Phân tích thống kê chất lượng gỗ và các vấn đề liên quan

Xon khí là một trong những tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, gây nên nhữ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lê Thị Thu Hằng

TÁC ĐỘNG CỦA XON KHÍ ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ HẬU TRÊN

KHU VỰC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

-

Lê Thị Thu Hằng

TÁC ĐỘNG CỦA XON KHÍ ĐẾN MỘT SỐ YẾU TỐ KHÍ HẬU TRÊN

KHU VỰC VIỆT NAM VÀ LÂN CẬN

Chuyên ngành: Khí tượng và khí hậu học

Mã số: 60440222

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

GS.TS Phan Văn Tân

Hà Nội - 2014

LỜI CẢM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất tới thầy GS.TS Phan Văn Tân, người đã hết lòng quan tâm cũng như kiên trì giúp đỡ từng bước nghiên cứu của học viên

Tác giả cũng xin chân thành cảm ơn tập thể Bộ môn khí tượng nói riêng và Khoa Khí tượng – Thủy văn và Hải dương học nói chung đã luôn giúp đỡ, tạo điều kiện để tác giả hoàn thành luận văn Không những vậy, còn mang lại một môi trường làm việc thân thiện hiệu quả cho học viên

Lê Thị Thu Hằng

1

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH 3

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

MỞ ĐẦU 7

Chương 1TỔNG QUAN 8

1.1 Xon khí và vai trò của nó đối với khí hậu 8

1.2 Tác động trực tiếp của xon khí 10

1.3 Tác động gián tiếp của xon khí 13

Chương 2PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 20

2.1 Đặt bài toán 20

2.2 Sơ lược về mô hình RegCM và module Chem-aerosol 21

2.2.1Mô hình RegCM 21

2.2.2Mô đun xon khí trong RegCM4.2 24

2.3 Thiết kế thí nghiệm 30

Chương 3KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 33

3.1 Phân bố theo thời gian của nồng độ carbon đen từ năm 1991 – 2000 33

3.2 Phân bố theo không gian nồng độ của BC 35

3.3 Tác động của xon khí carbon đen lên nhiệt độ 39

3.3.1Tương quan giữa nồng độ BC và hiệu nhiệt độ T2m 43

3.3.2Tác động của xon khí carbon đen lên nhiệt độ các mực khí quyển 45

3.4 Tác động của xon khí carbon đen lên lượng mưa 49

3.5 Phân bố thời gian của nồng độ bụi từ năm 1991 – 2000 52

3.6 Phân bố không gian của nồng độ của bụi 54

2

3.7 Tác động của bụi lên nhiệt độ 59

3.7.1Tương quan giữa nồng độ bụi và hiệu nhiệt độ T2m 64

3.7.2Tác động của bụi lên nhiệt độ các mực khí quyển 66

3.8 Tác động của bụi lên lượng mưa 70

KẾT LUẬN 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

PHỤ LỤC 78

3

DANH MỤC HÌNH Hình 1.1 Tóm tắt các thành phần chính liên quan tới tác động bức xạ (W/m2) 9Hình 1.2 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi xon khí 10Hình 1.3 Mô tả những tác động khác nhau của xon khí đã được trình bày trong bảng 1.1 (IPCC – 2007) [11] 15Hình 2.1 Cấu trúc lưới thẳng đứng (bên trái) và lưới ngang dạng xen kẽ Arakawa-B (bên phải) của mô hình 22Hình 2.2 Miền tính và độ cao địa hình (m) 30Hình 3.1 Nồng độ carbon đen trung bình năm giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2) 34Hình 3.2 Nồng độ carbon đen trung bình tháng giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2) 34Hình 3.3 Biến trình năm của BC trong các năm 1991 – 2000 (mg/m2) 35Hình 3.4 Nồng độ carbon đen (mg/m2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 giai đoạn 1991 – 2000 (tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới) 36Hình 3.5 Nồng độ (bên trái - mg/m2), độ dày quang học (bên phải) của BC trung bình tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 (tương ứng từ trên xuống dưới ) 38Hình 3.6 Hiệu nhiệt độ T2m (TH1) từ tháng 1 đến tháng 12 (oC) giai đoạn 1991 –

2000 (tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới) 40Hình 3.7 Hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH1) tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng

10 (d) 42Hình 3.8 Hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH1) tháng 1, tháng , tháng 7, tháng 10( tương ứng từ trái sang phải) 42Hình 3.9 Hệ số tương quan của nồng độ BC và hiệu nhiệt độ T2m các mùa xuân (a),

hạ (b), thu (c), đông (d) 44

4

Hình 3.10 Biến trình năm nồng độ BC (mg/m2) (a), biến trình năm của hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH1) (b), hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu nhiệt

độ T2m (TH1) (c) 45Hình 3.11Hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu nhiệt độ T2m (TH1)cho khu vực Việt Nam 46Hình 3.12 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng (trái) – vĩ hướng (phải) hiệu nhiệt độ oC (TH1) tháng 1, 4, 7, 10 ( tương ứng từ trên xuống dưới) 48Hình 3.13 Hiệu lượng mưa (TH1) từ tháng 1 đến tháng 12 ( tương ứng từ trái sang phải, trên xuống dưới) trung bình cả giai đoạn 1991 – 2000 (mm/tháng) 49Hình 3.14 Hiệu lượng mưa (mm) (TH1) trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng 10 (d) 50Hình 3.15 hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu lượng mưa (TH1) 51Hình 3.16 Nồng độ bụi trung bình năm giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2) 52Hình 3.17 Nồng độ bụi trung bình tháng giai đoạn 1991 - 2000 (mg/m2) 53Hình 3.18 Biến trình năm của nồng độ bụi trong các năm 1991 – 2000 (mg/m2) trên toàn khu vực 54Hình 3.19 Nồng độ bụi (mg/m2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 (tương ứng từ trái sang phải, trên xuống dưới) 55Hình 3.20 Nồng độ (bên trái), độ dày quang học (bên phải) của bụi trung bình tháng 1, 4, 7, 10 (mg/m2) ( tương ứng từ trên xuống dưới ) 57Hình 3.21 Trường gió bề mặt trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng

10 (d) (m/s) 59Hình 3.22 Hiệu nhiệt độ T2m (TH2) từ tháng 1 đến tháng 12 (oC) giai đoạn 1991 –

2000 (Tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới) 61

5

Hình 3.23 Hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH2) của tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng 10 (d) 63Hình 3.24 Hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH2) của tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 (Tương ứng từ trái sang phải) 63Hình 3.25 Hệ số tương quan của nồng độ bụi, hiệu nhiệt độ T2m (TH2) của mùa xuân (a), hè (b), thu (c), đông (d) 65Hình 3.26 Biến trình năm nồng độ bụi (mg/m2) (a), hiệu nhiệt độ T2m TH2 (oC) (b), hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ bụi và hiệu nhiệt độ T2m (TH2) (c) 66Hình 3.27 Hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ bụi và hiệu nhiệt độ T2m cho khu vực Việt Nam (TH2) 67Hình 3.28 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng (trái) – vĩ hướng (phải) hiệu nhiệt độ oC (TH2) tháng 1, 4, 7, 10 ( tương ứng từ trên xuống dưới) 68Hình 3.29 Phân bố không gian hiệu lượng mưa (TH2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 (mm/tháng) (tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới) 70Hình 3.30 Hiệu lượng mưa (mm) (TH2) trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng 10 (d) 71Hình 3.31 hệ số tương quan thời gian của nồng độ bụi và hiệu lượng mưa (TH2) 72Hình P.1 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng của hiệu nhiệt độ các mực (TH1) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 78Hình P.2 Mặt cắt thẳng đứng phân bố vĩ hướng của hiệu nhiệt độ các mực (TH1) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 78Hình P.3 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng của hiệu nhiệt độ các mực (TH2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 79Hình P.4 Mặt cắt thẳng đứng phân bố vĩ hướng của hiệu nhiệt độ các mực (TH2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 79

6

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

BC Carbon đen (Black Carbon)

BC_HB Carbon đen kỵ nước (Hydrophobic black carbon)

BC_HL Carbon đen thấm nước (Hydrophilic or aged black carbon)

BĐKH Biến đổi khí hậu

GCM Mô hình hoàn lưu chung khí quyển (Global Circulation model)

HSTQ Hệ số tương quan

IPCC Ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu (Intergovernmental Panel on

Climate Change)

OC Carbon hữu cơ (Organic Carbon)

RegCM Mô hình khí hậu khu vực (Regional Climate Model)

RF Tác động bức xạ (Radiative forcing)

SST Nhiệt độ mặt nước biển toàn cầu (Sea surface temperature)

7

MỞ ĐẦU Ngày nay, việc nghiên cứu biến đổi khí hậu (BĐKH), tác động của BĐKH

và tìm các giải pháp, chiến lược ứng phó với BĐKH là một trong những vấn đề hết sức quan trọng và được quan tâm đặc biệt của toàn xã hội, bao gồm cả các cấp lãnh đạo, các nhà khoa học và cộng đồng người dân Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp tới các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu cũng như qui

mô khu vực Xon khí là một trong những tác nhân quan trọng gây nên những thay đổi hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời, gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu Tác động của xon khí trong hệ thống khí hậu cũng là một trong những nguyên nhân của biến đổi khí hậu

Để đánh giá mức độ tác động của xon khí tới hệ thống khí hậu, các mô hình toàn cầu hoặc khu vực thường được kết hợp với các mô đun hóa học – xon khí để

mô phỏng các quá trình hóa học diễn ra trong khí quyển, mối liên hệ giữa chúng với điều kiện thời tiết khí hậu Trong khuôn khổ luận văn, tác giả sử dụng mô hình khí

hậu khu vực RegCM phiên bản 4.2 (RegCM 4.2) để nghiên cứu “Tác động của xon

khí đến một số yếu tố khí hậu trên khu vực Việt Nam và lân cận” Bố cục của luận

văn gồm 3 chương (ngoài mở đầu, kết luận, tài liệu tham khảo và phụ lục) với các nội dung chính như sau:

Chương 1: Tổng quan Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về xon khí và những nghiên cứu trong nước và trên thế giới về tác động của xon khí đến khí hậu

Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Ở đây trình bày sơ lược về mô hình RegCM 4.2, thiết kế thí nghiệm

Chương 3: Kết quả và nhận xét Chương này trình bày và phân tích các kết quả thu được làm rõ tác động của xon khí đến các yếu tố khí hậu trên khu vực Việt Nam và lân cận

8

Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Xon khí và vai trò của nó đối với khí hậu

Xon khí trong khí quyển là các hạt rắn hoặc lỏng tồn tại lơ lửng trong không khí có nguồn gốc tự nhiên hoặc nhân tạo Loại có nguồn gốc tự nhiên bao gồm: các hạt muối (từ đại dương), các bụi khoáng do gió đưa lên, muội than núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng tự nhiên Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi …), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen…

Xon khí tác động tới hệ thống trái đất bằng nhiều cách khác nhau Xon khí tác động lên các quá trình hóa học của khí quyển, thay đổi quá trình hình thành mây, phản xạ và hấp thụ năng lượng bức xạ gây những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu Xon khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của hệ thống khí quyển – trái đất Tác động trực tiếp là xon khí tán xạ và hấp thụ các tia bức xạ măt trời trong không gian Tác động gián tiếp là xon khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích thước của các hạt mây làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của trái đất Theo Lau K.M [15] các phần tử xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ làm cho lớp khí quyển ấm lên và bề mặt trái đất lạnh đi Trong nghiên cứu của Mark Z Jacobson (2001) [17], nếu tính riêng tác động của các loại sun phát hữu cơ (Sulfate Organics) và carbon đen (BC) thì chúng chỉ làm lượng bức xạ trung bình giảm đi –0.31 W/m2 nhưng nếu chúng tồn tại dưới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lượng bức xạ giảm đi – 0.62 W/m2 Ảnh hưởng trực tiếp của xon khí làm giảm năng lượng bức xạ trung bình toàn cầu, tại giới hạn trên của khí quyển – 0.35 W/m2, tăng trong lớp khí quyển 3.0 W/m2, và giảm tại bề mặt trái đất – 3.4 W/m2 Chung C.E [5] Theo Ramanathan ccs., (2005) [31] mây nâu ABCs (Atmospheric Brown Clouds) được cấu thành từ các chất ô nhiễm như carbon đen, carbon hữu cơ, tro, bụi

xạ dương, trong khi đó những xon khí khác gây tác động âm Tác động bức xạ tổng cộng cho tất cả các loại xon khí là âm Xon khí cũng gây ra tác động bức xạ gián tiếp làm thay đổi trong một vài đặc tính của mây Theo IPCC 2007 [11], giá trị tác động trực tiếp của xon khí là – 0.5 W/m2 với mức độ dao động là – 0.9 đến – 0.1W/m2 Còn đối với tác động liên quan đến albedo mây có giá trị khoảng –0.7 W/m2 với mức dao động là – 1.8 đến – 0.3W/m2 (Hình 1.1) Tuy nhiên, mức độ hiểu biết của con người về bản chất của các quá trình này vẫn còn rất hạn chế Nếu xét riêng tác động của từng loại xon khí thì độ tin cậy còn thấp hơn Ước lượng riêng tác động từng loại xon khí như sau: sulphate, – 0.4 [± 0.2]W/m2; carbon vô cơ – 0.05 [± 0.05] W/m2; carbon đen + 0.2 [±0.15]W/m2; đốt sinh khối + 0.03 [±0.12] W/m2; nitrate – 0.1 [± 0.1] W/m2; và muối khoáng – 0.1[[±0.2] W/m2

Hình 1.1 Tóm tắt các thành phần chính liên quan tới tác động bức xạ (W/m2)

10

Tác động bức xạ (Radiative Forcing - RF) tổng cộng là kết quả từ nhiều nhân

tố tác động lên khí hậu,trong đó có cả những nhân tố liên quan đến hoạt động của con người và các quá trình tự nhiên (hình 1.1) Những hoạt động của con người gây

ra sự biến đổi quan trọng đối với các khí nhà kính, ozone, hơi nước, albedo bề mặt, xon khí RF dương làm ấm hệ thống khí hậu, RF âm làm lạnh khí hậu Nhìn chung xon khí tác động lên khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng trực tiếp do tán xạ và hấp thụ các tia bức xạ mặt trời, và ảnh hưởng gián tiếp liên quan tới nhân ngưng kết của mây và nhân băng làm thay đổi tính chất vi vật lý mây, đặc tính bức xạ và thời gian tồn tại của mây Các tác động này sẽ được làm rõ trong phần tiếp theo của luận văn

Hình 1.2 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi xon khí.(IPCC 2007 [11]).Những điểm nhỏ màu đen tượng trưng cho các phần tử xon khí, các vòng tròn kích thước lớn hơn là các hạt mây Những đường thẳng được cho là thành phần bức

xạ tới và thành phần phản xạ lại bức xạ mặt trời, những đường sóng là bức xạ tới mặt đất.Những vòng tròn màu trắng cho biết số hạt mây Những đám mây không có xáo trộn bao gồm những hạt mây lớn trong đó chỉ có các phần tử xon khí tự nhiên xuất hiện và trở thành nhân ngưng kết, những những đám mây có sự xáo trộn lớn thường chứa đựng một lượng lớn hơn số hạt mây nhỏ, trong đó bao gồm cả các xon khí có nguồn gốc tự nhiên và nguồn gốc từ con người đóng vai trò là các nhân

ngưng kết Những đường nét đứt màu xám biểu thị cho mưa

1.2 Tác động trực tiếp của xon khí

Tác động trực tiếp là cơ chế xon khí tán xạ và hấp thụ bức xạ sóng ngắn và sóng dài làm thay đổi cân bằng bức xạ của hệ thống khí quyển trái đất Các xon khí

11

sulphate, carbon hữu cơ, cacbon đen có nguồn gốc từ đốt nhiên liệu hóa thạch, đốt sinh khối, bụi khoáng phần lớn do con người tạo ra và gây RF trực tiếp Sự tán xạ của xon khí gây ra RF âm, trong khi một phần xon khí hấp thụ bức xạ mặt trời cũng

có thể gây RF âm trực tiếp tại đỉnh khí quyển, trên những khu vực có bề mặt sẫm màu như biển hoặc rừng, và RF dương ở đỉnh khí quyển trên khu vực có bề mặt sáng như sa mạc, tuyết hoặc băng, hoặc những nơi có xon khí ở bên trên mây Cả

RF âm hay dương đều làm giảm bức xạ sóng ngắn xuống bề mặt RF bề mặt xấp xỉ với RF trực tiếp tại đỉnh khí quyển trong trường hợp xon khí tán xạ, nhưng sẽ lớn hơn rất nhiều lần trong trường hợp xon khí hấp thụ

Những loại xon khí khác nhau thì mức độ hấp thụ và tán xạ ánh sáng mặt trời khác nhau Các hạt sáng màu hoặc mờ có xu hướng phản xạ bức xạ mặt trời, xon khí có màu sắc tối hơn có khả năng hấp thụ ánh sáng Sulfate và nitrate nguyên chất phản xạ bức xạ mặt trời do vậy chúng đóng vai trò làm lạnh khí quyển Carbon đen hấp thụ bức xạ mặt trời đi xuống, làm ấm khí quyển và làm lạnh bề mặt, carbon hữu cơ có tác động làm ấm khí quyển phụ thuộc vào độ sáng của bề mặt Tác động bức xạ của bụi có mức độ khác nhau, tùy thuộc vào các thành phần, tính chất của hạt bụi, các hạt muối biển có xu hướng phản xạ bức xạ J.Wu ccs., (2008) [12] đã

mô phỏng tác động trực tiếp của xon khí carbon đen lên nhiệt độ và chu trình nước

ở châu Á bằng mô hình khí hậu khu vực Tác động bức xạ gây ra bởi BC dương ở đỉnh khí quyển (TOA) do tác động hấp thụ và phản xạ bức xạ Tác động bức xạ bề mặt có giá trị âm hoàn toàn trên khu vực và lớn hơn ở đỉnh khí quyển Theo F Giorgi ccs., (2002) [8] nghiên cứu tác động bức xạ trực tiếp do tác động của xon khí nhân tạo trên khu vực Đông Á Kết quả cho thấy xon khí Sunfate gây tác động bức

xạ âm tại đỉnh khí quyển với giá trị –1 đến – 8W/m2 vào mùa đông và – 1 đến 15W/m2 vào mùa hè Tác động bức xạ đạt giá trị cực đại trên khu vực lưu vực Tứ Xuyên của Tây Nam Trung Quốc và một vài nơi trên khu vực Đông và Đông Bắc Trung Quốc, Tác động bức xạ này làm lạnh bề mặt dao động từ – 0.1 đến – 0.7 K cũng là lớn nhất trên khu vực Tứ Xuyên, tác động của xon khí làm lạnh bề mặt phù

mô lớn có tác động đến sự thay đổi vận chuyển xon khí, điều chỉnh quá trình sa lắng, thay đổi môi trường vật lý và hóa học của hỗn hợp xon khí Một điểm đáng lưu ý là trong những thập kỷ gần đây, mức độ phát thải của các chất ô nhiễm vào khí quyển ngày càng tăng do quá trình phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới Các nhà khoa học nhận thức rõ hơn rằng ô nhiễm môi trường không khí đã trở thành một vấn đề quốc tế Để giải quyết bài toán trên, mô hình hóa các quá trình hóa học trong khí quyển hiện nay đang là một trong những công cụ hiệu quả và mở

ra nhiều tiềm năng ứng dụng P.Zanisccs.,(2012)[21] đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM3 kết hợp với mô đun xon khí để mô phỏng tác động của xon khí

do con người đối với khí hậu khu vực châu Âu từ năm 1996 – 2007 Mô phỏng cho thấy tác động của xon khí lên nhiệt độ trung bình T2m là nhỏ, khoảng – 0.2 đến –0.1oC và lạnh đi ở vùng phía nam vĩ độ 50 – 55oN, ấm lên ở phía bắc vĩ độ 55oN Tồn tại mối tương quan nhất định giữa xon khí do con người tạo ra và tác động trực tiếp của sóng ngắn trên khu vực châu Âu Qian ccs.,(2001)[22] đã sử dụng mô hình khu vực kết hợp với mô hình xon khí và nhận thấy dấu hiệu rõ của tác động trực tiếp và gián tiếp của xon khí do con người tạo ra lên khí hậu khu vực Đông Á,giải thích xu hướng lạnh đi được quan trắc trên các vùng khác nhau của Trung Quốc trong các thập kỷ cuối của thế kỷ 20

Hồ Thị Minh Hà và Phan Văn Tân (2009)[1] đã sử dụng mô hình RegCM3

để mô phỏng ảnh hưởng của carbon đen (BC) lên khí hậu khu vực Đông Nam Á và Việt Nam Kết quả cho thấy, tác động của BC làm tăng tác động bức xạ tại đỉnh khí quyển nhưng làm giảm bức xạ tại bề mặt Hệ quả là nhiệt độ bề mặt tại khu vực có nồng độ BC cao giảm đi Tác động của carbon đen (BC) lên lượng mưa thể hiện ở

hệ số tương quan (HSTQ) âm trên khu vực bán đảo Đông Dương trong khi trên phía

13

đông của Ấn Độ và Trung Quốc, HSTQ dương Đây là các khu vực có nồng độ BC cao hơn xung quanh Khi phân tách ảnh hưởng của BC do đốt sinh khối và BC do hoạt động của con người thì thấy rằng BC do hoạt động con người có xu thế làm ấm nhiệt độ bề mặt so với trường hợp chỉ có BC do đốt sinh khối

D F Zhang ccs, (2009)[6] mô phỏng xon khí bụi và những tác động trở lại của bụi đối với khí hậu khu vực Đông Á sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM

Mô hình đã nắm bắt được những đặc điểm khí hậu cơ bản trên khu vực Những thay đổi theo thời gian và không gian của nồng độ bụi gần bề mặt, độ dày quang học và phát thải của bụi từ những khu vực chính cũng được tái tạo bởi mô hình Sự thiếu sót của mô hình là sự đánh giá cao lượng bụi trên khu vực nguồn và đánh giá thấp tốc độ gió, dẫn đến đánh giá thấp lượng bụi phân tán Trên khu vực sa mạc, tác động bức xạ ở đỉnh khí quyển (TOA) là dương, giá trị này nhỏ trên những khu vực

có albedo bề mặt lớn Dòng bức xạ thuần bề mặt giảm bởi bụi do vậy tác động của bụi làm lạnh bề mặt tới – 1oC Tác động bức xạ thuần (sóng ngắn và sóng dài) dẫn đến làm giảm lượng bụi phát thải ở những nguồn bụi chính khu vực Đông Á, nguyên nhân là do sự tăng tính ổn định địa phương tương ứng là làm giảm quá trình nâng bụi lên các lớp khí quyển bên trên Xon khí không chỉ tác động trực tiếp đến bức xạ mà còn tương tác với mây dưới nhiều hình thức làm thay đổi lượng bức xạ xuống bề mặt trái đất và cơ chế này cũng làm thay đổi lượng mưa ở khu vực Tác động này sẽ được làm rõ ở phần tiếp theo

1.3 Tác động gián tiếp của xon khí

Tác động gián tiếp của xon khí lên khí hậu là cơ chế mà xon khí làm thay đổi đặc tính vi vật lý của mây và từ đó làm thay đổi những đặc tính bức xạ, số lượng cũng như thời gian tồn tại của mây Tác động gián tiếp này được xác định bởi ảnh hưởng của các hạt xon khí đóng vai trò làm nhân ngưng kết mây và là hàm của kích thước hạt, cấu tạo hóa học, và trạng thái hỗn hợp, môi trường bao quanh Đặc tính

vi vật lý bao gồm số lượng hạt mây và kích thước hạt mây cùng với khả năng chứa nước được gọi là “ tác động gián tiếp loại 1” hay “ tác động liên quan đến albedo mây ” hay “tác động Twomey” Đặc tính vi vật lý bao gồm ảnh hưởng lên khả năng

bố của thành phần nước lỏng trong mây Những tương tác này có thể được chia nhỏ

ra thành các quá trình có sự đóng góp khác nhau được tổng hợp trong Bảng 1 và được chỉ ra trong Hình 1.3 S.Towmey [26] đã chỉ ra rằng sự gia tăng ô nhiễm làm tăng nồng độ các hạt xon khí Nhiều nhân ngưng kết hơn sẽ làm tăng các hạt mây có kích thước nhỏ trong một đơn vị thể tích làm thay đổi tính chất bức xạ của mây dẫn đến làm biến đổi khí hậu, tương đương với việc tăng nồng độ CO2 trong khí quyển, tuy nhiên có xu hướng ngược lại là làm lạnh nhiệt độ bề mặt đất Menon ccs.,(2002) [18] đã đánh giá được tác động của carbon đen (BC) lên các yếu tố khí tượng Trong đó, sự ảnh hưởng của BC lên sự biến đổi lượng mưa khá rõ rệt, đặc biệt khi chú ý đến khu vực Đông Nam Á Nếu xét riêng cho khu vực Việt Nam, phía Bắc có lượng mưa tăng khoảng 1 – 4mm/ngày còn phía Nam, lượng mưa giảm đi (cũng khoảng 1 – 4mm/ngày) F Giorgi ccs., (2002) [8] đã chỉ ra rằng tác động xon khí lên bức xạ có xu hướng làm lạnh bề mặt gây ức chế mưa trên khu vực, mặc dù ảnh hưởng này là tương đối nhỏ trong mô phỏng.Fabien Solmon ccs., (2008)[7] nghiên cứu tác động của xon khí bụi lên lượng mưa khu vực Tây châu Phi, những cơ chế và

độ nhạy đến những đặc tính hấp thụ Trong nghiên cứu tác giả sử dụng mô hình RegCM kết hợp với mô hình bụi để mô phỏng tác động khí hậu bởi cưỡng bức bức

xạ sóng ngắn và sóng dài của bụi sa mạc Saharan trên gió mùa Tây Phi và lượng mưa ở Sahel trong giai đoạn 1996 -2006 Hai tác động đều được nhận thấy, thứ nhất, cường độ gió mùa giảm trong mực thấp tầng đối lưu do nguyên nhân làm lạnh của bụi bề mặt dẫn đến làm giảm lượng mưa, và thứ hai là tác động làm ấm mực trên tầng đối lưu làm tăng lượng mưa

Hình 1.3 Mô tả những tác đ

Tác động gián tiếp lo

khí càng nhiều làm tăng s

xạ mây tăng, hiệu ứng này có tác đ

thời gian tồn tại của mây) đư

nhiều làm số hạt mây tăng d

15

ng tác động khác nhau của xon khí đã được trình bày trong bảng 1.1 (IPCC – 2007) [11]

p loại 1 (tác động albedo mây) được lý giải b

u làm tăng số lượng hạt mây có kích thước nhỏ hơn, d

ng này có tác động làm lạnh Tác động gián tiếp lo

a mây) được hiểu như sau: khi số lượng các hạ

t mây tăng dẫn đến kích thước hạt mây nhỏ đi, các hạ

c trình bày trong

i bởi số hạt xon hơn, dẫn đến độ phản

p loại 2 (kéo dài

ạt xon khí càng

ạt nước nhỏ làm

16

hạn chế sự va chạm và liên kết, ngăn cản sự lớn lên của hạt nước trong mây để tạo mưa, làm giảm sự hình thành giáng thủy dẫn đến kéo dài thời gian tồn tại của mây điều này cũng làm thay đổi albedo mây trung bình theo thời gian (Hiệu ứng thời gian tồn tại của mây (Hình 1.3) Tác động bán trực tiếp được cho là hấp thụ bức xạ mặt trời bởi xon khí (muội than, ), xon khí nóng lên sau đó phát xạ lại khí quyển, đây được coi như là một cơ chế bức xạ nhiệt do vậy quá trình này làm nóng không khí và làm tăng trạng thái ổn định tĩnh học tương đối tới bề mặt Nó cũng là nguyên nhân làm bay hơi các hạt mây nước Tác động đóng băng được giải thích như sau: Trong các đám mây có lẫn cả pha băng và pha nước, khi có sự gia tăng của xon khí làm gia tăng số lượng những hạt tinh thể băng bão hòa, từ đó nhanh chóng làm tăng kích thước giáng thủy, và nhiều khả năng mây không giáng thủy được chuyển thành mây giáng thủy (Hình 1.3) Tác động nhiệt động lực gây ra sự trì hoãn đóng băng của các hạt nhỏ dẫn tới hình thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt độ rất thấp (Hình 1.3) Thêm vào đó, xon khí làm thay đổi hiệu ứng bức xạ tại đỉnh khí quyển

và làm thay đổi trữ lượng năng lượng bề mặt (Bảng 1.2) với các quá trình đối lưu, bốc hơi và giáng thủy(Hình 1.3) (IPCC 2007)[11]

Ở Việt Nam hướng nghiên cứu của xon khí mới chỉ thực sự bắt đầu vào năm

2003, khi chúng ta có hai trạm quan trắc xon khí đầu tiên trong mạng trạm AERONET của NASA, đặt tại Bạc Liêu và Bắc Giang Phạm Xuân Thành ccs.,[3] nghiên cứu ảnh hưởng của mưa đầu mùa tới độ dày quang học xon khí tại Bạc Liêu Kết quả cho thấy những trận mưa đầu mùa năm 2003 làm giảm đáng kể giá trị của

độ dày quang học xon khí Các trận mưa đầu mùa cũng làm thay đổi phân bố kích thước của các hạt xon khí trong khí quyển.Đào Thị Hồng Vân (2013) [4] đã nghiên cứu khả năng ứng dụng mô hình WRF-CHEM vào khu vực Việt Nam, thời gian mô phỏng từ tháng 1 đến tháng 5 năm 2006 Nghiên cứu cho kết quả khả quan khi mô phỏng các chất phát thải (bụi PM2.5, PM10, SO2, dust_01), đặc biệt là khi xem xét bên cạnh các trường khí tượng (trường gió, ẩm) Nguyễn Ngọc Bích Phượng (2009) [2] đã nghiên cứu, đánh giá các xon khí sunfat, cacbon đen và cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực Đông Nam Á và Việt Nam Kết quả cho

17

thấy sự tác động của xon khí và cacbon đen lên cán cân thuần bức xạ của khí quyển cho thấy cacbon đen đã hấp thụ lượng bức xạ và làm nóng cột khí quyển và làm giảm lượng giáng thủy do giảm mây bao phủ tuy nhiên kết quả cho thấy tác động của xon khí lên khí quyển là rất nhỏ

Bảng 1.1 Những tác động gián tiếp khác nhau của xon khí và hiệu ứng biến đổi

thông lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển (IPCC 2007)[11]

Tác động

Loại

Biến đổi bức xạ tại đỉnh khí quyển

Cường

độ

Mức độ nghiên cứu

Âm Trung

bình

Rất thấp

Tác động

bán trực tiếp Tất cả

Sự hấp thụ bức xạ mặt trời của xon khí tác động đến độ ổn định và năng lượng tới bề mặt và có thể dẫn tới sự bay hơi của các phần tử mây

Dương hoặc âm Nhỏ

Rất thấp

Tác động

gián tiếp gây

đóng băng

Mây hỗn hợp

Số lượng các nhân băng tăng lên làm gia tăng hiệu suất giáng thủy

Dương Trung

bình

Rất thấp

18

nhiệt động

lực

hỗn hợp (lỏng hoặc băng)

làm trì hoãn quá trình đóng băng tạo thành những đám mây siêu lạnh với nhiệt độ rất thấp

xạ tới bề mặt

Cường

độ

Mức độ nghiên cứu

Hiệu ứng giáng thủy

Cường

độ

Mức độ nghiên cứu

Tác động nhiệt

động lực

Dương hoặc âm

Trung bình Rất thấp

Dương hoặc âm

Trung bình Rất thấp

19

Từ những công trình nghiên cứu trên thế giới và trong nước đã nêu trên đây cho thấy tác động của xon khí gây biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội và môi trường Các chất trong khí quyển có vai trò quan trọng trong việc tác động đến bức xạ của hệ thống khí quyển trái đất Trên thế giới

có rất nhiều công trình nghiên cứu về ảnh hưởng của các chất khí nhà kính (CO2,

N2O, CH4 … ) tới khí hậu toàn cầu và khu vực cụ thể là làm tăng nhiệt độ hệ thống khí quyển trái đất, tuy nhiên ảnh hưởng của xon khí đối với hệ thống khí hậu có tác động làm giảm nhiệt độ bề mặt trái đất thì sự hiểu biết của con người rất thấp (IPCC 2007)[11] Thêm vào đó những nghiên cứu về tác động của xon khí cho khu vực Đông Nam Á và Việt Nam chưa nhiều và đầy đủ Mặc dù trước đây đã có luận văn thạc sĩ của Đào Thị Hồng Vân (2013)[4] và Nguyễn Ngọc Bích Phượng (2009)[2]

đã nghiên cứu về ảnh hưởng của xon khí đến khí hậu khu vực, tuy nhiên thời gian

mô phỏng rất ngắn chỉ vài tháng cho đến hai năm, nên vẫn chưa đánh giá được toàn diện mức độ tác động của xon khí Do vậy, việc nghiên cứu tác động của xon khí tới các điều kiện khí hậu khu vực khu vực trong khoảng thời gian dài là rất cần thiết

Đó cũng là lý do dẫn đến hướng nghiên cứu của luận văn là “Tác động của xon khí

đến một số yếu tố khí hậu trên khu vực Việt Nam và lân cận” Để đánh giá tác động

của xon khí lên hệ thống khí hậu – thời tiết cho khu vực Đông Nam Á và Việt Nam, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các xon khí Cacbon đen, bụi ảnh hưởng tới yếu tố nhiệt độ, lượng mưa khu vực từ năm 1991 – 2000

20

Chương 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Đặt bài toán

Ngày nay, phần lớn lượng khí thải carbon đen là từ các nước đang phát triển,

và được dự kiến là có xu hướng tăng lên trong vài thập kỷ gần đây Các vùng phát thải lớn nhất của carbon đen bao gồm vùng đồng bằng của Ấn Độ, phía Đông Trung Quốc, khu vực Đông Nam Á, vùng xích đạo châu Phi, Mexico và Trung Mỹ Carbon đen được phát thải từ rất nhiều nguồn, trong đó 42% do đốt sinh khối (đốt rừng và rơm cỏ, thảo nguyên), 18% từ nhiên liệu sinh học , 14% do động cơ diesel trong giao thông vận tải, 10% do động cơ diesel trong công nghiệp, 10% là trong các quy trình công nghiệp và sản xuất nhỏ lẻ, 6% là do dân cư đốt nhiên liệu than theo công nghệ truyền thống Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng ở khu vực Đông Á, nguồn BC chủ yếu là do đốt than dùng cho công nghiệp và cho dân cư đóng vai trò lớn Theo số liệu thống kê năm 2000 cho thấy lượng phát thải BC ở Đông Á khoảng

1600 Tg, khu vực có lượng phát thải BC lớn nhất thế giới, tiếp theo đó là khu vực Nam Mỹ 1200 Tg, Tây Phi 800 Tg, Nam Á 700 Tg, Đông Nam Á 600 Tg… (Tami C.Bond 2007 [25]) Việt Nam là một quốc gia nằm trong khu vực Đông Nam Á, có nền nông nghiệp lúa nước đóng vai trò chủ đạo trong phát triển kinh tế, do vậy vào mùa vụ, phương pháp thủ công của người nông dân trong việc xử lý rơm rạ vẫn đơn thuần là thiêu hủy để lấy tro làm phân bón, trong quá trình đốt rơm rạ, một lượng lớn muội than theo gió khuếch tán vào khí quyển, đóng góp một nguồn BC đáng kể trong khí quyển Ngoài ra, các hoạt động đốt rừng làm nương rẫy, hoạt động công nghiệp và vận tải cũng phát thải một lượng lớn BC vào khí quyển Bên cạnh đó, Việt Nam cũng nằm trong khu vực gió mùa, ngoài nguồn BC tại chỗ thì BC còn có thể được vận chuyển từ các vùng khác tới như từ khu vực Đông Nam Trung Quốc vào mùa đông theo hướng gió mùa đông bắc Bên cạnh xon khí BC, bụi cũng đóng vai trò vô cùng quan trọng đối với khí hậu khu vực và Việt Nam, bụi ở đây có nguồn gốc từ sa mạc Gobi và các cao nguyên ở phía Tây Bắc Trung Quốc (Zhang

21

ccs, 2003a)[28] Hàng năm, các cơn bão bụi trên khu vực Đông Á thường xảy ra vào mùa xuân (tháng 3 – 5), bụi được vận chuyển một quãng đường dài băng qua lục địa và đến biển Thái Bình Dương bởi dòng hướng Tây (Parungo và cs., 1994) [20], bụi cũng có thể được vận chuyển vào Việt Nam theo hướng gió mùa mùa Đông Cả bụi và xon khí BC đều tác động đến điều kiện thời tiết, khí hậu của khu vực thông qua tác động trực tiếp và gián tiếp liên quan tới bức xạ và mây, tác động này làm biến đổi nhiệt độ và lượng mưa khu vực Theo F Giorgi ccs., (2002) [8], tác động bức xạ gây ra bới xon khí làm lạnh bề mặt dao động từ – 0.1 đến – 0.7 K, lớn nhất trên khu vực Tứ Xuyên, Trung Quốc, xu hướng làm lạnh bề mặt gây ức chế mưa trên khu vực, mặc dù ảnh hưởng này là tương đối nhỏ trong mô phỏng, tác động của xon khí làm lạnh bề mặt phù hợp với nhiệt độ quan trắc trong những thập

kỷ gần đây trên các khu vực khác nhau của Trung Quốc…Vì vậy việc nghiên cứu tác động của xon khí lên các điều kiện thời tiết, khí hậu khu vực là vô cùng quan trọng Để làm sáng tỏ mức độ tác động cũng như quá trình vận chuyển của xon khí

BC và bụi đối với khu vực Việt Nam và lân cận, tác giả đã sử dụng mô hình khí hậu khu vực RegCM phiên bản 4.2 kết hợp với mô đun xon khí hóa học để đánh giá tác động của BC, bụi lên nhiệt độ và lượng mưa khu vực từ năm 1991 đến năm 2000 2.2 Sơ lược về mô hình RegCM và module Chem-aerosol

thứ hai của RegCM, gọi là RegCM2 M

khá phổ biến và được sử

phiên bản 3 (RegCM3) v

trước Đó là những thay đ

lưới, các sơ đồ tham số hóa v

sơ đồ đối lưu mây tích Betts Phiên b

tháng 5 năm 2011, so vớ

hơn với người dùng Tất c

namelist, các dữ liệu đầu vào đ

hỗ trợ nhiều thư viện giúp ngư

đang được người dùng sử

Hình 2.1 Cấu trúc lưới th

Về cơ bản RegCM4.2 s

ký hiệu là σ, được định ngh

suất tại đỉnh mô hình, và

mặt Thông thường, độ phân gi

cao và số mực thay đổi tu

Arakawa - B (Hình 2) Các bi

22

i là RegCM2 Một phiên bản cũng đã được sử

ử dụng trong nhiều nghiên cứu khí hậu khu v

n 3 (RegCM3) với những cải tiến và bổ sung đáng kể so vớ

ay đổi trong vật lý mô hình bao gồm sơ đồ giáng thhóa vật lý như sơ đồ tính các dòng từ bề mặt bi

i lưu mây tích Betts Phiên bản 4.2 (RegCM4.2) mới đư

ới RegCM3, phiên bản 4.2 đã được phát triể

t cả các tham số cấu hình, tùy chọn được đưa v

u vào đầu ra đều sử dụng định dạng netcdf cùng v

n giúp người dùng dễ dàng thao tác Hiện nay RegCM4.2 c

ử dụng rộng rãi

i thẳng đứng (bên trái) và lưới ngang dạng xen k

(bên phải) của mô hình

n RegCM4.2 sử dụng hệ tọa độ thẳng đứng thủy tĩnh theo đ

nh nghĩa bởi σ = (p – p t )/(p s – p t ) trong đó p là áp su

nh mô hình, và ps là áp suất tại bề mặt σ bằng 0 tại đỉnh và b

phân giải thẳng đứng trong lớp biên mịn hơn các l

i tuỳ theo yêu cầu người sử dụng Lưới ngang có d

B (Hình 2) Các biến vô hướng (T, q, p,…) được xác định t

ử dụng rộng rãi,

u khu vực là RegCM

ới các phiên bản giáng thủy qui mô

t biển của Zeng,

23

lưới trong khi các thành phần vận tốc gió hướng đông (u) và hướng bắc (v) được xác định tại các nút lưới Vị trí tâm ô lưới ký hiệu bằng dấu nhân, còn các nút lưới được ký hiệu bằng dấu chấm tròn Theo phương thẳng đứng các biến vô hướng và thành phần gió ngang (u, v) được xác định tại mực giữa mỗi lớp, gọi là các mực phân, còn thành phần vận tốc thẳng đứng được xác định trên các mực nguyên (Hình 2)

Hệ phương trình cơ bản của RegCM4.2 bao gồm các phương trình động lượng ngang, phương trình liên tục, phương trình nhiệt động học, phương trình thủy tĩnh và phương trình ẩm Về điều kiện ban đầu và điều kiện biên, mô hình khí hậu khu vực RegCM được xây dựng dựa trên nguyên tắc cân bằng giữa các quá trình qui mô lớn (thường là các trường khí tượng toàn cầu và được gọi là các trường điều khiển), được cập nhật thường xuyên theo thời gian trên vùng biên, với các quá trình qui mô khu vực (được xác định bởi động lực học và vật lý của chính mô hình khu vực) tại vùng biên xung quanh gọi là vùng đệm Điều kiện ban đầu và điều kiện biên của mô hình được cung cấp bởi trường điều khiển là số liệu tái phân tích hay trường dự báo của GCM tuỳ theo mục đích mô phỏng hay dự báo Mô hình sẽ cập nhật thông tin từ trường điều khiển sau từng bước thời gian tích phân Giá trị biên tại mỗi bước thời gian tích phân là giá trị nội suy từ các trường điều khiển được cập nhật từng 3h, 6h hoặc 12h một Mô hình RegCM cho phép chọn một trong các phương pháp cập nhật biên là: (1) biên cố định, (2) biên biến đổi theo thời gian, (3) biên giả và (4) biên lỏng dần (haybiên giảm dư) Trên các vùng đại dương, nhiệt độ mặt nước biển (SST) được cung cấp như là điều kiện biên dưới Trên bề mặt đất, sơ

đồ BATS khi chạy kết hợp (couple) sẽ cung cấp các dòng trao đổi đất khí quyển Ngoài ra để chạy RegCM4.2 cần phải có độ cao địa hình, lớp phủ thực vật, đất và các tính chất vật lý của đất,

Về tham số hóa đối lưu, trong mô hình RegCM4.2 có thể sử dụng một trong bảy tùy chọn sau đây thay vì với chỉ 3 tùy chọn ở phiên bản RegCM3 để tính giáng thuỷ đối lưu: (1) Sơ đồ Kuo sửa đổi; (2) Sơ đồ Grell; Trong đó, sơ đồ Grell có thể

áp dụng với một trong hai giả thiết khép kín: (1) khép kín Arakawa và Schubert và

24

(2) khép kín Fritsch và Chappell (3) Sơ đồ Betts-Miller; (4) Sơ đồ Emanuel (5) Sơ

đồ Tiedtke Ngoài ra phiên 4.2 đã cải tiến so với phiên bản 3 khi đưa thêm 2 lựa chọn kết hợp (6) sử dụng sơ đồ Grell trên đất liền và sơ đồ Emanuel trên biển và (7)

Sử dụng sơ đồ Emanuel trên đất liền và sơ đồ Grell trên biển

2.2.2 Mô đun xon khí trong RegCM4.2

2.2.2.1 Hóa học xon khí trong mô hình

Mô hình RegCM4.2 bao gồm một mô đun hóa học – xon khí mô tả ba loại xon khí: Cacbon đen (BC), Cacbon hữu cơ (OC) và sulfate (SO4) cũng như một chất khí SO2, nguồn chính từ chuyển hóa SO4 Mô đun hóa học – xon khí được phát triển

để mô phỏng tỉ lệ xáo trộn (χ với đơn vị kg/kg không khí) của 6 loại hóa học: khí

SO2, SO42-, BC (thấm nước và không thấm nước), OC (thấm nước và không thấm nước), được mô tả theo phương trình dự báo:

(2.1) Trong đó i ngầm hiểu là chỉ số các loại xon khí Thành phần thứ nhất của phương trình trên là bình lưu ngang và thẳng đứng, FH,i và FV,i là nhiễu ngang và thẳng đứng, Si là thành phần phát thải, Tgas,i là xu hướng chuyển đổi trạng thái của chất khí, Thetero,i là các phản ứng của xon khí không đồng nhất, Tls,i và Tconv,i là các quá trình quy mô lớn và mây đối lưu, Tbelow-cloud,i là tỉ lệ kết tủa làm sạch, Tdry,i là thành phần lắng đọng khô

a Xon khí Sulfat

Trong phần này sẽ trình bày công thức sulfur dựa trên Kasibhatla (1997)[13] vớisự xem xét lại và hiệu chỉnh lại của Qian (2001)[23] Mô tả ngắn gọn các thành phần bên phải của phương trình trên, ngoại trừ thành phần bình lưu và phần phân tán Giai đoạn ban đầu khí bị oxi hóa bởi phản ứng SO2 với OH tạo ra SO42-

25

Trong đó k OH,SO2 là nhiệt độ - phụ thuộc vào tỉ lệ phản ứng cố định, OH trong

mô hình mô phỏng chuyển đổi hóa học khu vực, được sử dụng cùng miền với RegCM4.2 Luo et al (2000) [16]

Sự chuyển đổi SO2 thành SO42- bao gồm tính đến tác động phản ứng không đồng nhất của SO2 với các xon khí tồn tại trước đó Các phản ứng đã được thừa nhận chỉ xảy ra trong lớp biên và tạo giả bậc 1 với hệ số phản ứng là 6x10-6s-1,

(2.3)

Độ pH của nước trong mây trên khu vực Đông Á dưới 5, SO2 có tính tan tương đối thấp, và quá trình chuyển đổi hóa học không cần nước, hầu hết SO2 trong mây tồn tại trong khe không khí Do đó, tốc độ dịch chuyển của SO2 trong mây bị giới hạn bởi tốc độ của giai đoạn chuyển đổi nước của SO2 thành SO42- khi SO2 bị phân hủy trong mây thành ion HSO3- và SO32- và sau đó oxi hóa bởi sự hòa tan của

H2O2 và O3 Các ion phản ứng với O3 chỉ khoảng 10% oxi hóa do vậy oxi hóa do O3

sẽ bị loại bỏ Trong quá trình chuyển đổi phải giả thiết giới hạn trong tính SO2 và

H2O2, và một hàm chứa nước lỏng trong mây, phần mây phủ và thời gian tồn tại của mây Như đã đề cập ở trên, RegCM4.2 mô phỏng 2 loại mây, mây quy mô lớn và mây đối lưu

Đối với mây quy mô lớn, xu hướng của SO2 trong phương trình 2.3 được biến đổi thành:

(2.4)

Trong đó frcls là phần mây bao phủ của các mây quy mô lớn (bằng 1, ngoại trừ trường hợp mây đối lưu được trình bày như trên, thì là 0.7), wL (g/m3) là khối lượng nước lỏng, cách thức tính này được tính từ phương trình dự báo động lực của RegCM4.2, A (=360g/m3s) là các tham số từ mô phỏng hóa học mây của Chameides (1984), cái này liên quan đến trạng thái cân bằng SO2 tan trong mây, dt

là bước thời gian (=200s), và thành phần min (χSO2, χ H2O2) được sử dụng để chắc

26

chắn rằng chuyển đổi SO2 bị giới hạn bởi sự xuất hiện của H2O2 bất cứ khí nào

H2O2< SO2 SO42- là sản phẩm oxi hóa SO2 trong mây, và SO42- vào trong mây, nó dịch chuyển một phần bởi quá trình giáng thủy Các quan trắc trước đó cho thấy

SO4

tan toàn bộ trong nước mây, vì vậy hệ số độ ẩm chuyển rời trong mây chủ yếu

là đồng nhất Bởi vậy, trong các mây quy mô lớn, SO42- được đưa ra là:

(2.5)

Trong đó r rem là tần suất tự động chuyển đổi từ mây nước thành mây gây mưa (Giorgi and Chameides, 1986)[9], được đưa ra bởi tốc độ tự động chuyển đổi (Pautocv), được chia ra bởi tỉ lệ xáo trộn nước mây (wL) Thêm vào chuyển đổi hóa học và dịch chuyển ẩm, các mây đối lưu có thể ảnh hưởng theo phân bố ngang và thẳng đứng của các chất hóa học thông qua đối lưu và vận chuyển Tác động của vận chuyển đối lưu và di chuyển ẩm của SOx trong mô hình đóng kín theo như nước bốc hơi và vì vậy vẫn sử dụng các công sử dụng trước đó cho RegCM4.2 Đầu tiên chúng ta tính toán tổng lượng SOx vào trong mây đối lưu ở tại mực k bằng thừa nhận rằng lượng chất hóa học vào mây tỉ lệ với lượng nước bốc hơi vào mây và các tập trung tương đối của các chất hóa học và nước bốc hơi ở mực đó

(2.6)

Trong đó qv là tỉ lệ xáo trộn của nước bốc hơi và qv tendency , và qv là xu hướng của nước bốc hơi tại mực k nguyên nhân là do sự hội tụ ngang, En(k) i là tỉ lệ của

các chất hóa học (ví dụ như SO2 và SO42- Cacbon) được đưa vào trong mây tại mực

k và S i là lượng tích hợp của chất hóa học i vào trong mây từ chân mây tới đỉnh

mây Vì vậy lượng hội tụ SO2 và SO42- ở mực k bởi sự cuốn hút mây En(k)SO2 và En(k)SO4, và tổng phần hội tụ của cột đối lưu là Sso2 và Sso4

27

Tiếp theo, một phần của cột tích hợp cuốn hút SO2 trong mây được oxi hóa thành SO42- Theo như công thức đã được sử dụng cho các mây quy mô lớn, Poxid là phần cuốn hút SO2 bị oxi hóa

Trong đó τ conv = 30 phút, thời gian tồn tại của mây đối lưu trưởng thành và

wL = 2 g/m3 là lượng nước lỏng trong mây đối lưu (Giorgi and Chameides,

1986)[9] Vì vậy, S so2 P oxid và S so2 (1-P oxid) biểu diễn lượng SO2 đi vào cột bị oxi hóa thành SO42- và không bị oxi hóa SO2 còn lại ở thể khí, phần không bị oxi hóa của

S SO2 quay trở lại mực k trong cột đối lưu và vẫn là SO 2, phụ thuộc và độ ẩm tương đối Nhân tố trọng lượng theo đường parabol w(k) là cuốn hút hơi nước vào trong mây đối lưu của mô hình RegCM4.2

Vì vậy, lượng SO42- trong cột quay trở lại khí quyển (S so2 P oxid + Sso4) bởi

P convg ; và lượng quay trở lại ở mực k, tăng chậm số lượng này bởi các nhân tố theo chiều thẳng đứng w(k) trong các trường hợp của SO2 Bởi vậy, xu hướng SOx ở mực k bởi mây đối lưu, các quá trình có thể biểu hiện:

(2.9)

Trong đó, thành phần thứ 2 của vế bên phải của Phương trình 2.9 là lượng

SO2 không oxi hóa được phân phối lại tới cột đối lưu, còn thành phần thứ 2 và thứ 3 của vế phải trong phương trình 2.9, thể hiện lượng SO42- được phân bố lại, và

Trong đó, Precip là tỉ lệ mây giáng thủy ở dưới (đơn vị là mm/hr), và k scav là

hệ số kết tủa bậc 1: 6.5x10-5s-1 Các xon khí sulfat tìm thấy theo cách thức ngưng đọng (thành phần siêu hiển vi tới đường kính micromet) Các nghiên cứu trước đó cho thấy rằng loại tốc độ giáng thủy quy mô lớn 2 mm/hr, thời gian ngưng đọng xon khí trong cột giáng thủy khoảng 50 giờ, nó lâu hơn bước thời gian của mô hình (khoảng 3 phút) Vì vậy, kết tủa làm sạch của SO4 không có hiệu quả, và nó được cho bằng 0

b Xon khí Cacbon

Các xon khí Cacbon chủ yếu tăng từ các quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch và cháy sinh khối Chúng được chia ra thành 2 loại: không thấm nước và thấm nước, và hai loại hóa học Cacbon hữu cơ (OC) và Cacbon đen (BC) OC và BC được giả thiết là nguồn ô nhiễm cơ bản, trực tiếp phát thải vào khí quyển, và khi được phát thải chúng được giả sử là loại không thấm nước Các phần tử cơ bản này sau một thời gian sẽ chuyển thành loại thấm nước, tốc độ của nó được mô tả bằng

hệ số tỉ lệ giả bậc 1 là kage = 7.1x10-6s-1 Cacbon hữu cơ và vô cơ (OC và BC) thấm nước được chuyển thành ngưng đọng ẩm bởi quy mô lớn và các mây đối lưu tương

tự như đối với Sulfat, trong khi đó BC và OC không thấm nước không được đưa vào là ngưng đọng ẩm Trong các mây đối lưu, các BC và OC thấm và không thấm nước đều được phân bố lại theo chiều thẳng đứng sử dụng các nhân tố trọng lượng theo thẳng đứng tương tự như mô tả trong phần trước Tốc độ lắng đọng khô của

BC và OC thấm nước được giả thiết là 0.2 cm/s và 0.025 cm/s ở mọi nơi Khi không

0.68

(2.12)

Trong đó chỉ số dưới “phobic” ngầm hiểu là BC và OC không thấm nước, và

“philic” ngầm hiểu là BC và OC thấm nước, tất cả các tham số này đều tương tự

như sulfat, nhưng không xác định

2.2.2.2 Sơ đồ bụi trong mô hình

RegCM 4.2 cũng bao gồm một sơ đồ bụi để tính toán phát thải bụi, vận chuyển và lắng đọng cho bốn kích thước bụi, từ 0.01 – 20 µm [Zakey và cs.,( 2006)[27] Sơ đồ phát thải này dựa trên nghiên cứu của Marticorena và cs.[1995] và Alfaro và Gomes (2001)[19] Cả hai quá trình vận chuyển theo phương ngang và thẳng đứng đều được tính toán trong quá trình phát thải bụi, quá trình này phụ thuộc vào ngưỡng vận tốc ma sát nhỏ nhất Ngưỡng vận tốc này là một hàm phi tuyến tính của tốc độ gió bề mặt và phụ thuộc vào bán kính hạt và độ ẩm và kết cấu của đất cũng như là thảm thực vật (Konare và cs., 2008)[14] Vận chuyển bụi theo phương thẳng đứng thông qua quá trình đối lưu, xáo trộn hỗn loạn lớp biên, quá trình lắng đọng trọng trường… đều được tham số hóa tốt Nhìn chung mô đun bụi và xon khí trong mô hình tương đối đơn giản, với một số giả định đáng kể được sử dụng trong

cả hai sơ đồ Ngoài ra không có sơ đồ vi vật lý trong mô hình ở phiên bản hiện tại,

30

do vậy tương tác xon khí – mây không được tính toán Mặc dù vậy, mô hình vẫn được sử dụng như một công cụ hữu ích để cung cấp một đánh giá đầu tiên về tác động khí hậu của xon khí, đặc biệt trong bối cảnh sự hiểu biết về xon khí chưa đầy đủ.Một cộng đồng lớn các nhà khoa học đang nỗ lực thực hiện để cải thiện sự hiểu biết của chúng ta về xon khí liên quan đến các quá trình khác nhau và được trình bày trong các mô hình khí hậu, bao gồm cả RegCM

2.3 Thiết kế thí nghiệm

- Phiên bản sử dụng: RegCM 4.2

- Miền tính tác giả lựa chọn thống nhất gồm 176x182 điểm lưới, tâm miền đặt tại (13.6N; 105E) từ (– 15S – 40N, 75E – 135E)

- Miền phân tích kết quả: 0 – 40 N, 75 – 135 E

- Độ phân giải 36x36 km với 18 mực theo chiều thẳng đứng

- Thời gian mô phỏng gồm 10 năm từ 01/01/1991 – 01/01/2001

- Tham số hóa vật lý: Sơ đồ đất BATS, sơ đồ đối lưu Grell – AS Ngoài ra, các

sơ đồ bức xạ, lớp biên hành tinh, mưa quy mô lưới … được lấy ngầm định

Hình 2.2 Miền tính và độ cao địa hình (m)

31

Nghiên cứu tiến hành ba thí nghiệm được tóm tắt trong bảng 2.1

- Thí nghiệm 1 (CTRL): Chạy mô hình RegCM 4.2 không có xon khí, không

2 BC Chạy mô hình với xon khí Carbon đen do

con người và sinh khối (AER11D0) BC_HB,BC_HL

DUST, DUST

Từ kết quả của 3 thí nghiệm, tác giả sẽ tiến hành đánh giá tác động của xon khí lên nhiệt độ và lượng mưa bằng cách so sánh hiệu nhiệt độ, hiệu lượng mưa trong các trường hợp sau:

TH1: Thí nghiệm 2 (BC) trừ đi thí nghiệm 1 (CTRL)

TH2: Thí nghiệm 3 (DUST) trừ đi thí nghiệm 1 (CTRL)

32

- Số liệu nhiệt độ bề mặt biển (SST) là bộ số liệu tái phân tích nhiệt độ mặt nước biển mở rộng (ERSST) của NOAA với độ phân giải 1.5×1.5, được cập nhật từ năm 1980 đến nay Bộ số liệu này được sử dụng làm điều kiện biên dưới phụ thuộc theo thời gian trên các vùng đại dương

- Số liệu phát thải do con người của SO2 được cung cấp từ số liệu phát thải của nghiên cứu khí quyển toàn cầu (EDGAR) với độ phân giải toàn cầu là 1o Những tính toán của phát thải dưới dạng nhiên liệu hóa thạch của carbon hữu cơ (BC) và cacbon vô cơ (OC) được tính toán cho nhiều loại khác nhau và các nhân tố khác nhau BC và OC với độ phân giải 1o toàn cầu Sự phát thải được áp dụng trong nghiên cứu hiện nay là đại diện cho năm 2000 Số liệu được tải từ: http://clima- dods.ictp.it/data/d4/AEROSOL/AEROSOL.dat

33

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT 3.1 Phân bố theo thời gian của nồng độ carbon đen từ năm 1991 – 2000

Hình 3.1 mô tả nồng độ carbon đen (Black Carbon – BC) trung bình năm cho giai đoạn 1991 – 2000 lấy trung bình cả miền (0 – 40N, 75 – 135E) Có thể nhận thấy, nồng độ BC biến động không lớn qua các năm và dao động trong khoảng 0.92 – 1.17 mg/m2 Các năm có nồng độ BC lớn là năm 1992, 1996, 1997, 1999, 2000 với cực đại vào năm 1997 giá trị 1.17 mg/m2, cực tiểu vào 1998 với giá trị 0.92 mg/m2 Nồng độ BC lớn vào các năm 1992, 1997 có thể là do đây là hai năm diễn ra hiện tượng El Nino dẫn tới lượng mưa giảm trên khu vực, do vậy BC có thể tồn tại lâu trong khí quyển, bên cạnh đó, điều kiện khô hạn là môi trường thuận lợi để BC

có thể phát tán dễ dàng vào khí quyển Hình 3.2 biểu diễn biến trình năm của nồng

độ BC giai đoạn 1991 – 2000 được tính trung bình cho toàn miền (0 – 40N, 75 – 135E) và trung bình tháng cho cả giai đoạn Qua đó nhận thấy nồng độ BC lớn vào những tháng mùa khô từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau với giá trị khoảng 1.3 – 1.5 mg/m2, và giảm dần vào các tháng mùa mưa từ tháng 6 – 9 với giá trị khoảng 0.47 – 0.62 mg/m2 Có thể lý giải hiện tượng này là do vào mùa hè, mưa nhiều, các hạt carbon đen ngấm nước, nặng và rơi xuống bề mặt, đây là quá trình lắng đọng ẩm của xon khí, do vậy các tháng mùa hè nồng độ BC nhỏ, ngược lại vào các tháng mùa đông, khô, ít mưa, BC tồn tại lâu trong khí quyển, do vậy các tháng mùa đông nồng độ BC lớn hơn Nồng độ BC giảm chậm từ đông sang hè và tăng nhanh từ hè sang đông, tương ứng với sự tăng/giảm trong biến trình năm của mưa khu vực Giá trị cực đại của nồng độ BC rơi vào tháng 1 và cực tiểu vào tháng 7 Tháng 4, 5, 10

là các tháng chuyển tiếp, giá trị nồng độ BC trung bình khoảng 0.8 – 1.1 mg/m2

Hình 3.1 Nồng độ carbon đen trung b

Hình 3.2 Nồng độ carbon đen trung b

Để khảo sát chi ti

từng năm từ năm 1991 –

Mỗi một ô màu là giá tr

trung bình cho toàn miền (0

năm của nồng độ BC, vớ

0 0.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

0.4

0.6

0.8

1 1.2

carbon đen trung bình năm giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2)

carbon đen trung bình tháng giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2)

o sát chi tiết hơn, hình 3.3 biểu diễn sự biến thiên nồ

– 2000 (trục hoành) và từng tháng trong năm (tr

t ô màu là giá trị nồng độ BC trung bình tháng của từng năm đư

35

với giá trị khoảng 0.4 – 0.8 (mg/m2), cực tiểu vào tháng 7, giá trị nồng độ BC lớn vào các tháng mùa khô từ tháng 11 tới tháng 3 năm sau với giá trị khoảng 1 – 2 mg/m2 Những tháng có nồng độ carbon lớn là tháng 1, tháng 2, tháng 3 năm 1997, tháng 12 năm 1994, 1995 với giá trị 1.8 – 2 mg/m2 Tuy nhiên, nồng độ BC trung bình tháng có thể có sự khác biệt giữa các năm, chẳng hạn, cùng vào tháng 12, dường như từ giai đoạn 1995 – 2000, nồng độ BC lớn hơn giai đoạn từ 1991 –

1994 Vào các tháng mùa hè, nồng độ BC biến động nhỏ hơn qua các các năm

Hình 3.3 Biến trình năm của BC trong các năm 1991 – 2000 (mg/m2)

3.2 Phân bố theo không gian nồng độ của BC

Hình 3.4 mô tả nồng độ carbon đen trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng 12 toàn giai đoạn 1991 – 2000 Từ đó nhận thấy qua 4 mùa xuân – hạ – thu – đông trong năm nhìn chung nồng độ xon khí BC từ tháng 11 đến tháng 3 năm sau lớn hơn nhiều so với từ tháng 5 – 9 Phân bố không gian của nồng độ BC cũng cho thấy các khu vực BC lớn nằm trên các vùng lục địa Ấn Độ và Đông Trung Quốc Đây là những khu vực đông dân cư, và kinh tế phát triển mạnh, nồng độ BC ở đây lớn có

Hình 3.4 Nồng độ carbon đen (mg/m2) trung bình tháng từ tháng 1 đến tháng12 giai đoạn 1991 – 2000 (tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới)

Để đánh giá chi tiết hơn về phân bố nồng độ BC, sau đây sẽ phân tích 4 tháng đại diện cho bốn mùa, đó là tháng 1 (mùa đông) cũng là tháng có nồng độ carbon đen lớn nhất trong năm, tháng 7 (mùa hè) với có nồng độ carbon đen nhỏ nhất, và hai tháng chuyển tiếp là tháng 4 và tháng 10 đại diện cho mùa xuân và mùa thu có giá trị nồng độ BC trung bình Hình 3.5 là các bản đồ phân bố nồng độ carbon và độ dày quang học của các tháng tương ứng nói trên Nhìn chung nồng độ

BC lớn nhất ở lục địa của Ấn Độ, Tứ Xuyên Trung Quốc, Đông Bắc, vùng biển Đông Trung Quốc, bán đảo Triều Tiên

Vào mùa khô, tháng 1 nồng độ BC lớn nhất trong năm, với cực đại đại trên lục địa Ấn Độ, khu vực Tứ Xuyên, Sơn Tây, Sơn Đông, Hà Bắc Trung Quốc đạt giá

37

trị khoảng 5 – 8 mg/m2, đây là những khu vực công nghiệp phát triển, do vậy lượng

BC phát thải vào khí quyển lớn (Zhang ccs., 2013) [29] Tại Việt Nam giá trị cực đại khoảng 2 – 2.5 mg/m2 ở phía Bắc, và giảm dần về phía Nam Có thể nhận thấy vào thời điểm này, nồng độ xon khí BC lớn và phân bố của nó mở rộng xuống phía Nam, bao phủ gần như hoàn toàn lãnh thổ Việt Nam Điều này có thể được lý giải bởi đây là thời điểm hoạt động mạnh của gió mùa Đông Bắc, xon khí BC theo hướng gió được vận chuyển xuống các vĩ độ thấp Vào tháng 7 là mùa mưa trên khu vực, các hạt BC ngấm nước nặng và rơi xuống bề mặt, do vậy nồng độ BC nhỏ nhất trong năm Ở miền Bắc Việt Nam giá trị BC khoảng 1mg/m2, miền Trung và miền Nam khoảng 0.5mg/m2 Giá trị cực đại trên lục địa Ấn Độ, Tứ Xuyên và Đông Trung Quốc khoảng 1.5 – 2mg/m2

Vào tháng 4 và tháng 10 là hai tháng chuyển tiếp từ mùa khô sang mùa mưa

và từ mùa mưa sang mùa khô Trên lục địa Ấn Độ, vào tháng 4, nồng độ BC đạt giá trị khoảng 5 mg/m2 lớn hơn so với tháng 10 Đối với khu vực Đông Trung Quốc, dường như nồng độ BC vào tháng 10 lại lớn hơn tháng 4, nguyên nhân có thể phụ thuộc lượng mưa tại hai khu vực vào hai thời điểm trong năm Nồng độ BC ở hai tháng này ở các khu vực còn lại có giá trị gần như tương đương nhau, khu vực Tứ Xuyên, biển Đông Trung Hoa, bán đảo Triều Tiên với giá trị khoảng 2.5 – 3 mg/m2, vùng trung tâm, Đông Nam Trung Quốc với giá trị BC khoảng 2 mg/m2 Trên khu vực Việt Nam, nồng độ BC khoảng 1 – 1.5 mg/m2 ở miền Bắc, miền Trung và miền Nam giá trị khoảng 0.5 – 1 mg/m2 Phân bố của BC mở rộng hơn xuống phía Nam khu vực so với mùa hè, thu hẹp hơn so với mùa Đông, phân bố này phụ thuộc vào hướng gió trên khu vực, tháng 4 là tháng kết thúc gió mùa mùa Đông, bắt đầu chuyển sang mùa gió mùa mùa hè, còn tháng 10 thì ngược lại