CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 86
4.2 Xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu
Xây dựng kịch bản BĐKH toàn cầu, còn gọi là dự tính BĐKH toàn cầu là việc đưa ra những thông tin phản ánh điều kiện khí hậu trong tương lai khi sử dụng các mô hình khí hậu chạy với đầu vào là các kịch bản phát thải KNK.
Các tác động của con người đến hệ thống khí hậu có thể được dự tính bằng cách tính toán tất cả các quá trình quan trọng xảy ra trong hệ thống thông qua việc biểu diễn chúng dựa trên các nguyên lý của vật lý học, hóa học và sinh học vào trong một mô hình toán học. Do tính phức tạp của các quá trình này, chúng chỉ có thể thực hiện được bởi các chương trình máy tính, hay còn gọi là các mô hình khí hậu. Nếu như tất cả các hiểu biết của chúng ta về hệ thống khí hậu được tính đến, mô hình sẽ trở nên cực kỳ phức tạp và không thể chạy trên bất cứ một hệ thống máy tính dù tối tân đến mức nào. Do vậy trên thực tế, các phép đơn giản hóa đã được thực hiện để làm giảm tính phức tạp cũng như các đòi hỏi về tài nguyên tính toán (ví dụ giảm số chiều mô phỏng xuống thành 2 chiều, thậm chí 0 chiều). Các mô hình đơn giản cho phép nghiên cứu độ nhạy của khí hậu đến một quá trình riêng biệt với một phổ rộng các tham số. Theo mức độ phức tạp, có thể sắp xếp các mô hình khí hậu theo thứ tự từ những mô hình cân bằng năng lượng đơn giản đến các mô hình rất phức tạp, đòi hỏi phải có các máy tính lớn, tốc độ tính toán nhanh và những kỹ
thuật tính toán phức tạp. Các mô hình khí hậu phức tạp nhất là các mô hình kết hợp đại dương khí quyển kết hợp giữa mô hình khí quyển 3 chiều, mô hình đại dương, mô hình băng biển, và mô hình bề mặt đất. Với các mô hình kết hợp, thông tin về trạng thái của khí quyển và đại dương được sử dụng để tính toán trao đổi nhiệt lượng, độ ẩm và động lượng giữa 2 thành phần này.
4.2.1 Mô hình khí hậu toàn cầu
Mô hình khí hậu toàn cầu GCM hiện đại có nguồn gốc từ các mô hình toán học được phát triển trước hết để dự báo các hình thế thời tiết hạn vài ngày. Năm 1922, Richardson L. F. là người đầu tiên đưa ra ý tưởng rằng thời tiết trong tương lai có thể dự báo được bằng việc tích phân số các phương trình chuyển động của chất lỏng khi sử dụng thời tiết hiện tại như là điều kiện ban đầu. Richardson đã cố gắng tính toán dự báo thời tiết bằng tay khi ông đang là một lái xe cứu thương ở Pháp trong chiến tranh Thế giới thứ I. Kết quả dự báo sai quá mức, bởi vì những điều kiện ban đầu của ông có chứa thành phần hội tụ gió giả tạo lớn. Dự báo bằng mô hình số thành công đầu tiên đã sử dụng các phương trình đã được đơn giản hóa rất nhiều so với những phương trình của Richardson, trong đó nghiệm của chúng ít nhạy cảm với điều kiện ban đầu.
Dự báo thời tiết bằng phương pháp số được đề xuất như là một khả năng ứng dụng của máy tính điện tử được John von Neumann phát triển vào cuối những năm 1940. Thành công đầu tiên của dự báo thời tiết số sử dụng máy tính điện tử là ở Viện nghiên cứu nâng cao Princeton, New Jersey, được thực hiện bởi một nhóm do Jule Charney lãnh đạo. Mô hình này chỉ có một lớp khí quyển và chỉ mô tả vùng lục địa nước Mỹ. Thí nghiệm số đầu tiên có tính đến bức xạ và sự tiêu tán đã được xây dựng khi sử dụng một mô hình đơn giản hai mực theo chiều thẳng đứng. Sau đó để mô phỏng chi tiết hơn hoàn lưu chung khí quyển, người ta đã đưa vào các phương trình chuyển động chính xác hơn, tăng độ phân giải không gian ngang và đứng, và các quá trình vật lý điều khiển hoàn lưu chung khí quyển, như bức xạ, sự giải phóng ẩn nhiệt, và tiêu tán do ma sát được mô tả sát thực hơn. Chất lượng của những mô phỏng nhận được bằng các mô hình khí quyển đã dần dần được cải thiện nhờ nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu liên quan đến việc cung cấp thông tin dự báo thời tiết thực tế. Cùng với sự nỗ lực để tăng chất lượng dự báo thời tiết là sự cố gắng lớn trong việc thu thập số liệu quan trắc thời tiết tại bề mặt và tại các mực khí quyển trên cao. Những quan trắc này có thể dùng để mô tả trạng thái khí quyển dùng cho việc điều chỉnh những dự báo ban đầu.
Khởi đầu của việc ứng dụng các GCM trong nghiên cứu khí hậu là mô hình hoàn lưu chung khí quyển đơn giản được Philip xây dựng lần đầu tiên vào năm 1956. Sau đó, các mô hình hoàn lưu chung khí quyển bắt đầu được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều cơ sở khác nhau của Hoa Kỳ, Châu Âu, Úc và nhiều nơi khác. Từ những năm 1970, các mô hình hoàn lưu chung khí quyển đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khí tượng, khí hậu học. Đánh dấu cho sự phát triển mô hình khí hậu là sự hình thành nhóm nghiên cứu BĐKH của IPCC vào những năm 1980. Nhận thức được mối liên hệ giữa sự nóng lên của khí hậu Trái đất và sự gia tăng hiệu ứng nhà kính do nồng độ CO2 trong khí quyển tăng lên, các nhà khí hậu học bắt đầu quan tâm đến các tác động dài hạn
của sự tích luỹ CO2 trong khí quyển do phát thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và đốt nhiên liệu hóa thạch. Một số công trình đã sử dụng mô hình GCM để tính sự biến đổi trong cấu trúc ba chiều của khí quyển khi nồng độ CO2 tăng gấp đôi.
Do tầm quan trọng của đại dương đối với hệ thống khí hậu nên các nhà mô hình hoá đã bắt đầu “ghép” mô hình hoàn lưu chung đại dương (OGCM) với mô hình hoàn lưu chung khí quyển (AGCM) để tạo thành hệ thống mô hình kết hợp đại dương khí quyển (AOGCM). Đến giữa những năm 1980 các mô hình AOGCM đã được thiết lập như một tiêu chuẩn mới đối với mô hình hoá khí hậu. Các mô hình AOGCM đã có thể mô phỏng được (a) Thông lượng nhiệt và ẩm (bốc hơi) từ đại dương vào lớp biên khí quyển; (b) Thông lượng nhiệt và giáng thủy từ khí quyển vào đại dương; (c) Sự điều khiển gió của hoàn lưu đại dương; (d) Sự biến đổi độ cản gió do biến đổi độ cao sóng và (e) Các quá trình quan trọng khác tại mặt phân cách khí quyển – đại dương là kết quả của sự vận chuyển các xon khí từ các hạt nước biển và vận chuyển hóa học giữa không khí và nước. Các mô hình AOGCM đã không ngừng được phát triển và hoàn thiện thông qua việc tăng độ phân giải không gian cũng như cải tiến các mô đun động lực và các sơ đồ tham số hóa (chẳng hạn băng biển, lớp biên khí quyển, lớp xáo trộn đại dương). Nhiều quá trình rất quan trọng đã được đưa vào trong các mô hình, bao gồm những quá trình ảnh hưởng đến các nhân tố tác động (ví dụ xon khí bây giờ đã được mô hình hóa trong mối tương tác với các quá trình khác trong nhiều mô hình).
Khả năng mô phỏng khí hậu toàn cầu trên các quy mô từ mùa đến nhiều năm của GCM đã được nhiều nghiên cứu chứng minh. GCM cũng có thể dự báo mùa sự hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới trên Đại Tây Dương thông qua việc dự báo khu vực phát triển chính của chúng. Hiện nay, nhiều GCM đang được nghiên cứu ứng dụng trong mô phỏng khí hậu quá khứ và dự tính khí hậu tương lai theo các kịch bản BĐKH, như CCSM (Community Climate System Model), ECHAM (European Centre Hamburg Model),... Theo kết quả tổng hợp trong Báo cáo lần thứ 4 của IPCC, cho đến nay các mô hình đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong mô phỏng nhiều khía cạnh của khí hậu trung bình hiện tại. Các mô phỏng giáng thủy, khí áp mực biển và nhiệt độ bề mặt nhìn chung đã được cải thiện mặc dù vẫn còn một số khiếm khuyết, nhất là đối với giáng thủy vùng nhiệt đới. Đối với giáng thủy, các mô hình nói chung vẫn cho mô phỏng thấp hơn thực tế trong hầu hết các sự kiện cực đoan. Việc mô phỏng xoáy thuận ngoại nhiệt đới cũng đã có nhiều tiến bộ. Một số mô hình đã được sử dụng để dự tính sự biến đổi của xoáy thuận nhiệt đới.
Kết quả cho thấy chúng có thể mô phỏng khá thành công tần suất và sự phân bố của xoáy thuận nhiệt đới quan trắc. Các mô hình cũng đã mô phỏng được các dạng chủ đạo của biến động khí hậu ngoại nhiệt đới. Hiện tại đã có một số mô hình có thể mô phỏng nhiều đặc tính quan trọng của ENSO (Dao động nam El Nino), nhưng mô phỏng dao động Madden−Julian nói chung vẫn còn chưa tốt.
Đối với bài toán dự tính BĐKH, từ các kịch bản phát thải KNK, những thông tin phản ánh điều kiện khí hậu trong tương lai sẽ được xác định khi chạy các mô hình khí hậu toàn cầu với hàm lượng KNK dự tính của khí quyển. Các kịch bản BĐKH toàn
cầu sau đó được xây dựng dựa trên những kết quả dự tính này. Nói chung các mô hình khác nhau đưa ra những sản phẩm dự tính không giống nhau do tính bất định luôn luôn tiềm ẩn trong các mô hình. Theo Báo cáo lần thứ 4 của IPCC, kết quả từ các mô hình GCM khi mô phỏng khí hậu toàn cầu đã cho thấy nhiệt độ và lượng mưa trung bình trên từng khu vực có sai số mang tính hệ thống so với quan trắc. Nhiệt độ mô phỏng thấp hơn còn giáng thủy lại mạnh hơn so với thực tế trên tất cả các khu vực trong hầu hết các mùa. Sai số mô phỏng nhiệt độ trung bình năm biến thiên từ -2,5oC trên cao nguyên Tây Tạng đến -1,4oC trên Nam Á. Tại hầu hết các khu vực, sai số nhiệt độ của từng mô hình riêng lẻ dao động từ 6 đến 7oC, ngoại trừ trên khu vực Đông Nam Á, sai số này giảm còn 3,6oC. Đối với lượng mưa, sai số lớn hơn ở Bắc Á và Đông Á và rất lớn ở cao nguyên Tây Tạng. Các mô hình GCM trong trường hợp này rõ ràng là có vấn đề khi mô phỏng điều kiện khí hậu khu vực cao nguyên Tây Tạng vì không mô tả được hiệu ứng của địa hình phức tạp ở đây cũng như quá trình hồi tiếp albedo do sự mở rộng tuyết trên đỉnh núi.
Trong mỗi mô hình đơn lẻ luôn tồn tại những điểm mạnh và những điểm yếu khiến cho “không một mô hình nào được xem là tốt nhất và việc sử dụng kết quả từ nhiều mô hình là quan trọng”. Nếu hiểu các sai số mô phỏng trong các mô hình khác nhau là độc lập, trung bình của các mô hình có thể được kỳ vọng sẽ tốt hơn mỗi thành phần riêng lẻ, do vậy sẽ cung cấp một dự tính
“tốt nhất”. Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra điều này, cho các dự báo mùa và cho cả việc tái tạo điều kiện khí hậu hiện tại từ các mô phỏng, dự tính khí hậu hạn dài. Bởi vậy, để giảm bớt tính bất định, với cùng một kịch bản phát thải, sản phẩm dự tính của nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH. Việc sử dụng tổ hợp các mô hình toàn cầu chạy ở các trung tâm mô hình hóa khác nhau đã được triển khai cho các dự tính/dự báo khí hậu ở các quy mô thời gian từ mùa đến nhiều năm và thế kỷ. Một trong những dự án quan trọng nhất trong vấn đề này có thể kể đến là dự án so sánh đa mô hình khí hậu (CMIP), thu thập dữ liệu đầu ra của 25 mô hình/phiên bản mô hình toàn cầu nhằm phục vụ cho Báo cáo đánh giá lần thứ 4 thực hiện bởi nhóm làm việc thứ nhất của IPCC. Hiện nay, dự án CMIP5 đang được tiến hành, tiếp nối dự án CMIP3 với mục tiêu phục vụ Báo cáo đánh giá lần thứ 5 của IPCC dự kiến xuất bản vào tháng 9 năm 2013.
4.2.2 Một số kết quả dự tính biến đổi khí hậu toàn cầu từ IPCC
Nói chung các mô hình khác nhau đưa ra những sản phẩm dự tính không giống nhau do tính bất định luôn luôn tiềm ẩn trong các mô hình. Bởi vậy, để giảm bớt tính bất định, với cùng một kịch bản phát thải, sản phẩm dự tính của nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH. Dựa trên nguyên tắc đó, IPCC đã tổng hợp, phân tích và đưa ra các kịch bản BĐKH toàn cầu và đã công bố trong Báo cáo lần thứ 4, năm 2007. Dưới đây là một số kết quả về xu hướng BĐKH toàn cầu với các kịch bản khác nhau của một số yếu tố khí hậu cơ bản.
Nhiệt độ: Với các kịch bản không tính đến việc chủ động giảm phát thải, các mô hình đều cho thấy nhiệt độ trung bình bề mặt tiếp tục tăng lên trong thế kỷ 21, chủ yếu là do sự tăng nồng độ KNK nhân tạo. Phân tích sản phẩm của các mô hình toàn cầu
với các kịch bản phát thải B1, A1B và A2 cho thấy nhiệt độ trung bình của giai đoạn 2011 – 2030 sẽ cao hơn nhiệt độ trung bình của giai đoạn 1980 – 1999 khoảng từ 0,64 ºC đến 0,69 ºC.
Từ giữa thế kỷ 21 (2046 – 2065), việc lựa chọn kịch bản phát thải trở nên quan trọng do có sự khác biệt đáng kể về sự tăng nhiệt độ trung bình bề mặt giữa các kịch bản: 1,3ºC, 1,7ºC, và 1,8ºC tương ứng với B1, A1B và A2. Sự ấm lên của bề mặt đi kèm với khoảng bất định của giai đoạn 2090 – 2099 so với giai đoạn 1980 –1999 là B1: 1,8°C (1,1 đến 2,9°C), B2: 2,4°C (1,4 đến 3,8°C), A1B: 2,8°C (1,7 đến 4,4°C), A1T: 2,4°C (1,4 đến 3,8°C), A2: 3,4°C (2,0 đến 5,4°C) và A1FI: 4,0°C (2,4 đến 6,4°C).
Rất nhiều khả năng những đợt nóng sẽ trở nên khắc nghiệt, thường xuyên và kéo dài hơn trong tương lai. Các giai đoạn lạnh sẽ giảm rõ rệt. Hầu như ở mọi nơi, nhiệt độ thấp nhất ngày có tốc độ tăng nhanh hơn so với nhiệt độ cao nhất ngày, dẫn tới việc giảm biên độ biến trình ngày của nhiệt độ. Ở những vùng vĩ độ cao và trung bình số ngày đông giá sẽ ít hơn.
Hình 4. 4. Nhiệt độ trung bình bề mặt (so với giai đoạn 1980–1999) cho các kịch bản phát thải A2, A1B, và B1 trong thế kỷ 20 và trong tương lai (Nguồn: IPCC, 2007)
Mưa: Các mô hình hiện tại cho thấy rằng lượng mưa nhìn chung tăng lên ở những nơi mưa nhiều thuộc các vùng nhiệt đới (ví dụ: khu vực gió mùa) đặc biệt là vùng nhiệt đới Thái Bình Dương; vùng cận nhiệt đới có xu hướng giảm mưa, trong khi mưa
lại nhiều lên ở các vùng vĩ độ cao. Đó là kết quả của việc tăng cường chu trình nước toàn cầu. Giá trị trung bình toàn cầu của hơi nước, bốc hơi và lượng mưa đều có xu hướng tăng.
Các hiện tượng mưa cực đoan cũng được dự tính sẽ tăng lên, đặc biệt ở các vùng nhiệt đới và vĩ độ cao, nơi lượng mưa trung bình tăng. Ngay cả ở những nơi mà lượng mưa trung bình giảm, cực trị mưa cũng tăng và khoảng thời gian giữa các sự kiện mưa có thể tăng lên. Có xu hướng khô hạn ở những vùng sâu trong các lục địa kèm theo nguy cơ hạn hán ở các vùng này.
Hình 4. 5. Biến đổi từ trung bình các mô hình với (a) Lượng mưa (mm/ngày), (b) độ ẩm đất (%), (c) dòng chảy (runoff, mm/ngày) và (d) bốc hơi (mm/ngày). Những vùng có dấu chấm là nơi có đến 80% mô hình có cùng dấu. Biến đổi này là
trung bình năm của kịch bản SRES A1B cho giai đoạn 2080–2099 tương ứng với 1980–1999 (Nguồn: IPCC, 2007).
ENSO: Tất cả các mô hình đều chỉ ra dao động nhiều năm của hiện tượng ENSO, tuy nhiên chưa có dấu hiệu thống nhất giữa các mô hình về cường độ cũng như tần suất xuất hiện các sự kiện ENSO trong thể kỷ 21.
Xoáy thuận nhiệt đới: Kết quả từ nhiều mô hình cho thấy, cùng với sự tăng lên liên tiếp của nhiệt độ bề mặt biển nhiệt đới, dường như xoáy thuận nhiệt đới trong tương lai sẽ mạnh hơn với đỉnh của phổ tốc độ gió lớn hơn và mưa lớn do bão nhiều hơn.
Một vài mô hình dự tính tổng số lượng xoáy thuận nhiệt đới toàn cầu có thể giảm đi, nhưng kết quả này có độ tin cậy kém.