CHƯƠNG 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN

1.1 Thời tiết và khí hậu

1.1.1 Định nghĩa thời tiết và khí hậu

Hàng ngày chúng ta thường nghe các bản tin “dự báo thời tiết” trên đài phát thanh hoặc truyền hình, chẳng hạn, do ảnh hưởng của không khí lạnh tăng cường, đêm nay và ngày mai trời trở rét, nhiệt độ thấp nhất có thể xuống tới 12-14 độ C,…; hoặc chiều hôm qua một trận mưa lớn kéo dài chừng ba tiếng đồng hồ đã xảy ra ở Hà Nội gây ngập úng trên nhiều tuyến phố; v.v.Chúng ta cũng thường đọc hoặc nghe nói Việt Nam có khí hậu nhiệt đới gió mùa với miền Bắc có mùa đông lạnh,…; hoặc một đặc điểm quan trọng của khí hậu khu vực Hà Nội là sự tương phản sâu sắc về nhiệt độ giữa mùa nóng và mùa lạnh: về mùa nóng nhiệt độ trung bình tháng nóng nhất là 29,0 độ C, cao nhất có thể lên tới trên 42,0 độ C, trong khi nhiệt độ trung bình tháng lạnh nhất là 16,6 độ C, thấp nhất có thể xuống tới dưới 3,0 độ C. Vậy, thời tiết là gì, khí hậu là gì, và chúng khác nhau ở chỗ nào, chúng có mối liên hệ gì với nhau không? Ta sẽ làm rõ những vấn đề này thông qua các định nghĩa và khái niệm sau.

Thời tiếtl à trạng thái tức thời của khí quyển ở một địa điểm cụ thể, được đặc trưng bởi các đại lượng đo được, như nhiệt độ, độ ẩm, gió, lượng mưa,… hoặc các hiện tượng quan trắc được, như sương mù, dông, mưa, nắng,…

Khí hậu là sự tổng hợp của thời tiết, được đặc trưng bởi các giá trị trung bình thống kê và các cực trị đo được hoặc quan trắc được của các yếu tố và hiện tượng thời tiết trong một khoảng thời gian đủ dài, thường là hàng chục năm. Một cách đơn giản, có thể hiểu khí hậu là trạng thái trung bình và những cực trị của thời tiết được xác định trên một khoảng thời gian đủ dài ở một nơi nào đó.

Như vậy, trong khi thời tiết chỉ trạng thái vật lý tức thời của khí quyển ở một nơi nào đó thì khí hậu là khái niệm dùng để mô tả khái quát mọi khả năng có thể xảy ra của thời tiết trong một khoảng thời gian đủ dài của nơi đó. Khí quyển được đặc trưng bởi những dao động ngẫu nhiên diễn ra khá nhanh theo thời gian và không gian. Do đó thời tiết biến đổi một cách liên tục. Còn khí hậu được xem là trạng thái thời tiết trung bình, được tổng hợp lại từ các yếu tố hợp thành nó thông qua một vài giới hạn có thể biến đổi được và từ những thông tin về sự xuất hiện các sự kiện cực trị. Một cách hình tượng hóa, có thể ví khí hậu như một cái bọc mà bên trong nó bao hàm mọi khả năng xảy ra của thời tiết. Do đó, các yếu tố và hiện tượng xác định thời tiết, như nhiệt độ, lượng mưa, tốc độ và hướng gió, v.v. cũng chính là các yếu tố và hiện tượng dùng để mô tả khí hậu.

Ta có thể nói thời tiết tại một thời điểm (ví dụ, bây giờ trời đang mưa), của một ngày (ví dụ, hôm qua sương mù dày đặc), của tuần, thậm chí của một hoặc vài năm (ví dụ, thời tiết năm nay có nhiều sự kiện bất thường hơn năm ngoái), nhưng ta không thể nói khí hậu của một ngày, một tháng hoặc một năm nào đó. Chẳng hạn, có thể nói thời tiết năm 2000 nhưng không thể nói khí hậu năm 2000!

Thường có sự nhầm lẫn cơ bản giữa thời tiếtvà khí hậuthể hiện qua việc nhiều người hay đặt câu hỏi: tại sao có thể dự báo khí hậutrong nhiều năm tới trong khi không thể dự báo thời tiếtcho vài tuần tiếp theo? Bản chất dễ thay đổi của khí quyển làm nó không thể duy trì trạng thái cân bằng (hệ thống thời tiết) trong một thời gian dài hơn hai tuần nên ta không thể dự báo thời tiết (của một ngày cụ thể nào đó) với hạn dự báo vượt quá hai tuần. Còn dự báo khí hậu là dự báo điều kiện trung bình của thời tiết trong một thời đoạn dài dựa vào sự thay đổi của các thành phần khí quyển và các nhân tố khác, là một vấn đề khác hẳn. Có thể lấy ví dụ, hầu như ta không thể dự đoán được tuổi thọ của một thanh niên cụ thể nào đó, nhưng lại có thể nói với độ chính xác cao về tuổi thọ trung bình của người dân trong một nước. Hiểu theo nghĩa đơn giản, dự báo khí hậu tương tự như việc ước tính tuổi thọ trung bình của người dân một nước, còn dự báo thời tiết giống như việc dự đoán tuổi thọ của một thanh niên.

 

1.1.2 Qui mô không gian, thời gian và các dạng thời tiết, khí hậu

Thời tiết và khí hậu được xác định trên mọi qui mô không gian, từ vài chục mét đến hàng nghìn kilômét, thậm chí toàn cầu. Ví dụ, ở qui mô nhỏ người ta có thể dự báo thời tiết cho một vùng biển mà ở đó đang tổ chức đua thuyển buồn, có thể xác định điều kiện khí hậu trong các nhà máy, phân xưởng cho mục đích định mức bảo hộ lao động; ở qui mô lớn hơn, ta có thể theo dõi được quá trình hình thành, phát triển và tan rã của một cơn bão trong dự báo thời tiết, hoặc phân vùng và xác định các đặc điểm khí hậu cho một khu vực trên Trái đất.

Tuy nhiên, do tính chất linh động của khí quyển, thời tiết luôn thay đổi từ thời điểm này đến thời điểm khác. Phụ thuộc vào bản chất của từng hiện tượng mà qui mô thời gian của thời tiết có thể kéo dài từ một vài giờ (thậm chí ngắn hơn nữa) đến tối đa khoảng hai tuần. Ví dụ, một đám mây dông tồn tại, từ lúc xuất hiện đến lúc tan đi, có thể chỉ trong khoảng nửa giờ đến một vài giờ, nhưng các hệ thống qui mô lớn, như sự di chuyển của một khối không khí lạnh, có thể kéo dài trên dưới mười ngày.

Khác với thời tiết, khí hậu có tính ổn định tương đối. Theo nghĩa là trung bình của thời tiết có thể hiểu khí hậu là trạng thái “nền” (có tính ổn định) của khí quyển ở một nơi nào đó mà thời tiết chính là những nhiễu động tức thời của khí quyển xung quanh trạng thái nền này. Nhưng khí hậu không phải là không biến đổi. Sự biến đổi của khí hậu chỉ có thể được nhận thấy sau một khoảng thời gian đủ dài, thường là hàng thập kỷ.

1.2 Hệ thống khí hậu

1.2.1 Định nghĩa hệ thống khí hậu

Theo IPCC, hệ thống khí hậu là một hệ rất phức tạp bao gồm năm thành phần chính là khí quyển, thủy quyển, băng quyển, bề mặt đất và sinh quyển, và sự tương tác giữa chúng (hình 1.1). Mặc dù các thành phần này rất khác nhau về cấu trúc và thành phần cấu tạo, về các thuộc tính vật lý và các thuộc tính khác, chúng được liên kết với nhau thông qua các dòng khối lượng, dòng năng lượng và động lượng, tạo nên một thể thống nhất rộng lớn. Hệ thống khí hậu tiến hóa theo thời gian dưới tác động của các nhân tố bên trong và bên ngoài.

Các nhân tố bên trong chi phối hệ thống khí hậu bao gồm các thuộc tính của khí quyển như thành phần cấu tạo, tính chất ổn định, hoàn lưu khí quyển, và các đặc tính địa phương, như khoảng cách xa biển hay độ lục địa, độ cao địa hình, điều kiện tự nhiên của bề mặt đất, lớp phủ thực vật cũng như trạng thái gần các hồ ao, v.v.

Khí quyển là thành phần bất ổn định và linh động nhất của hệ thống khí hậu. Khí quyển bao gồm các chất khí, hơi nước, mây, xon khí, và các thành phần vật chất khác. Khí quyển có ảnh hưởng đến sự truyền bức xạ mặt trời và bức xạ Trái đất. Sự chuyển động của khí quyển, qua đó là sự di chuyển của các khối khí, đóng vai trò quan trọng trong sự vận chuyển và phân bố lại năng lượng bức xạ giữa các vùng trên Trái đất. Quá trình này bị chi phối bởi các nhân tố mang tính địa phương như độ cao địa hình, tính chất bề mặt, và do đó góp phần quyết định điều kiện khí hậu của các vùng.

Hình 1.1: Sơ đồ mô tả các thành phần của hệ thống khí hậu và những mối tương tác giữa chúng (Nguồn IPCC, 2007)

Các nhân tố bên ngoài tác động đến hệ thống khí hậu bao gồm bức xạ mặt trời, tính chất hình cầu của Trái đất, chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời và sự quay quanh trục của nó, sự tồn tại của lục địa và đại dương, cũng như những tác động do con người làm thay đổi các thành phần khí quyển, biến đổi sử dụng đất.

Nguồn năng lượng cung cấp cho hệ thống khí hậu chủ yếu là bức xạ mặt trời. Mặt trời là một trong khoảng 10¹¹ ngôi sao trong hệ ngân hà Milky Way của chúng ta. Nhiệt độ phát xạ của mặt trời vào khoảng 6000 độ K (khoảng 5727 độ C). Do đó bức xạ mặt trời chủ yếu là bức xạ sóng ngắn với khoảng 99% nằm trong phổ bước sóng ánh sáng (0,4-0,7mm). Tính trung bình, lượng bức xạ mặt trời đến tại đỉnh khí quyển vào khoảng 342 W/m² (hình 1.2) trong quá trình truyền qua lớp khí quyển để đến được bề mặt Trái đất nó đã bị phản xạ lại không trung khoảng 30% (107 W/m²). Phần còn lại bị hấp thụ bởi khí quyển (67 W/m²) và bề mặt Trái đất (168 W/m²). Khí quyển và bề mặt Trái đất sau khi được đốt nóng bởi bức xạ mặt trời sẽ ấm lên và phát xạ trở lại không trung. Do nhiệt độ của hệ thống Trái đất – khí quyển nhỏ hơn rất nhiều (vào khoảng 288 độ K, tương đương 15 độ C) nên bức xạ phát xạ của Trái đất là bức xạ sóng dài.

Tuy nhiên, do Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời theo quĩ đạo ellip với tốc độ một vòng trong một năm mà mặt trời nằm ở một trong hai tiêu điểm (hình 1.3), đồng thời trục quay của Trái đất nằm nghiêng một góc so với mặt phẳng quĩ đạo nên lượng bức xạ mặt trời đến tại đỉnh khí quyển cũng biến thiên theo thời gian trong năm và ở các nơi khác nhau của Trái đất cũng nhận được lượng bức xạ mặt trời khác nhau tùy thuộc vào vĩ độ địa lí. Ngoài ra, do sự khác nhau về khả năng hấp thụ và phản xạ bức xạ mặt trời giữa bề mặt đất và bề mặt nước nên sự phân bố không đồng đều của lục địa và đại dương cũng là nhân tố gây nên sự khác biệt trong sự phân bố năng lượng bức xạ mặt trời nhận được.

Hoạt động sống của con người có thể làm thay đổi thành phần cấu tạo của khí quyển, làm biến đổi đất sử dụng gây nên sự biến đổi albedo, tính chất lớp phủ bề mặt, v.v. cũng được xem là nhân tố bên ngoài tác động đến hệ thống khí hậu.

Hình 1.2: Sơ đồ mô tả sự truyền bức xạ và các dòng năng lượng trong hệ thống khí hậu (Nguồn IPCC, 2007)

 

Hình 1.3: Sơ đồ mô tả sự chuyển động của Trái đất xung quanh mặt trời

1.2.2 Các thành phần của hệ thống khí hậu

1) Khí quyển: Khí quyển là thành phần quan trọng nhất của hệ thống khí hậu. Khí quyển có khối lượng khoảng 5,14 ´10¹⁸ kg, nhỏ hơn so với khối lượng của đại dương (1,39 ´10²¹ kg) và khối lượng của Trái đất thuần (5,98 ´10²⁴ kg). Thành phần cấu tạo của không khí khô chủ yếu là Nitơ (N₂, chiếm 78,1%), Ôxy (O₂, chiếm 20,9%) và Acgon (Ar, chiếm 0,93%). Khoảng dưới 1% khối lượng khí quyển là các chất khí có vai trò quan trọng đối với sự hấp thụ và phát xạ năng lượng bức xạ. Những khí này bao gồm hơi 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) và các chất khí khác như mêtan (CH₄), oxit nitơ (N₂O), v.v. Khoảng 99% khối lượng khí quyển nằm trong lớp vài chục km tính từ bề mặt, nên quan trọng nhất đối với khí hậu là lớp khí quyển tầng thấp.Dựa trên sự phân bố nhiệt độ theo phương thẳng đứng khí quyển Trái đất có thể được chia thành bốn tầng chính (hình 1.4). Dưới cùng là tầng đối lưu trong đó nhiệt độ giảm theo độ cao do càng xa bề mặt khí quyển càng ít bị đốt nóng bởi bức xạ nhiệt từ bề mặt. Phía trên tầng đối lưu là tầng bình lưu ở đó nhiệt độ tăng theo độ cao do trên đỉnh tầng bình lưu tồn tại tầng ôzôn có khả năng hấp thụ bức xạ sóng ngắn của mặt trời. Tiếp đến là tầng trung quyển có nhiệt độ giảm theo độ cao, và ngoài cùng là tầng nhiệt quyển trong đó nhiệt độ tăng theo độ cao. Sự tăng nhiệt độ theo độ cao ở tầng nhiệt quyển là do các quá trình ion hóa và quang hóa các phân tử ôxy và nitơ bởi bức xạ mặt trời.

Độ ẩm không khí đặc trưng cho lượng hơi nước chứa trong khí quyển. Khí quyển nhận nước từ bề mặt thông qua bốc thoát hơi và cung cấp lại nước cho bề mặt thông qua giáng thủy. Nước chảy từ đất liền ra biển qua các con sông được mang trở lại đất liền nhờ quá trình vận chuyển hơi nước trong khí quyển. Hơi nước đóng vai trò hết sức quan trọng trong việc phản xạ bức xạ mặt trời và làm giảm phát xạ bức xạ hồng ngoại của Trái đất.

Hình 1.4: Các tầng chính của khí quyển xác định theo sự phân bố nhiệt độ thẳng đứng tại 150N trong điều kiện trung bình năm (Nguồn: Dennis L. Hartmann, 1994)

2) Thủy quyển và đại dương thế giới: Khí quyển chỉ chứa một lượng nước rất nhỏ so với tổng lượng nước của hệ thống khí hậu – khoảng 1/10⁵. Hầu hết nước trên bề mặt Trái đất chứa trong các đại dương và các tảng băng. Tổng lượng nước của Trái đất vào khoảng 1,35´10⁹ km³, trong đó khoảng 97% là nước biển. Vì tất cả các đại dương hầu như liên thông với nhau nên có thể gọi đó là đại dương thế giới. Đại dương thế giới là một thành phần cơ bản của hệ thống khí hậu. Đại dương bao phủ khoảng 71% bề mặt Trái đất. Độ sâu trung bình của đại dương thế giới là 3729 m. Đại dương có khả năng dự trữ và giải phóng nhiệt vô cùng lớn, trên các qui mô thời gian từ mùa đến hàng thế kỷ. Đại dương thế giới đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển năng lượng từ xích đạo về các vùng cực để sưởi ấm các vùng này và làm mát vùng xích đạo. Đại dương thế giới cũng là kho dự trữ nước để cung cấp hơi nước cho khí quyển tạo thành giáng thủy rơi xuống bề mặt nói chung và các vùng lục địa nói riêng. Đại dương cũng đóng vai trò trong việc xác định thành phần khí quyển thông qua sự trao đổi khí và các hạt bụi qua mặt đất phân cách đại dương -khí quyển, phân huỷ CO₂ trong khí quyển và tạo ra O₂, tham gia vào các chu trình hoá học quan trọng khác làm điều hoà môi trường bề mặt Trái đất.

3) Băng quyển: Băng quyển bao gồm các khối băng và tuyết lớn trên bề mặt Trái đất. Khoảng 2% lượng nước trên Trái đất bị đóng băng và khoảng 80% lượng nước đóng băng này là nước ngọt. Hầu hết khối lượng băng toàn cầu nằm ở Nam cực (89%) và Băng đảo (Greenland, 8,6%). Đối với khí hậu khối lượng của băng không phải là quan trọng nhất, mà quan trọng hơn là diện tích bề mặt phủ của băng, vì bề mặt băng phản xạ bức xạ mặt trời rất hiệu quả. Băng biển có thể tạo thành lớp cách ly tốt, làm cho nhiệt độ không khí khác xa nhiệt độ nước biển phía dưới băng. Hiện nay lớp băng vĩnh cửu chiếm khoảng 11% diện tích đất liền và 7% diện tích đại dương. Diện tích bề mặt bị phủ bởi băng, tuyết biến đổi theo mùa và cũng phụ thuộc vào điều kiện thời tiết hàng năm.

4) Sinh quyển: Sinh quyển bao gồm các hệ động vật, thực vật trên mặt đất và trong các đại d­ương. Sinh quyển là một thành phần quan trọng của hệ thống khí hậu. Thực vật làm thay đổi độ gồ ghề, albedo, sự bốc thoát hơi, dòng chảy mặt và khả năng chứa của đất. Sinh quyển cũng tham gia vào các quá trình trao đổi vật chất với khí quyển và đại dương, ảnh hư­ởng đến cân bằng CO₂ trong khí quyển và đại dư­ơng thông qua quá trình quang hợp và hô hấp. Sinh quyển biến đổi cùng với sự biến đổi của khí hậu Trái đất, và thông qua những dấu hiệu hoá thạch trong quá khứ ta có thể nhận biết đ­ược những thông tin về khí hậu của Trái đất

5) Bề mặt đất: Mặc dù bề mặt đất đóng vai trò nhỏ hơn trong hệ thống khí hậu so với khí quyển hoặc đại dương, khí hậu trên bề mặt đất cực kỳ quan trọng đối với loài người. Trên bề mặt đất, nhiệt độ và độ ẩm đất là những yếu tố quyết định cơ bản đối với đời sống thực vật tự nhiên và tiềm năng nông nghiệp. Lớp phủ thực vật, lớp phủ tuyết và điều kiện đất đai có ảnh hưởng đến khí hậu địa phương và do đó cũng ảnh hưởng đến khí hậu toàn cầu và ngược lại.

Bề mặt đất chỉ chiếm khoảng 30% diện tích bề mặt Trái đất. Sự phân bố của các lục địa và đại dương trên Trái đất đóng vai trò quan trọng đối với khí hậu toàn cầu. Hiện nay khoảng 70% diện tích bề mặt đất của Trái đất nằm ở bắc bán cầu và sự bất đối xứng này gây nên những khác biệt đáng kể giữa khí hậu Bắc và Nam bán cầu. Địa hình bề mặt đất, vị trí địa lí, hướng, độ cao và qui mô của các dãy núi cũng là những nhân tố cơ bản quyết định khí hậu trên các vùng đất liền. 

 

1.2.3 Mối tương tác giữa các thành phần của hệ thống khí hậu

Như đã trình bày trên đây, các thành phần của hệ thống khí hậu rất khác nhau về thành phần cấu tạo, cấu trúc, động thái cũng như các tính chất lí, hóa. Chẳng hạn, khí quyển là thành phần cực kỳ linh động và không ổn định; thủy quyển và đại dương thế giới cũng là một dạng môi trường chất lỏng như khí quyển nhưng có tính ổn định cao hơn nhiều; trong khi đó sinh quyển và bề mặt đất lại hoàn toàn khác hẳn. Mặc dù vậy, giữa các thành phần này luôn tương tác với nhau, gắn kết với nhau một cách chặt chẽ thông qua các dòng trao đổi năng lượng, nước, khối lượng và động lượng, tạo thành một hệ thống khí hậu cực kỳ phức tạp. Mối quan hệ tương tác giữa các thành phần của hệ thống khí hậu xảy ra trên mọi qui mô không gian và thời gian.

Có thể lấy một ví dụ về sự tương tác giữa khí quyển và đại dương. Nước từ các đại dương bốc hơi đi vào khí quyển mang theo một lượng nhiệt của đại dương. Hơi nước trong khí quyển có thể ngưng kết tạo thành mây, và có thể cho giáng thủy trên bề mặt đất, tạo nên dòng chảy; lượng nhiệt tỏa ra do quá trình ngưng kết là nguồn năng lượng cung cấp cho các hệ thống thời tiết. Mặt khác, giáng thủy trên đại dương cũng ảnh hưởng đến độ muối của đại dương, góp phần làm biến đổi hoàn lưu nhiệt muối. Khí quyển và đại dương cũng trao đổi vật chất, như điôxit cacbon, duy trì sự cân bằng của hệ thống bằng cách hòa tan chúng và nhấn chìm xuống dưới sâu ở những vùng nước lạnh các cực và giải phóng vào khí quyển ở những vùng nước trồi gần xích đạo.

Giữa khí quyển, sinh quyển và bề mặt đất cũng xảy ra nhiều quá trình trao đổi nước, năng lượng và vật chất thông qua sự thoát hơi nước, quang hợp của thực vật, sự hô hấp của động thực vật nói chung. Sự biến đổi sử dụng đất có thể làm thay đổi albedo bề mặt qua đó ảnh hưởng đến các thành phần cân bằng năng lượng. Nhiệt độ khí quyển và đại dương tăng lên có thể làm tan chảy băng; băng tan sẽ bổ sung một lượng nước vào đại dương góp phần làm dâng mực nước biển. Diện tích lớp phủ băng bị giảm đi sẽ làm giảm albedo bề mặt và do đó làm tăng lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được.

Nói chung không thể mô tả đầy đủ các quá trình trao đổi, tương tác giữa các thành phần của hệ thống khí hậu. Trên đây chỉ là một vài ví dụ có thể nhìn nhận được một cách tương đối rõ ràng. Trong thực tế còn nhiều quá trình xảy ra phức tạp hơn mà sự hiểu biết của con người hiện nay chưa tiếp cận được.

 

1.2.4 Mặt trời và cân bằng năng lượng toàn cầu

Nguồn năng lượng chủ yếu chi phối hệ thống khí hậu là bức xạ mặt trời. Khoảng một nửa lượng bức xạ mặt trời có bước sóng nằm trong khoảng phổ ánh sáng, nửa còn lại hầu như có bước sóng trong dải phổ gần hồng ngoại và một phần nằm trong dải phổ cực tím (ultraviolet). Trung bình trong một năm mỗi mét vuông tại đỉnh khí quyển Trái đất nhận được một lượng bức xạ mặt trời là 342W, trong đó khoảng 30% bị phản xạ trở lại không trung do mây, khí quyển và bề mặt Trái đất (hình 1.2). Khoảng 235W/m² còn lại bị khí quyển hấp thụ một phần, phần lớn (168 W/m²) do bề mặt đất và đại dương hấp thụ. Bề mặt nóng lên và trở lại đốt nóng khí quyển thông qua các dòng bức xạ sóng dài và các dòng phi bức xạ (hiển nhiệt và ẩn nhiệt). Sự trao đổi năng lượng này giữa bề mặt và khí quyển là cơ chế duy trì điều kiện nhiệt độ toàn cầu khoảng 15 độ C ở gần bề mặt và giảm nhanh theo độ cao xuống đến khoảng -58 độ C ở đỉnh tầng đối lưu.

Để duy trì khí hậu ổn định đòi hỏi phải có sự cân bằng của hệ thống giữa lượng bức xạ mặt trời đến và lượng phát xạ sóng dài vào không trung. Do đó hệ thống khí hậu tự nó phải phát xạ một lượng bức xạ sóng dài trung bình khoảng 235W/m² trở lại không trung.

 

1.2.5 Khái niệm về tác động bức xạ

Trong trạng thái cân bằng khí hậu bức xạ thuần trung bình (lượng bức xạ mặt trời mà hệ thống nhận được trừ đi lượng phát xạ sóng dài ra khỏi hệ thống) tại đỉnh khí quyển bằng 0. Sự biến đổi của bức xạ mặt trời hoặc phát xạ sóng dài có thể làm biến đổi bức xạ thuần dẫn đến sự mất cân bằng. Nguyên nhân gây nên sự mất cân bằng đó gọi là tác động bức xạ (radiative forcing). Trong thực tế để xem xét vấn đề này đỉnh tầng đối lưu được coi là đỉnh khí quyển.

Những tác động từ bên ngoài, như bức xạ mặt trời hoặc xon khí do núi lửa đưa vào khí quyển có khối lượng lớn, có thể biến thiên trên các qui mô thời gian rất khác nhau, gây nên những biến động tự nhiên đối với tác động bức xạ. Những biến động này có thể âm hoặc dương. Dù trong trường hợp nào hệ thống khí hậu cũng cần phải đáp ứng lại để phục hồi sự cân bằng. Tác động bức xạ dương có xu hướng làm ấm bề mặt trong khi tác động bức xạ âm có xu hướng làm lạnh bề mặt. Các quá trình khí hậu nội tại và sự hồi tiếp cũng có thể gây nên những biến động trong cân bằng bức xạ do tác động của chúng đối với phản xạ bức xạ mặt trời hoặc phát xạ sóng dài. Tuy nhiên những biến động này không được xem là bộ phận của tác động bức xạ.

 

1.2.6 Hiệu ứng nhà kính

Khái niệm “hiệu ứng nhà kính” dùng để mô tả một hiện tượng tự nhiên sau đây. Bức xạ sóng ngắn của mặt trời có thể truyền qua môi trường trong suốt (như mái nhà kính, cửa sổ bằng kính, lớp khí quyển Trái đất) đến một đối tượng nào đó và bị hấp thụ. Sau khi hấp thụ bức xạ mặt trời, đối tượng bị nóng lên và phát xạ bức xạ sóng dài. Bức xạ sóng dài này hầu như không thể “thoát” qua môi trường truyền và bị giữ lại trở thành nguồn năng lượng đốt nóng bổ sung (hình 1.5).

Một ví dụ minh họa cho hiện tượng này là, nếu bạn để ôtô ngoài trời nắng và đóng kín hết các cửa kính lại một lúc vừa đủ lâu, sau đó bạn mở cửa và bước lên ôtô bạn sẽ cảm nhận ngay được bên trong ôtô nóng hơnnhiều so với bên ngoài. Điều đó được lí giải bởi, ngoài việc ánh nắng mặt trời chiếu trực tiếp vào trong ôtô, vỏ ôtô cũng bị đốt nóng do bức xạ mặt trời, kết quả là ôtô của bạn nóng lên và phát xạ nhiệt (phát xạ sóng dài). Lượng bức xạ sóng dài phát xạ từ chính các bộ phận bên trong ôtô không thể thoát ra ngoài do không xuyên qua được lớp kính cửa sổ (và cả lớp vỏ ôtô) và trở thành bộ phận đốt nóng bổ sung làm gia tăng nhiệt độ bên trong ôtô. Tuy nhiên trong trường hợp này nếu bạn mở hết cửa sổ ôtô thay vì đóng lại, chênh lệch nhiệt độ của không khí bên trong và bên ngoài ôtô hầu như không còn nữa.

Hình 1.5:  Sơ đồ mô tả hiệu ứng nhà kính (Nguồn: http://www.comeniusweb.eu/wiki/index.php?title=Greenhouse_effect)

Bức xạ mặt trời khi đi vào hệ thống khí hậu bị phản xạ trở lại không trung khoảng 30%, phần còn lại bị khí quyển và bề mặt Trái đất hấp thụ (hình 1.2). Bề mặt Trái đất nóng lên và trở thành vật phát xạ lên trên. Vì bức xạ mặt trời chủ yếu là sóng ngắn, còn bức xạ của Trái đất chủ yếu là sóng dài nên khí quyển có thể tác động đến bức xạ mặt trời và bức xạ Trái đất rất khác nhau. Trong khi khí quyển có thể được xem là hầu như “trong suốt” đối với bức xạ mặt trời thì nó lại gần như “mờ đục” đối với bức xạ Trái đất. Chỉ một phần rất nhỏ lượng bức xạ từ bề mặt Trái đất có thể xuyên qua được lớp khí quyển để thoát ra ngoài không trung. Phần còn lại bị khí quyển hấp thụ và nóng lên rồi phát xạ trở lại bề mặt. Đó chính là “hiệu ứng nhà kính” của khí quyển. Có thể chỉ ra rằng nếu không có lớp khí quyển thì nhiệt độ của bề mặt Trái đất chỉ vào khoảng -18 độ C, trong khi nhiệt độ trung bình quan trắc được vào khoảng 15 độ C. Như vậy, hiệu ứng nhà kính đã làm cho khí hậu Trái đất ấm hơn rất nhiều. Hiệu ứng nhà kính tự nhiên đã góp phần duy trì sự sống trên Trái đất.

 

1.2.7 Các khí nhà kính trong khí quyển Trái đất

Khí nhà kính là chất khí trong khí quyển có khả năng hấp thụ và phát xạ bức xạ sóng dài (bức xạ nhiệt) gây nên hiệu ứng nhà kính. Những chất khí nhà kính tự nhiên chủ yếu trong khí quyển Trái đất gồm hơi nước, điôxit cacbon, mêtan, ôxit nitơ và ôzôn. Mặc dù chiếm trên 99,9% khối lượng khí quyển và đóng góp vào nhiều quá trình lí – hóa quan trọng của khí quyển, các chất khí nitơ, ôxy và argon không phải là khí nhà kính.

Hơi nước khí nhà kính quan trọng nhất trong khí quyển. Hơi nước đóng góp khoảng 36-72% hiệu ứng nhà kính của khí quyển. Điôxit cacbon (CO₂) là chất khí nhà kính quan trọng thứ hai. Nó đóng góp khoảng 9-26% hiệu ứng nhà kính của khí quyển. Còn mêtan đóng góp khoảng 4-9% và ôzôn là 3-7% hiệu ứng nhà kính của khí quyển.

Mức độ đóng góp vào hiệu ứng nhà kính của khí quyển của các chất khí nói trên chỉ là ước tính. Trên thực tế khó có thể nói chính xác chúng đóng góp bao nhiêu phần trăm, vì một số chất khí hấp thụ và phát xạ bức xạ có cùng bước sóng với những chất khác và hiệu ứng nhà kính tổng cộng không đơn thuần là tổng đóng góp của từng chất khí. Ngoài ra, một số chất không phải là khí nhà kính, như mây chẳng hạn, cũng hấp thụ và phát xạ bức xạ nhiệt và do đó cũng có ảnh hưởng tới các thuộc tính bức xạ của các khí nhà kính.

Một số chất khí khác, như ôxit cacbon (CO) hoặc clorua hydro (HCl) cũng hấp thụ bức xạ sóng dài nhưng “tuổi thọ” của chúng trong khí quyển thường rất ngắn nên chúng không đóng vai trò quan trọng đối với hiệu ứng nhà kính và thường không được đề cập đến.

Hơi nước (H₂O)là chất khí có đóng góp lớn nhất vào hiệu ứng nhà kính của khí quyển, nhưng nó không phải là chất khí nhà kính nguy hiểm, vì lượng hơi nước tự nhiên trong khí quyển biến đổi liên tục do hơi nước có thể ngưng tụ tạo thành mây và có thể cho mưa. Tuy nhiên, hoạt động của con người cũng có ảnh hưởng trực tiếp, dù không đáng kể, đến lượng hơi nước trong khí quyển. Nhưng con người có thể gây ảnh hưởng gián tiếp, tác động tiềm tàng đáng kể đến lượng hơi nước do làm biến đổi khí hậu. Chẳng hạn, không khí ấm hơn chứa nhiều hơi nước hơn. Hoạt động của con người cũng có thể làm gia tăng lượng hơi nước thông qua phát thải CH₄, vì CH₄ bị phân hủy do phản ứng hóa học trong tầng bình lưu, tạo ra một lượng nhỏ hơi nước.

Điôxit cacbon (CO₂)là chất khí nhà kính quan trọng sau hơi nước. Các quá trình tự nhiên chủ yếu sinh ra và tiêu hao điôxit cacbon trong khí quyển bao gồm: hô hấp của động, thực vật, quang hợp của thực vật; các quá trình trao đổi khí quyển – đại dương; hoạt động của núi lửa. Hoạt động của con người làm gia tăng lượng điôxit cacbon chủ yếu do sử dụng nhiên liệu hóa thạch, chế tạo các loại máy sưởi, máy làm lạnh, sản xuất xi măng, phá rừng, thay đổi sử dụng đất, v.v.

Mêtan (CH₄)là một chất khí tự nhiên cơ bản và là một nguồn năng lượng quan trọng. Tuổi thọ của mêtan trong khí quyển vào khoảng 9-15 năm. Nếu so sánh khả năng gây hiệu ứng nhà kính của một phân tử thì mêtan lớn gấp 8 lần so với điôxit cacbon. Nhưng do hàm lượng của mêtan trong khí quyển nhỏ hơn nhiều so với điôxit cacbon nên đóng góp tổng cộng của nó nhỏ hơn. Mêtan được sinh ra do các quá trình tự nhiên như ở các vùng đầm lầy, ở đại dương, hoặc do hoạt động của con người như sản xuất nông nghiệp, lấp đất và ủ các khí tự nhiên, khai thác than, v.v.

Ôzôn (O₃)là chất khí liên tục được tạo ra và phân ly do các phản ứng hóa học. Trong tầng bình lưu trên tồn tại một lớp có hàm lượng ôzôn khá lớn có tác dụng hấp thụ bức xạ cực tím của mặt trời và đóng vai trò rất quan trọng trong cân bằng bức xạ của hệ thống khí hậu. Lớp này được biết đến dưới tên gọi là tầng ôzôn. Còn ôzôn trong tầng đối lưu và tầng bình lưu dưới là chất khí hấp thụ bức xạ sóng dài rất hiệu quả. Trên thực tế người ta ước tính được khả năng gây hiệu ứng nhà kính của ôzôn lớn gấp 3000 lần ôxit cacbon. Do đó, mặc dù hàm lượng ôzôn rất nhỏ, vai trò của nó đối với hiệu ứng nhà kính của khí quyển vẫn rất đáng kể. Hoạt động của con người làm tăng ôzôn trong tầng đối lưu thông qua giải phóng các chất khí như ôxit cacbon, hydrocacbon và ôxit nitơ. Các chất khí này tác dụng hóa học với nhau và tạo ra ôzôn.

Ôxit Nitơ (N₂O)cũng là một chất khí nhà kính quan trọng khác. Ôxit nitơ tự nhiên sinh ra do hoạt động của vi khuẩn, sự phóng điện trong khí quyển, đốt sinh khối do cháy rừng, cháy đồng cỏ, các quá trình tự nhiên trong đất và trong đại dương, v.v. Mặc dù lượng ôxit nitơ sinh ra do hoạt động của con người không nhiều nhưng nó có khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ sóng dài nhiều hơn điôxit cacbon khoảng gần 300 lần. Ước tính ôxit nitơ đóng góp khoảng 7% vào sự gia tăng hiệu ứng nhà kính của khí quyển.

Ngoài ra, một số chất khí thuộc nhóm halo-cacbon (CFC, HCFC) chủ yếu là do hoạt động của con người sinh ra, như chlorofluorocarbons (CFC-11 và CFC-12), hydro chlorofluorocarbons (HCFC). Các chất khí này được sử dụng khi sản xuất các thiết bị làm lạnh và trong các quá trình công nghiệp khác. Sự có mặt của chúng trong khí quyển là một trong những nguyên nhân gây nên sự suy giảm ôzôn tầng bình lưu trên. Tuy nhiên, sau khi có công ước quốc tế về bảo vệ tầng ôzôn sự tăng lên của các chất này đã được kiểm soát.

Khác với các chất khí nhà kính trên đây, sự có mặt của xon khí (aerosol) trong khí quyển chủ yếu ảnh hưởng đến sự truyền bức xạ mặt trời. Xon khí là những phần tử nhỏ trong khí quyển có kích thước, hàm lượng và hợp phần hóa học biến thiên rất lớn. Xon khí có thể tác động trực tiếp và gián tiếp đến sự truyền bức xạ mặt trời trong khí quyển. Tác động trực tiếp của xon khí đến bức xạ mặt trời là làm thay đổi các thuộc tính quang học của khí quyển qua đó làm giảm lượng bức xạ mặt trời hấp thụ được của hệ thống khí hậu. Tác động gián tiếp của xon khí là làm thay đổi các tính chất quang học và vi vật lí mây: Xon khí làm tăng hạt nhân ngưng kết dẫn đến làm tăng lượng mây, xon khí cũng làm giảm kích thước các hạt nước trong mây dẫn đến làm tăng “tuổi thọ” của mây, kết quả là làm tăng albedo của mây, tức làm giảm lượng bức xạ mặt trời nhận được. Ngoài ra, xon khí có thể hấp thụ bức xạ mặt trời, làm ấm mây dẫn đến làm giảm khả năng sinh giáng thủy và kéo dài hơn “tuổi thọ” của mây. Hiệu ứng này được gọi là tác động bán trực tiếp của xon khí.

 

1.3 Biến đổi khí hậu

 

1.3.1 Khái niệm và định nghĩa

Theo IPCC (2007), biến đổi khí hậu (BĐKH) là sự biến đổi trạng thái của hệ thống khí hậu, có thể được nhận biết qua sự biến đổi về trung bình và sự biến động của các thuộc tính của nó, được duy trì trong một thời gian đủ dài, điển hình là hàng thập kỷ hoặc dài hơn. Nói cách khác, nếu coi trạng thái cân bằng của hệ thống khí hậu là điều kiện thời tiết trung bình và những biến động của nó trong khoảng vài thập kỷ hoặc dài hơn, thì BĐKH là sự biến đổi từ trạng thái cân bằng này sang trạng thái cân bằng khác của hệ thống khí hậu.

BĐKH hiện đại được nhận biết thông qua sự gia tăng của nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất, dẫn đến hiện tượng nóng lên toàn cầu. Biểu hiện của BĐKH còn được thể hiện qua sự dâng mực nước biển, hệ quả của sự tăng nhiệt độ toàn cầu.

Hiện nay khái niệm “biến đổi khí hậu” không còn xa lạ nữa, ngược lại nó được nhìn nhận như là tiềm ẩn của nhiều nguy cơ do hậu quả tác động của nó. Sự tăng lên của nhiệt độ trung bình toàn cầu đã tác động tiêu cực và ngày càng nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên, kinh tế - xã hội. Nhiệt độ toàn cầu gia tăng cùng với sự thay đổi trong phân bố năng lượng trên bề mặt Trái đất và bầu khí quyển đã dẫn đến sự biến đổi của các hệ thống hoàn lưu khí quyển và đại dương mà hậu quả của nó là sự biến đổi của các cực trị thời tiết và khí hậu. Nhiều bằng chứng đã chứng tỏ rằng, thiên tai và các hiện tượng cực đoan có nguồn gốc khí tượng ngày càng gia tăng ở nhiều vùng trên Trái đất mà nguyên nhân của nó là do sự biến đổi bất thường của các hiện tượng thời tiết, khí hậu. Sự nóng lên toàn cầu cũng là nguyên nhân cơ bản dẫn đến sự dâng mực nước biển do băng tan và dãn nở vì nhiệt của nước biển, làm cho nhiều vùng đất thấp bị ngập chìm vĩnh viễn, hiện tượng xâm nhập mặn gia tăng, v.v.

Các nhà khoa học khi nghiên cứu về hoạt động của con người đối với sự biến đổi khí hậu đã phải đối mặt với một vấn đề quan trọng là làm thế nào để phát hiện được khí hậu có biến đổi hay không. Chúng ta biết rằng thời tiết có thể biến động rất mạnh  trên qui mô hàng ngày, hàng tuần thậm chí hàng năm, nhưng khí hậu với qui mô thời gian dài hơn nhiều cũng có thể biến động. Nếu 30 năm trước nữa khí hậu ấm áp hơn 30 năm qua liệu đó có phải là bằng chứng chắc chắn khí hậu đã biến đổi? Hay đó chỉ là sự dao động dài hạn thông thường của khí hậu? Trả lời câu hỏi này quả là cực kỳ khó đối với các nhà khoa học. Trong khi các mô hình có thể dự báo được biến đổi khí hậu thì mọi người dân nói chung chưa chắc đã tin vào điều đó. Chừng nào họ chưa chắc chắn rằng khí hậu biến đổi là một thực tế chứ không phải chỉ là biến động ngẫu nhiên thì họ chưa thể ủng hộ việc thay đổi thói quen hoạt động kinh tế, xã hội cũng như thay đổi công nghệ nhằm làm chậm tốc độ biến đổi của khí hậu. Rõ ràng, để giải quyết vấn đề này, điều quan trọng là phải hiểu một cách thấu đáo cái gì tạo nên những biến động khí hậu thông thường và chúng khác với biến đổi khí hậu như thế nào.

 

1.3.2 Những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu

BĐKH có thể do các quá trình tự nhiên bên trong hệ thống khí hậu, hoặc do những tác động từ bên ngoài, hoặc do tác động thường xuyên của con người làm thay đổi thành phần cấu tạo của khí quyển hoặc sử dụng đất. Hiểu rõ và định lượng được mức độ ảnh hưởng của các nguyên nhân gây BĐKH hoàn toàn không đơn giản. Trong báo cáo lần thứ nhất (FAR) của IPCC năm 1990 chỉ nêu được rất ít bằng chứng về ảnh hưởng của con người đến khí hậu. Báo cáo lần thứ hai (SAR) năm 1995 đã đưa ra được những minh chứng cụ thể về vai trò của con người đối với khí hậu trong thế kỷ 20. Báo cáo lần thứ ba (TAR) năm 2001 đã kết luận rằng, sự ấm lên toàn cầu quan trắc được trong 50 năm cuối của thế kỷ 20 dường như chủ yếu do sự tăng nồng độ khí nhà kính trong khí quyển. Những tiến bộ đạt được về quan trắc cũng như các mô hình gần đây càng cung cấp thêm những hiểu biết vững chắc, cho phép kết luận rằng BĐKH có nguồn gốc từ hai nguyên nhân:nguyên nhân tự nhiên vànguyên nhân con người (báo cáo lần thứ tư – AR4).

Các nguyên nhân tự nhiên được cho là những nguyên nhân nằm ngoài hệ thống khí hậu Trái đất cũng như do sự thay đổi bên trong và tương tác giữa các thành phần của nó, bao gồm:

1) Sự biến đổi của các tham số quĩ đạo Trái đất. Trái đất chuyển động xung quanh mặt trời theo quĩ đạo ellip phụ thuộc vào ba tham số chính là độ lệch tâm, độ nghiêng của trục quay của Trái đất và tiến động. Những biến đổi của các tham số này sẽ làm biến đổi lượng bức xạ mặt trời cung cấp cho hệ thống khí hậu và hậu quả là làm khí hậu Trái đất biến đổi.

(a) Độ lệch tâm là tham số phản ánh “độ méo” của quĩ đạo so với đường tròn. Sự biến đổi của tham số này chi phối biên độ biến trình năm của lượng bức xạ mặt trời đến cũng như sự khác biệt của lượng bức xạ mặt trời đến ở hai Bán cầu do khoảng cách giữa mặt trời và Trái đất biến thiên trong năm. Giá trị của độ lệch tâm biến thiên trong khoảng từ 0 (không méo, tức đường tròn) đến 0,07 (méo 7% so với đường tròn), và giá trị hiện nay là 0,0174, tương ứng với Nam Bán cầu nhận được nhiều bức xạ mặt trời hơn Bắc Bán cầu khoảng 6,7%. Tham số này có chu kỳ dao động khoảng 96.000 năm;

(b) Độ nghiêng của trục quay của Trái đất. Trái đất quay quanh trục của nó một vòng trong một ngày. Độ nghiêng của Trục Trái đất so với pháp tuyến của mặt phẳng quĩ đạo biến thiên trong khoảng từ 21,5 độ đến 24,5 độ và có chu kỳ dao động khoảng 41.000 năm. Khi độ nghiêng này lớn sẽ làm tăng sự tương phản giữa các mùa, làm biến đổi độ dài các mùa trong năm do các cực hướng về phía mặt trời hoặc phía đối diện dài hơn.

(c) Tiến động. Ellip quĩ đạo Trái đất, ngoài sự biến đổi của độ lệch tâm, hướng của trục dài (hay bán trục lớn) của nó cũng quay một cách chậm chạp. Hiện tượng đó được gọi là tiến động. Tiến động có thể làm cho các mùa trở nên cực đoan hơn. Chẳng hạn vào những thời kỳ nhất định điểm xa mặt trời nhất sẽ xuất hiện vào mùa đông Bắc Bán cầu (làm cho các mùa ở Bắc Bán cầu cực đoan hơn, vì mùa đông trùng với thời kỳ xa mặt trời nhất và mùa hè trùng với thời kỳ gần mặt trời nhất), còn vào những thời kỳ khác điểm xa mặt trời nhất lại xuất hiện vào mùa hè Bắc Bán cầu (làm cho các mùa ở Bắc Bán cầu ít cực đoan hơn, vì mùa đông gần mặt trời nhất và mùa hè xa mặt trời nhất). Chu kỳ tiến động nằm trong khoảng từ 19.000 năm đến 21.000 năm.

2) Sự biến đổi trong phân bố lục địa – biển của bề mặt Trái đất. Bề mặt Trái đất bao gồm các lục địa và các đại dương. Bề mặt Trái đất có thể bị biến dạng qua các thời kỳ địa chất do sự trôi dạt lục địa, các quá trình vận động tạo sơn, sự phun trào núi lửa, v.v. Sự biến dạng này sẽ làm thay đổi phân bố lục địa – biển, hình thái bề mặt Trái đất, dẫn đến sự biến đổi trong phân bố bức xạ mặt trời nhận được, trong cân bằng bức xạ và cân bằng nhiệt của mặt đất và trong hoàn lưu chung khí quyển, đại dương.

3) Sự biến đổi trong tính chất phát xạ của mặt trời và hấp thụ bức xạ của Trái đất. Mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng duy nhất cho Trái đất. Nguồn năng lượng này cũng biến thiên theo thời gian. Từ khi Trái đất hình thành cho đến nay (khoảng 5 tỷ năm) độ chói của mặt trời tăng khoảng 30%.Sự phát xạ của mặt trời đã có những thời kỳ yếu đi gây ra băng hà và có những thời kỳ hoạt động mãnh liệt gây ra khí hậu khô, nóng trên bề mặt Trái đất. Thành phần khí quyển Trái đất cũng đã thay đổi rất nhiều qua các thời kỳ địa chất. Nguyên nhân có thể do các đợt phun trào núi lửa, thải vào không khí nham thạch nóng nhiều khói, bụi giàu sunfua điôxit, sunfit hữu cơ, mêtan và những loại khí khác. Có những bằng chứng cho thấy nhiều đợt phun trào núi lửa trong quá khứ có qui mô lớn hơn so với những đợt phun trào chúng ta đã từng chứng kiến, gây biến đổi mạnh mẽ về cân bằng bức xạ trong khí quyển.

Biến đổi tự nhiên của khí hậu có thể được nhận thấy qua các thời kỳ băng hà, gian băng tương ứng với những thời kỳ khí hậu lạnh giá và khí hậu ấm áp của Trái đất. Qui mô thời gian của những biến đổi này cỡ hàng trăm nghìn năm (trung bình giữa hai lần băng hà vào khoảng hai trăm nghìn năm).

Biến đổi khí hậu cũng có thể có nguyên nhân từ hoạt động của con người. Loài người mới xuất hiện cách đây khoảng gần chục nghìn năm, quá ngắn so với các chu kỳ băng hà đề cập trên đây. Nhưng hoạt động của con người đã 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, con người đã “can thiệp” vào các thành phần của hệ thống khí hậu, làm thay đổi thuộc tính tự nhiên của nó. Từ chỗ đốt rừng làm nương rẫy, chặt cây lấy củi, khai thác tài nguyên, xây dựng các nhà máy, xí nghiệp, con người ngày càng sử dụng nhiều năng lượng hóa thạch (than, dầu, khí đốt), qua đó đã thải vào khí quyển càng nhiều các chất khí gây hiệu ứng nhà kính (hình 1.6). Nền công nghiệp càng phát triển, lượng chất phát thải đó ngày càng tăng, làm gia tăng hiệu ứng nhà kính của khí quyển, dẫn đến tăng nhiệt độ của Trái đất.

Các khí nhà kính trong khí quyển Trái đất có thể có nguồn gốc tự nhiên hoặc hoàn toàn do con người sinh ra. Chúng có nồng độ rất khác nhau và ảnh hưởng đến khí hậu Trái đất cũng rất khác nhau. Có những khí nhà kính tồn tại lâu trong khí quyển như CO₂, CH₄, N₂O, ổn định về mặt hóa học nên được pha trộn kỹ trong khí quyển, do đó mật độ trung bình toàn cầu của chúng có thể ước lượng được khá chính xác. Bên cạnh đó cũng có những khí nhà kính tồn tại ngắn (ví dụ SO₂ (sulfua điôxit), CO) có thể dễ dàng bị ôxy hóa trong khí quyển hoặc dễ bị loại bỏ do mưa. Các chất khí này có mật độ biến động lớn và không đồng nhất trên toàn cầu.

Với mức độ hiểu biết hiện nay, những khí nhà kính có ảnh hưởng quan trọng đến sự biến đổi khí hậu toàn cầu do hoạt động của con người gây ra là điôxit cacbon (CO₂), mêtan (CH₄), ôxit nitơ (N₂O) và ôzôn (O₃) tầng đối lưu. Ngoài ra còn có các chất khí thuộc nhóm halo-cacbon (CFC, HCFC) và các xon khí.

CO₂: Số liệu phân tích lõi băng khoan được ở Greenland và Nam cực cho thấy khoảng 18.000 năm trước, hàm lượng khí CO₂ trong khí quyển chỉ 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 trong khí quyển bắt đầu tăng lên và đạt 379 ppm vào năm 2005, nghĩa là 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 đã ước tính được rằng sự tăng của CO₂ từ thời kỳ tiền công nghiệp đã tạo ra tác động bức xạ dương tới +1,66±0,17W/m² và là nhân tố chủ yếu làm thay đổi cân bằng bức xạ toàn cầu. Nguyên nhân chính làm tăng hàm lượng CO₂ trong khí quyển được cho là do sử dụng nhiên liệu hóa thạch và biến đổi sử dụng đất làm gia tăng lượng phát thải CO₂. Từ những năm 1990, gần 80% lượng phát thải CO₂ nhân tạo là do sử dụng nhiên liệu hóa thạch, 20% do biến đổi sử dụng đất.

CH₄: Khí CH₄ là loại khí quan trọng thứ hai trong số các khí nhà kính do hoạt động của con người tạo ra. Nguồn khí CH₄ được sản sinh chủ yếu từ sự phân giải yếm khí của cây cỏ trong các đầm lầy, ruộng lúa, phân súc vật, các bãi rác thải, v.v. Khí CH₄cũng thoát ra từ các mỏ than, các giếng khoan dầu hoặc do rò rỉ các ống dẫn khí. Khí CH₄trong khí quyển được biết đến từ khoảng những năm 1940, nhưng chỉ đến khoảng cuối những năm 1960 mới có những số liệu đo đạc chính thức. Hàm lượng khí nhà kính CH₄ cũng tăng từ 715ppb (phần tỷ) trong thời kỳ tiền công nghiệp lên đến giá trị gấp đôi là 1774 ppb vào năm 2005 (hình 1.6). Trong vòng 10.000 năm trước đó, mật độ CH₄ thay đổi chậm trong khoảng từ 550 đến 730 ppb. Sự tăng hàm lượng khí CH₄ hiện nay phần lớn là do tăng phát thải nhân tạo. Từ cuối những năm 1970 đầu những năm 1980, CH₄ có tốc độ tăng lớn nhất, xấp xỉ 1%/năm. Tuy nhiên kể từ năm 1999, theo các đo đạc ghi nhận được, hàm lượng CH₄ có xu hướng tăng chững lại. Sự gia tăng hàm lượng CH₄ trong khí quyển làm gia tăng cân bằng bức xạ toàn cầu khoảng +0,48±0,05W/m², đứng thứ hai sau CO₂.

N₂O: Nguồn sinh khí N₂O hiện nay chủ yếu do đốt các loại nhiên liệu, sử dụng phân hóa học, sản xuất các hóa chất, đốt sinh khối, phá rừng, v.v. Những hoạt động của con người đóng góp khoảng 40% lượng phát thải N₂O vào trong khí quyển. Việc đo nồng độ N₂O trong khí quyển cũng chỉ mới chính thức thực hiện gần đây. Năm 2005 hàm lượng N₂O là 319 ppb, cao hơn thời kỳ tiền công nghiệp khoảng 18%. Xu hướng tăng của N₂O gần như tuyến tính, xấp xỉ 0,8 ppb/năm trong vài thập kỷ qua (hình 1.6). Sự gia tăng N₂O đóng góp khoảng +0,16±0,02W/m² vào sự gia tăng cân bằng bức xạ toàn cầu.

O₃ tầng đối lưu: O₃ trong tầng đối lưu là một loại khí nhà kính quan trọng đứng hàng thứ ba sau khí CO₂ và CH₄. Nguồn O₃ nhân tạo chủ yếu từ động cơ ôtô, xe máy hoặc các nhà máy điện. Trong tầng đối lưu, O₃ là một loại khí nhà kính mạnh nhưng vì thời gian tồn tại ngắn và biến động theo không gian và thời gian lớn, nên việc xác định được tác động bức xạ của sự tăng O₃ do hoạt động của con người hiện mới chỉ ở mức hiểu biết trung bình. Các quan trắc cho thấy xu thế của O₃ tầng đối lưu trong vài thập kỷ qua thay đổi về dấu và biên độ ở nhiều nơi khác nhau, tuy nhiên xu thế tăng tương đối rõ ở vùng vĩ độ thấp. O₃ tầng đối lưu đóng góp khoảng +0,35 W/m² (+0.25 đến +0.65)vào sự thay đổi cân bằng bức xạ toàn cầu. Đối với khí O₃, con người phải đứng trước hai thử thách: một là phải tìm cách tăng O₃ tầng bình lưu, củng cố “lá chắn” các tia bức xạ cực tím của mặt trời; mặt khác phải giảm nồng độ O₃ tầng đối lưu để hạn chế hiệu ứng nhà kính do nó gây ra.

CFC và HCFC: Khác với các chất khí có nguồn gốc tự nhiên, các chất CFC và HCFC hoàn toàn là sản phẩm do con người tạo ra. Các chất khí này bắt đầu xuất hiện từ những năm 1930 và là một loại hóa chất được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật làm lạnh như tủ lạnh, điều hòa nhiệt độ, các loại máy lạnh, các bình xịt mỹ phẩm, chất tẩy rửa linh kiện điện tử, v.v. Do những đặc tính kỹ thuật tốt, nên việc sử dụng các chất này đã tăng lên nhanh chóng kể từ khi được chế tạo lần đầu tiên cho tới những năm 1970, khi người ta phát hiện ra nó có khả năng phá hoại tầng ôzôn. Cho đến cuối những năm 1980, nồng độ các CFC và HCFC trong khí quyển vẫn tăng khá mạnh. Mặc dù lượng khí CFC và HCFC không nhiều nhưng xu hướng tăng lên của chúng đã làm các nhà khí hậu lo ngại do đặc tính nguy hiểm phá hoại tầng ôzôn. Vì vậy các chất CFC và HCFC đã nằm trong danh sách hàng đầu của các chất bị cấm trong các hiệp ước về bảo vệ tầng ôzôn. Từ năm 1995, dưới hiệu lực của nghị định thư Montreal, nồng độ của các chất khí CFC và HCFC đã tăng chậm lại hoặc có xu hướng giảm. Từ năm 2010 trở đi, sẽ ngừng sản xuất các chất này trên toàn thế giới theo Nghị định thư Montreal.

Xon khí: Xon khí tự nhiên bao gồm bụi vô cơ từ bề mặt, các hạt bụi muối biển, phát thải sinh vật từ đất và đại dương, và bụi sinh ra do núi lửa phun trào. Một số loại xon khí được thải trực tiếp vào khí quyển, một số khác được hình thành trong khí quyển từ những hợp chất phát thải. Hoạt động của con người cũng góp phần làm gia tăng hàm lượng xon khí trong khí quyển. Việc đốt nhiên liệu hóa thạch và sinh khối có thể làm tăng hàm lượng các xon khí chứa sunfua, các chất hữu cơ và muội (black carbon – soot).

Hình 1.6 Sự biến đổi của nồng độ các chất khí CO₂, CH₄, N₂O trong khí quyển từ 20000 năm trước đến 2005 (Nguồn IPCC, 2007)

 

1.3.3 Dao động khí hậu và các hiện tượng cực đoan

Có sự khác biệt nhất định giữa hai khái niệm “biến đổi khí hậu” và “dao động khí hậu” hay “biến động khí hậu” (Climate Variability). BĐKH có nguồn gốc từ sự mất cân bằng năng lượng của hệ thống dẫn đến việc hệ thống phải tự điều chỉnh để lập lại trạng thái cân bằng mới. Thời gian cần thiết cho quá trình thiết lập trạng thái cân bằng này thường là hàng chục năm. Hơn nữa, khái niệm BĐKH gắn liền với khái niệm xu thế biến đổi, nghĩa là sự biến đổi cần phải duy trì theo một hướng nào đó. Trong khi đó dao động khí hậu là sự biến đổi thăng giáng của khí hậu xung quanh trạng thái trung bình. Những biến đổi này thường ngược pha nhau, xảy ra có tính lặp đi lặp lại trong những khoảng thời gian nào đó, nghĩa là dao động khí hậu thường gắn liền với khái niệm chu kỳ. Có những dao động có chu kỳ ngắn và dễ dàng nhận thấy, nhưng cũng có những dao động với chu kỳ lặp lại khá dài (các chu kỳ băng hà – gian băng). Một trong những ví dụ điển hình của dao động khí hậu là hiện tượng ENSO với các pha El Nino (pha nóng) và La Nina (pha lạnh). Các pha này có thể xuất hiện luân phiên nhưng không nhất thiết kế tiếp nhau. Chu kỳ xuất hiện các hiện tượng này khoảng từ 2 đến 8 năm với những hậu quả thời tiết, khí hậu có thể trái ngược nhau.

Cụ thể hơn, có thể hiểu dao động (hay biến động) khí hậu như là sự biến đổi thăng giáng của các biến khí hậu (như nhiệt độ và lượng mưa) xung quanh trạng thái trung bình nhiều năm (thường là vài chục năm), nghĩa là hoặc lớn hơn hoặc nhỏ hơn giá trị trung bình nhiều năm. Chẳng hạn, nhiệt độ cao nhất trung bình tháng 7 (30 năm qua) ở Hà Nội là 33,5 độ C, nhưng giá trị hàng năm của nó có thể vượt quá hoặc thấp hơn giá trị trung bình nhiều năm này. Tuy nhiên, nếu so sánh giá trị nhiệt độ cao nhất hàng ngày trong tháng 7 của từng năm với giá trị trung bình nhiều năm đó thì sự chênh lệch có thể lớn hơn nhiều. Những dao động đó thường mang tính ngẫu nhiên, được đặc trưng bởi biên độ và chu kỳ lặp lại. Ứng với mỗi sự kiện được quan tâm có thể có xác suất xảy ra nhất định nào đó. Xác suất này có thể lớn hoặc nhỏ. Ví dụ, xác xuất để nhiệt độ cao nhất trung bình tháng 7 ở một nơi nào đó vượt quá ngưỡng 33,0 độ C là 60%, nhưng nếu lấy ngưỡng là 35,0 độ C thì xác suất này chỉ bằng 10%. Xác suất càng nhỏ thì sự kiện càng ít xảy ra và do đó khoảng thời gian lặp lại càng dài.

Những hiện tượng có xác xuất xảy ra rất nhỏ và khi xảy ra nó có thể có ảnh hưởng xấu đến môi trường tự nhiên, kinh tế, xã hội và hoạt động của con người được xem là những hiện tượng cực đoan. Nói cách khác, hiện tượng cực đoan được hiểu là những hiện tượng thỏa mãn các điều kiện: 1) Hiếm, tức có xác suất xuất hiện tương đối thấp trong một khoảng thời gian tương đối dài; 2) Có cường độ lớn; và 3) Khắc nghiệt, tức là có khả năng gây ra những ảnh hưởng lớn hoặc dữ dội đe dọa trực tiếp hoặc gián tiếp đến sự sống trên Trái đất.

Theo IPCC (2007), hiện tượng thời tiết cực đoan (an extreme weather event) là hiện tượng hiếm ở một nơi cụ thể vào một thời gian cụ thể trong năm. Định nghĩa “hiếm” có thể được hiểu theo nhiều cách khác nhau, nhưng hiện tượng thời tiết cực đoan được hiểu là hiện tượng có xác suất xuất hiện nhỏ, thông thường được chọn là nhỏ hơn 10%. Theo định nghĩa này, các tính chất của cái gọi là “thời tiết cực đoan” có thể rất khác nhau giữa nơi này và nơi khác. Khi hiện tượng thời tiết cực đoan xảy ra vào một thời gian nào đó trong năm, chẳng hạn một mùa, khá ổn định, nó có thể được gọi là hiện tượng khí hậu cực đoan. Nói cách khác, hiện tượng khí hậu cực đoan là sự tổng hợp của hiện tượng thời tiết cực đoan được đặc trưng bởi trung bình và các cực trị tuyệt đối của các hiện tượng thời tiết cực đoan trên một khoảng thời gian nhất định. Cũng cần phân biệt khái niệm cực đoan với khái niệm cực trị tuyệt đối của chuỗi nhiều năm mà người ta vẫn gọi là giá trị kỷ lục.

Hình 1.7: Sơ đồ minh họa ảnh hưởng của sự biến đổi của nhiệt độ trung bình và độ lệch chuẩn đến các hiện tượng thời tiết cực đoan

BĐKH và sự nóng lên toàn cầu có thể dẫn đến sự phân bố lại năng lượng trên bề mặt, trong đại dương và trong khí quyển Trái đất, làm biến đổi các hệ thống hoàn lưu khí quyển và đại dương. Những biến đổi đó có thể tác động đến những dao động tự nhiên của khí hậu, đặc biệt ở qui mô vùng và địa phương. Nói chung trên qui mô vùng và địa phương khí hậu biến động mạnh hơn qui mô toàn cầu và bán cầu (vì những biến động ở nơi này được bù trừ bởi những biến động ngược lại ở nơi khác), dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong cấu trúc không gian của các hiện tượng. Những khác biệt về biến động khí hậu giữa các vùng là kết quả của các quá trình tương tác giữa hoàn lưu khí quyển với bề mặt đất và đại dương. Những biến đổi trong dao động khí hậu có thể là nguyên nhân làm gia tăng các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực đoan. Trên hình 1.7 minh họa sự ảnh hưởng đến các hiện tượng liên quan đến nhiệt độ khi các đặc trưng thống kê của nó bị biến đổi. 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 trường hợp nếu mức độ biến động của nhiệt độ tăng lên có thể dẫn đến sự gia tăng cả các hiện tượng nóng cực đoan và lạnh cực đoan.

 

1.4 Đánh giá biến đổi khí hậu

 

1.4.1 Khái niệm

Đánh giá BĐKH là một khái niệm hết sức rộng. Trên qui mô toàn cầu, đánh giá BĐKH nhằm trả lời được những câu hỏi như: Làm thế nào để xác định và giám sát được nhiệt độ bề mặt Trái đất trong quá khứ và trong tương lai? Ý nghĩa và tính hữu dụng của nhiệt độ trung bình toàn cầu làgì? Khí hậu Trái đất đã thay đổi như thế nào trong thế kỷ qua, trong thời kỳ băng hà trẻ và trước nữa, và từ đó có thể suy luận gì về dao động tự nhiên của khí hậu trước thời kỳ công nghiệp hóa của con người? Hoặc, xu thế nóng lên toàn cầu hiện nay như thế nào so với những biến động khí hậu trong quá khứ, và có phải xu thế nóng lên hiện nay chỉ là sự dao động tự nhiên của khí hậu chứ không phải trực tiếp do con người tạo ra các khí nhà kính? Các mô hình khí hậu đáng tin tưởng đến mức nào khi cho rằng các khí nhà kính là nguyên nhân chính gây ra sự tăng nhiệt độ trong thế kỷ 20 và dự báo rằng sẽ tác động mạnh hơn trong thế kỷ 21? v.v.

Hiểu một cách đơn giản, đánh giá BĐKH là xác định xem khí hậu có biến đổi không, nếu có thì biến đổi như thế nào, và những nguyên nhân nào cũng như tầm quan trọng của chúng gây ra sự biến đổi đó.

Theo Beckman và Mahoney [Donald Rapp, 2008], về mặt khoa học, các nhà khí tượng học, khí hậu học và vật lí khí quyển, những người có trách nhiệm nghiên cứu sự đóng góp vào hiệu ứng nhà kính toàn cầu do con người, đã kiên trì đấu tranh cho tầm quan trọng của vấn đề này, trong khi cộng đồng các nhà vật lí năng lượng mặt trời, đặc biệt những người quan tâm đến mối quan hệ mặt trời – Trái đất lại nhấn mạnh hơn về tầm quan trọng của những dao động dài hạn của hằng số mặt trời như là nguyên nhân chính gây nên BĐKH. Do đó, đánh giá BĐKH là đánh giá sự biến đổi của khí hậu quá khứ, khí hậu hiện tại và khí hậu tương lai trên cơ sở phân tích sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu, đồng thời xem xét vai trò của các tác nhân gây nên sự biến đổi của khí hậu, qua đó làm sáng tỏ vai trò của hoạt động con người đối với sự BĐKH.

Ở qui mô khu vực, ngoài việc đánh giá sự biến đổi của khí hậu quá khứ, hiện tại và tương lai nói chung, đánh giá BĐKH còn chú trọng đến việc phân tích xu thế biến đổi, sự biến đổi đột ngột và tính chất biến động của các yếu tố và hiện tượng khí hậu. Bên cạnh đó, sự biến đổi của các hợp phần cấu thành khí hậu khu vực cũng được đề cập, như biến đổi của chế độ thủy văn, địa hình, bề mặt đệm, .v.v.

Ở qui mô quốc gia, vùng lãnh thổ và qui mô địa phương, đánh giá BĐKH được thực hiện ở mức độ chi tiết hơn, trong đó mục đích chủ yếu là cung cấp thông tin cho việc đánh giá tác động của BĐKH. Nói cách khác, đánh giá BĐKH ở qui mô quốc gia và địa phương nhằm trả lời các câu hỏi: 1) Khí hậu có thực sự biến đổi không, hay chỉ là những dao động tự nhiên? 2) Những biểu hiện của BĐKH là gì? 3) Xu thế, mức độ và tính chất biến đổi của khí hậu như thế nào? v.v.

 

1.4.2 Phương pháp đánh giá BĐKH

1) Nguyên tắc chung

Về nguyên tắc, bài toán đánh giá BĐKH sẽ bao gồm: Đánh giá sự biến đổi của các khí nhà kính và xon khí trong khí quyển; sự biến đổi quan trắc được của nhiệt độ không khí, nhiệt độ đất và nhiệt độ đại dương, của lượng mưa, của các sông băng và các tảng băng, của mực nước biển và đại dương; sự BĐKH trong quá khứ và cổ khí hậu. Để giải quyết các bài toán đó một loạt vấn đề khác cũng cần phải được thực hiện, như nghiên cứu về các quá trình sinh địa hóa và chu trình carbon, các chất khí và xon khí; số liệu vệ tinh và các nguồn số liệu khác; các mô hình khí hậu; dự tính khí hậu, những nguyên nhân gây biến đổi khí hậu (http://www.ipcc.ch).

Cho mục đích ứng dụng, đánh giá BĐKH có thể được chia thành hai lớp bài toán: 1) Nghiên cứu, khảo sát những dấu hiệu, bằng chứng của sự BĐKH trong quá khứ và hiện tại; và 2) Dự tính sự biến đổi của khí hậu trong tương lai cho đến vài thập kỷ hoặc đến hết thế kỷ, thậm chí xa hơn nữa. Lớp bài toán thứ nhất được thực hiện dựa vào các chuỗi số liệu quan trắc lịch sử. Lớp bài toán thứ hai được thực hiện dựa trên sản phẩm của các mô hình khí hậu chạy với các kịch bản phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, cả hai lớp bài toán đều thực hiện việc phân tích, đánh giá sự biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu dựa trên việc khảo sát những thuộc tính của chuỗi thời gian của các yếu tố và hiện tượng tương ứng. Những thuộc tính của chuỗi cần được nghiên cứu có thể là xu thế biến đổi (tăng, giảm theo thời gian), mức độ biến đổi (có thể dựa vào tốc độ của xu thế) và tính chất biến đổi.

Về phân bố không gian, trên qui mô toàn cầu, việc đánh giá BĐKH có thể tiến hành đối với các thành phần của phương trình cân bằng năng lượng và nước, tác động bức xạ, cấu trúc của các hệ thống hoàn lưu khí quyển và đại dương, thành phần khí quyển, các trường khí hậu cơ bản, các hiện tượng thời tiết, khí hậu cực trị, v.v. Trên qui mô khu vực và các châu lục, việc đánh giá được chú trọng hơn vào cơ cấu của các trường khí hậu, đại dương, sự biến đổi của sử dụng đất và các hiện tượng cực trị. Còn ở qui mô quốc gia và địa phương, biến đổi của các yếu tố và hiện tượng khí hậu, trong đó bao gồm cả các hiện tượng cực trị được đặc biệt nhấn mạnh.

Về cấu trúc thời gian, đánh giá BĐKH cần chỉ ra được những dao động và biến đổi nhiều năm, biến trình năm, biến trình ngày, như biến đổi giữa các thập kỷ, thậm chí giữa các thế kỷ, những biến đổi đột biến, cấu trúc mùa và biên độ dao động, v.v.

2) Một số phương pháp cụ thể

a. Đánh giá xu thế biến đổi: Thông thường xu thế biến đổi của một chuỗi thời gian được đánh giá thông qua phương trình hồi qui tuyến tính biểu thị sự phụ thuộc của yếu tố hoặc hiện tượng được xét (X) vào thời gian (t): X = a₀ + a₁t, trong đó a₀ là hệ số cắt và a­₁ là hệ số góc. Trong nghiên cứu BĐKH, các thành phần kế cận của chuỗi thời gian thường cách nhau một năm, do đó đơn vị của t là năm. Dấu của hệ số góc a₁ cho biết chuỗi có xu thế tăng (a₁>0) hoặc giảm (a₁<0). Để có kết luận chắc chắn về xu thế của chuỗi cần tiến hành kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số góc a₁.

Xu thế tuyến tính của chuỗi cũng có thể được xác định bằng phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall. Xu thế của chuỗi thời gian được xác định thông qua việc so sánh độ lớn tương đối của các thành phần trong chuỗi chứ không phải xét chính giá trị của các thành phần. Nói cách khác, các thành phần trong chuỗi thời gian được so sánh với nhau theo thứ hạng lớn bé và không tính đến giá trị của chúng sai khác nhau bao nhiêu. Lợi thế của kiểm nghiệm này là không cần biết tập mẫu tuân theo luật phân bố nào. Một cách vắn tắt có thể mô tả phương pháp này như sau.

Giả sử ta có chuỗi thời gian {x_t, t=1..n}. Mỗi một thành phần trong chuỗi sẽ được so sánh với tất cả các thành phần còn lại đứng sau nó (về thời gian). Giá trị thống kê Mann – Kendall (S) ban đầu được gán bằng 0 (tức là chuỗi không có xu thế). Nếu thành phần sau lớn hơn thành phần trước thì tăng S lên 1 đơn vị. Ngược lại nếu thành phần sau nhỏ hơn thành phần trước thì S bị trừ đi 1 đơn vị. Nếu hai thành phần có giá trị bằng nhau thì S sẽ không thay đổi. Tổng S sau tất cả các lần so sánh sẽ được dùng để đánh giá xu thế chung của chuỗi. Tức là ta có:

trong đó:

Giá trị tuyệt đối của S càng lớn xu thế càng rõ. S dương thể hiện xu thế tăng của chuỗi và S âm thể hiện xu thế giảm của chuỗi. Để có được nhận định chính xác về xu thế của chuỗi ta cũng cần kiểm nghiệm độ rõ rệt của S.

Ngoài ra cũng có thể sử dụng phương pháp kiểm nghiệm Spearman. Đây cũng là dạng kiểm nghiệm phi tham số mà nội dung của nó là kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số tương quan Spearman (hay hệ số tương quan hạng) giữa hai chuỗi số liệu.

So với phương pháp hồi qui, các phương pháp kiểm nghiệm Mann – Kendall và kiểm nghiệm Spearman có ưu điểm là chúng không nhạy với những số liệu có chứa sai số thô và thích hợp hơn với những chuỗi số liệu biến động mạnh. Nhược điểm chính của các phương pháp này là không định lượng hóa được mức độ biến đổi.

Khi xét xu thế của chuỗi các yếu tố hoặc sự kiện khí hậu cực trị, hệ số góc của phương trình xu thế tuyến tính là thước đo mang tính chính xác về định lượng. Nhưng do tính biến động mạnh của các đặc trưng cực trị, các kiểm nghiệm Mann – Kendall và Spearman có thể sẽ có ưu thế hơn, mặc dù chúng không cho phép ước lượng được mức độ tăng giảm của xu thế.

b. Đánh giá mức độ biến đổi: Mức độ biến đổi là sự biến đổi mạnh hay yếu, nhiều hay ít, càng ngày càng tăng hay giảm, tính biến động của sự biến đổi. Mức độ biến đổi có thể được đánh giá qua tốc độ tăng, giảm qua từng thời kỳ, tính biến động qua từng thời kỳ hoặc xu thế tăng giảm qua từng thời kỳ, sự biến đổi về biên độ dao động, hoặc sự gia tăng hay giảm đi của các dao động ngẫu nhiên. Mức độ biến đổi tuyến tính có thể được xác định bởi hệ số góc của phương trình xu thế. Trị số tuyệt đối của hệ số góc a₁ của phương trình xu thế càng lớn mức độ biến đổi càng lớn và ngược lại. Mức độ biến đổi cũng có thể được đánh giá thông qua hệ số góc Sen tính từ các chuỗi số liệu (x1, x2, …, xn) của yếu tố hoặc hiện tượng được xét, với xi biểu diễn giá trị quan trắc tại thời điểm i. Hệ số góc Sen, được xác định bởi trung vị của dãy gồm n(n-1)/2 phần tử {, với k=1,2,…,n-1; j>k}. Các hệ số góc dương (âm) thể hiện xu thế tăng (giảm) của yếu tố, hiện tượng được xét. Giá trị tuyệt đối của các hệ số góc càng lớn xu thế tăng (giảm) càng mạnh. Mức ý nghĩa của các hệ số góc được xác định bởi kiểm nghiệm Man-Kendall.

c. Đánh giá tính chất biến đổi: Tính chất biến đổi có thể được xem xét từ nhiều góc độ khác nhau. Nếu quan tâm đến sự lặp lại của hiện tượng hoặc trị số xác định của yếu tố thì việc khảo sát tính chất biến đổi là xem xét tính dao động chu kỳ của chuỗi. Nếu quan tâm đến tính biến động của yếu tố hoặc hiện tượng thì tính chất biến đổi là sự biến đổi của độ lệch chuẩn, của biên độ, hoặc của hệ số biến thiên.

Sự biến đổi của các cực trị tuyệt đối trong từng thời đoạn có thể được xem là biểu hiện của mức độ và tính chất biến đổi. Ở một chừng mực nhất định, các trị số này phản ánh tác động của biến đổi toàn cầu đến sự biến đổi của khí hậu địa phương và khu vực. Chẳng hạn, đối với nhiệt độ, nếu xu thế chung của nhiệt độ trung bình là tăng, nhưng sự tăng của nhiệt độ cực tiểu lớn hơn sự tăng của nhiệt độ cực đại, khi đó biên độ trung bình của nhiệt độ sẽ giảm. Tuy nhiên vẫn có thể xảy ra tình huống trong chuỗi số liệu nhiệt độ cực tiểu, giá trị cực tiểu tuyệt đối của những thời đoạn sau nhỏ hơn các thời đoạn trước. Như vậy tính biến động của nhiệt độ cực tiểu sẽ tăng lên theo thời gian.

 

1.4.3 Số liệu

Tương ứng với hai lớp bài toán đánh giá BĐKH đã nói trên đây sẽ là hai tập số liệu cần phải được chuẩn bị là số liệu phản ánh điều kiện khí hậu quá khứ và hiện tại, và số liệu dự tính khí hậu tương lai.

Số liệu quá khứ và hiện tạicó thể bao gồm hai bộ phận: Loại số liệu quan trắc gián tiếp hoặc tài liệu ghi chép, và loại số liệu đo đạc bằng các dụng cụ, thiết bị quan trắc.

Số liệu quan trắc gián tiếp có thể là kết quả của những phân tích các mẫu hóa thạch, lõi băng, vân cây, v.v., hoặc tài liệu ghi chép trong các kho lưu trữ, trong dân gian. Nói chung những số liệu này không nhiều và cũng chỉ đạt được độ chính xác nhất định.

Số liệu đo đạc trực tiếp bằng máy móc, dụng cụ mới chỉ có từ khoảng thế kỷ 17, nhưng chuỗi số liệu dài nhất ở qui mô toàn cầu mới chỉ bắt đầu có từ 1850. Tuy nhiên, tùy từng khu vực cụ thể độ dài của chuỗi quan trắc sẽ khác nhau. Chẳng hạn, ở Việt Nam số liệu quan trắc khí tượng mới chỉ có từ cuối thế kỷ 19, đầu thế kỷ 20, và rất nhiều trạm khí tượng mới chỉ bắt đầu quan trắc từ sau ngày giải phóng miền Nam. Mật độ phân bố mạng lưới trạm cũng rất khác nhau giữa các vùng khác nhau trên thế giới và nói chung phụ thuộc vào trình độ phát triển của từng quốc gia.

Từ các tập số liệu quan trắc ban đầu (số liệu gốc), các đặc trưng dẫn xuất hoặc các tập mẫu sẽ được xác định để lập thành các chuỗi số liệu mới làm cơ sở cho việc xử lí, tính toán, phân tích.

Số liệu dự tính khí hậu tương laithường là sản phẩm của các mô hình khí hậu (mô hình toàn cầu hoặc mô hình khu vực). Trước hết các mô hình khí hậu toàn cầu được chạy tính cho một thời kỳ hiện tại với thời gian đủ dài (30 năm chẳng hạn), thậm chí cả thế kỷ 20. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình trong trường hợp này là các trường phân tích từ số liệu quan quan trắc về các thành phần khí quyển và những yếu tố có liên quan. Kết quả của mô hình sẽ được sử dụng để đánh giá khả năng tái tạo khí hậu hiện tại của mô hình đồng thời làm cơ sở để đánh giá sự biến đổi khí hậu tương lai. Thời kỳ được chọn làm cơ sở được gọi là thời kỳ chuẩn hay thời kỳ cơ sở (baseline). Các mô hình toàn cầu sau đó được chạy để dự tính khí hậu tương lai dựa trên các kịch bản phát thải khí nhà kính. Trong trường hợp này, thành phần khí quyển (chủ yếu là các chất khí nhà kính), điều kiện bề mặt đệm, v.v. theo các kịch bản, sẽ được dùng để xác định điều kiện biên cho mô hình. Kết quả dự tính khí hậu tương lai (thế kỷ 21 hoặc xa hơn nữa) sau đó sẽ được so sánh với thời kỳ chuẩn để xây dựng các kịch bản BĐKH.

Do độ phân giải ngang của các mô hình toàn cầu hiện nay còn tương đối thô (thông thường khoảng 200-300km), chưa đủ chi tiết để mô tả điều kiện khí hậu địa phương và khu vực, nên để xây dựng các kịch bản BĐKH ở cấp quốc gia, vùng lãnh thổ và địa phương người ta thường hạ thấp qui mô (downscale) sản phẩm của mô hình toàn cầu bằng các mô hình thống kê hoặc mô hình khí hậu khu vực. Kết quả của việc hạ thấp qui mô này là các trường khí hậu có độ phân giải cao hơn, chi tiết hơn, phản ánh đầy đủ hơn các quá trình qui mô vừa và nhỏ.