Tăng cƣờng năng lực quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu ở Việt Nam nhằm giảm nhẹ TĐ và KS phát thải khí nhà kính” (thuộc Viện Khoa học Khí tƣợng Thủy văn và Môi trƣờng

Thời tiết là 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,

CUỐN SÁCH NHỮNG KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ

BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

(Sản phẩm thuộc Hợp đồng số: 060910/CBCC ký ngày 06/09/2010)

Tên và mã số dự án: Dự án “Tăng cường năng lực quốc gia ứng phó với

biến đổi khí hậu ở Việt Nam nhằm giảm nhẹ TĐ và KS phát thải khí nhà kính” (thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) - 00060851

Nhà thầu: Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu Biến đổi Toàn cầu

Hà Nội 2011

BIÊN SOẠN CUỐN SÁCH NHỮNG KIẾN THỨC

CƠ BẢN VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

(Sản phẩm thuộc Hợp đồng số: 060910/CBCC ký ngày 06/09/2010)

Tên và mã số dự án: Dự án “Tăng cường năng lực quốc gia ứng phó

với biến đổi khí hậu ở Việt Nam nhằm giảm nhẹ TĐ và KS phát thải khí nhà

kính” (thuộc Viện Khoa học Khí tượng Thủy văn và Môi trường) - 00060851

Nhà thầu: Trung tâm Quốc tế Nghiên cứu Biến đổi Toàn cầu

PGS.TS Phạm Văn Cự

Được thông qua bởi cố vấn kỹ thuật Dự án:

Lê Nguyên Tường

MỤC LỤC

LỜI GIỚI THIỆU ii

MỞ ĐẦU iii

TỪ VIẾT TẮT vii PHẦN 1 KHOA HỌC VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 1

CHƯƠNG 1 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN 2

1.1 Thời tiết và khí hậu 2

1.2 Hệ thống khí hậu 3

1.3 Biến đổi khí hậu 11

1.4 Đánh giá biến đổi khí hậu 17

CHƯƠNG 2 BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU 21

2.1 Biến đổi khí hậu trong các thời kỳ địa chất 21

2.2 Biến đổi khí hậu hiện đại 26

CHƯƠNG 3 BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU Ở VIỆT NAM 33

3.1 Khái quát về đặc điểm khí hậu Việt Nam 33

3.2 Biểu hiện của biến đổi khí hậu ở Việt Nam 43

CHƯƠNG 4 CÁC KỊCH BẢN PHÁT THẢI KHÍ NHÀ KÍNH 55

4.1 Khái niệm về kịch bản phát thải khí nhà kính 55

4.2 Các kịch bản phát thải khí nhà kính 55

CHƯƠNG 5 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 65

5.1 Xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu 65

5.2 Xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu quy mô khu vực 70

CHƯƠNG 6 KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU CHO VIỆT NAM 82

6.1 Kịch bản biến đổi khí hậu năm 1994 82

6.2 Kịch bản biến đổi khí hậu năm 1998 82

6.3 Chương trình mục tiêu quốc gia ứng phó với BĐKH 84

6.4 Kịch bản biến đổi khí hậu và nước biển dâng cho Việt Nam năm 2009 86

PHẦN 2: TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ TÍNH DỄ BỊ TỔN THƯƠNG 94 CHƯƠNG 1 TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU VÀ ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 95

1.1 Đánh giá tác động của biến đổi khí hậu 95

1.2 Tác động của biến đổi khí hậu trên thế giới 100

1.3 Tác động của biến đổi khí hậu ở Việt Nam 107

CHƯƠNG 2 TÍNH DỄ BỊ TỔN THƯƠNG DO TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 122

2.1 Khái quát chung về tính dễ bị tổn thương 122

2.2 Cách tiếp cận và phương pháp đánh giá tính dễ bị tổn thương 124

2.3 Quy trình đánh giá tính dễ bị tổn thương 128

2.4 Một số kết quả đánh giá tính dễ bị tổn thương 134

2.5 Biến động tính dễ bị tổn thương do biến đổi khí hậu 142

PHẦN 3 THÍCH ỨNG VÀ GIẢM THIỂU TÁC ĐỘNG CỦA BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 150

CHƯƠNG 1 KHÁI LUẬN THÍCH ỨNG VÀ GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 151

1.1 Các quan điểm về thích ứng 151

1.2 Khái niệm và quan điểm về giảm nhẹ 155

1.3 Quan hệ giữa thích ứng và giảm nhẹ 158

CHƯƠNG 2 THÍCH ỨNG TRONG CÁC HOẠT ĐỘNG KINH TẾ - XÃ HỘI 160

2.1 Tổng quan về thực trạng nghiên cứu về thích ứng với biến đổi khí hậu ở trên thế giới và Việt Nam160 2.2 Thích ứng với biến đổi khí hậu trong lĩnh vực nông lâm nghiệp 163

2.3 Thích ứng với biến đổi khí hậu trong lĩnh vực quản lý tài nguyên thiên nhiên 165

2.4 Thích ứng với biến đổi khí hậu trong lĩnh vực năng lượng, công nghiệp, giao thông vận tải 168

2.5 Thích ứng trong lĩnh vực sức khỏe 169

CHƯƠNG 3 GIẢM NHẸ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU 170

3.1 Tình hình phát thải KNK trên thế giới 170

3.2 Các hiệp ước quốc tế nhằm giảm nhẹ BĐKH 171

3.3 Chiến lược giảm nhẹ BĐKH trong các lĩnh vực khác nhau của nền kinh tế xã hội 173

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG CỤ 180

4.1 Đánh giá khả năng thích ứng 180

4.2 Các giải pháp thích ứng (Bộ Tài nguyên và Môi trường 2011) 180

4.3 Đánh giá Chi phí Lợi ích cho thích ứng với biến đổi khí hậu 181

4.4 Hoạch định chính sách phát triển thích ứng với biến đổi khí hậu 183

LỜI GIỜI THIỆU

Cuốn sách “Những vấn đề cơ bản về biến đổi khí hậu” là kết quả của sự hợp tác giữa Đại học Quốc gia, Hà Nội và Dự án "Tăng cường năng lực quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu tại Việt Nam nhằm giảm nhẹ tác động và kiểm soát phát thải khí nhà kính, ID: 00060851" thông qua Viện Khoa học Khí tượng Thủy Văn và Môi trường, Bộ Tài nguyên

và Môi trường

Do bản chất đa ngành và liên ngành của vấn đề nên Đại học Quốc gia đã tâp hợp các nhà khoa học từ các trung tâm nghiên cứu, các trường thành viên của Đại học Quốc gia có chuyên môn liên quan đến nội dung của cuốn sách tham gia xây dựng nội dung và biên soạn cuốn sách này Các tác giả đã làm việc dưới sự chỉ đạo của Giáo sư Mại Trọng Nhuận, Giám đốc Đại học Quốc gia, Hà Nội Các cơ quan điều phối kỹ thuật là Khoa Sau Đại học và Trung tâm Quốc tế nghiên cứu biến đổi toàn cầu của Đại học Quốc gia, Hà Nội

Theo yêu cầu của Dự án cuốn sách được biên soạn nhằm phục vụ rộng rãi các đối tượng có chuyên môn chuyên ngành khác nhau và vì vậy được cấu trúc thành ba phần tương thích với cấu trúc các báo cáo của IPCC Mặt khác, cuốn sách cũng là một phần của kế hoạch xây dựng

và triển khai Chương trình Thạc sỹ về Biến đổi khí hậu của Đại học Quốc gia, Hà Nội

Cuốn sách sẽ được sử dụng như một tài liệu tham khảo chủ đạo cho các học viên của Chương trình Thạc sỹ về Biến đổi khí hậu của Đại học Quốc gia, Hà Nội

Các nhà khoa học tham gia viết cuốn sách đã tham khảo nhiều nguồn tài liệu, dữ liệu trong suốt quá trình biên soạn Để có được phiên bản cuối cùng, cuốn sách đã được trình bày để lấy ý kiến góp ý của nhiều chuyên gia có chuyên môn ở trong và ngoài Đại học Quốc gia Cuốn sách là một công trình tập thể được xây dưng trên tinh thần làm việc nhóm đa ngành, liên ngành và là một trải nghiệm bổ ích cho tập thể tác giả, các cộng tác viên

Các tác giả mong nhận được các ý kiến góp ý cho các khiếm khuyết có thể có trong cuốn sách

MỞ ĐẦU

Hơn 100 năm trước đây con người bắt đầu sử dụng than, dầu và khí đốt trong sinh hoạt gia đình, sản xuất ở các nhà máy và cho hoạt động giao thông vận tải Việc đốt các loại nhiên liệu hóa thạch đã thải khí carbonic (CO2) và những khí nhà kính khác vào bầu khí quyển, làm gia tăng hàm lượng các chất khí nhà kính, gây nên sự nóng lên của khí hậu Trái đất một cách nhanh hơn so với quá khứ trước đó

Vậy sự nóng lên đó xảy ra ở mức độ nào? Các nhà khoa học thuộc Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (IPCC) đã chỉ ra rằng, trong 100 năm qua nhiệt độ không khí bề mặt Trái đất đã tăng lên trung bình khoảng 0.6oC Nghe

ra điều đó tưởng chừng như Trái đất không bị tác động lớn lắm, ngay cả khi nhiệt độ tăng đến 1oC Tuy nhiên không hoàn toàn như vậy Sự tăng lên của nhiệt độ trung bình toàn cầu, dấu hiệu của sự biến đổi khí hậu (BĐKH) Trái đất, đã tác động đến môi trường tự nhiên, kinh tế - xã hội và có thể được nhận thấy qua một số bằng chứng sau đây

 Trong thế kỷ 20 mực nước biển đã dâng lên khoảng 15cm do băng tan và

sự giãn nở vì nhiệt của nước biển Mực nước biển trung bình toàn cầu được dự báo là có thể tăng lên đến trên 59cm trong thế kỷ 21, đe dọa cộng đồng cư dân sống dọc các miền duyên hải và những vùng đất thấp

 Năm 1950 độ dày băng biển mùa hè chỉ còn bằng khoảng một nửa so với quá khứ trước đây Phạm vi băng biển ở các vùng lạnh giá đã bị giảm đi khoảng 10-15% kể từ những năm 1950 Sự tan băng có thể làm biến đổi hoàn lưu đại dương, thúc đẩy nhanh hơn sự nóng lên ở các vùng lạnh giá

 Hơn 100 năm qua, các sông băng trên núi đã giảm đi đáng kể về phạm vi

và khối lượng Các tảng băng ở Greenland cũng đang tan chảy nhanh hơn Diện tích lớp phủ tuyết ở Bắc bán cầu đã giảm đi khoảng 10% từ cuối những thập niên 60-70 Băng, tuyết tan và dòng chảy mặt xuất hiện nhiều hơn và sớm hơn Thời gian bao phủ của băng hồ và băng sông hàng năm ở các vĩ độ trung bình và cao của Bắc bán cầu đã bị giảm đi khoảng hai tuần

và biến động nhiều hơn

 Nước ở các đại dương nông ấm lên đã góp phần làm mất đi khoảng một phần tư các đảo san hô trên thế giới trong vài thập kỷ qua

 Các sự kiện mưa lớn tăng lên ở một số vùng làm gia tăng thiên tai lũ lụt

 Nhiệt độ tăng cao hơn làm tăng cường độ bốc hơi và gia tăng hạn hán ở

một số vùng trên thế giới

 Các hệ sinh thái đang bị biến đổi, nhiều loài hoặc di chuyển đến những nơi

lạnh hơn hoặc bị chết

 Tần suất và cường độ bão mạnh, nhất là bão nhiệt đới, có xu hướng gia

tăng có thể liên quan đến sự nóng lên toàn cầu

 Sóng nóng và các đợt nắng nóng đang trở thành hiện tượng phổ biến ở nhiều nơi trên thế giới

 Nhiệt độ tăng tác động đến sức khỏe cộng đồng, như số trường hợp bị chết tăng lên do sóng nóng và hiện tượng dị ứng phấn hoa do mùa sinh trưởng kéo dài hơn

 Nước biển trở nên nhiều axit hơn CO2 phân hủy vào trong đại dương, làm tăng tính axit của nước biển Điều đó có thể tác động đến các loài san hô

và các thực thể sống dưới biển khác

Rõ ràng, BĐKH và sự nóng lên toàn cầu đã tác động xấu và ngày càng nghiêm trọng đến môi trường tự nhiên và các hoạt động kinh tế - xã hội của loài người Tính chất nghiêm trọng của vấn đề đã dẫn đến sự ra đời của các Tổ chức

và các văn kiện quan trọng, có ý nghĩa lịch sử, như:

 Năm 1988: Ban Liên chính phủ về BĐKH (Intergovernmental Panel on Climate Change - IPCC) được thành lập bởi Chương trình Môi trường của Liên hợp quốc (The United Nations Environment Programme - UNEP) và

Tổ chức Khí tượng Thế giới (World Meteorological Organization - WMO);

 Năm 1992: Công ước Khung của Liên hợp quốc về BĐKH (United Nations Framework Convention on Climate Change - UNFCCC) được ký kết tại Rio De Janeiro, Brazil;

 Năm 1997: Nghị định thư Kyoto (Kyoto Protocol - KP) được ký tại Kyoto, Nhật Bản;

 Năm 2009: Hiệp ước Copenhagen (Copenhagen Pact - CP) được ký kết tại Hội nghị lần thứ 15 của Liên hợp quốc về BĐKH tổ chức ở Copenhagen, Đan Mạch

Như vậy, việc nghiên cứu BĐKH, tác động của nó và các giải pháp ứng phó với BĐKH đã trở thành vấn đề mang tính toàn cầu Là một nước thuộc khu vực châu Á gió mùa, nằm kề Biển Đông, một bộ phận của ổ bão Tây Thái Bình dương, hàng năm Việt Nam phải chịu ảnh hưởng của nhiều loại hình thế thời tiết phức tạp mà hậu quả là thiên tai xảy ra thường xuyên Dưới tác động của BĐKH, tình hình thiên tai ngày càng diễn biến phức tạp và có dấu hiệu gia tăng Chính vì vậy, ngày 2/12/2008, Thủ tướng Chính phủ đã ký Quyết định số 158/2008/QĐ – TTg phê duyệt Chương trình mục tiêu quốc gia về ứng phó với biến đổi khí hậu với các nội dung về quan điểm, nguyên tắc chỉ đạo, mục tiêu tổng quát, mục tiêu

cụ thể, phạm vi thực hiện, các nhiệm vụ, giải pháp chủ yếu và tổ chức thực hiện

Để triển khai thực hiện thành công và hiệu quả Chương trình mục tiêu quốc gia, việc tăng cường hiểu biết và nâng cao nhận thức cộng đồng về BĐKH, tác động của BĐKH và vấn đề thích ứng và giảm thiểu tác động của nó là vấn đề cấp bách

và cần thiết Đó cũng là mục tiêu cơ bản của việc ra đời cuốn sách này

Nội dung chính của cuốn sách được bố cục thành ba phần:

Phần 1: Khoa học về biến đổi khí hậu Trong phần này có 6 chương Chương 1: Những khái niệm cơ bản; Chương 2: Biến đổi khí hậu toàn cầu; Chương 3: Biến đổi khí hậu ở Việt Nam; Chương 4: Các kịch bản phát thải khí nhà kính; Chương 5: Phương pháp xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu; Chương 6: Kịch bản biến đổi khí hậu cho Việt Nam

Chịu trách nhiệm biên soạn chương 1 và chương 3 là Phan Văn Tân Chịu trách nhiệm biên soạn các chương 2, 4, 5 và 6 là Ngô Đức Thành

Phần 2: Tác động của biến đổi khí hậu và tính dễ bị tổn thương Phần này được bố cục thành 2 chương Chương 1: Tác động của biến đổi khí hậu; Chương 2: Tính dễ bị tổn thương do tác động của biến đổi khí hậu

Chịu trách nhiệm biên soạn chương 1 là Võ Thanh Sơn và chương 2 là Mai Trọng Nhuận

Phần 3: Thích ứng và giảm thiểu tác động của biến đổi khí hậu Phần này được bố cục trong 4 chương Chương 1: Khái luận thích ứng với biến đổi khí hậu;

Chương 2: Thích ứng trong các hoạt động kinh tế - xã hội; Chương 3: Giảm nhẹ biến đổi khí hậu; Chương 4: Phương pháp và công cụ

Chịu trách nhiệm biên soạn chương 1 là Phạm Văn Cự, chương 2 là Võ Thanh Sơn, chương 3 là Ngô Đức Thành, chương 4 là Phạm Văn Cự

Cuốn sách này được hoàn thành dựa trên nền tảng xây dựng chương trình đào tạo Thạc sỹ về Biến đổi khí hậu của Đại học Quốc gia Hà Nội và với sự hỗ trợ kinh phí từ phía dự án "Tăng cường năng lực quốc gia ứng phó với biến đổi khí hậu tại Việt Nam nhằm giảm nhẹ tác động và kiểm soát phát thải khí nhà kính, ID: 00060851" của Bộ Tài nguyên và Môi trường

Nhân đây, tập thể tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới Viện Khí tượng Thủy văn và Môi trường, Dự án ID: 00060851 và Khoa Sau đại học của Đại học Quốc gia, Hà Nội đã hỗ trợ để các tác giả hoàn thành công việc biên soạn cuốn sách

TỪ VIẾT TẮT

AGCM Atmospheric General Circulation

Model

Mô hình hoàn lưu chung khí quyển

AIM Asian Pacific Integrated Model Mô hình tổng hợp Châu Á Thái

Bình dương AOGCM Atmospheric-Oceanic General

Circulation Model

Mô hình hoàn lưu chung kết hợp đại dương khí quyển

AR4 Fourth Assessement Report Báo cáo đánh giá lần thứ tư

ASF Atmospheric Stabilization

Framework Model

Mô hình khí quyển ổn định

CCSM Community Climate System

Model

Mô hình hệ thống khí hậu cộng đồng

CDM Clean Development Mechanism Cơ chế phát triển sạch

CERs Certified Emission Reductions Giảm phát thải được chứng nhận CMIP Coupled Model Intercomparison

Project

Dự án so sánh đa mô hình kết hợp

COP Conference Of the Parties Hội nghị các Bên

CSIRO The Commonwealth Scientific and

Industrial Research Organization

Tổ chức Nghiên cứu khoa học và công nghiệp của khối thịnh vượng chung Úc

ECHAM European Centre Hamburg Model Mô hình trung tâm châu Âu

Humburg ENSO El Nino/Southern Oscillation Dao động Nam El Nino

FAR First Assessement Report Báo cáo đánh giá lần thứ nhất GCM Global Climate Model/Global

Circulation Model

Mô hình khí hậu toàn cầu/mô hình hoàn lưu chung

IMAGE Integrated Model to Assess the

KNK Khí nhà kính

LAM Limited Area Model Mô hình khu vực hạn chế

LBC Lateral Boundary Condition Điều kiện biên xung quanh

LGM Last Glacial Maximum Cực đại Băng hà Cuối cùng

MARIA Multiregional Approach for

Resource and Industry Allocation

Mô hình phân bố tài nguyên và công nghiệp đa khu vực

MESSA

GE

Model for Energy Supply Strategy

Alternatives and their General

Environmental Impact

Mô hình chiến lược đa khả năng cung cấp năng lượng và tác động chung tới môi trường

MiniCA

M

Mini Climate Assessment Model Mô hình đánh giá khí hậu thu nhỏ

MRI Meteorological Research Institute Viện nghiên cứu khí tượng của

Nhật Bản ODA Official Development Assistance viện trợ phát triển chính thức

OECD Organization of Economic

Cooperation and Development

Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh

tế OGCM Oceanic General Circulation

Model

Mô hình hoàn lưu chung đại dương

PDO Pacific Decadal Oscillation Dao động thập kỷ Thái Bình Dương PETM Palaeocene-Eocene Thermal

Maximum

Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân

PNA Pacific/North American Bắc Mỹ Thái Bình Dương

RCM Regional Climate Model mô hình khí hậu khu vực

RSWG the Response Strategies Working

Group

Nhóm làm việc chiến lược ứng phó

SA90 1990 IPCC Scenario Kịch bản phát thải của IPCC năm

1990 SRES Special Report on Emissions

Scenarios

Báo cáo đặc biệt về các kịch bản phát thải

UNFCCC United Nations Framework

Convention on Climate Change

Công ước khung của Liên Hợp Quốc về Biến đổi Khí hậu VRGCM

s

Variable-Resolution AGCM Mô hình hoàn lưu chung khí quyển

độ phân giải thay đổi

IPCC The Intergovernmental Panel on

Climate Change

Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu

nhất (giá trị nhiệt độ lớn nhất đo đƣợc trong một khoảng thời gian nào đó, ví dụ một ngày, một tháng hoặc một năm)

nhất (giá trị nhiệt độ nhỏ nhất đo đƣợc trong một khoảng thời gian nào đó, ví dụ một ngày, một tháng hoặc một năm)

Rx Lƣợng mƣa cực đại (tổng lƣợng

mƣa lớn nhất đo đƣợc trong một

khoảng thời gian nào đó, ví dụ một

ngày, một tháng hoặc một năm)

RH Rét hại

PHẦN 1:

KHOA HỌC VỀ BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

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 tiết là 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 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 biến động 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 tức thời của điều kiện 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 có thể 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 tiết và khí hậu thể hiện qua việc nhiều người hay đặt câu hỏi: tại sao có thể dự báo khí hậu trong nhiều năm tới trong khi không thể dự báo thời tiết cho 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 (0,4-0,7m) 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)

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3 tổng 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

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

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

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

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)

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

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 hơn nhiều 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

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 Ôxit cacbon 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

Hình 1.5: Sơ đồ mô tả hiệu ứng nhà kính

Một số chất khí khác, như ôxit cacbon (CO) hoặc clorua hydro (HCl) cũng hấp thụ bức xạ sóng dài những “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 (H 2 O) 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

Ôzôn (O 3 ) 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 (N 2 O) 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

Mêtan (CH 4 ) 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

Điôxit cacbon (CO 2 ) 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

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 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” và sự nóng lên toàn cầu không còn xa lạ nữa, ngược lại nó được nhìn nhận như là sự 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 cực đoan 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, 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 ủng hộ việc thay đổi thói quen hoạt động kinh tế, xã hội cũng như thay đổi công nghệ để làm chậm tốc độ biến đổi của khí hậu chừng nào họ chưa chắc chắn rằng khí hậu biến đổi là một thực tế chứ không phải chỉ là biến động ngẫu nhiên 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

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 đó cần phải duy trì theo một hướng nào đó Trong khí 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 chu kỳ lặp lại sau những khoảng thời gian khá dài 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

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 và nguyên 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 ấm áp và khí hậu lạnh giá 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

năm trước đến 2005 ((Nguồn IPCC, 2007)

CO 2: 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/m 2 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

CH 4: 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 CH4 cũng thoát ra từ các

mỏ than, các giếng khoan dầu hoặc do rò rỉ các ống dẫn khí Khí CH4 trong 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/m 2, đứng thứ hai sau CO2

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

O 3 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/m 2

(+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 O3tầng 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)

1.3.3 Dao động khí hậu và các hiện tượng cực đoan

Một cách đơn giản, 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

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? Nhiệt độ trung bình toàn cầu có

ý nghĩa và tiện ích gì? Khí hậu Trái đất đã thay đổi như thế nào trong thế kỷ qua, trong thời kỳ băng hà trẻ và trước đó, và ta 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 dao 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

Theo Beckman và Mahoney [ ], 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 và công cụ đánh giá BĐKH

1) Nguyên tắc chung

Vấn đề nghiên cứu 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 nhân tố chi phối hệ thống khí hậu, như 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 = a 0 + a 1 t, trong đó a 0 là hệ số cắt và a 1

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 a 1 cho biết chuỗi có xu

thế tăng (a 1 >0) hoặc giảm (a 1 <0) Để có kết luận chắc chắn về xu thế của chuỗi cần tiến

hành kiểm nghiệm độ rõ rệt của hệ số góc a 1

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:

n

k

n

k j

k

x sign S

00

01

)(

k j

k j

k j

k j

x x khi

x x khi

x x khi x

x

sign

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 a 1 của phương trình xu thế càng lớn mức độ biến đổi càng lớn và ngược lại

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 tại có 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 lai thường 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

CHƯƠNG 2 BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU 2.1 Biến đổi khí hậu trong các thời kỳ địa chất

Những bằng chứng thu được qua các thời đại địa chất khác nhau cho thấy sự biến đổi của khí hậu Trái đất trong quá khứ là rất sâu sắc

Trong các thời kỳ lịch sử, dấu hiệu của biến đổi khí hậu được thể hiện qua:

Những dấu hiệu tự nhiên trong những mẫu phấn hoa ở các lớp than bùn trong các

bãi lầy vốn là rừng xa xưa; trong các mẫu trầm tích đáy biển, san hô cổ; trong các lõi băng

ở Greenland và Nam Cực; trong sự biến đổi trạng thái của hồ và sông, trong sự biến đổi của độ dày, thưa của các vân cây, v.v…

Trong các tài liệu, như các biên niên sử, có ghi những hiện tượng biến động của

thời tiết và khí hậu, trạng thái của sông ngòi và về mùa màng Ngoài ra còn có cả các truyện truyền khẩu, sáng tác văn học, các tài liệu kiến trúc cổ chỉ những điều kiện sống và những kết quả hoạt động của con người với mức độ nhất định phụ thuộc vào khí hậu

Từ khoảng hai ba trăm năm gần đây đã bắt đầu thời đại quan trắc khí tượng bằng

dụng cụ, tuy còn ít và các quan trắc chưa hoàn hảo Hiện nay đối với nhiều trạm trên thế

giới chúng ta đã có dãy số liệu của nhiệt độ và giáng thuỷ với chuỗi thời gian kéo dài khoảng 100 đến 200 năm và thậm chí còn dài hơn nữa

2.1.1 Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ

Khí hậu trước Kỷ Đệ tứ (trước đây 2,6 triệu năm) ấm hơn hiện nay với nồng độ CO2

cao hơn trong khí quyển Thời kỳ trước Kỷ Đệ tứ này quá xa để có thể có những mẫu lõi băng, tuy nhiên sử dụng một số phương pháp đại diện như đồng vị các bon, đồng vị Bo, quan hệ thực nghiệm giữa lỗ khí và mật độ CO2 trong khí quyển, người ta có thể đánh giá được nồng độ CO2 trước Kỷ Đệ tứ Kết quả cho thấy nồng độ CO2 trong gian đoạn này nhìn chung cao hơn so với các thời kỳ gian băng, tiền công nghiệp Sự biến đổi của CO2

trong giai đoạn này được giả thiết là do các biến đổi của các quá trình kiến tạo trên Trái đất

Giai đoạn giữa của Thế Pliocene (hay còn gọi là Thế Thượng Tân), khoảng từ 3,3 đến 3 triệu năm trước là giai đoạn gần đây nhất và có nhiệt độ trung bình toàn cầu được duy trì ấm hơn so với hiện tại Theo các tính toán từ nhiều mô hình thì nhiệt độ cho giai đoạn này lớn hơn so với thời kỳ tiền công nghiệp khoảng 2ºC đến 3ºC, đưa ra một bức tranh rất giống với khí hậu của Trái đất cuối thế kỷ 21 được dự tính bởi các mô hình toàn cầu Thế Pliocene cũng đủ gần để hình dạng của các lục địa và đại dương đạt đến mức tương tự như ngày nay Nồng độ khí CO2 trong giai đoạn này vào khoảng 360 đến 400 ppm Các bằng chứng địa chất và số liệu đồng vị cho thấy rằng mực nước biển giai đoạn này cao hơn ít nhất là 15 đến 25 m so với mực nước biển ngày nay, đồng nghĩa với việc giảm băng và lục địa ít khô cằn hơn

Hình 2.1 Niên đại địa chất Đại Tân Sinh

Vào khoảng 55 triệu năm trước, giai đoạn giữa của Thế Palaeocene (Thế Cổ Tân) và Thế Eocene (Thế Thủy Tân), một đợt nóng đột ngột kéo dài với mức tăng vài độ C đã

được ghi nhận bởi những biến đổi của đồng vị 18

O và tỷ lệ Mg/Ca Đợt nóng lên toàn cầu cùng với những tác động đến môi trường đi kèm được ghi nhận ở tất cả các vĩ độ, trên cả

bề mặt lẫn ở sâu dưới đại dương Đợt nóng này kéo dài gần 100 nghìn năm và thường được gọi là Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân (PETM: Palaeocene-Eocene Thermal Maximum) Các bằng chứng về sự thay đổi đối với mưa trên toàn cầu được ghi nhận ở trong nhiều hóa thạch, bao gồm cả hóa thạch thực vật Các nghiên cứu đồng vị 13C trên biển và lục địa cho thấy một khối lượng lớn carbon với tỷ lệ 13C thấp đã được giải phóng vào khí quyển và đại dương Nguồn gốc của việc giải phóng carbon này có khả năng là từ khí mêtan CH4, CO2

từ các hoạt động núi lửa, hoặc sự ô xy hóa trầm tích hữu cơ Cực đại nhiệt Cổ-Thủy Tân làm thay đổi hệ sinh thái toàn cầu, đã và đang được nghiên cứu rất nhiều và có những đặc điểm khá giống với ngày nay trong vấn đề lượng carbon phát thải vào khí quyển đang ngày một tăng cao Trong giai đoạn PETM, các tính toán cho thấy lượng carbon giải phóng vào khí quyển nằm trong khoảng 1 đến 2 ×1018 g carbon, tương đương với lượng khí nhà kính phát thải dự tính trong thế kỷ 21

2.1.2 Các thời kỳ băng hà –gian băng

Các bản ghi cổ khí hậu cho thấy một chuỗi các thời kỳ băng hà- gian băng xen kẽ kể

từ 740 nghìn năm trước đây trong số liệu lõi băng, và kể từ vài triệu năm trước đây trong

số liệu trầm tích đại dương dưới sâu Thời kỳ băng hà là một giai đoạn giảm nhiệt độ lâu dài của khí hậu Trái đất, dẫn tới sự mở rộng của các sông băng, các dải băng trên lục địa

và trên vùng cực Thời kỳ gian băng thì ngược lại, khí hậu Trái đất trở nên ấm hơn, làm băng tan chảy Thời kỳ băng hà cuối cùng kết thúc cách đây khoảng 18000 năm Thế Holocen (Toàn Tân) mà chúng ta đang sống thuộc về một giai đoạn gian băng

Hình 2.2 Thay đổi nhiệt độ bề mặt Trái đất có tương quan chặt chẽ với sự thay đổi của nồng độ khí CO2 trong 400000 năm qua Số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock.( nguồn (Petit và ccs., 1999)

Trong 430 nghìn năm trở lại đây, khi mà các số liệu cùng các hiểu biết có được đầy

đủ hơn, những chu trình băng hà- gian băng với chu kỳ 100 nghìn năm với biên độ rất lớn xuất hiện rõ nét Hình 2.2 đã sử dụng số liệu tái tạo từ dữ liệu lõi băng ở Vostock, Nam Cực (vĩ độ: 78°27'51"S, kinh độ: 106°51'57"E) Ngoài chu kỳ 100 nghìn năm, các biến đổi lớn của khí hậu với chu kỳ nhỏ hơn cũng được xác định Dữ liệu lõi băng Vostock có thể được tải về từ địa chỉ: ftp://ftp.ncdc.noaa.gov/pub/data/paleo/icecore/antarctica/vostok/

Ở đây sẽ giải thích thêm một chút về phương pháp phân tích quá khứ sử dụng lõi băng Ưu điểm nổi trội của các mẫu băng đá đó là các mẫu này rất bền, không bị lẫn thông tin như các mẫu trầm tích đáy biển (thường hay bị nhiễm các vi sinh vật) Trong một mẫu băng đá dày đến mấy nghìn mét, mỗi lớp tuyết mỏng là lượng tuyết tích tụ hàng năm, chứa

các thông tin về khí quyển của Trái đất vào thời điểm đó Do vậy, thông tin của mẫu lõi băng tại mỗi độ sâu cho biết thành phần khí quyển và nhiệt độ tại từng thời kỳ tương ứng Phân tích bề dày lớp băng, biến động của hàm lượng 18O sẽ cho các thông tin về giáng thủy và nhiệt độ trong quá khứ Phấn hoa quan sát được trong các lõi băng và có thể được dùng để suy đoán các loài thực vật đã tồn tại Tro núi lửa cũng có mặt trong một số lớp băng, và có thể được dùng để xác định thời gian hình thành lớp trầm tích đó Lượng muối biển trong các lõi băng sâu ở Nam Cực cho biết sông băng ở đây đã tiến đến vĩ độ nào về phía xích đạo, từ đó có thể xác định được các thời kỳ băng hà và thời kỳ gian băng

Việc lấy mẫu từ các phiến băng của Greenland và Nam Cực đã được tiến hành từ cuối những năm 1960 Đầu những năm 1990, các nhà nghiên cứu đã lấy được những mẫu băng sâu tới 3053,44 m từ phiến băng của Greenland và biết được khí hậu trong quá khứ ít nhất là trước đây 110.000 năm Trong khi đó, những dữ liệu từ băng ở Nam Cực có thể cho biết khí hậu cách nay 750.000 năm Bên cạnh Nam Cực và Greenland, người ta còn có thể lấy mẫu băng tại những sông băng sâu ở dãy Andes của Peru và Bolivia, núi Kilimanjaro của Tanzania, và dãy Himalayas của Châu Á

Các lõi băng chỉ ra rằng nồng độ khí nhà kính tương quan với nhiệt độ Nam Cực theo các chu kỳ băng hà – gian băng (Hình 2.2), gợi ý rằng có một mối liên kết chặt chẽ giữa khí nhà kính trong khí quyển và nhiệt độ Các số liệu lõi băng phân giải cao trong thời kỳ gian băng cho thấy nhiệt độ nam cực bắt đầu tăng vài trăm năm rồi nồng độ CO2mới tăng Trong thời kỳ gian băng hiện tại (và có lẽ tương tự cho 3 thời kỳ gian băng trước đó), ấm lên ở cả hai bán cầu xảy ra sớm vài nghìn năm so với dấu hiệu tăng mực nước biển đầu tiên, kết quả của việc tan băng ở Bắc bán cầu do tốc độ nóng lên nhanh của các vĩ độ phía Bắc

Các phân tích từ lõi băng chỉ ra rằng nồng độ CO2 khí quyển thay đổi trong khoảng

từ 180 đến 300 ppm qua các thời kỳ băng hà – gian băng trong vòng 650.000 năm trở lại đây Việc giải thích một cách định lượng cũng như cơ chế của sự thay đổi CO2 này vẫn là một trong những bài toán chưa được giải của lĩnh vực khí hậu Các quá trình trong khí quyển, đại dương, trong trầm tích biển và trầm tích trên đất liền, cũng như động lực băng biển và các tảng băng cần được tính đến Bởi vì biến đổi khí hậu trong giai đoạn ban đầu

và giai đoạn kết thúc của một thời kỳ băng hà diễn ra trong khoảng vài nghìn năm, hầu hết các biến đổi này bị tác động bởi một quá trình hồi tiếp dương của CO2: nghĩa là một sự lạnh đi nhỏ ban đầu (có thể xuất hiện do sự biến động của quỹ đạo Trái đất, sẽ được đề cập đến ở phần sau) sẽ được tăng cường do nồng độ CO2 trong khí quyển giảm đi

Bên cạnh mối liên hệ chặt chẽ giữa thay đổi nhiệt độ và nồng độ CO2 trong khí quyển, các phân tích cũng cho thấy sự liên quan giữa khí hậu và các dao động của quỹ đạo Trái đất Do Trái đất tự quay xung quanh trục của nó và quay quanh Mặt Trời trên quỹ đạo, theo thời gian một vài biến thiên chu kỳ đã diễn ra Năm 1920, nhà toán học người Serbi

là Milutin Milankovitch đã đề xuất rằng biến động của quỹ đạo Trái đất có ảnh hưởng đến khí hậu Hiệu ứng tổ hợp của các biến động trong chuyển động của Trái đất lên khí hậu do

vậy được gọi là chu kỳ Milankovitch Các thay đổi của chuyển động Trái đất gồm sự

thay đổi của độ lệch tâm, độ nghiêng trục và tuế sai (Hình 2.3)

Hình 2.3 Biểu diễn độ lệch tâm, độ nghiêng trục và tuế sai chuyển động của Trái đất trên

quỹ đạo (theo: http://www.skepticalscience.com)

Độ lệch tâm dao động với chu kỳ khoảng 413.000 năm và giá trị thay đổi trong

khoảng từ 0,002 (độ lệch tâm nhỏ, quỹ đạo gần tròn) đến 0,050 (độ lệch tâm lớn hơn, quỹ đạo có hình elíp vừa phải) từ 800.000 năm trước đến dự kiến 200.000 năm tiếp theo trong tương lai Giá trị của độ lệch tâm hiện tại là 0,017 Thay đổi của độ lệch tâm điều chỉnh khoảng cách của Trái đất với mặt trời và có ảnh hưởng hạn chế đến bức xạ trung bình toàn cầu và trung bình năm Tuy nhiên sự thay đổi của độ lệch tâm làm thay đổi khoảng cách

từ Trái đất đến mặt trời, dẫn đến sự điều chỉnh mạnh của các mùa và ảnh hưởng của vĩ độ

do độ nghiêng trục và chuyển động tuế sai gây nên

Hiện tại, chênh lệch của điểm gần mặt trời nhất (gọi là điểm cận nhật) và điểm xa nhất (điểm viễn nhật) là khoảng 5,1 triệu km tương ứng với độ chênh khoảng 6,8% của bức xạ Mặt Trời, nghĩa là bức xạ mặt trời tại điểm cận nhật lớn hơn bức xạ mặt trời tại điểm viễn nhật là 6,8% Trái đất đi qua điểm cận nhật vào khoảng ngày 03 tháng 01 (năm

2000 diễn ra vào ngày 02 tháng 01), và qua điểm viễn nhật vào khoảng ngày 04 tháng 7 hàng năm (năm 2000 là ngày 02 tháng 7) Trong quá khứ có thời điểm độ lệch tâm lớn hơn nhiều so với hiện tại, nghĩa là quỹ đạo là elíp nhiều hơn, lượng bức xạ mặt trời ở điểm cận nhật sẽ có thể lớn hơn tới 23% so với điểm viễn nhật

Độ nghiêng của trục tự quay của Trái đất so với mặt phẳng quỹ đạo dao động với

chu kỳ khoảng 41.000 năm Theo thời gian độ nghiêng trục quay thay đổi giữa 22,05° và 24,50° Giá trị độ nghiêng của trục tự quay hiện nay của Trái đất là 23,5° Sự thay đổi độ nghiêng trục quay này có ảnh hưởng đến sự thay đổi điều kiện khí hậu của các mùa Mỗi bán cầu bị nghiêng khỏi mặt trời trong các thời gian mùa đông và hướng về mặt trời trong mùa hè Khi bán cầu nghiêng xa khỏi mặt trời, nó nhận được ít bức xạ hơn bán cầu còn lại

Do đó, mặc dù ở gần mặt trời hơn vào ngày đông chí, Bắc bán cầu nhận được ít bức xạ hơn trong mùa đông so với trong mùa hè Tương tự, cũng là hệ quả của sự nghiêng, khi Bắc bán cầu bắc trải qua mùa đông thì Nam bán cầu lại là mùa hè Do đó, khi độ nghiêng của trục tự quay Trái đất nhỏ thì mùa đông ấm hơn và mùa hè mát hơn

Biến đổi do tiến động quĩ đạo Trái đất hay còn gọi là tuế sai sinh ra do lực hấp dẫn

giữa các hành tinh (chủ yếu với sao Mộc) làm quỹ đạo elíp của Trái đất xoay quanh trong không gian theo 2 chu kỳ cơ bản là 19.000 và 23.000 năm Tiến động quỹ đạo này làm thay đổi hướng của trục quay Trái đất tương đối so với mặt trời, làm biến đổi các điểm phân theo thời gian

Lý thuyết Milankovitch đưa ra giả thuyết rằng thời kỳ băng hà được bắt đầu khi chiếu sáng mùa hè đạt được giá trị thấp nhất gần vĩ độ 65°N, tạo điều kiện cho tuyết tồn tại quanh năm, do đó sẽ tích tụ dần để tạo nên các tảng băng ở Bắc bán cầu Một ví dụ minh chứng là thời điểm bắt đầu thời kỳ băng hà cuối, cách đây khoảng 116 nghìn năm

tương ứng với chiếu sáng tại vĩ độ 65°N vào giữa tháng 6 là vào khoảng 40W/m2

, thấp hơn so với giá trị ngày nay

Hình 2.4 Thay đổi tham số của quỹ đạo Trái đất từ cách đây 250,000 năm đến nay (theo

Chapin và ccs., 2001)

Thời kỳ băng hà gần đây nhất bắt đầu từ khoảng 116.000 năm trước, đáp lại sự thay

đổi của quỹ đạo Trái đất Các tảng băng tăng và mực nước biển giảm đến cực đại trong

Cực đại Băng hà Cuối cùng (LGM: Last Glacial Maximum) cách đây khoảng 21.000 năm

Mật độ của các khí nhà kính trong khí quyển trong giai đoạn LGM thấp hơn khá nhiều so

với giai đoạn tiền công nghiệp, làm giảm -2,8W/m2 cân bằng bức xạ toàn cầu Giá trị này

xấp xỉ bằng, nhưng trái dấu, với giá trị làm thay đổi bức xạ toàn cầu của các khí nhà kính

năm 2000 Băng bao phủ phần lớn khu vực Bắc Mỹ và châu Âu, làm hạ mực nước biển

Các thảm thực vật thay đổi, với các lãnh nguyên mở rộng ở Bắc bán cầu và các khu rừng

nhiệt đới bị thu hẹp Các thay đổi bề mặt này làm thay đổi tỉ lệ ánh sáng mặt trời phản xạ

từ bệ mặt (hay còn gọi là albedo), tạo nên một quá trình hồi tiếp dương Các son khí, chủ

yếu là bụi tăng, một phần là hệ quả của việc giảm độ phủ thực vật

Đối với mực nước biển, các phân tích dựa trên các mô hình cho phép ước lượng sự

thay đổi mực nước biển trung bình trong thời kỳ chuyển tiếp băng hà – gian băng cuối

cùng, nghĩa là từ giai đoạn Cực đại Băng hà Cuối cùng sang thế Holocene (Toàn Tân)

Kết quả cho thấy mực nước biển đã tăng lên khoảng 120 m so với 21.000 năm trước đây

2.1.3 Giai đoạn gian băng hiện tại

Khí hậu Trái đất đã nhiều lần thay đổi, với những thời kỳ băng hà lạnh xen kẽ với

những thời kỳ gian băng ấm áp Cách đây 20.000 năm cho đến khoảng 11.000 năm Trái

đất vẫn lạnh hơn hiện nay khoảng 5ºC Đó cũng là thời kỳ băng hà cuối cùng trong lịch sử

Trái đất

Từ cách đây 11.000 năm Trái đất ấm dần lên và đến khoảng 8.000 năm trước đây,

nhiệt độ Trái đất đã ở mức gần tương đương với nhiệt độ ngày nay, với sự hơn kém về

nhiệt độ là khoảng 1°C

Thời kỳ gian băng hiện tại (thế Holocene) chứng kiến các thay đổi do tác nhân của

con người lên môi trường từ quy mô địa phương (ví dụ thay đổi sử dụng đất) đến quy mô

toàn cầu (ví dụ các thành phần khí quyển) Các dữ liệu ở thời kỳ hiện tại đầy đủ và tốt hơn rất nhiều so với các thời kỳ trước đó, cả về không gian lẫn thời gian

Trong thời kỳ gian băng hiện tại, các thay đổi trong quỹ đạo Trái đất điều chỉnh khí hậu phân bố theo vĩ độ và theo mùa của bức xạ mặt trời

Các phân tích lõi băng cho thấy nồng độ CO2 khí quyển giảm khoảng 7 ppm trong giai đoạn cách đây từ 11.000 đến 8.000 năm, tiếp đó tăng lên khoảng 20 ppm cho đến thời điểm bắt đầu thời kỳ công nghiệp (đạt giá trị 280 ppm) (Hình 1.6)

Nồng độ CH4 giảm từ giá trị 730 ppb xung quanh thời điểm 10.000 năm trước xuống giá trị 580 ppb cách đây khoảng 6.000 năm, sau đó tăng lại lên 730 ppb vào thời kỳ tiền công nghiệp Trong khi đó, NO2 cho mức giảm khoảng 10 ppb trong thời kỳ đầu của thế Holocene và sau đó tăng lên cùng biên độ trong khoảng từ 8.000 đến 2.000 năm trước đây

Sự thay đổi nhiệt độ trong thế Holocene đã được nghiên cứu cho rất nhiều khu vực khác nhau Ở những khu vực vĩ độ cao của Bắc Đại Tây Dương và khu vực lân cận Bắc Cực, có vẻ như nhiệt độ mùa hè đạt cực đại vào giai đoạn sớm của thế Holocene (10.000 đến 8.000 năm trước) Các vĩ độ trung bình phía Bắc cho thấy một xu thế giảm của nhiệt

độ bề mặt biển từ giai đoạn ấm thời kỳ đầu đầu và giữa của Holocene đến giai đoạn lạnh hơn thời kỳ tiền công nghiệp Giai đoạn ấm nhất cho Bắc Âu và Tây Bắc của Bắc Mỹ diễn

ra vào khoảng từ 7.000 đến 5.000 năm trước đây Trong giai đoạn giữa của thế Holocene, phương pháp nghiên cứu phấn hoa và hóa thạch cho thấy sự mở rộng lên phía Bắc của các khu rừng ôn đới cũng như sự rút lui của băng Giai đoạn ấm sớm này cũng được xác định trong các khu vực như xích đạo Tây Thái Bình Dương, Trung Quốc, New Zealand, Nam Phi và Nam Cực

- Từ khoảng 1010 cho đến năm 1360, Trái đất nóng hơn hiện nay;

- Từ khoảng 1360 đến 1750, Trái đất lạnh hơn hiện nay và lạnh nhất vào khoảng năm 1670, thấp hơn hiện nay khoảng 0,6 0

C

Thời kỳ băng hà nhỏ (Little Ice Age) gần đây nhất xảy ra vào khoảng giữa thế kỷ 16

và kết thúc vào khoảng giữa thế kỷ 19 Nguyên nhân có vẻ như là do sự giảm hoạt động mặt trời Một số bức tranh cũ đã mô tả lại cảnh hoạt động trong mùa đông châu Âu cho thấy sự lạnh giá của thời kỳ này (ví dụ Hình 2.5)

Hình 2.5 Cảnh mùa đông và mọi người di chuyển bằng cách trượt băng (1608, Hendrick

Avercamp)

2.2 Biến đổi khí hậu hiện đại

2.2.1 Biến đổi của nhiệt độ

Một số biểu hiện của BĐKH hiện đại được nhận biết rõ rệt qua nhiệt độ

Băng hà ở Na Uy và dãy An-pơ bắt đầu rút từ giữa thế kỷ 19 Ở Đông Âu, nhiệt độ trung bình năm thời kỳ 1881-1915 tăng lên khoảng vài phần mười độ so với thời kỳ 1846 -

1880 Ở Lêningrat, nhiệt độ trung bình năm tăng +3,5ºC từ 1801 - 1850; tăng +4,6oC từ

1921 - 1936 Các tháng mùa đông đặc biệt nóng lên Biên độ năm của nhiệt độ (chênh lệch giữa nhiệt độ cao nhất và thấp nhất) ở Lêningrat do vậy giảm đến 1,3oC

Ở Tây Âu, nhiệt độ trung bình mùa đông mười năm trước năm 1920 đã tăng lên 2,5oC so với cuối thế kỷ 19, còn nhiệt độ trung bình năm tăng 0,5oC Ở đây cũng bắt đầu những mùa đông ôn hoà Ở Bắc Băng dương quá trình nóng lên còn rõ rệt hơn ở miền ôn đới Từ năm 1910 đến hết năm 1940 nhiệt độ trung bình ở Băng Đảo Greenland tăng lên

3oC

Sự phát triển mạnh mẽ của các thiết bị và mạng lưới thám sát gần đây đã cho phép đưa ra những kết quả phân tích với độ tin cậy cao về sự biến đổi của nhiệt độ

Nhiệt độ trung bình toàn cầu đang tăng Trong 100 năm, từ 1906 đến 2005 nhiệt

độ đã tăng +0,74±0,18ºC, nhanh hơn bất kỳ thế kỷ nào trong lịch sử, kể từ thế kỷ 11 đến

nay

Tốc độ tăng nhiệt độ trong 50 năm cuối là +0,13±0,03ºC/thập kỷ, gần bằng hai lần

tốc độ tăng trong thời kỳ 1906-2005, cho thấy xu thế biến đổi nhiệt độ ngày càng nhanh hơn.Sai khác lớn nhất của nhiệt độ giữa hai năm liên tiếp là 0,29ºC (giữa năm 1976 và năm 1977)

Giai đoạn 1961-1990, nhiệt độ tối cao tăng 0,14ºC/thập kỷ và nhiệt độ tối thấp tăng 0,2ºC/thập kỷ

Số liệu quan trắc cho thấy, trên các vùng lục địa, trong 12 năm, từ 1995-2006, đã có

11 năm (trừ 1996) là những năm có nhiệt độ cao nhất kể từ 1850, trong đó nóng nhất là năm 1998 và năm 2005 Riêng 5 năm 2001–2005 có nhiệt độ trung bình cao hơn 0,44ºC so với chuẩn trung bình của thời kỳ 1961–1990

Nhiệt độ cực trị cũng có xu thế phù hợp với nhiệt độ trung bình, kết quả là giảm số đêm lạnh và tăng số ngày nóng và biên độ nhiệt độ ngày giảm đi chừng 0,07ºC mỗi thập

kỷ

Nhiệt độ bề mặt biển cũng có xu hướng tăng rõ rệt từ đầu thế kỷ 20 trên các đại

dương Tốc độ ấm lên trên đất liền lớn hơn trên đại dương Trong giai đoạn 1979-2005,

nhiệt độ trên đất liền tăng 0,27ºC/thập kỷ còn trên đại dương là 0,13ºC/thập kỷ

Những nơi nóng lên mạnh nhất nằm ở sâu trong lục địa châu Á và Tây Bắc của Bắc

Mỹ Tuy nhiên cũng có một số vùng bị lạnh đi từ 1979, đa phần ở đại dương và Nam Bán cầu

Nhiệt độ trung bình của Bắc Bán cầu trong nửa sau thế kỷ 20 cao hơn bất kỳ giai đoạn 50 năm nào trong 500 năm gần đây và có thể cao nhất trong ít nhất 1.300 năm qua Trong thời kỳ 1958–2005 nhiệt độ trong tầng đối lưu có xu thế tăng lên, phù hợp với

xu thế nhiệt độ tại bề mặt đất Tốc độ tăng nhiệt độ trong lớp đối lưu dưới là khoảng 0,16 đến 0,18ºC mỗi thập kỷ, tính từ năm 1979 Ngược lại, xu thế nhiệt độ của lớp bình lưu

dưới giảm với tốc độ 0,3 đến 0,6ºC mỗi thập kỷ

Hình 2.6 Nhiệt độ trung bình toàn cầu nhìn chung đang tăng từ 1850 (IPCC, 2007)

Bảng 2.1 Diễn biến của chuẩn sai nhiệt độ trên các châu lục và đại dương trong thế kỷ 20

Đơn vị ºC (IPCC, 2001)

Khu vực 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000

Bắc Mỹ -0,2 -0,3 0,2 0,3 0,2 0,1 0,0 0,2 0,5 0,7 Nam Mỹ -0,1 -0,2 0,0 0,2 0,1 0,2 0,1 0,0 0,2 0,4 Châu Âu -0,2 -0,1 0,0 0,1 0,2 0,0 0,1 0,0 0,4 0,8 Châu Phi -0,1 0,0 0,1 0,1 0,0 0,0 0,0 0,3 0,5 0,7 Châu Á -0,2 0,0 0,0 0,1 0,1 0,1 0,0 0,3 0,7 0,9 Châu Úc 0,1 -0,1 0,0 0,0 -0,2 0,1 0,1 0,3 0,5 0,5 Toàn cầu -0,2 0,0 0,1 0,2 0,1 0,4 0,4 0,2 0,4 0,7 Lục địa -0,2 0,0 0,1 0,2 0,1 0,0 0,0 0,3 0,5 0,8 Đại dương -0,2 0,0 0,1 0,2 0,1 0,1 0,1 0,1 0,3 0,6

2.2.2 Biến đổi của lượng mưa

Không giống như xu thế ấm lên khá đồng nhất của nhiệt độ, lượng mưa lại có sự

tăng giảm khá khác nhau theo khu vực

Hình 2.7 Xu thế biến đổi lượng mưa trung bình năm từ 1901 đến 2005 (IPCC, 2007)

Trong thời kỳ 1901–2005 xu thế biến đổi của lượng mưa rất khác nhau giữa các khu vực, và giữa các thời đoạn khác nhau trên từng khu vực

Ở Bắc Mỹ, lượng mưa tăng lên ở nhiều nơi, nhất là ở phía Bắc Canađa nhưng lại giảm đi ở Tây Nam nước Mỹ, Đông Bắc Mexico và bán đảo Bafa với tốc độ giảm khoảng 2% mỗi thập kỷ, gây ra hạn hán trong nhiều năm gần đây

Ở Nam Mỹ, mưa lại tăng lên trên lưu vực Amazon và vùng bờ biển Đông Nam nhưng lại giảm đi ở Chilê và vùng bờ biển phía Tây

Ở Châu Phi, lượng mưa giảm ở Nam Phi, đặc biệt là ở Sahel trong thời đoạn 1960–

1980

Ở khu vực nhiệt đới, mưa giảm đi ở Nam Á và Tây Phi với trị số xu thế là 7,5% cho

cả thời kỳ 1901–2005 Khu vực có tính địa phương rõ rệt nhất trong xu thế biến đổi lượng mưa là Australia do tác động to lớn của ENSO

Ở đới vĩ độ trung bình và vĩ độ cao, lượng mưa tăng lên rõ rệt ở miền Trung Bắc Mỹ, Đông Bắc Mỹ, Bắc Âu, Bắc Á và Trung Á

Trên phạm vi toàn cầu lượng mưa tăng lên ở các đới phía Bắc vĩ độ 30ºN thời kỳ 1901–2005 và giảm đi ở các vĩ độ nhiệt đới, kể từ thập kỷ 1990

Tần số mưa lớn tăng lên trên nhiều khu vực, kể cả những nơi lượng mưa có xu thế giảm đi

2.2.3 Biến đổi ở các vùng cực, băng quyển

Trong thế kỷ 20 cùng với sự tăng lên của nhiệt độ mặt đất có sự suy giảm khối lượng băng trên phạm vi toàn cầu

Số liệu quan trắc vệ tinh đã cho thấy băng biển Bắc Bán cầu đã giảm khoảng 2,7±

0,6%/thập kỷ kể từ năm 1978 Tốc độ giảm trong mùa hè lớn hơn trong mùa đông Vào mùa hè, tốc độ giảm khoảng 7,4±2,4%/thập kỷ Ở Nam Bán cầu, độ phủ băng biển có sự biến động giữa các năm với xu thế không rõ rệt

Băng ở Greenland mất dần đi với tốc độ khoảng -50 đến -100 Gt/năm, làm tăng mực biển tương đương khoảng 0,14 đến 0,18 mm/năm trong giai đoạn 1993-2003