hiện tượng cực đoan hiểu tượng thỏa mãn điều kiện: 1) Hiếm, tức có xác suất xuất tương đối thấp khoảng thời gian tương đối dài; 2) Có cường độ lớn; 3) Khắc nghiệt, tức có khả gây ảnh hưởng lớn dội đe dọa trực tiếp gián tiếp đến sống Trái đất
Theo IPCC (2007), hiện tượng thời tiết cực đoan (an extreme weather event) tượng hiếm
ở một nơi cụ thể vào một thời gian cụ thể năm Định nghĩa “hiếm” hiểu theo nhiều cách khác nhau, hiện tượng thời tiết cực đoan hiểu tượng có xác suất
xuất nhỏ, thông thường chọn nhỏ 10% Theo định nghĩa này, tính chất gọi “thời tiết cực đoan” khác nơi nơi khác Khi tượng thời tiết cực đoan xảy vào thời gian năm, chẳng hạn mùa, ổn định, gọi hiện tượng khí hậu cực đoan Nói cách khác, hiện tượng khí hậu cực đoan sự
tổng hợp tượng thời tiết cực đoan đặc trưng trung bình cực trị tuyệt đối tượng thời tiết cực đoan khoảng thời gian định Cũng cần phân biệt khái niệm cực đoan với khái niệm cực trị tuyệt đối chuỗi nhiều năm mà người ta gọi
(27)(28)BĐKH nóng lên tồn cầu dẫn đến phân bố lại lượng bề mặt, đại dương khí Trái đất, làm biến đổi hệ thống hoàn lưu khí đại dương Những biến đổi tác động đến dao động tự nhiên khí hậu, đặc biệt qui mơ vùng địa phương Nói chung qui mơ vùng địa phương khí hậu biến động mạnh qui mơ tồn cầu bán cầu (vì biến động nơi bù trừ biến động ngược lại nơi khác), dẫn đến khác biệt đáng kể cấu trúc không gian tượng Những khác biệt biến động khí hậu vùng kết trình tương tác hồn lưu khí với bề mặt đất đại dương Những biến đổi dao động khí hậu nguyên nhân làm gia tăng tượng thời tiết, khí hậu cực đoan Trên hình 1.7 minh họa ảnh hưởng đến tượng liên quan đến nhiệt độ đặc trưng thống kê bị biến đổi Có thể nhận thấy rằng, nhiệt độ trung bình tăng lên (nóng lên tồn cầu), xác suất xảy thời tiết nóng tăng lên, đặc biệt làm gia tăng tính cực đoan thời tiết nóng Trong trường hợp mức độ biến động nhiệt độ tăng lên dẫn đến gia tăng tượng nóng cực đoan lạnh cực đoan
1.4 Đánh giá biến đổi khí hậu 1.4.1 Khái niệm
Đánh giá BĐKH khái niệm rộng Trên qui mô toàn cầu, đánh giá BĐKH nhằm trả lời câu hỏi như: Làm để xác định giám sát nhiệt độ bề mặt Trái đất khứ tương lai? Ý nghĩa tính hữu dụng nhiệt độ trung bình tồn cầu làgì? Khí hậu Trái đất thay đổi kỷ qua, thời kỳ băng hà trẻ trước nữa, từ suy luận dao động tự nhiên khí hậu trước thời kỳ cơng nghiệp hóa người? Hoặc, xu nóng lên tồn cầu so với biến động khí hậu khứ, có phải xu nóng lên dao động tự nhiên khí hậu trực tiếp người tạo khí nhà kính? Các mơ hình khí hậu đáng tin tưởng đến mức cho khí nhà kính nguyên nhân gây tăng nhiệt độ kỷ 20 dự báo tác động mạnh kỷ 21? v.v
Hiểu cách đơn giản, đánh giá BĐKH xác định xem khí hậu có biến đổi khơng, có biến đổi nào, nguyên nhân tầm quan trọng chúng gây biến đổi
(29)Ở qui mơ khu vực, ngồi việc đánh giá biến đổi khí hậu khứ, tương lai nói chung, đánh giá BĐKH cịn trọng đến việc phân tích xu biến đổi, biến đổi đột ngột tính chất biến động yếu tố tượng khí hậu Bên cạnh đó, biến đổi hợp phần cấu thành khí hậu khu vực đề cập, biến đổi chế độ thủy văn, địa hình, bề mặt đệm, v.v
Ở qui mô quốc gia, vùng lãnh thổ qui mô địa phương, đánh giá BĐKH thực mức độ chi tiết hơn, mục đích chủ yếu cung cấp thông tin cho việc đánh giá tác động BĐKH Nói cách khác, đánh giá BĐKH qui mô quốc gia địa phương nhằm trả lời câu hỏi: 1) Khí hậu có thực biến đổi không, dao động tự nhiên? 2) Những biểu BĐKH gì? 3) Xu thế, mức độ tính chất biến đổi khí hậu nào? v.v
1.4.2 Phƣơng pháp đánh giá BĐKH
1)Nguyên tắc chung
Về nguyên tắc, toán đánh giá BĐKH bao gồm: Đánh giá biến đổi khí nhà kính xon khí khí quyển; biến đổi quan trắc nhiệt độ khơng khí, nhiệt độ đất nhiệt độ đại dương, lượng mưa, sông băng tảng băng, mực nước biển đại dương; BĐKH khứ cổ khí hậu Để giải tốn loạt vấn đề khác cần phải thực hiện, nghiên cứu q trình sinh địa hóa chu trình carbon, chất khí xon khí; số liệu vệ tinh nguồn số liệu khác; mơ hình khí hậu; dự tính khí hậu, nguyên nhân gây biến đổi khí hậu (http://www.ipcc.ch)
Cho mục đích ứng dụng, đánh giá BĐKH chia thành hai lớp toán: 1) Nghiên cứu, khảo sát dấu hiệu, chứng BĐKH khứ tại; 2) Dự tính biến đổi khí hậu tương lai vài thập kỷ đến hết kỷ, chí xa Lớp toán thứ thực dựa vào chuỗi số liệu quan trắc lịch sử Lớp toán thứ hai thực dựa sản phẩm mơ hình khí hậu chạy với kịch phát thải khí nhà kính Tuy nhiên, hai lớp toán thực việc phân tích, đánh giá biến đổi yếu tố tượng khí hậu dựa việc khảo sát thuộc tính chuỗi thời gian yếu tố tượng tương ứng Những thuộc tính chuỗi cần nghiên cứu xu biến đổi (tăng, giảm theo thời gian), mức độ biến đổi (có thể dựa vào tốc độ xu thế) tính chất biến đổi
Về phân bố khơng gian, qui mơ tồn cầu, việc đánh giá BĐKH tiến hành thành phần phương trình cân lượng nước, tác động xạ, cấu trúc hệ thống hoàn lưu khí đại dương, thành phần khí quyển, trường khí hậu bản, tượng thời tiết, khí hậu cực trị, v.v Trên qui mơ khu vực châu lục, việc đánh giá trọng vào cấu trường khí hậu, đại dương, biến đổi sử dụng đất tượng cực trị Cịn qui mơ quốc gia địa phương, biến đổi yếu tố tượng khí hậu, bao gồm tượng cực trị đặc biệt nhấn mạnh
(30)2)Một số phương pháp cụ thể
a Đánh giá xu biến đổi: Thông thường xu biến đổi chuỗi thời gian đánh giá thơng qua phương trình hồi qui tuyến tính biểu thị phụ thuộc yếu tố tượng xét (X) vào thời gian (t): X = a0 + a1t, a0là hệ số cắt a1 hệ số góc Trong nghiên cứu BĐKH, thành phần kế cận chuỗi thời gian thường cách năm, đơn vị t năm Dấu hệ số góc a1 cho biết chuỗi có xu tăng (a1>0) giảm (a1<0) Để có kết luận chắn xu chuỗi cần tiến hành kiểm nghiệm độ rõ rệt hệ số góc a1.
Xu tuyến tính chuỗi xác định phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall Xu chuỗi thời gian xác định thông qua việc so sánh độ lớn tương đối thành phần chuỗi xét giá trị thành phần Nói cách khác, thành phần chuỗi thời gian so sánh với theo thứ hạng lớn bé không tính đến giá trị chúng sai khác Lợi kiểm nghiệm không cần biết tập mẫu tuân theo luật phân bố Một cách vắn tắt mơ tả phương pháp sau
Giả sử ta có chuỗi thời gian {xt, t=1 n} Mỗi thành phần chuỗi so sánh với tất thành phần lại đứng sau (về thời gian) Giá trị thống kê Mann – Kendall (S) ban đầu gán (tức chuỗi khơng có xu thế) Nếu thành phần sau lớn thành phần trước tăng S lên đơn vị Ngược lại thành phần sau nhỏ thành phần trước S bị trừ đơn vị Nếu hai thành phần có giá trị S khơng thay đổi Tổng S sau tất lần so sánh dùng để đánh giá xu chung chuỗi Tức ta có:
trong đó:
Giá trị tuyệt đối S lớn xu rõ S dương thể xu tăng chuỗi S âm thể xu giảm chuỗi Để có nhận định xác xu chuỗi ta cần kiểm nghiệm độ rõ rệt S
(31)So với phương pháp hồi qui, phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall kiểm nghiệm Spearman có ưu điểm chúng khơng nhạy với số liệu có chứa sai số thơ thích hợp với chuỗi số liệu biến động mạnh Nhược điểm phương pháp khơng định lượng hóa mức độ biến đổi
Khi xét xu chuỗi yếu tố kiện khí hậu cực trị, hệ số góc phương trình xu tuyến tính thước đo mang tính xác định lượng Nhưng tính biến động mạnh đặc trưng cực trị, kiểm nghiệm Mann – Kendall Spearman có ưu hơn, chúng không cho phép ước lượng mức độ tăng giảm xu
b Đánh giá mức độ biến đổi: Mức độ biến đổi biến đổi mạnh hay yếu, nhiều hay ít, ngày tăng hay giảm, tính biến động biến đổi Mức độ biến đổi đánh giá qua tốc độ tăng, giảm qua thời kỳ, tính biến động qua thời kỳ xu tăng giảm qua thời kỳ, biến đổi biên độ dao động, gia tăng hay giảm dao động ngẫu nhiên Mức độ biến đổi tuyến tính xác định hệ số góc phương trình xu Trị số tuyệt đối hệ số góc a1 phương trình xu lớn mức độ biến đổi lớn ngược lại Mức độ biến đổi đánh giá thơng qua hệ số góc Sen tính từ chuỗi số liệu (x1, x2, …, xn) yếu tố tượng xét, với xi biểu diễn giá trị quan trắc thời điểm i Hệ số góc Sen, xác định trung vị dãy gồm n(n-1)/2 phần
tử { , với k=1,2,…,n-1; j>k} Các hệ số góc dương (âm) thể xu tăng (giảm) yếu tố, tượng xét Giá trị tuyệt đối hệ số góc lớn xu tăng (giảm) mạnh Mức ý nghĩa hệ số góc xác định kiểm nghiệm Man-Kendall c Đánh giá tính chất biến đổi: Tính chất biến đổi xem xét từ nhiều góc độ khác Nếu quan tâm đến lặp lại tượng trị số xác định yếu tố việc khảo sát tính chất biến đổi xem xét tính dao động chu kỳ chuỗi Nếu quan tâm đến tính biến động yếu tố tượng tính chất biến đổi biến đổi độ lệch chuẩn, biên độ, hệ số biến thiên
Sự biến đổi cực trị tuyệt đối thời đoạn xem biểu mức độ tính chất biến đổi Ở chừng mực định, trị số phản ánh tác động biến đổi tồn cầu đến biến đổi khí hậu địa phương khu vực Chẳng hạn, nhiệt độ, xu chung nhiệt độ trung bình tăng, tăng nhiệt độ cực tiểu lớn tăng nhiệt độ cực đại, biên độ trung bình nhiệt độ giảm Tuy nhiên xảy tình chuỗi số liệu nhiệt độ cực tiểu, giá trị cực tiểu tuyệt đối thời đoạn sau nhỏ thời đoạn trước Như tính biến động nhiệt độ cực tiểu tăng lên theo thời gian
(32)Số liệu khứ tạicó thể bao gồm hai phận: Loại số liệu quan trắc gián tiếp tài liệu ghi chép, loại số liệu đo đạc dụng cụ, thiết bị quan trắc
Số liệu quan trắc gián tiếp kết phân tích mẫu hóa thạch, lõi băng, vân cây, v.v., tài liệu ghi chép kho lưu trữ, dân gian Nói chung số liệu khơng nhiều đạt độ xác định
Số liệu đo đạc trực tiếp máy móc, dụng cụ có từ khoảng kỷ 17, chuỗi số liệu dài qui mơ tồn cầu bắt đầu có từ 1850 Tuy nhiên, tùy khu vực cụ thể độ dài chuỗi quan trắc khác Chẳng hạn, Việt Nam số liệu quan trắc khí tượng có từ cuối kỷ 19, đầu kỷ 20, nhiều trạm khí tượng bắt đầu quan trắc từ sau ngày giải phóng miền Nam Mật độ phân bố mạng lưới trạm khác vùng khác giới nói chung phụ thuộc vào trình độ phát triển quốc gia
Từ tập số liệu quan trắc ban đầu (số liệu gốc), đặc trưng dẫn xuất tập mẫu xác định để lập thành chuỗi số liệu làm sở cho việc xử lí, tính tốn, phân tích
Số liệu dự tính khí hậu tương laithường sản phẩm mơ hình khí hậu (mơ hình tồn cầu mơ hình khu vực) Trước hết mơ hình khí hậu tồn cầu chạy tính cho thời kỳ với thời gian đủ dài (30 năm chẳng hạn), chí kỷ 20 Điều kiện ban đầu điều kiện biên cho mơ hình trường hợp trường phân tích từ số liệu quan quan trắc thành phần khí yếu tố có liên quan Kết mơ hình sử dụng để đánh giá khả tái tạo khí hậu mơ hình đồng thời làm sở để đánh giá biến đổi khí hậu tương lai Thời kỳ chọn làm sở gọi thời kỳ chuẩn hay thời kỳ sở (baseline) Các mơ hình tồn cầu sau chạy để dự tính khí hậu tương lai dựa kịch phát thải khí nhà kính Trong trường hợp này, thành phần khí (chủ yếu chất khí nhà kính), điều kiện bề mặt đệm, v.v theo kịch bản, dùng để xác định điều kiện biên cho mơ hình Kết dự tính khí hậu tương lai (thế kỷ 21 xa nữa) sau so sánh với thời kỳ chuẩn để xây dựng kịch BĐKH
Do độ phân giải ngang mơ hình tồn cầu cịn tương đối thô (thông thường khoảng 200-300km), chưa đủ chi tiết để mơ tả điều kiện khí hậu địa phương khu vực, nên để xây dựng kịch BĐKH cấp quốc gia, vùng lãnh thổ địa phương người ta thường hạ thấp qui mô (downscale) sản phẩm mơ hình tồn cầu mơ hình thống kê mơ hình khí hậu khu vực Kết việc hạ thấp qui mô trường khí hậu có độ phân giải cao hơn, chi tiết hơn, phản ánh đầy đủ trình qui mô vừa nhỏ
)