Kiến thức về biến đổi khí hậu (chương 4)

Kỹ năng của các RCM trong trường hợp này phụ thuộc vào bản chất động lực học và vật lý của mô hình, như hệ phương trình mô tả trạng thái khí quyển, hệ tọa độ, phương pháp tích phân thờ[r]

Phương pháp xây dựng kịch bản BĐKH

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG PHÁP XÂY DỰNG KỊCH BẢN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU

4.1 Các kịch bản phát thải khí nhà kính

4.1.1 Khái niệm về kịch bản phát thải khí nhà kính

Kịch bản là hình ảnh của tương lai Kịch bản không phải là kết quả dự đoán hay dự báo Mỗi

kịch bản là một bức tranh tưởng tượng dựa trên những suy luận có căn cứ khoa học về sự phát triển của tương lai có thể xảy ra

Những hoạt động của con người trong vài thập kỷ gần đây đã làm tăng đáng kể nồng độ các KNK trong khí quyển, từ đó làm gia tăng nhiệt độ toàn cầu Sự phát thải KNK do hoạt động của con người được quyết định bởi nhiều yếu tố khác nhau, như sự tăng dân số, sự phát triển kinh tế -

xã hội và tiến bộ khoa học kỹ thuật, v.v Do đó, nó có thể có những biến động lớn trong tương lai Với mục đích hỗ trợ cho việc phân tích, đánh giá BĐKH và tác động của nó, tìm giải pháp thích ứng và giảm thiểu BĐKH, các kịch bản phát thải KNK đã được ra đời Kịch bản phát thải

là một công cụ hữu hiệu để phân tích ảnh hưởng của các nhân tố lên tình trạng phát thải, từ đó đưa ra những “viễn cảnh” để lựa chọn cho tương lai Các kịch bản phát thải KNK được xây dựng dựa trên những thay đổi của các nhân tố như kinh tế, dân số, chính trị hay công nghệ

Các kịch bản phát thải là thành tố trung tâm của bất kỳ đánh giá BĐKH nào Phát thải KNK là yếu tố đầu vào cơ bản của các mô hình khí hậu để đánh giá BĐKH trong tương lai Kết quả về BĐKH có thể xảy ra trong tương lai, cùng với những nhân tố khác như phát triển kinh tế, tăng dân số và điều kiện môi trường đã cung cấp những thông tin cơ bản cho phép đánh giá về những mối đe dọa, những tác động xấu có thể xảy ra và cả những chiến lược thích ứng Những nhân tố hình thành kịch bản cũng đồng thời cung cấp cơ sở cho những đánh giá về chiến lược giảm thiểu

và xây dựng những chính sách để ứng phó với BĐKH

Từ vài thập kỷ gần đây, nhiều nghiên cứu toàn cầu đã sử dụng các kịch bản như là một công cụ

để tiếp cận lượng khí CO2 và các KNK khác được phát thải trong tương lai Một trong những kịch bản đầu tiên cuối thập kỷ 1970s được tiến hành bởi Viện Quốc Tế về Phân tích các Hệ thống ứng dụng (http://www.iiasa.ac.at) trong một nghiên cứu có tên là Năng lượng trong một thế giới hữu hạn (Energy in a Finite World) Tiếp đó cũng đã có một số nghiên cứu khác về lĩnh vực này Tuy nhiên, phải đến khi các báo cáo của IPCC được công bố thì các kịch bản về phát thải KNK trong tương lai mới đóng một vai trò thực sự quan trọng

Những thay đổi của các nhân tố như kinh tế, dân số, chính trị hay công nghệ tác động đến sự gia tăng phát thải các KNK, có thể dẫn đến sự biến đổi của khí hậu Việc ước lượng được sự thay đổi

đó trong tương lai là vấn đề rất khó do các nhân tố cấu thành chứa đựng trong đó những yếu tố

luôn luôn biến đổi Tuy nhiên, để có thể so sánh mức độ tác động giữa các thành phần nhằm dự báo khí hậu tương lai, dù các nhân tố luôn biến đổi, IPCC cũng đã quyết định đưa ra các kịch bản phát thải KNK được xây dựng dựa trên những giả định về thế giới tương lai 3 chuỗi kịch bản đã được IPCC phát triển và công bố vào các năm 1990, 1992 và 2000 đã thay đổi đáng kể theo thời gian về cách phân loại, các giả thiết cũng như các phương pháp sử dụng Kịch bản sớm nhất là

SA90 (1990 IPCC Scenario A), tiếp theo là bộ kịch bản IS92 (IS92a-IS92f) được đưa ra năm

1992, và bộ các kịch bản SRES (Special Report on Emissions Scenarios) được ban hành chính

thức năm 2000

4.1.2 Kịch bản SA90

Tháng 01 năm 1989, Nhóm Làm việc Chiến lược Ứng phó RSWG (the Response Strategies Working Group) yêu cầu một nhóm các chuyên gia Hà Lan và Mỹ chuẩn bị một tập hợp các kịch bản phát thải toàn cầu cho các khí CO2, CH4, N2O, CFCs, NOx và CO đến năm 2100 Các kịch bản này được hoàn thành vào tháng 12 năm 1989 và được sử dụng làm đầu vào cho các mô hình toàn cầu cũng như để đánh giá BĐKH tương lai (theo IPCC, 1990a và b)

Trong các kịch bản của SA90 (bao gồm 4 kịch bản A, B, C, D), dân số được giả thiết sẽ tiệm cận 10,5 tỉ người trong nửa sau của thế kỷ 21 Phát triển kinh tế được giả thiết sẽ tăng khoảng 2-3%/năm trong thập kỷ tiếp sau trong các nước OECD (Tổ chức Hợp tác và Phát triển kinh tế) và

từ 3-5% ở Đông Âu và ở các nước đang phát triển Mức độ tăng trưởng kinh tế được giả thiết sẽ giảm đi sau đó

Đối với kịch bản A (Scenario A hay còn được gọi là kịch bản BaU – Business-as-Usual), các giả

thiết được đưa ra là năng lượng than đá được sử dụng nhiều và hiệu quả sử dụng năng lượng ít được cải thiện Sự quản lý mônôxit cacbon (CO) kém, phá rừng vẫn tiếp tục cho đến khi các khu rừng nhiệt đới bị suy kiệt; phát thải khí mêtan và ôxit nitơ từ các hoạt động nông nghiệp là không quản lý được Nghị định thư Montreal nhằm hạn chế các khí CFCs được đưa vào thực hiện với

sự tham gia không đầy đủ từ các nước

Trong kịch bản B (Scenario B), cung cấp năng lượng chuyển dịch về phía cacbon thấp Hiệu quả

sử dụng năng lượng tăng cao Việc quản lý CO được thực hiện chặt chẽ Các khu rừng được bảo toàn và Nghị định thư Montreal được thực hiện một cách toàn diện

Trong kịch bản C (Scenario C), chuyển dịch theo hướng năng lượng tái tạo và năng lượng hạt

nhân được đưa ra trong nửa cuối của thế kỷ 21 Các hợp chất CFCs được ngừng sản xuất và phát thải nông nghiệp được hạn chế

Với kịch bản D (Scenario D), chuyển dịch theo hướng năng lượng tái tạo và năng lượng hạt

nhân xuất hiện từ nửa đầu thế kỷ 21 và mức phát thải đạt đến độ ổn định ở các nước công

nghiệp Kịch bản này chỉ ra rằng mức độ quản lý nghiêm ngặt trong các nước công nghiệp kết hợp với mức tăng trưởng trung bình trong phát thải ở các nước phát triển có thể làm ổn định nồng độ khí quyển Phát thải khí cácbônic đến giữa thế kỷ 21 giảm đến 50% so với mức độ phát thải của năm 1985

4.1.3 Kịch bản IS92

Hai năm sau khi đưa ra các kịch bản SA90, IPCC đã đưa ra 6 kịch bản phát thải mới gọi là các

kịch bản IS92 cho thời đoạn từ 1990 đến 2100 Các kịch bản IS92 theo nhiều khía cạnh là rất

tiến bộ Đây là những kịch bản toàn cầu đầu tiên cung cấp các thông tin đầy đủ về các KNK, và

là các kịch bản đầu tiên cung cấp các thông tin phát thải cho SO2

6 kịch bản phát thải từ IS92a đến IS92f, được đưa ra vào năm 1992 Các giả thiết sử dụng cho các kịch bản IS92 đến chủ yếu từ các kết quả dự báo đã được công bố bởi các tổ chức quốc tế lớn hoặc từ các phân tích chuyên gia Các tiền đề cho 2 kịch bản IS92a và IS92b khá giống và cập nhật với kịch bản SA90 được sử dụng trong báo cáo của IPCC lần thứ nhất năm 1990 IS92a được chấp nhận rộng rãi như là một kịch bản tiêu chuẩn dùng để sử dụng cho các nghiên cứu đánh giá tác động, mặc dù các khuyến nghị của IPCC ban đầu là cả 6 kịch bản IS92 cần được sử dụng để biểu diễn khoảng bất định trong các phát thải Theo kịch bản này, dân số tăng lên đến 11,3 tỉ người vào năm 2100 và tăng trưởng kinh tế đạt trung bình 2,3% một năm từ 1990 đến

2100, với việc sử dụng kết hợp giữa nguồn năng lượng truyền thống và nguồn năng lượng tái tạo Phát thải KNK nhiều nhất là kịch bản IS92e ở đó kết hợp mức tăng trưởng dân số trung bình, tăng trưởng kinh tế cao, sử dụng nhiều năng lượng hóa thạch trong khi không sử dụng nguồn năng lượng hạt nhân Ở phía cực trị ngược lại, IS92c là kịch bản mà ở đó phát thải CO2 sẽ giảm xuống thấp hơn mức phát thải của năm 1990 Kịch bản này giả thiết rằng dân số đầu tiên là sẽ tăng, sau đó giảm từ giữa thế kỷ 21, khi mà kinh tế tăng trưởng chậm và có một số yếu tố hạn chế nguồn cung năng lượng hóa thạch

Trong 6 kịch bản IS92, IS92a được coi là ước lượng tốt nhất cho tương lai trong trường hợp các vấn đề về môi trường không ảnh hưởng nhiều tới vấn đề chính trị Hình 4.1 cho biết mức độ phát thải KNK đến 2100 theo 6 kịch bản năm 1992

Hình 4.1 Phát thải khí CO2trong thế kỉ tới theo 6 kịch bản của IPCC 1992

Năm 1994, IPCC đã đánh giá lại các kịch bản IS92 và cho thấy tính đột phá của chúng khi được công bố Các kịch bản này đã mô tả được tình hình phát thải KNK trên quy mô toàn cầu và khu vực Đồng thời, bản đánh giá này cũng chỉ ra những hạn chế của các kịch bản này trong việc xác định cường độ phát thải CO2 tính theo năng lượng cũng như chưa đề cập đến sự khác biệt đáng

kể trong thu nhập bình quân giữa các nước phát triển và đang phát triển sau một thế kỷ

Một điểm khác dẫn đến sự cần thiết phải thay đổi các kịch bản IS92 là các kịch bản này mới chỉ

sử dụng số liệu từ trước năm 1990, chưa cập nhật được những số liệu mới Người ta nhận thấy rằng, ở một số khu vực phát thải SO2 có tầm quan trọng đối với BĐKH tương đương với phát thải các KNK khác Sự tăng nhanh phát thải SO2 cũng đã đặt ra vấn đề cần cập nhật các kịch bản

IS92 này Bên cạnh đó, những dự án phát thải của các nước thuộc Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (OECD) dẫn đến những thay đổi trong luật, hay sự sửa đổi trong đạo luật về không khí sạch của Hoa Kỳ, nghị định thư lần thứ II của Châu Âu về Sunfua đều không được phản ánh trong các kịch bản IS92 Sự tan rã của các nước Đông và Trung Âu; sự ra đời của các nước độc lập tách ra từ Liên Bang Xô Viết cũng không hề được tính đến khi xây dựng IS92 Ngoài ra còn

có sự phát triển của các mô hình tổng hợp cho phép đánh giá được tác động nội tại giữa các thành phần như năng lượng, kinh tế, thay đổi sử dụng đất, từ đó có được đánh giá tác động qua lại giữa phát thải và các tác động khí hậu

IPCC 1994 đã chỉ ra cần phát triển các kịch bản mới trong đó phải đạt được những bước tiến mới như:

- Ước lượng được tình trạng phát thải trong tương lai, chi tiết cho các trường hợp sử dụng đất khác nhau

- Cập nhật những thông tin mới nhất về sự thay đổi tình hình kinh tế thế giới

- Mở rộng khoảng phát triển kinh tế - xã hội, bao gồm cả sự thu hẹp về thu nhập bình quân giữa các nước đang phát triển và các nước công nghiệp

- Kiểm định các xu hướng mới và đánh giá mức độ trong thay đổi về công nghệ

- Đánh giá hậu quả của kinh tế thị trường cũng như kinh tế tư nhân

- Phản ánh những cam kết về phát thải liên quan với Công ước khung của LHQ về BĐKH

IPCC 1994 đã chỉ ra bốn hướng sử dụng cơ bản của các kịch bản phát thải IS92 là:

- Cung cấp đầu vào cho việc đánh giá hậu quả đối với khí hậu và môi trường của phát thải KNK

- Cung cấp những cơ sở tương tự với những can thiệp về chính trị để giảm phát thải KNK

- Cung cấp đầu vào cho việc định ra khả năng ứng phó và giảm thiểu cũng như chi phí cần thiết ở các khu vực và vùng kinh tế khác nhau

- Cung cấp cơ sở cho các cuộc thương lượng về giảm phát thải KNK

4.1.4 Kịch bản SRES

Đến tháng 9 năm 1996, tại phiên họp toàn thể ở thành phố Mexico, IPCC đã quyết định phát

triển bộ kịch bản phát thải mới Đó là các họ kịch bản gốc A1, A2, B1 và B2, hay còn gọi là các

kịch bản SRES được ban hành chính thức năm 2000 Những kịch bản này bao trùm rộng lớn các

nhân tố chính tác động đến phát thải trong tương lai, như dân số, công nghệ hay sự phát triển kinh tế Ngoài ra, những kịch bản này còn đề cập đến những nhân tố khác ảnh hưởng tới nguồn phát thải KNK như cấu trúc của hệ thống năng lượng và thay đổi sử dụng đất Việc xây dựng bộ

kịch bản phát thải mới này dựa trên những đánh giá tổng hợp, sử dụng 6 mô hình khác nhau và một “quá trình mở” có sự tham gia và phản hồi các ý kiến từ nhiều cá nhân, tổ chức Bộ kịch bản này trình bày về những phát thải liên quan đến hoạt động của con người đối với hầu hết các loại KNK (Bảng 4.1) Các kịch bản này bao trùm các khoảng phát thải KNK rất lớn theo các tài liệu

về kịch bản đã được xuất bản Ví dụ như đối với phát thải CO2 vào năm 2100 ở trong khoảng từ dưới 6 cho tới hơn 40 tỷ tấn cacbon nguyên tử (GtC), tức là gần bằng mức phát thải năm 1990 và cho tới gấp 7 lần mức phát thải này

Bảng 4.1 Tên và công thức hóa học (hoặc ký hiệu) của các KNK được đề cập trong các kịch bản phát thải

Cácbônic CO2

Mônôxit cacbon CO Hydro clorua florua cacbon HCFCs Hydro florua cacbon HFCs

Ôxit nitơ N2O Các ôxit nitơ NOx

Hợp chất hữu cơ dễ bay hơi không chứa mê tan NMVOCs Các hóa chất flo hóa PFCs Điôxit sunfua SO2Hexaflo sunfua SF6

Các kịch bản mới SRES chỉ hướng vào ba mục đích là:

- Cung cấp đầu vào cho việc đánh giá hậu quả đối với khí hậu và môi trường của phát thải KNK

- Cung cấp đầu vào cho việc định ra khả năng ứng phó và giảm thiểu cũng như chi phí cần thiết ở các khu vực và vùng kinh tế khác nhau

- Cung cấp cơ sở cho các cuộc thương lượng về giảm phát thải KNK

Các mục đích này không bao gồm bất kỳ một chính sách nào cụ thể cho việc giảm phát thải KNK Do vậy, không thể trực tiếp sử dụng các kịch bản này cho mục đích thứ hai của kịch bản IS92 (xem phía trên) Thay vào đó, chúng có thể sử dụng trong các trường hợp tham khảo để xây dựng các thỏa hiệp chính trị

Với ba mục đích nêu trên, các kịch bản phát thải mới đã chia thành 3 cộng đồng sử dụng chính:

- Nhóm I, bao gồm các nhà mô hình hóa khí hậu, những người sử dụng các chiến lược phát thải trong tương lai làm đầu vào cho các mô hình khí hậu để xây dựng các kịch bản BĐKH

- Nhóm II, bao gồm các nhà phân tích, đánh giá tác động, ảnh hưởng dựa trên sản phẩm của nhóm I Việc phân tích, đánh giá tác động căn cứ vào những kiến thức liên quan về thay đổi trong kinh tế - xã hội, như tác động của BĐKH tới hệ sinh thái và con người phụ thuộc vào nhiều nhân tố

- Nhóm III, phân tích các phương án giảm thiểu để ứng phó với BĐKH

Những vấn đề được quan tâm của từng nhóm sử dụng đã tạo ra nhu cầu tự nhiên mà các kịch bản phát thải cần thỏa mãn Ví dụ như các nhà mô hình hóa khí hậu và những người phân tích, đánh giá tác động cần các kịch bản ở quy mô khoảng 100 năm hoặc dài hơn do đòi hỏi về thời gian phản ứng lại của hệ thống khí hậu Nhưng các nhà hoạch định chính sách thì lại cần tập trung vào quy mô trung hạn, từ 20 đến 50 năm Các kịch bản phát thải do vậy cần thu thập đủ các thông tin

có hiệu quả cho các nhóm sử dụng khác nhau

Trong việc xây dựng các kịch bản phát thải của IPCC, đồng nhất thức Kaya đóng một vai trò như

là một hạt nhân chính Đồng nhất thức được lấy theo tên của nhà kinh tế học năng lượng Nhật Bản Yoichi Kaya, được biểu diễn dưới dạng:

F = P × (G / P) × (E / G) × (F / E) = P × g × e × f

trong đó F là phát thải CO2 do hoạt động của con người, P là dân số, G là tổng sản phẩm nội địa GDP và g=(G/P) là GDP theo đầu người; E là mức tiêu thụ năng lượng tổng cộng và e=(E/G) là mật độ năng lượng tính theo GDP, nghĩa là năng lượng sử dụng cho một đơn vị GDP; f=(F/E) là

mật độ cacbon theo năng lượng, nghĩa là mức độ phát thải cacbon trên một đơn vị năng lượng tiêu thụ

Đồng nhất thức Kaya rất đơn giản, và dựa trên các số liệu có được, đồng nhất thức này là một công cụ để tính toán phát thải CO2 Các kịch bản sẽ đưa ra các giả thiết về sự phát triển của 4

thành phần P, g, e, f trong tương lai Dự tính tăng trưởng dân số được thực hiện độc lập bởi các

nghiên cứu về nhân khẩu học; xu hướng GDP theo đầu người, mật độ năng lượng theo GDP và mật độ cacbon theo năng lượng được thực hiện bởi kinh tế thống kê và kinh tế lượng Các dự tính phát thải cacbon là cơ sở để dự tính nồng độ CO2và sự BĐKH trong tương lai

4.1.4.1 Các họ kịch bản gốc của SRES

Các kịch bản phát thải SRES gồm một tập 40 kịch bản phản ánh khá đa dạng khả năng phát thải KNK có thể xảy ra trong thế kỷ XXI và được tổ chức thành bốn họ kịch bản gốc: A1, A2, B1, B2 Các kịch bản này khác nhau về tốc độ tăng dân số, tốc độ phát triển kinh tế, cách thức sử dụng năng lượng cùng với những đặc điểm riêng như khả năng xây dựng và tương tác văn hóa,

xã hội của các vùng trên thế giới

Hình 4.2 Bốn họ kịch bản với các nội dung được minh họa bằng cái cây hai chiều Hai chiều đó

là kinh tế hoặc môi trường, toàn cầu hoặc khu vực

Nội dung của các họ kịch bản gốc có thể được tóm tắt như sau:

- Kịch bản gốc A1: Mô tả một thế giới tương lai với sự phát triển kinh tế rất nhanh, dân số thế

giới tăng đạt đỉnh vào khoảng giữa thế kỷ 21 và giảm dần sau đó; các công nghệ mới phát triển nhanh và hiệu quả hơn Các đặc điểm nổi bật là sự tương đồng giữa các khu vực, sự tăng cường giao lưu về văn hóa, xã hội, sự thu hẹp khác biệt về thu nhập giữa các vùng Họ kịch bản A1 được phát triển thành 3 nhóm dựa trên các hướng phát triển của công nghệ trong hệ thống năng lượng:

+ A1FI: sử dụng thái quá nhiên liệu hóa thạch (kịch bản phát thải cao)

+ A1B: cân bằng giữa các nguồn năng lượng (kịch bản phát thải trung bình)

+ A1T: chú trọng đến việc sử dụng các nguồn năng lượng phi hoá thạch (kịch bản phát thải thấp)

- Kịch bản gốc A2 (kịch bản phát thải cao): Mô tả một thể giới rất không đồng nhất Các đặc

điểm nổi bật là tính độc lập, bảo vệ các đặc điểm địa phương, dân số thế giới tiếp tục tăng, kinh

tế phát triển theo định hướng khu vực, thay đổi về công nghệ và tốc độ tăng trưởng kinh tế tính theo đầu người chậm và riêng rẽ hơn so với các họ kịch bản khác

- Kịch bản gốc B1 (phát thải thấp): Thể hiện một thế giới tương đồng với dân số thế giới đạt

đỉnh vào giữa thế kỷ 21 và giảm xuống sau đấy giống như trong họ kịch bản gốc A1, nhưng có

sự thay đổi nhanh chóng trong cấu trúc kinh tế theo hướng kinh tế dịch vụ và thông tin, giảm cường độ tiêu hao nguyên vật liệu; phát triển các công nghệ sạch và sử dụng hiệu quả tài nguyên; chú trọng đến các giải pháp toàn cầu về bền vững kinh tế, xã hội và môi trường

- Kịch bản gốc B2 (phát thải trung bình):Mô tả một thế giới với sự nhấn mạnh vào các giải pháp

địa phương về bền vững kinh tế, xã hội và môi trường Dân số thế giới vẫn tăng trưởng liên tục nhưng thấp hơn A2, phát triển kinh tế ở mức trung bình, chuyển đổi công nghệ chậm và không đồng bộ như trong B1 và A1 Cũng hướng đến việc bảo vệ môi trường và công bằng xã hội, B2 tập trung vào quy mô địa phương và khu vực

Để xây dựng các kịch bản phát thải, IPCC đã sử dụng các mô hình Chính vì vậy khi nhắc đến các kịch bản phát thải mới của IPCC, ta thường thấy chúng được gọi bằng những tên như A1B-MARIA, A2-MESSAGE Có thể thấy các tên gọi này gồm hai phần chính là các họ kịch bản và

mô hình sử dụng để đưa ra kết quả Các mô hình đƣợc sử dụng bao gồm:

- AIM: Mô hình tổng hợp Châu Á Thái Bình dương (Asian Pacific Integrated Model), Học viện Quốc gia về nghiên cứu môi trường Nhật Bản

- ASF: Mô hình khí quyển ổn định (Atmospheric Stabilization Framework Model), Mỹ

- IMAGE: Mô hình tổng hợp đánh giá hiệu ứng nhà kính (Integrated Model to Assess the Greenhouse Effect), Hà Lan

- MARIA: Mô hình phân bố tài nguyên và công nghiệp đa khu vực (Multiregional Approach for Resource and Industry Allocation), Nhật Bản

- MESSAGE: Mô hình chiến lược đa khả năng cung cấp năng lượng và tác động chung tới môi trường (Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact), Áo

- MiniCAM: Mô hình đánh giá khí hậu thu nhỏ (Mini Climate Assessment Model), Mỹ

Bên cạnh đó, Nhóm I của IPCC còn phân chia các khu vực để phát triển các kịch bản dựa trên 6

mô hình Có 4 vùng vĩ mô chung cho các mô hình, mỗi kịch bản được tính riêng cho từng vùng

tương ứng:

- OECD90: Tổ chức Hợp tác và Phát triển Kinh tế (1990)

- REF: Các nước cải cách kinh tế, Đông, Trung Châu Âu và các nước Liên bang Xô viết cũ

- ASIA: Tất cả các nước đang phát triển ở Châu Á (gồm Trung Đông)

- ALM: Phần còn lại của thế giới tức là các nước đang phát triển ở Châu Phi, Mỹ Latinh, Trung Đông

OECD90 và REF chỉ các nước công nghiệp phát triển (IND), ASIA và ALM chỉ nhóm đang phát triển (DEV)

4.1.4.2 Kết quả của kịch bản phát thải khí nhà kính

Các bảng từ 4.2 đến 4.5 cho kết quả lượng phát thải và nồng độ phát thải của một số chất KNK khác nhau theo các kịch bản với các mốc thời gian khác nhau đến 2100 Phát thải từ kịch bản IS92a cũng được đưa vào để so sánh

Bảng 4.2 Lượng phát thải CO2theo các kịch bản (tỷ tấn CO2/năm)

Bảng 4.3 Lượng phát thải CH 4 theo các kịch bản (triệu tấn CH 4 /năm)

2090 314 317 715 829 266 579 733

Bảng 4.4 Lượng phát thải N 2 O theo các kịch bản (triệu tấn N/năm)

Bảng 4.5 Lượng phát thải S 2 O theo các kịch bản (triệu tấn S/năm)

(http://www.ipcc-data.org/ancilliary/tar-Hình 4.3 Nồng độ CO 2 khí quyển được quan trắc tại Mauna Loa từ 1958 đến 2008 (đường đứt màu đen) và dự tính bởi 6 họ kịch bản SRES 2 mô hình chu trình cacbon được sử dụng cho mỗi họ kịch bản

là BERN (đường liền) và ISAM (đường đứt)

4.2 Xây dựng kịch bản biến đổi khí hậu toàn cầu

Xây dựng kịch bản BĐKH toàn cầu, còn gọi là dự tính BĐKH toàn cầu là việc đưa ra những thông tin phản ánh điều kiện khí hậu trong tương lai khi sử dụng các mô hình khí hậu chạy với đầu vào là các kịch bản phát thải KNK

Các tác động của con người đến hệ thống khí hậu có thể được dự tính bằng cách tính toán tất cả các quá trình quan trọng xảy ra trong hệ thống thông qua việc biểu diễn chúng dựa trên các nguyên lý của vật lý học, hóa học và sinh học vào trong một mô hình toán học Do tính phức tạp của các quá trình này, chúng chỉ có thể thực hiện được bởi các chương trình máy tính, hay còn gọi là các mô hình khí hậu Nếu như tất cả các hiểu biết của chúng ta về hệ thống khí hậu được tính đến, mô hình sẽ trở nên cực kỳ phức tạp và không thể chạy trên bất cứ một hệ thống máy tính dù tối tân đến mức nào Do vậy trên thực tế, các phép đơn giản hóa đã được thực hiện để làm giảm tính phức tạp cũng như các đòi hỏi về tài nguyên tính toán (ví dụ giảm số chiều mô phỏng xuống thành 2 chiều, thậm chí 0 chiều) Các mô hình đơn giản cho phép nghiên cứu độ nhạy của khí hậu đến một quá trình riêng biệt với một phổ rộng các tham số Theo mức độ phức tạp, có thể sắp xếp các mô hình khí hậu theo thứ tự từ những mô hình cân bằng năng lượng đơn giản đến các mô hình rất phức tạp, đòi hỏi phải có các máy tính lớn, tốc độ tính toán nhanh và những kỹ thuật tính toán phức tạp Các mô hình khí hậu phức tạp nhất là các mô hình kết hợp đại

dương khí quyển kết hợp giữa mô hình khí quyển 3 chiều, mô hình đại dương, mô hình băng biển, và mô hình bề mặt đất Với các mô hình kết hợp, thông tin về trạng thái của khí quyển và đại dương được sử dụng để tính toán trao đổi nhiệt lượng, độ ẩm và động lượng giữa 2 thành phần này

4.2.1 Mô hình khí hậu toàn cầu

Mô hình khí hậu toàn cầu GCM hiện đại có nguồn gốc từ các mô hình toán học được phát triển trước hết để dự báo các hình thế thời tiết hạn vài ngày Năm 1922, Richardson L F là người đầu tiên đưa ra ý tưởng rằng thời tiết trong tương lai có thể dự báo được bằng việc tích phân số các phương trình chuyển động của chất lỏng khi sử dụng thời tiết hiện tại như là điều kiện ban đầu Richardson đã cố gắng tính toán dự báo thời tiết bằng tay khi ông đang là một lái xe cứu thương

ở Pháp trong chiến tranh Thế giới thứ I Kết quả dự báo sai quá mức, bởi vì những điều kiện ban đầu của ông có chứa thành phần hội tụ gió giả tạo lớn Dự báo bằng mô hình số thành công đầu tiên đã sử dụng các phương trình đã được đơn giản hóa rất nhiều so với những phương trình của Richardson, trong đó nghiệm của chúng ít nhạy cảm với điều kiện ban đầu

Dự báo thời tiết bằng phương pháp số được đề xuất như là một khả năng ứng dụng của máy tính điện tử được John von Neumann phát triển vào cuối những năm 1940 Thành công đầu tiên của

dự báo thời tiết số sử dụng máy tính điện tử là ở Viện nghiên cứu nâng cao Princeton, New Jersey, được thực hiện bởi một nhóm do Jule Charney lãnh đạo Mô hình này chỉ có một lớp khí quyển và chỉ mô tả vùng lục địa nước Mỹ Thí nghiệm số đầu tiên có tính đến bức xạ và sự tiêu tán đã được xây dựng khi sử dụng một mô hình đơn giản hai mực theo chiều thẳng đứng Sau đó

để mô phỏng chi tiết hơn hoàn lưu chung khí quyển, người ta đã đưa vào các phương trình

chuyển động chính xác hơn, tăng độ phân giải không gian ngang và đứng, và các quá trình vật lý điều khiển hoàn lưu chung khí quyển, như bức xạ, sự giải phóng ẩn nhiệt, và tiêu tán do ma sát được mô tả sát thực hơn Chất lượng của những mô phỏng nhận được bằng các mô hình khí quyển đã dần dần được cải thiện nhờ nghiên cứu thực nghiệm chuyên sâu liên quan đến việc cung cấp thông tin dự báo thời tiết thực tế Cùng với sự nỗ lực để tăng chất lượng dự báo thời tiết

là sự cố gắng lớn trong việc thu thập số liệu quan trắc thời tiết tại bề mặt và tại các mực khí quyển trên cao Những quan trắc này có thể dùng để mô tả trạng thái khí quyển dùng cho việc điều chỉnh những dự báo ban đầu

Khởi đầu của việc ứng dụng các GCM trong nghiên cứu khí hậu là mô hình hoàn lưu chung khí quyển đơn giản được Philip xây dựng lần đầu tiên vào năm 1956 Sau đó, các mô hình hoàn lưu chung khí quyển bắt đầu được nghiên cứu rộng rãi ở nhiều cơ sở khác nhau của Hoa Kỳ, Châu

Âu, Úc và nhiều nơi khác Từ những năm 1970, các mô hình hoàn lưu chung khí quyển đã thu hút sự quan tâm đặc biệt của các nhà khí tượng, khí hậu học Đánh dấu cho sự phát triển mô hình khí hậu là sự hình thành nhóm nghiên cứu BĐKH của IPCC vào những năm 1980 Nhận thức được mối liên hệ giữa sự nóng lên của khí hậu Trái đất và sự gia tăng hiệu ứng nhà kính do nồng

độ CO2 trong khí quyển tăng lên, các nhà khí hậu học bắt đầu quan tâm đến các tác động dài hạn của sự tích luỹ CO2 trong khí quyển do phát thải từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và đốt nhiên liệu hóa thạch Một số công trình đãsử dụng mô hình GCM để tính sự biến đổi trong cấu trúc ba chiều của khí quyển khi nồng độ CO2 tăng gấp đôi

Do tầm quan trọng của đại dương đối với hệ thống khí hậu nên các nhà mô hình hoá đã bắt đầu

“ghép” mô hình hoàn lưu chung đại dương (OGCM) với mô hình hoàn lưu chung khí quyển (AGCM) để tạo thành hệ thống mô hình kết hợp đại dương khí quyển (AOGCM) Đến giữa những năm 1980 các mô hình AOGCM đã được thiết lập như một tiêu chuẩn mới đối với mô

hình hoá khí hậu Các mô hình AOGCM đã có thể mô phỏng được (a) Thông lượng nhiệt và ẩm (bốc hơi) từ đại dương vào lớp biên khí quyển; (b) Thông lượng nhiệt và giáng thủy từ khí quyển vào đại dương; (c) Sự điều khiển gió của hoàn lưu đại dương; (d) Sự biến đổi độ cản gió do biến đổi độ cao sóng và (e) Các quá trình quan trọng khác tại mặt phân cách khí quyển - đại dương là

kết quả của sự vận chuyển các xon khí từ các hạt nước biển và vận chuyển hóa học giữa không khí và nước Các mô hình AOGCM đã không ngừng được phát triển và hoàn thiện thông qua việc tăng độ phân giải không gian cũng như cải tiến các mô đun động lực và các sơ đồ tham số hóa (chẳng hạn băng biển, lớp biên khí quyển, lớp xáo trộn đại dương) Nhiều quá trình rất quan trọng đã được đưa vào trong các mô hình, bao gồm những quá trình ảnh hưởng đến các nhân tố tác động (ví dụ xon khí bây giờ đã được mô hình hóa trong mối tương tác với các quá trình khác trong nhiều mô hình)

Khả năng mô phỏng khí hậu toàn cầu trên các quy mô từ mùa đến nhiều năm của GCM đã được nhiều nghiên cứu chứng minh GCM cũng có thể dự báo mùa sự hoạt động của xoáy thuận nhiệt đới trên Đại Tây Dương thông qua việc dự báo khu vực phát triển chính của chúng Hiện nay, nhiều GCM đang được nghiên cứu ứng dụng trong mô phỏng khí hậu quá khứ và dự tính khí hậu tương lai theo các kịch bản BĐKH, như CCSM (Community Climate System Model), ECHAM (European Centre Hamburg Model), Theo kết quả tổng hợp trong Báo cáo lần thứ 4 của IPCC, cho đến nay các mô hình đã đạt được những tiến bộ vượt bậc trong mô phỏng nhiều khía cạnh của khí hậu trung bình hiện tại Các mô phỏng giáng thủy, khí áp mực biển và nhiệt độ bề mặt nhìn chung đã được cải thiện mặc dù vẫn còn một số khiếm khuyết, nhất là đối với giáng thủy vùng nhiệt đới Đối với giáng thủy, các mô hình nói chung vẫn cho mô phỏng thấp hơn thực tế trong hầu hết các sự kiện cực đoan Việc mô phỏng xoáy thuận ngoại nhiệt đới cũng đã có nhiều tiến bộ Một số mô hình đã được sử dụng để dự tính sự biến đổi của xoáy thuận nhiệt đới Kết quả cho thấy chúng có thể mô phỏng khá thành công tần suất và sự phân bố của xoáy thuận nhiệt đới quan trắc Các mô hình cũng đã mô phỏng được các dạng chủ đạo của biến động khí hậu ngoại nhiệt đới, như NAM/SAM (the Northern and Southern hemisphere Annular Modes), PNA (Pacific/North American), PDO (Pacific Decadal Oscillation) Mặc dù vậy, các mô hình vẫn chưa tái tạo được một số đặc điểm của các dạng biến động này Hiện tại đã có một số mô hình có thể mô phỏng nhiều đặc tính quan trọng của ENSO (El Nino/Southern Oscillation), nhưng mô phỏng dao động Madden-Julian nói chung vẫn còn chưa tốt

Đối với bài toán dự tính BĐKH, từ các kịch bản phát thải KNK, những thông tin phản ánh điều

kiện khí hậu trong tương lai sẽ được xác định khi chạy các mô hình khí hậu toàn cầu với hàm lượng KNK dự tính của khí quyển Các kịch bản BĐKH toàn cầu sau đó được xây dựng dựa trên những kết quả dự tính này Nói chung các mô hình khác nhau đưa ra những sản phẩm dự tính không giống nhau do tính bất định luôn luôn tiềm ẩn trong các mô hình Theo Báo cáo lần thứ 4 của IPCC, kết quả từ các mô hình GCM khi mô phỏng khí hậu toàn cầu đã cho thấy nhiệt độ và lượng mưa trung bình trên từng khu vực có sai số mang tính hệ thống so với quan trắc Nhiệt độ

mô phỏng thấp hơn còn giáng thủy lại mạnh hơn so với thực tế trên tất cả các khu vực trong hầu hết các mùa Sai số mô phỏng nhiệt độ trung bình năm biến thiên từ -2.5o

C trên cao nguyên Tây Tạng đến -1.4oC trên Nam Á Tại hầu hết các khu vực, sai số nhiệt độ của từng mô hình riêng lẻ

dao động từ 6 đến 7oC, ngoại trừ trên khu vực Đông Nam Á, sai số này giảm còn 3.6oC Đối với lượng mưa, sai số lớn hơn ở Bắc Á và Đông Á và rất lớn ở cao nguyên Tây Tạng Các mô hình GCM trong trường hợp này rõ ràng là có vấn đề khi mô phỏng điều kiện khí hậu khu vực cao nguyên Tây Tạng vì không mô tả được hiệu ứng của địa hình phức tạp ở đây cũng như quá trình hồi tiếp albedo do sự mở rộng tuyết trên đỉnh núi

Trong mỗi mô hình đơn lẻ luôn tồn tại những điểm mạnh và những điểm yếu khiến cho “không một mô hình nào được xem là tốt nhất và việc sử dụng kết quả từ nhiều mô hình là quan trọng” Nếu hiểu các sai số mô phỏng trong các mô hình khác nhau là độc lập, trung bình của các mô hình có thể được kỳ vọng sẽ tốt hơn mỗi thành phần riêng lẻ, do vậy sẽ cung cấp một dự tính “tốt nhất” Một số kết quả nghiên cứu đã chỉ ra điều này, cho các dự báo mùa và cho cả việc tái tạo điều kiện khí hậu hiện tại từ các mô phỏng, dự tính khí hậu hạn dài Bởi vậy, để giảm bớt tính bất định, với cùng một kịch bản phát thải, sản phẩm dự tính của nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH Việc sử dụng tổ hợp các mô hình toàn cầu chạy ở các trung tâm mô hình hóa khác nhau đã được triển khai cho các dự tính/dự báo khí hậu ở các quy

mô thời gian từ mùa đến nhiều năm và thế kỷ Một trong những dự án quan trọng nhất trong vấn

đề này có thể kể đến là dự án so sánh đa mô hình khí hậu (CMIP), thu thập dữ liệu đầu ra của 25

mô hình/phiên bản mô hình toàn cầu nhằm phục vụ cho Báo cáo đánh giá lần thứ 4 thực hiện bởi nhóm làm việc thứ nhất của IPCC Hiện nay, dự án CMIP5 đang được tiến hành, tiếp nối dự án CMIP3 với mục tiêu phục vụ Báo cáo đánh giá lần thứ 5 của IPCC dự kiến xuất bản vào tháng 9 năm 2013

4.2.2 Một số kết quả dự tính BĐKH toàn cầu từ IPCC

Nói chung các mô hình khác nhau đưa ra những sản phẩm dự tính không giống nhau do tính bất định luôn luôn tiềm ẩn trong các mô hình Bởi vậy, để giảm bớt tính bất định, với cùng một kịch bản phát thải, sản phẩm dự tính của nhiều mô hình khác nhau được sử dụng để xây dựng các kịch bản BĐKH Dựa trên nguyên tắc đó, IPCC đã tổng hợp, phân tích và đưa ra các kịch bản BĐKH toàn cầu và đã công bố trong Báo cáo lần thứ 4, năm 2007 Dưới đây là một số kết quả về xu hướng BĐKH toàn cầu với các kịch bản khác nhau của một số yếu tố khí hậu cơ bản

Nhiệt độ:Với các kịch bản không tính đến việc chủ động giảm phát thải, các mô hình đều cho

thấy nhiệt độ trung bình bề mặt tiếp tục tăng lên trong thế kỷ 21, chủ yếu là do sự tăng nồng độ KNK nhân tạo Phân tích sản phẩm của các mô hình toàn cầu với các kịch bản phát thải B1, A1B

và A2 cho thấy nhiệt độ trung bình của giai đoạn 2011-2030 sẽ cao hơn nhiệt độ trung bình của giai đoạn 1980-1999 khoảng từ 0,64º đến 0,69º

Từ giữa thế kỷ 21 (2046-2065), việc lựa chọn kịch bản phát thải trở nên quan trọng do có sự khác biệt đáng kể về sự tăng nhiệt độ trung bình bề mặt giữa các kịch bản: 1,3ºC, 1,7ºC, và 1,8ºC tương ứng với B1, A1B và A2 Sự ấm lên của bề mặt đi kèm với khoảng bất định của giai đoạn 2090-2099 so với giai đoạn 1980-1999 là B1: 1,8°C (1,1 đến 2,9°C), B2: 2,4°C (1,4 đến 3,8°C), A1B: 2,8°C (1,7 đến 4,4°C), A1T: 2,4°C (1,4 đến 3,8°C), A2: 3,4°C (2,0 đến 5,4°C) và A1FI: 4,0°C (2,4 đến 6,4°C)

Rất nhiều khả năng những đợt nóng sẽ trở nên khắc nghiệt, thường xuyên và kéo dài hơn trong tương lai Các giai đoạn lạnh sẽ giảm rõ rệt Hầu như ở mọi nơi, nhiệt độ thấp nhất ngày có tốc

độ tăng nhanh hơn so với nhiệt độ cao nhất ngày, dẫn tới việc giảm biên độ biến trình ngày của

nhiệt độ Ở những vùng vĩ độ cao và trung bình số ngày đông giá sẽ ít hơn

Hình 4.4 Nhiệt độ trung bình bề mặt (so với giai đoạn 1980-1999) cho các kịch bản phát thải A2,

A1B, và B1 trong thế kỷ 20 và trong tương lai [IPCC, 2007]

Mƣa:Các mô hình hiện tại cho thấy rằng lượng mưa nhìn chung tăng lên ở những nơi mưa nhiều

thuộc các vùng nhiệt đới (ví dụ, khu vực gió mùa) đặc biệt là vùng nhiệt đới Thái Bình dương;

vùng cận nhiệt đới có xu hướng giảm mưa, trong khi mưa lại nhiều lên ở các vùng vĩ độ cao Đó

là kết quả của việc tăng cường chu trình nước toàn cầu Giá trị trung bình toàn cầu của hơi nước,

bốc hơi và lượng mưa đều có xu hướng tăng

Các hiện tượng mưa cực đoan cũng được dự tính sẽ tăng lên, đặc biệt ở các vùng nhiệt đới và vĩ

độ cao, nơi lượng mưa trung bình tăng Ngay cả ở những nơi mà lượng mưa trung bình giảm, cực

trị mưa cũng tăng và khoảng thời gian giữa các sự kiện mưa có thể tăng lên Có xu hướng khô

hạn ở những vùng sâu trong các lục địa kèm theo nguy cơ hạn hán ở các vùng này

Hình 4.5 Biến đổi từ trung bình các mô hình với (a) Lượng mưa (mm/ngày), (b) độ ẩm đất (%),

(c) dòng chảy (runoff, mm/ngày) và (d) bốc hơi (mm/ngày) Những vùng có dấu chấm là nơi có

đến 80% mô hình có cùng dấu Biến đổi này là trung bình năm của kịch bản SRES A1B cho giai

đoạn 2080-2099 tương ứng với 1980-1999 [IPCC, 2007]

ENSO:Tất cả các mô hình đều chỉ ra dao động nhiều năm của hiện tượng ENSO, tuy nhiên chưa

có dấu hiệu thống nhất giữa các mô hình về cường độ cũng như tần suất xuất hiện các sự kiện

ENSO trong thể kỷ 21

Xoáy thuận nhiệt đới:Kết quả từ nhiều mô hình cho thấy, cùng với sự tăng lên liên tiếp của

nhiệt độ bề mặt biển nhiệt đới, dường như xoáy thuận nhiệt đới trong tương lai sẽ mạnh hơn với

đỉnh của phổ tốc độ gió lớn hơn và mưa lớn do bão nhiều hơn Một vài mô hình dự tính tổng số