Nghiên cứu một số phương trình toán trong mô hình biến đổi khí hậu

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Nguyễn Đại Bình Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08-09-1982 Nơi sinh: Tiền Giang · Nghiên cứu một số phương trình toán trong mô hình tích hợ

Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TSKH Bùi Tá Long

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 1:

………

………

………

Cán bộ chấm nhận xét 2:

………

………

………

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại HỘI ĐỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày tháng năm

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHIÃ VIỆT NAM

KHOA TOÁN ỨNG DỤNG Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

-oOo -Tp HCM, ngày tháng năm

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: Nguyễn Đại Bình Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08-09-1982 Nơi sinh: Tiền Giang

· Nghiên cứu một số phương trình toán trong mô hình tích hợp đánh giá tác động phụ của khí nhà kính (IMAGE)

· Xây dựng giải thuật tìm điӇm cân bҵng cho bài toán tổng quát

· Đánh giá giải thuật, chạy kịch bản cụ thể và và minh họa bằng phần mềm IMAGE 2.2

3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 25/01/2010

5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS TSKH Bùi Tá Long

QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

PGS.TSKH Bùi Tá Long PGS TS Nguyễn Đình Huy

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể Thầy, Cô phòng Đào tạo sau Đại học, Bộ môn Toán Ứng Dụng- Khoa Khoa học ứng dụng- Trường Đại học Quốc gia Tp HCM đã tận tình dạy dỗ , truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt khoá học.

Tôi xin gửi lời cám ơn chân thành đến các bạn thuộc phòng Tin học Môi trường, Viện Môi trường và tài nguyên, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã giúp tôi rất nhiều trong khâu chỉnh sửa trình bày luận văn

Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, những người thân yêu nhất,

đã luôn khích lệ và giúp đỡ tôi trong suốt thời gian học tập vừa qua

Cuối cùng tôi xin gởi lời cảm ơn đến tập thể lớp K2007 lớp cao học Toán ứng dụng- những người bạn yêu quí đã luôn đồng hà nh, giúp đỡ và chia sẽ khó khăn cùng tôi trong suốt quá trình học tập

Nguyễn Đại Bình

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG iv

DANH MỤC HÌNH v

TÓM TẮT… vi

MỞ ĐẦU… .1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 4

1.1 Các định nghĩa và khái niệm 6

1.1.1 Mô hình IMAGE (90) 6

1.1.2 Các khái niệm liên quan 8

1.1.3 Phương trình toán của các môđun con trong mô hình IMAGE (90) 10

1.2 Các nghiên cứu ngoài nước 21

1.3 Các nghiên cứu trong nước 21

1.3.1 Các kịch bản BĐKH cho Việt nam đã được xây dựng bao gồm: 21

1.3.2 Tiêu chí để lựa chọn các kịch bản BĐKH cho Việt nam 22

1.3.3 Một số ứng dụng tính toán BĐKH cho Việt nam giai đoạn 2010 – 2100 24 CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG TRÌNH TỔNG QUÁT TRONG MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU IMAGE……… 27

2.1 Phương trình trạng thái 27

2.2 Phân tích cấu trúc mô hình IMAGE 31

2.3 Tóm tắt và đánh giá giải thuật 40

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG MÔ HÌNH IMAGE CHẠY CHO MỘT SỐ KỊCH BẢN 42

3.1 Cấu trúc của mô hình biến đổi khí hậu IMAGE 2.2 42

3.2 Mô tả các nhóm dữ liệu trong mô hình IMAGE 2.2 44

3.3 Giới thiệu các kịch bản biến đổi khí hậu: 48

3.4 Kết quả chạy chương trình IMAGE 2.2 SRES 51

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 64

Tài liệu tham khảo 66

Phụ lục…… 1

Bảng 1-1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

NGO Tổ chức phi chính phủ

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1-1 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ii

Bảng 1-1 Mức tăng nhiệt độ trung bình (0C) 23

Bảng 1-2 Mức tăng nhiệt độ trung bình (0C) 23

Bảng 3-1 Mô tả dữ liệu của mô hình kinh tế thế giới 44

Bảng 3-2 Mô tả dữ liệu mô hình thảm thực vật trên mặt đất 44

Bảng 3-3 Mô tả dữ liệu mô hình kinh tế nông nghiệp 44

Bảng 3-4 Mô tả dữ liệu mô hình thực vật 45

Bảng 3-5 Mô tả dữ liệu mô hình phát thải khí CO2 do sử dụng đất 45

Bảng 3-6 Mô tả dữ liệu cho mô hình cung cầu năng lượng 46

Bảng 3-7 Mô tả dữ liệu cho mô hình phát thải khí do công nghiệp và sử dụng năng lượng 46

Bảng 3-8 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đất 47

Bảng 3-9 Mô tả dữ liệu cho mô hình cacbon trong đại dương 47

Bảng 3-10 Mô tả dữ liệu cho mô hình các hóa chất trong khí quyển 47

Bảng 3-11 Mô tả dữ liệu cho mô hình khí hậu 48

Bảng 3-12 Mô tả dữ liệu cho mô hình hệ thống định vị toàn cầu 48

Bảng 3-13 Mô tả dữ liệu cho mô hình thoái hóa đất 48

Bảng 3-14 Mô tả dữ liệu cho mô hình tăng mực nước biển 48

Bảng 3-15 Mức tăng nhiệt độ trung bình năm (0C) so với thời kỳ 1980- 1999 theo kịch bản phát thải cao (A2) 62

Bảng 3-16 Mức thay đổi lượng mưa năm (%) (A2) 63

Bảng phụ lục 1 Các tham số và hàm phụ trợ 1

Bảng phụ lục 2 Các tham số xấp xỉ tuyến tính và phụ trợ trong môđun đất dùng của IMAGE 2

Bảng phụ lục 3 Những tham số xấp xỉ logic và tuyến tính trong môđun đất dùng của IMAGE 3

Bảng phụ lục 4 Đơn vị 4

Bảng phụ lục 5 Các hợp chất hóa học gây hiệu ứng nhà kính 6

Bảng phụ lục 6 Các đơn chất hóa học 7

DANH MỤC HÌNH

Hình 1-1 Sơ đồ của mô hình IMAGE (90) 6

Hình 1-2 Các khu vực trên thế giới 7

Hình 1-3 Sơ đồ mô hình IMAGE 2.4 21

Hình 2-1 Sơ đồ hệ thống rút gọn cho mô hình IMAGE 30

Hình 2-2 Mô hình khuếch tán dạng khối cho dòng CO2 trong đại dương 32

Hình 2-3 Sơ đồ hệ thống cho một trong sáu hệ sinh thái được dùng trong IMAGE 34 Hình 2-4 Sơ đồ hệ thống cho sự phân bố lại đất dùng 36

Hình 3-1 Sơ đồ mô hình IMAGE 2.2 đầy đủ 42

Hình 3-2 Sơ đồ mô hình IMAGE 2.2 rút gọn 43

Hình 3-3 Hình minh họa nội dung chính của các kịch bản BĐKH 49

Hình 3-4 Nồng độ CO2 trong khí quyển toàn cầu 52

Hình 3-5 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu 52

Hình 3-6 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu 53

Hình 3-7 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) 53

Hình 3-8 Nồng độ CO2 trong khí quyển toàn cầu 54

Hình 3-9 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu 54

Hình 3-10 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu 55

Hình 3-11 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) 55

Hình 3-12 Nồng độ CO2 trong khí quyển toàn cầu 56

Hình 3-13 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu 56

Hình 3-14 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu 57

Hình 3-15 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) 57

Hình 3-16 Nồng độ CO2 trong khí quyển toàn cầu 58

Hình 3-17 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu 58

Hình 3-18 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu 59

Hình 3-19 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) 59

Hình 3-20 Nồng độ CO2 trong khí quyển toàn cầu 60

Hình 3-21 Độ biến thiên nhiệt độ bề mặt toàn cầu 60

Hình 3-22 Độ dâng mực nước biển trung bình toàn cầu 61

Hình 3-23 Khoảng thay đổi nhiệt độ hàng năm (2010) 61

Hình 3-24 Lượng mưa hằng năm tính từ năm 1990 đến năm 2010 63

TÓM TẮT

Luận văn trình bày cơ sở toán học của mô hình đánh giá tác động của hiệu ứng nhà kính – mô hình IMAGE Các phương trình toán học được cho dưới dạng một hệ thống phương trình động lực thể hiện sự tham gia yếu tố con người như sự phát thải khí nhà kính và sử dụng đất Luận văn trình bày kết quả phân tích tính ổn định của hệ thống gồm nhiều phương trình phi tuyến và cho cái nhìn sâu sắc về các hiện tượng môi trường Các kỹ thuật toán học được dùng trong công trình này làphổ biến và hữu ích đối với những mô hình môi trường Thêm vào đó các phương pháp này có thể giúp các nhà toán học và đi vào những sự phân tích cấu trúc sâu hơn về mô hình IMAGE (90), những giả thuyết và kết luận của mô hình

This paper presents the mathematical formulation of a well-know model of enhanced greenhouse effect: the Dutch IMAGE model The formulation is in the form of a dynamical system with forcing term consisting primarily of human interference in the form of emissions of greenhouse gases and land use changes This demonstrate that a mathematical equilibrium stability analysis of this relatively large-scale nonlinear system is possible and yields useful insights into the underlying environmental phenomena The mathematical formualation and technique used can be viewed as quite generic and applicable to a wide range of environmental models In addition, our formulation should enable mathematicians and other scientists to begin a deeper structural analysis of the IMAGE(90) model, its assumptions, and conclusions

MỞ ĐẦUTính cấp thiết của luận văn

Biến đổi khí hậu (BĐKH) hiện nay đang trở thành vấn đề được sự quan tâm của nhiều quốc gia trên thế giới kể cả Việt nam bởi những biểu hiện và tác động của

nó ngày càng thể hiện rõ rệt và nghiêm trọng Đã có nhiều nghiên cứu tìm kiếm nguyên nhân, cơ chế tác động và đối tượng chịu tác động nhưng do sự chi phối của các yếu tố khu vực, lãnh thổ địa lý mà các tương tác và hậu quả của BĐKH rất phức tạp, từ đó nó trở thành vấn đề lớn có phạm vi tác động toàn cầu

Mô hình toán từ lâu đã trở thành vũ khí rất mạnh để nghiên cứu khoa học Một trong những ứng dụng quan trọng của mô hình số là kiểm tra độ chính xác và đầy đủ sự hiểu biết của luận văn về hiện tượng vật lý bằng con đường so sánh kết quả tính toán với các dữ liệu thực nghiệm

Trong một loạt trường hợp mô phỏng số có thể thay thế thực nghiệm nhưng thường thì chúng bổ sung cho nhau Tuy nhiên cần phải nhớ rằng, mô hình số là kết quả của phương pháp số và mô hình toán học và nhược điểm của phương pháp có thể xóa nhòa đi mọi ưu điểm của mô hình toán học Mặt khác, các phương pháp số hoàn thiện và chính xác hơn sẽ cho phép trong khuôn khổ các mô hình "cũ" phát hiện ra các hiệu ứng mới và các kết quả bất ngờ

Hiện nay các nghiên cứu ứng dụng mô hình toán trong nghiên cứu BĐ KH tại Việt nam còn hạn chế Có rất ít các nghiên cứu được thực hiện trong lĩnh vực này Chính vì vậy, luận văn được thực hiện nhằm hướng tới mục tiêu nghiên cứu mô hình toán học biến đổi khí hậu Đây là một nghiên cứu mới trong bài toán mô hình hóa môi trường Với việc sử dụng các phương pháp toán học trong bài toán BĐKH, công trình này hướng tới làm rõ cơ sở toán học một số mô hình toán học trong chương trình IMAGE được sử dụng rộng rãi trong bài toán biến đổi khí hậu IMAGE được phát triển như là mô hình mô phỏng dựa trên máy tính để đánh giá sự phát thải khí nhà kính toàn cầu từ quá khứ hiện tại đến tương lai và những thay đổi nhiệt độ của khu vực, sự tăng mực nước biển, và rất nhiều những biến đổi vật chất

xã hội khác

Tính cấp thiết của đề tài này là :

§ Hiện nay vấn đề môi trường được quan tâm hơn bao giờ hết, nghiên cứu ứng dụng toán trong bài toán môi trường không những cần thiết mà còn là nhiệm vụ của khoa học và công nghệ

§ Nhu cầu ứng dụng mô hình BĐKH có xu hướng tăng lên Tuy nhiên vấn

đề này ít xuất hiện trong các nghiên cứu của các nhà khoa học Việt nam

§ Cần thiết phải luận chứng cả về mặt lý luận lẫn thực tiễn bài toán xác định các yếu tố tác động đến khí hậu để làm cơ sở cho ứng dụng

Mục tiêu của luận văn :

Bước đầu tìm hiểu các phương trình toán học được sử dụng trong các mô hình biến đổi khí hậu toàn cầu

Nội dung công việc thực hiện:

Để đạt được mục tiêu trên, trong luận văn được thực hiện theo các nội dung sau :

· Tổng quan về mô hình biến đổi khí hậu

· Tìm hiểu các phương trình toán trong mô hình biến đổi khí hậu

· Nghiên cứu phương pháp xây dựng bài toán biến đổi khí hậu

· Đánh giá chất lượng của mô hình được đề xuất

Phạm vi giới hạn của đề tài:

Trong quá trình thực hiện, do giới hạn về thời gian và tài lực nên trong đề tài này có một số giới hạn sau đây :

Dùng phần mềm sẵn có để mô tả kết quả của phương trình toán đang nghiên cứu

Do đề tài mới và rộng lớn nên, phần ứng dụng cho Việt nam còn hạn chế Việc viết một kịch bản biến đổi khí hậu cần nhiều chuyên gia hợp tác, nên luận văn

sử dụng kịch bản của toàn cầu đã có sẵn

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Từ khi bắt đầu thời đại công nghiệp, nồng độ của CO2 và các khí nhà kính khác như CH4, N2O, các khí CFC đã và đang tăng lên một cách đáng kể Sự đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, thay đổi sử dụng đất và việc sử dụng các khí CFC là những nguyên nhân chính liên quan đến sự gia tăng nồng độ các khí nhà kính và sự phá huỷ tầng Ozôn Những khí này hoạt động bức xạ nhiệt, khi nồng độ tăng lên sẽ làm thay đổi đường đi của các tia sóng dài phát ra từ bề mặt trái đất vì thế dẫn đến

sự ấm lên toàn cầu: còn gọi là tác động phụ của khí nhà kính Mối quan tâm chủ yếu

là những hoạt động của con người đã vô tình làm thay đổi khí hậu toàn cầu trongthời gian dài qua tác động phụ của khí nhà kính này Rõ ràng, hiện tượng nhà kính

có tác động đáng kể đến hệ sinh thái và xã hội

Để nghiên cứu sự thay đổi khí hậu và các tác động của nó, Uỷ ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu đã được thành lập (IPCC), được sát nhập bởi Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO) và Chương trình Môi trường của Hoa k ì (UNEP) IPCC đặt trọng tâm vào việc sử dụng các mô hình mô phỏng động lực học hoặc phụ thuộc theo thời gian để tìm ra nguyên nhân và ảnh hưởng của biến đổi khí hậu Tích hợp những mô hình này vào hệ thống hỗ trợ ra quyết định đã giúp cho các nhà hoạch định chính sách ở IPCC và ở các nơi khác nhau trên thế giới có thể đánh giá tác động của một loạt lựa chọn chính sách và chiến lược khí hậu

IMAGE là một mô hình tích hợp để đánh giá ảnh hưởng của khí nhà kín h Bao gồm một hệ môđun tích hợp liên kết các mô hình con đơn giả n có liên quan với nhau, ví dụ chu trình cacbon, chu trình mêtan, chu trình nhiệt IMAGE cố gắng mô

tả những mối quan hệ chính giữa nguyên nhân và ảnh hưởng của hiện tượng biến đổi khí hậu Điểm mạnh của mô hình IMAGE đặt trên sự tích hợp và giao thoa của một số lượng lớn mô hình rút ra từ r ất nhiều phép toán khác nhau Nhìn chung, chỉ những mô hình tương đối đơn giản được dùng để mô t ả các tiến trình chính yếu, dù cach thiết kế môđun toàn cục cho phép thêm vào những mô hình phức tạp hơn Tuy nhiên, những khái niệm thiết kế của mô hình IMAGE thì trừu tượng, được định hướng theo sự tích hợp các tiến trình liên quan đến khí hậu để đưa ra những nhận

xét tổng quát, hơn là đi tìm kiếm những hiểu biết sâu sắc về các khía cạnh hẹp của các mô hình con đơn lẻ Mặc dù cách tiếp cận toàn diện thì hấp dẫn, nhưng đó là sự

mơ hồ duy nhất bởi vì một chuỗi những điều không chắc chắn được đưa ra khi kếtnối những mô hình con đơn lẻ mà mỗi mô hình này lại có những điều không rõ ràngcủa riêng nó Nói cách khác, mô hình tích hợp như IMAGE cho phép so sánh tầmquan trọng tương đối của những sự nghi ngờ riêng biệt này Tổng quát, IMAGE là công cụ dùng để giải thích hơn là dùng để dự đoán

IMAGE được phát triển như là mô hình mô phỏng dựa trên máy tính để đánh giá tác động của sự phát thải khí nhà kính trong quá khứ hiện tại và tương lai trên toàn cầu và sự thay đổi nhiệt độ từng khu vực, sự tăng mực nước biển, và tầm rộng lớn tính đa dạng của các biến đổi vật chất và xã hội Thời gian mô phỏng là 200 năm, từ 1900 đến 2100, giai đoạn từ 1900- 1985 được dùng để xác nhận tính đúng đắn của các dự báo Năm 1900 tượng trưng cho sự kết thúc của thời kì tiền công nghiệp và đóng vai trò là điểm khởi đầu của mô hình Vì là mô hình phỏng dựa trên máy tính nên thật không dễ phân tích để được trạng thái cân bҵng hoặc để chứng minh các tính chất ổn định Những vấn đề như vậy sẽ được giải quyết trong khuôn khổ lý thuyết toán học

Luận văn này sẽ tìm hiểu mô hình mô phỏng IMAGE (90) và trích xuất ra các cấu trúc toán học chủ yếu dưới dạng một hệ phương trình vi phân Sau đó hệphương trình này được giải để tìm điӇm cân bằng bӣi các hệ quả toán học Các tính chất ổn định gần điӇm cân bҵng cũng được tìm ra Thời gian tương ứng cho môhình toán học thay đổi theo dữ liệu vào, đó là sự phát thải khí, có được bằng cách xét các giá trị riêng của mô hình được tuyến tính hóa

Luận văn sẽ thảo luận một số vấn đề về mô hình IMAGE (90), đ ược phát hành vào cuối năm 1990 bởi Rotmans Mô hình đã và đang được cập nhật mỗi năm, hiện nay đã có phiên bản IMAGE 2.4 Những điều thay đổi và thêm vào trong các bản phát hành tiếp theo cũng có thể viết thành dạng toán học và đặt vào mạng lưới

hệ thống lý thuyết được xem xét dưới đây

Hầu hết các phép tính trong IMAGE được thực hiện trên mặt đấ với lưới chia

độ 0.50×0.50 kinh độ/ vĩ độ Bởi mặt đất chịu nhiều các tác động tiềm tàng của biến đổi khí hậu ( các tác động lên hệ sinh thái, n ông nghiệp, và lũ lụt ven biển) Hơn nữa thảm thực vật có liên hệ rất lớn với sự phát thải khí nhà kính theo các điều kiện môi trường và hoạt động của con người Còn có nhìu nguyên nhân khác để sử dụng thông tin của lưới chia độ Thứ nhất, các nhà hoạch định chính sách rất quan tâm đến các chính sách khu vực và quốc gia để nắm bắt sự thay đổi khí hậu Thứ hai, thông tin của lưới chia độ tạo điều kiện cho các phép toán trên mô hình dễ kiểm chứng hơn ví dụ như so sánh với các mô hình tổng hợp Tuy nhiên, không khả thi khi thực hiện các phép tính dựa trên lưới chia cho các mô hình kinh tế, bởi sự khó khăn trong việc xác định các nhân tố kinh tế và con người trên một quốc gia so với toàn bộ thế giới qua một thời gian dài vô tận Với những những nhận xét trên, mô hình IMAGE (90) chia thế giới thành 13 vùng (hình 1.2), dựa theo tính tương tự về kinh tế và địa lý

Hình 1-2 Các khu vực trên thế giới

Cách phân loại này cũng được sử dụng bởi IPCC, OECD, FAO, UN và IEA Tuy nhiên, IMAGE đòi hỏi các quốc gia trong một khu vực phải liền kề hoặc gần

Dữ liệu trong mô hình này được chia làm nhiều phần dựa theo cơ cấu tổ chức của mô hình được mô tả ở hình 1.1 Dữ liệu kinh tế Năng lượng/Công nghiệp và dữ liệu liên quan đến phát thải khí, dữ liệu môi trường đất và dữ liệu khí quyển/đại dương là những nhân tố dẫn dắt chủ đạo Dĩ nhiên, không phải tất cả các chủ đề đều được giải quyết một cách thỏa đáng Một vài dữ liệu bị sai lệch do các cuộc chiến tranh hoặc suy thoái kinh tế Mặc dù các nhà khoa học cố gắng tránh nội suy dữ liệuthô, nhưng đôi khi không thể tránh khỏi nhằm có được những chuỗi thời gian hợp lý.

1.1.2 Các khái niệm liên quan

Phân tích hệ thống- đó là một ngành ứng dụng nghiên cứu việc giải quyết

các vấn đề cụ thể xuất hiện trong quá trình thiết kế và phân tích các hệ thống kỹ thuật, sinh học, kinh tế… phức tạp

Mô tả toán học các hệ thống sinh học- cơ sở của mô hình hóa toán học các

quá trình có bản chất sinh học gồm khái niệm về hệ sinh học, về hệ thống mở trong

đó tất cả các định luật vật lý, hóa học đều đúng Hay nói cách khác, tất cả các nguyên tắc chọn lọc đúng đắn trong thế giới không có sự sống vẫn bảo vệ được tính đúng đắn của mình trong cả vật liệu sống

Mô hình hóa các hoạt động của con người- cơ sở của mọi mô hình về hoạt

động của con người là các định luật bảo toàn Các định luật bảo toàn này phải được trình bày bằng các thuật ngữ xác định những khía cạnh chính yếu nhất trong hoạt động của con người Khi mô tả các quá trình có bản chất xã hội, tình hình trở nên phức tạp Con người dự đoán các kết quả các tác động của chính mình, tổ chức các quá trình xử lý thông tin Tóm lại, đồng thời với việc mô tả các quá trình biến đổi chất, năng lượng, chuyển động, luận văn phải có mô hình thông tin

Các mô hình mô phỏng- khi nghiên cứu các hệ phức tạp luận văn thường gặp

phải sự thiếu hụt thông tin và vật liệu thí nghiệm cần thiết để tạo nên mô hình toán học của hiện tượng hay quá trình được nghiên cứu Vì vậy bên cạnh các mô hình toán học, trong phân tích hệ thống thường phải làm việc với mô hình mô phỏng -một biểu diễn chủ quan về vật thể được nghiên cứu, khái niệm này xuất hiện ở

người nghiên cứu dựa trên kinh nghiệm riêng, trực giác của họ, hệ thống liên hợp,…Khái niệm chủ quan này sinh ra các phương thức nghiên cứu, một tâm lý xác định mà luận văn gọi là các phương pháp phân tích hệ thống, và chúng được trình bày trong rất nhiều tài liệu.

Các mô hình của các quá trình toàn cầu- các quá trình này là một tổ hợp

phức tạp của các quá trình, không chỉ của sự tiến hóa tự nhiên của sinh quyển mà còn là hoạt động của con người, và cường độ của nó trong những thập niên gần đây

đã trở nên ngang bằng với các cường độ của quá trình tự nhiên Có nghĩa là nhà nghiên cứu phải xây dựng động lực của thế giới vật liệu trơ và sinh học về một mối Trong các mô hình tiến hóa của khí hậu, vòng tuần hoàn của các chất, sự thay đổi của quần thể sinh học phải có chứa mô hình của hoạt động con người Sự phức tạp hóa vấn đề như vậy chứa ẩn cả các khả năng đơn giản hóa, tham số hóa nhất định

Chiến thuật của những nghiên cứu tìm tòi - xây dựng các khối sinh học hoàn

thiện và kết hợp chúng với sự tham số hóa sơ bộ các khối còn lại của hệ Nghiên cứu được bắt đầu bằng nghiên cứu về ảnh hưởng tương tác của quần thể sinh học, khí hậu và kinh tế Các nghiên cứu này có thể chưa đưa ra các kết quả tin cậy cho việc dự đoán nhưng có thể cung cấp thông tin cần thiết để hiểu được khuynh hướng

và lớp các đại lượng được nghiên cứu Tóm lại, những giả thuyết ban đầu của mô hình thậm chí có thể là công cụ hiệu quả của việc nghiên cứu khoa học

Sinh quyển- gồm có: “chất sống”, “chất sinh học” tức là các sản phẩm

khoáng hữu cơ hay hữu được tạo thành bởi chất sống ( than đá, than bùn, lớp lót, đất mùn,…), “chất trơ sinh học” tức các chất được tạo thành bởi các sinh vật sống cùng với bản chất không sống ( nước, khí quyển, các loại trầm tích,…)

Sự tiến hóa cấu trúc của sinh quyển- sinh quyển là hợp phần quan trọng nhất

của sự sống trên trái đất như các hành tinh, màn năng lượng giữa trái đất và vũ trụ

và vũ trụ biến đổi một phần năng lượng vũ trụ nhất định, chủ yếu là năng lượng mặt trời đi đến trái đất thành hợp chất hữu cơ cao phân tử rất có giá trị với vật chất sống Cấu trúc của sinh quyển bao gồm khí quyển và thủy quyển, đất, tự dưỡng (thực vật)

các sinh vật tự dưỡng, đất…Trong sinh quyển, phân biệt các lục địa và đại dương

và các thành phần này lại tiếp tục lần lượt phân chia thành những đơn vị nhỏ hơn (các vùng thiên nhiên, các phong cảnh, quần lạc, quần xã,…) Sự tiến hóa của sinh quyển chỉ có thể đi theo đường phức tạp hóa cấu trúc của chất sống Đặc biệt như gia tăng số các dạng (ngày nay trên trái đất có khoảng 3 triệu chủng loại)

1.1.3 Phương trình toán của các môđun con trong mô hình IMAGE (90)

1.1.3.1 Mô hình đại dương

Mô hình đại dương được cho bởi 12 phương trình:

Các tham số d1, ,d12và v1, ,v12 biểu diễn cho độ sâu và độ đậm đặc của các

khối đại dương Những tham số khác bao gồm m là khối lượng dòng chảy trong đại

dương,m là sự khuyếch tán theo phương đứng của CO2, tc, tt là thời gian một chu

kì của khối bề mặt nhiệt đới và hàn đới

Sử dụng phương trình Revelle thể hiện sự cân bằng của nồng độ cacbon x c, x ttrong các lớp bề mặt đại dương Cụ thể là

c c

q

t t

-+

-+

-+ - - 11

11 11 12 12

Với prec biểu diễn tốc độ kết tủa của cac bon trong đại dương.

Phương trình cho CO2 trong khí quyển cho bởi:

LF , j =1, , 49định nghĩa thời gian tồn tại của cacbon trong vùng chứa cacbon z j

j

HF , j =1, , 7 là hệ số ẩm hóa của cacbon trong hệ sinh thái thứ j CFL là phần

cacbon hóa rác và các thư tương tự trong hệ sinh thái CFB j, j =1,2,3 là phần

cacbon hoá đối với lá cây là j = 1, cành cây là j = 2, thân cây là j = 3 trong tất cả các

hệ sinh thái Đại lượng dp j,sj,S ij được định nghĩa ở Bảng phụ lục 3 và Bảng phụ lục 4

1.1.3.3 Mô hình sinh quyển

Mô hình sinh quyển gồm 49 phương trình cho bởi:

i i j j

Các biến trạng thái s s= 7( )i- +1 j có 21 phần tử biểu diễn sự phân bố diện tích

đất cho các hệ sinh thái với j = 1,…, 7, cho các lục địa với i = 1, 2, 3, trong đó i = 1

là Châu Phi, i = 2 là Bắc Mĩ , i = 3 là Đông Nam Á Các mẫu đất dùng còn lại trên

trái đất được giả sử là ổn định và không thay đổi

Đặt dj = +sj sj+7+sj+14, j =1, , 7với d( )t là vectơ 7×1 biểu các diện đất Châu Phi, Bắc Mĩ và Đông Nam Á phân phối vào bảy hệ sinh thái

Nhắc lại Slj( )t là diện tích đất (hecta) chuyển đổi từ hệ sinh thái l sang hệ sinh thái j trong thời gian [t, t+1], với l = 1,…,7 và j = 1,…,7

Đặt S=( )Slj là ma trận chuyển cấp 7×7 biểu diễn sự biến đổi đất dùng Thì (t 1) ( )t ( ) [1 1 1 1 1 1 1]T

Bởi vì việc sử dụng đất của các lục địa độc lập với nhau, cho nên tiếp theo đây đất có thể chia thành 3 nhóm, chỉ khác nhau qua các hằng số của mô hình.

Nếu định nghĩa s7( )i- + 1 j là sij thì các phương trình đất dùng như sau:

( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )

12

Các hàm số và tham số bổ trợ được giải thích dưới đây L i n, ( )t được định

nghĩa một hàm tuyến tính đi qua các điểm 1985, s,

đất Luận văn cũng sẽ dùng H(x) để định nghĩa hàm bậc thang Heaviside và f x i( ),

i

c

=Những hàm được cho bên dưới đây mô tả các quá trình ra quyết định Chúng

bao gồm các biến trạng thái s và thiết lập một phần của N s

1.1.3.6 Mô hình nhiệt độ đại dương

Mô hình mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ của đại dương bên dưới lớp hỗn tạp được mô tả bởi phương trình sau:

=

D

Với K là hệ số khuếch tán nhiệt độ của đại dương, và Dz là bước chia

1.1.3.7 Mô hình lớp pha trộn nhiệt của đại dương

Phương trình mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ lớp pha trộn của đại dương là

độ cao của lớp nước biển pha trộn.

1.1.3.8 Mô hình các chất khí khác trong khí quyển

Mô hình các chất khí khác CO2 trong khí quyển được viết như sau:

( )U w 1 =0 046 Emw ; U1 ( )w 6 =DEmw ; U6 ( )w 11=1 363. e-4Emw1

( )U w 2 =0 049 Emw ; U2 ( )w 7 =DEmw ; U7 ( )w 12 =1 761. e-4Emw2

e

ll

EmCO là lượng phát thải khí CO, EmOH là lượng phát thải khí chứa nhóm

OH, n = 1,…,5 là phát thải Fic khí CFC, DEmwn , n = 5,…, 10 là phát thải khí trể

Fic NKt CFC Các phát thải này được tính bằng hàm số theo thời gian và thay đổi theo chính sách được đề xuất để kiểm soát các khí CFC theo cách đặc biệt, ví dụcông ước Montreal

Theo các công thức trên giả sử sự phát thải khí mê tan từ sự phân hủy kỵ khí

ở vùng đất đầm lầy phụ thuộc vào sự tăng nhiệt độ tương đương Nếu những phát thải khí này phụ thuộc vào nhiệt độ của lớp pha trộn đại dương thì một công thức

toán đơn giản hơn được tìm ra, vì lúc đó thì Nv, Uv không cần vào trong biểu thức

w

N , U w

1.2 Các nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, Cơ quan đánh giá môi trường Hà lan đã cập nhật lên phiên bảnIMAGE 2.4, các tài liệu liên quan đã có trên trang web

http://www.pbl.nl/en/themasites/images/index.html

Hình 1-3 Sơ đồ mô hình IMAGE 2.4

1.3 Các nghiên cứu trong nước

1.3.1 Các kịch bản BĐKH cho Việt nam đã được xây dựng bao gồm:

- Kịch bản BĐKH năm 1994 (1994 – Nguồn: Báo cáo về BĐKH ở Châu á của Ngân hàng phát triển Châu á)

- Thông báo đầu tiên của Việt nam cho công ước khung của Liên hợp quốc

về BĐKH (2003, Nguồn: Viện KHKTTV&MT, TBGQ1)

- Ứng dụng phương pháp nhân tố (2002, 2003 – Nguồn: Đại học Đông Anh, M.Kelly, Trần Việt Liễn, Nguyễn Hữu Ninh)

- Ứng dụng phần mềm MAGICC/SCENGEN 4.1 và phương pháp Downscaling thống kê (2005, 2006 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Việt Liễn,…)

- Kịch bản BĐKH trong dự thảo Thông báo lần hai của Việt nam cho công ước khung của Liên hợp quốc về BĐKH (2007 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Nguyễn Văn Thắng, Hoàng Đức Cường, Trần Việt Liễn,…)

- Ứng dụng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3 và phương pháp Downscaling thống kê (2008 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Thị Thảo, Nguyễn Thị Ngà,…)

- Các kịch bản BĐKH khác theo phương pháp MAGICC/SCENGEN ( 2007,

2008 – Nguồn: Viện KHKTTV&MT, Hoàng Đức Cường, Trần Đức Cường,…)

- Mô hình PRECIS (2008 – Nguồn: SEASTART, Hadley, Viện KHKTTV&MT

1.3.2 Tiêu chí để lựa chọn các kịch bản BĐKH cho Việt nam

- Mức độ tin cậy của kịch bản BĐKH gốc: GCM, phương pháp tổ hợp

- Mức độ chi tiết của kịch bản BĐKH: ít nhất đến vùng khí hậu

- Tính kế thừa: Thông báo quốc gia lần thứ nhất về BĐKH, dự thảo Thông báo quốc gia lần thứ hai về BĐKH,…

- Tính thời sự kịch bản: càng gần đây càng tốt, ưu tiên các kịch bản đã sử dụng số liệu của AR4/IPCC năm 2007

- Tính phù hợp địa phương: phù hợp với diễn biến khí hậu (nhiệt độ, lượng mưa) ở Việt nam

- Tính đầy đủ của các kịch bản: có các kịch bản cao, trung bình, thấp ứng với các kịch bản phát thải khí nhà kính

- Khả năng cập nhật kịch bản BĐKH: ở Việt nam có thể chủ động vận hành

mô hình, phần mềm, có mã nguồn, khả năng cập nhật số liệu,…

Trên cơ sở phân tích các tiêu chí trên đây đối với các kịch bản BĐKH đã trình bày ở trên chúng tôi lựa chọn các kịch bản BĐKH cho Việt nam được xây dựng bằng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3 với ứng dụng phương pháp Downscaling thống kê

Hai kịch bản phát thải khí nhà kính được chọn là kịch bản trung bình của nhóm các kịch bản phát thải cao (A2) và kịch bản trung bình của nhóm các kịch bản phát thải vừa (B2)

Trên các Bảng 1.1 và Bảng 1.2 là ví dụ về các kịch bản biến đổi nhiệt độ ở vùng khí hậu Tây Bắc và Nam Bộ được xây dựng bằng phần mềm MAGICC/SCENGEN 5.3

Bảng 1-1 Mức tăng nhiệt độ trung bình ( 0 C)

Các mốc thời gian của thế kỷ 21Kịch

Các mốc thời gian của thế kỷ 21Kịch

1.3.3 Một số ứng dụng tính toán BĐKH cho Việt nam giai đoạn 2010 – 2100.

a) Phần mềm MAGICC/SCENGEN

MAGICC là một trong những mô hình chính được IPCC sử dụng từ những năm 1990 để dự báo nhiệt độ trung bình toàn cầu và mực nước biển dâng trong tương lai Cho đến nay phần mềm MAGICC/SCENGEN đã được nghiên cứu và phát triển qua ba phiên bản: Version 2.4 được sử dụng IPCC_SAR năm 2000, Version 4.1 trong IPCC_TAR với độ phân giải 50 ×50 độ kinh vĩ năm 2005, Version 5.3 trong IPCC_AR4 với độ phân giải 2.50×2.50 kinh vĩ năm 2007

MAGICC – Mô hình đánh giá khí nhà kính gây ra biến đổi khí hậu (Model for

Assesment of Greenhouse Gas Induced Climate Change) là tổ hợp các mô hình về chu trình khí, về khí hậu và tan băng, cho phép ước lượng được nhiệt độ trung bình toàn cầu và các hệ quả về nước biển dâng theo những phương án phá t thải khác nhau của khí nhà kính và sol khí (chủ yếu là sunfur dioxide) MAGICC do cơ quan Nghiên cứu Khí hậu- CRU của Anh và Trung tâm quốc gia Nghiên cứu Khí quyển-NCAR của Mỹ phát triển, trong đó hai tác giả chính là T.Wigley và S.Raper CRU

và NCAR là hai đơn vị chính cung cấp kết quả cho IPCC

SCENGEN- Mô hình tạo các kịch bản khí hậu vùng (A Regional Climate

Scenario Generator) là mô hình tạo ra một loạt các kịch bản BĐKH theo vùng địa

lý, trên cơ sở sử dụng kết hợp kết quả của MAGICC và một loạt thực nghiệm các

mô hình hoàn lưu chung (GCM), mô hình kép đại dương - khí quyển toàn cầu (AOGCM), liên kết chúng với số liệu quan trắc khí hậu vùng đã tạo ra các kết quả rất đa dạng về BĐKH cho các vùng, vào các thời kỳ khác nhau của thế kỷ 21 Thời

kỳ chuẩn được dung trong mô hình này là 1961- 1990 Kết quả của SCENGEN được thể hiện theo lưới phổ biến của các bài toán số trị là 2.50×2.50 độ kinh vĩ IPCC đã khuyến cáo việc sử dụng MAGICC/SCENGEN như là một công cụ có hiệu quả hỗ trợ cho các quốc gia, các vùng lãnh thổ xây dựng các kịch bản BĐKH phù hợp với điều kiện địa phương mình

Khi đã chọn được hai kịch bản được đưa vào, người sử dụng có thể lựa chọn cách khác liên quan đến tham số của mô hình mà các tham số đó ảnh hưởng đến thành phần khí quyển và khí hậu trung bình toàn cầu trong tương lai Tiếp theo luận văn phải chọn mô hình chu trình khí quyển để chuyển lượng phát thải thành nồng

độ của các chất phát thải (hoặc thành phần sol khí, để chuyển lượng phát thải thành nồng độ của các chất phát thải (hoặc thành phần sol khí, hoặc trực tiếp thành lượng bức xạ bổ xung) Nồng độ các khí nhà kính sau khi đã được chuyển, sử dụng công thức chuẩn để tính lượng bức xạ và tổng lượng bức xạ được dùng để chạy một mô hình khí hậu cơ bản: mô hình cân bằng năng lượng và mô hình nước trồi Số liệu nhiệt độ trung bình toàn cầu dùng để chạy ba mô hình tan băng cho các sông băng

và các lớp phủ băng nhỏ, Greenland, Nam cực Khi thêm vào đó giới hạn giãn nỡ vì nhiệt của nước và băng để đưa ra tổng mực nước biển dâng

SCENGEN khi biến đổi một trong số các dự báo nhiệt độ trung bình toàn cầu của UD EBM, với bản đồ biểu diễn khí hậu tương lai của một vùng một cách chi tiết cho tập hợp của các biến khác nhau như nhiệt độ, lượng mưa,…Thuật toán được

sử dụng trong SCENGEN được phát triển bởi các báo cáo sau năm 1980 của các tác giả và được mô tả trong Santer et al (1990) Phương pháp đó gọi là phương pháp

“scaling”, dựa trên cơ sở sự thay đổi quan trọng của tổng thể hay chính là trung bình toàn cầu Điều đó có nghĩa là, luận văn có thể đưa ra hướng thay đổi chính của

mô hình vùng trong tương lai trong khoảng thời gian khá dài từ mô hình toàn cầu GCM (General Circulation Model) và tương ứng sự nóng lên toàn cầu D , scale T e

đơn giản được xác định bởi tỷ số

e

T T

D

D để có được sự thay đổi của mô hình vùng về

mặt lượng TD là lớn hay nhỏ hơn tương ứng với nóng lên của trung bình toàn cầu

Trong đó X- vectơ gồm một số biến liên quan tới khí hậu như nhiệt độ, lượng mưa, áp suất, i- chỉ vị trí của điểm lưới; D - sự thay đổi so với giai đoạn chuẩn (trong MAGICC/SCENGEN là từ 1961- 1990);DX i t( )- sự thay đổi của biến X tại điểm lưới I tại thời điểm t; DX e i, - sự thay đổi của biến X ở điểm lưới I ứng với sự thay đổi của nhiệt độ trung bình toàn cầu D được lấy từ GCM; T e DT( )t - sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu tại thời điểm t trong tương lai được lấy từ đầu ra của MAGICC.

b) Mô hình PRECIS

PRECIS (Providing Regional Climates for Impacts Studies) là mô hình động lực khí hậu khu vực, cơ bản được xây dựng bởi trung tâm Nghiên cứu Khí hậu Toàn cầu Hadley và được chạy trên máy tính cá nhân (PC) nhằm phục vụ việc xây dựng các kịch bản BĐKH cho khu vực nhỏ Tiền thân của mô hình PRECIS là mô hình HadRM3P xây dựng từ năm 1991 được phát triển, cải tiến kỹ thuật để dự báo biến đổi khí hậu

Mô hình PRECIS đã được ứng dụng rộng rãi trên thế giới để xây dựng kịch bản BĐKH cho từng khu vực và từng quốc gia, cụ thể như sau:

- Trước hết là tại Anh quốc, đặc biệt tại trung tâm Hadley và đại học READING

- Liên hiệp quốc: xây dựng kịch bản BĐKH độ phân giải cao sử dụng PRECIS cho một số khu vực và quốc gia trên thế giới;

- Ứng dụng mô hình PRECIS nhằm xây dựng các kich bản BĐKH cho các quốc gia thuộc khu vực Đông nam á trong khuôn khổ chương trình SEASTART

- Ứng dụng mô hình PRECIS nhằm xây dựng kịch bản BĐKH cho tài nguyên nước lưu vực sông Mê- Kông

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU PHƯƠNG TRÌNH TỔNG QUÁT TRONG

MÔ HÌNH BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU TOÀN CẦU IMAGE 2.1 Phương trình trạng thái

Đầu tiên luận văn định nghĩa biến trạng thái C( )t là khối vectơ chứa các khối biến sau :

trong bảy hệ sinh thái, (ha)

s = sj+ , j = , , diện tích các vùng đất ở Nam Mĩ, tương ứng với bảy

hệ sinh thái, (ha)

bảy hệ sinh thái, (ha)

Vectơ biến trạng thái X(t)- với t là thời gian cho toàn bộ hệ thống- chứa các

đại lượng trên và các thành phần của véctơ cũng theo thứ tự trên với 151 phần tử, được thành lập bởi :

đầu của biến trạng thái X( )t

Do đó: A A = IJ ; I J, =x, , z,s,u, , wy v

Với ma trận con AIJ lấy từ X Với AI z J s= , = là ma trận con cấp 49×21 liên hệ các tác động tuyến tính giữa các diện tích đất có những hệ sinh thái khác nhau với lượng cacbon trong các hệ sinh thái này

Hàm vectơ N X( ( )t )151 1x là hàm véctơ phi tuyến tính với các biến trạng thái.( )t 151 1x

U là hàm véctơ theo thời gian, biểu thị điều kiện- ví dụ như sự phát thải các loại khí cũng là hàm theo thời gian- cũng chứa nhiều hằng số

Véc tơ:N N , U U ,I x, , z,s,u, , w= I = I = y v có cùng cấu trúc như X Ma trận

thành phần AI J, và vectơ con N , U I I mô tả các phép toán của các môđun thành phần của IMAGE và sự tương tác giữa các biến, thường gọi là hiện tượng hồi tiếp

(feedback) Chú ý rằng có một số tương tác không xảy ra, ví dụ lượng cacbon của

khu vực đại dương, x, và vùng đất trong các hệ sinh thái, s, thì không liên kết trực tiếp với nhau, vì thế một phần A, N, U là số không Thực ra có một mức độ thưa

thớt trong hệ phương trình Để rõ ràng hơn, luận văn biểu diễn (1) dưới dạng ma trận

x y

s

v w

Điều kiện đầu lấy giá trị tại năm 1990, được xem là thời gian kết thúc thời kì tiền công nghiệp

Một hệ sơ đồ rút gọn của mô hình IMAGE được cho dưới đây, chứa các biến trạng thái và các tiến trình chính mô tả các tương tác chủ yếu giữa các biến trạng thái then chốt Sau đây, tiến trình đánh dấu m trong hình n dùng chú thích là (m:n)