LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC SOL KHÍ SUNFAT, CACBON ĐEN VÀ CACBON HỮU CƠ ẢNH HƯỞNG TỚI NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA KHU VỰC 1 LỜI CẢM ƠN Trước tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy hướng dẫn luận văn của tôi, Tiến sĩ Nguyễn Văn Thắng, đã tạo mọi điều kiện, động viên và giúp đỡ tôi hoàn thành tốt luận văn này. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới phó giáo sư, Tiến sĩ Phan Văn Tân. Trong suốt quá trình nghiên cứu, thầy đã kiên nhẫn hướng dẫn, trợ giúp và động viên tôi rất nhiều. Sự hiểu biết sâu sắc về khoa học, cũng như kinh nghiệm của thầy chính là tiền đề giúp tôi đạt được những thành tựu và kinh nghiệm quý báu. Tôi xin cảm ơn Tiến sĩ Hồ Minh Hà, Tiến sĩ Bùi Hoàng Hải và người bạn Lương Mạnh Thắng đã quan tâm, giúp đỡ, thảo luận và đưa ra những chỉ dẫn, đề nghị cho luận văn của tôi. Xin cám ơn Khoa Khí tượng Thủy văn và Hải dương học, Phòng sau đại học, Trường đại học Khoa học Tự Nhiên đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi làm việc trên khoa để tiến hành tốt luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn bạn bè và gia đình đã luôn bên tôi, cổ vũ và động viên tôi những lúc khó khăn để có thể vượt qua và hoàn thành tốt luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn! 2 MỤC LỤC MỤC LỤC 2 MỤC LỤC BẢNG 4 MỤC LỤC HÌNH 5 MỞ ĐẦU 8 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM 9 1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ 9 1.1.1. Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất 11 1.1.1.1. Sol khí núi lửa 11 1.1.1.2. Bụi sa mạc 12 1.1.1.3. Sol khí tạo bởi con người 13 1.1.2. Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất 13 1.1.2.1. Tác động của sol khí lên nhiệt độ bề mặt 15 1.1.2.2. Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy 16 1.1.2.3. Tác động của sol khí lên Albedo bề mặt và năng lượng bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất 23 1.1.2.4. Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển 25 1.2. TỔNG QUAN VỀ MÔ HÌNH RegCM3 26 1.2.1. Giới thiệu về mô hình RegCM3 26 1.2.2. Lịch sử của RegCM 28 1.2.3. Động lực học 32 1.2.3.1. Phương trình động lượng phương ngang 32 1.2.3.2. Phương trình liên tục và phương trình .  33 1.2.3.3. Phương trình nhiệt động lực và phương trình Omega(  ) 33 1.2.3.4. Phương trình thủy tĩnh 34 1.2.4. Các sơ đồ vật lí 34 1.2.4.1. Sơ đồ bức xạ 34 1.2.4.2. Mô hình bề mặt đất 35 1.2.4.3. Lớp biên hành tinh 36 1.2.4.4. Sơ đồ giáng thủy đối lưu 37 1.2.4.5. Sơ đồ giáng thủy qui mô lớn 37 1.2.4.6. Tham số hóa thông lượng đại dương 38 1.2.4.7. Sơ đồ Gradient khí áp 38 1.2.4.8. Mô hình hồ 38 3 1.2.4.9. Sinh quyển 39 1.2.4.10. Thể nước 40 1.2.4.11. Sol khí và hóa học khí quyển 40 1.2.4.12. Điều kiện ban đầu và điều kiện biên 41 1.3. MỤC TIÊU CHÍNH CỦA LUẬN VĂN 41 CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH VÀ THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 42 2.1. SOL KHÍ SULFAT VÀ CACBON TRONG MÔ HÌNH RegCM3 42 2.1.1. Phương trình tỉ lệ xáo trộn 42 2.1.2. Sol khí Sulfat 42 2.1.3. Sol khí Cacbon 47 2.1.4. Các điều kiện biên cho SOx và sol khí Cacbon 48 2.1.5. Tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí 49 2.1.5.1. Hấp thụ và Tác động bán trực tiếp của Cacbon đen 50 2.1.5.2. Tác động gián tiếp loại 1 51 2.1.5.3. Tác động gián tiếp loại 2 52 2.2. THU THẬP SỐ LIỆU ĐẦU VÀO CHO MÔ HÌNH RegCM 56 CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ TÍNH TOÁN VÀ PHÂN TÍCH 58 3.1. THIẾT KẾ THÍ NGHIỆM 58 3.2. LỰA CHỌN MIỀN TÍNH 58 3.3. KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM 60 3.3.1. Đánh giá khả năng mô phỏng của mô hình dự báo khí hậu khu vực RegCM3 60 3.3.2. Tác động của sol khí khí quyển của khu vực 61 3.3.2.1. Cán cân thuần bức xạ (Radiation Forcing) 61 3.3.2.2. Nhiệt độ và lượng mưa 68 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 81 4 MỤC LỤC BẢNG Bảng 1.a. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và hiệu ứng biến đổi thông lượng bức xạ tại đỉnh khí quyển 19 Bảng 1.1.b. Những tác động gián tiếp khác nhau của sol khí và ảnh hưởng của nó tới bức xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) và tới giáng thuỷ (cột 5 đến cột 7) 19 Bảng 2.1. Bốn trường hợp thử nghiệm trong mô hình dự báo khí hậu RegCM Error! Bookmark not defined. Bảng 3.1. Trung bình toàn miền cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển, bề mặt và khí quyển trong 4 tháng đặc trưng cho bốn mùa (Đơn vị: W/m2) 65 Bảng 3.2. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb (Đơn vị: phần trăm) 66 5 MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) 1 Hình 1.2. Sol khí núi lửa 1 Hình 1.3. Bụi sa mạc 1 Hình 1.4. Sol khí tạo bởi con người 1 Hình 1.5. Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi sol khí. 15 Hình 1.6. Tác động của mật độ hạt mây đến độ phản xạ của mây (albedo) 1 Hình 1.7. Mô tả những tác động khác nhau của sol khí đã được trình bày trong bảng 1 21 Hình 1.8. Lưới phương thẳng đứng của mô hình RegCM 30 Hình 1.9. Lưới ngang dạng xen kẽ dạng B - Arakawa - Lamb của mô hình 32 Hình 2.1. Sự biến đổi của P autocv , tốc độ tự động chuyển đổi 56 Hình 3.1. Miền tính khu vực Đông Nam Á 59 Hình 3.2. Mô hình mô mô phỏng nhiệt độ trung bình tháng và lượng mưa 60 trung bình toàn miền so với quan trắc 60 Hình 3.3. Mô hình mô phỏng lượng mưa trung bình toàn miền 61 so với quan trắc 61 Hình 3.4. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 62 Trong trường hợp sol khí SOx 62 Hình 3.5. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 62 Trong trường hợp sol khí SOx 62 Hình 3.6. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 62 Trong trường hợp sol khí SOx 62 Hình 3.7. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 63 Trong trường hợp sol khí BC 63 Hình 3.8. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 63 6 Trong trường hợp sol khí BC 63 Hình 3.9. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 63 Trong trường hợp sol khí BC 63 Hình 3.10. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại đỉnh khí quyển 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64 Hình 3.11. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ tại bề mặt 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64 Hình 3.12. Mô phỏng cán cân thuần bức xạ của khí quyển 64 Trong trường hợp sol khí hữu cơ 64 Hình 3.13. Trung bình lượng mây phủ ở mực dưới 750mb 67 Hình 3.14. Chênh lệch nhiệt độ và lượng mưa trung bình toàn miền của 3 trường hợp có tính đến tác động của sol khí so với trường hợp chuẩn, không tính đến sol khí a) nhiệt độ trung bình toàn miền ( 0 C), b) lượng mưa trung bình toàn miền (mm/tháng) 68 Hình 3.15a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lai Châu năm 2000 69 Hình 3.15b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Điện Biên năm 2000 70 Hình 3.15c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sơn La năm 2000 70 Hình 3.16a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Quang năm 2000 71 Hình 3.16b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Sa Pa năm 2000 71 Hình 3.16c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Cao Bằng năm 2000 72 Hình 3.16d. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Bắc Cạn năm 2000 72 Hình 3.16e. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Lạng Sơn năm 2000 72 Hình 3.16g. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Móng Cái năm 2000 73 Hình 3.17a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Hà Nội năm 2000 74 Hình 3.17b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Nam Định năm 2000 74 Hình 3.17c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Thanh Hóa năm 2000 74 Hình 3.18a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Vinh năm 2000 75 7 Hình 3.18b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của tỉnh Đồng Hới năm 2000 75 Hình 3.18c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa của Huế năm 2000 76 Hình 3.19a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Nẵng năm 2000 76 Hình 3.19b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Quy Nhơn năm 2000 77 Hình 3.20a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa PlayCu năm 2000 77 Hình 3.20b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Buôn Mê Thuột năm 2000 78 Hình 3.20c. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Đà Lạt năm 2000 78 Hình 3.21a. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Cần Thơ năm 2000 79 Hình 3.21b. Mô phỏng nhiệt độ và lượng mưa Ca Mau năm 2000 79 8 MỞ ĐẦU Ngày nay nghiên cứu các tác động ảnh hưởng tới khí hậu và biến đổi khí hậu là một trong những vấn đề quan trọng của khí tượng và ngày càng được nhiều nhà khoa học quan tâm. Nhiều nghiên cứu của các nhà khoa học đã chỉ ra rằng thành phần hóa học của khí quyển đã thay đổi và chúng có mối liên hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với các điều kiện thời tiết, khí hậu ở quy mô toàn cầu, khu vực. Sol khí là một trong 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 gây nên những biến đổi trong hệ thống thời tiết – khí hậu. Từ những tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu, gây biến đổi khí hậu, chúng ảnh hưởng gián tiếp tới các lĩnh vực kinh tế xã hội, môi trường. Vì những lý do nêu trên, Tổ chức Khí tượng thế giới (WMO) đã chọn chủ đề cho ngày khí tượng thế giới năm 2009 là “Thời tiết, khí hậu và không khí chúng ta đang thở”. Để đánh giá tác động của sol khí lên hệ thống khí hậu – thời tiết cho khu vực Đông Nam Á, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các sol khí Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu vực. 9 Hình 1.1. Núi lửa Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (1991) (theo thống kê của Mỹ 1995) CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ VÀ MÔ HÌNH RegCM 1.1. TỔNG QUAN VỀ SOL KHÍ Sol khí là các phần tử nhỏ lơ lửng trong khí quyển. Chúng ta có thể nhận thấy sự hiện diện của sol khí khi chúng đủ lớn thông qua sự phân tán và hấp thụ tia bức xạ mặt trời của sol khí. Sự phân tán bức xạ mặt trời của sol khí có thể làm giảm khả năng nhìn và làm ửng đỏ khi mặt trời mọc và lặn. Những sol khí này có nhiều nguồn gốc, có thể là nguồn gốc tự nhiên như từ đất, từ muối biển, từ các đám cháy thực vật hoặc cũng có thể do con người tạo ra từ việc đốt cháy các chất thải, nhiên liệu than và dầu trong các khu công nghiệp, tạo ra các phần tử sulfat, cacbon đen, Sol khí tác động trực tiếp và gián tiếp lên trữ lượng bức xạ của Trái Đất và khí hậu. Tác động trực tiếp là các sol khí trực tiếp phân tán và hấp thụ các tia xạ bức xạ mặt trời trong không gian. Tác động gián tiếp là khi sol khí ở tầng thấp của khí quyển có thể làm thay đổi kích cỡ của các phần tử mây, làm thay đổi phản xạ và hấp thụ bức xạ mặt trời của mây, và như vậy tác động lên trữ lượng năng lượng của Trái Đất. Sol khí cũng có thể gây ra các phản ứng hóa học. Đáng kể nhất là phản ứng có tác động phá hoại ozon ở tầng bình lưu. Trong suốt mùa đông ở các khu vực cực, [...]... từ cacbon đen và khí nhà kính vượt trội hơn so với sự lạnh đi sulfat 1.1.2.4 Ảnh hưởng của sol khí lên hoàn lưu khí quyển a Tác động đến độ ổn định Mức độ giảm nhiệt độ trong khí quyển làm giảm phát xạ sóng dài và vì thế gây ảnh hưởng đến độ phản hồi hơi nước và thông tin về mây Các quan trắc và nghiên cứu mô hình cho thấy sự gia tăng mức độ giảm nhiệt độ làm khu ch đại độ phản hồi hơi nước Do sol khí. .. một lượng sol khí rất lớn, hệ quả là làm tăng số lượng hạt mây và làm giảm kích thước của các hạt mây này Công thức tương quan giữa số lượng sol khí và số lượng hạt mây như sau: Nd ≈ (Na)b Trong đó Nd là mật độ hạt mây, còn Na là số sol khí, b là tham số thay đổi từ 0.06 -0.48 phụ thuộc vào tính chất của sol khí b Các cơ chế tác động của sol khí tới mây và giáng thủy Sol khí có thể tương tác với mây và. .. chứng minh nhiệt độ quan trắc toàn cầu có xu hướng liên quan tới sol khí và các khí nhà kính, trong các mô hình khí hậu có tính đến cả sol khí và khí nhà kính đều mô phỏng tốt hơn là mô phỏng chỉ có sol khí hoặc chỉ có khí nhà kính hoặc không có cả hai Nhiệt độ hàng ngày giảm trên các khu công nghiệp, có thể cho là ảnh hưởng cục bộ của sol khí Xu hướng lạnh đi đáng kể tìm thấy được ở một vài khu vực ở Trung... tự nhiên trên toàn cầu, và có trội hơn hẳn ở vùng đô thị và công nghiệp Sự phát thải sol khí là vấn đề lớn trên toàn cầu, sol khí khu vực từ các nguồn ảnh hưởng hoạt động của con người ảnh hưởng lớn đến khí hậu và môi trường 1.1.1 Các loại sol khí tác động mạnh tới hệ thống khí hậu của Trái đất 1.1.1.1 Sol khí núi lửa Sol khí của núi lửa được hình thành ở tầng bình lưu sau các trận phun trào lớn của... hơi, tỉ lệ giữa thông lượng ẩn nhiệt và hiển nhiệt và sự xáo trộn rối – vốn là quá trình đưa ma sát vào khí quyển và vận chuyển nhiệt - ẩm vào khí quyển Tất cả các quá trình này có thể tác động đến nhiệt độ không khí gần bề mặt, làm thay đổi độ ẩm, giáng thuỷ và tốc độ gió Một số mô phỏng cho thấy trong số những tác động trực tiếp và gián tiếp mà sol khí gây ra, thì hiệu ứng làm tăng độ dày quang học gây... khối và phát thải đất bụi từ các hoạt động nông nghiệp do con người gây nên Trên toàn cầu, thông lượng sol khí khí quyển được ước chừng khoảng 3440 Tg/năm, trong đó 10% từ các hoạt động của con người Tuy nhiên, các sol khí do con người gây ra chủ yếu là sol khí sulfat và cacbon (cacbon đen và cacbon hữu cơ) , về thực chất nó đã tăng kể từ thời kỳ tiền công nghiệp (IPCC, 1995), và thậm chí còn vượt các. .. trong các giọt mây, bởi sol khí sulfat từ các tàu, như các vết của lớp mây Thêm vào nữa nó làm mây tăng khả năng phản xạ bức xạ mặt trời Sol khí là nguyên nhân làm ô nhiễm mây, nó làm tăng thời gian tồn tại của mây và phản xạ nhiều hơn bức xạ mặt trời hơn là mây không bị ô nhiễm 1.1.2 Sol khí tác động lên hệ thống khí hậu của Trái đất Nhìn chung, sol khí ảnh hưởng tới khí hậu theo hai cách: ảnh hưởng. .. tác động trực tiếp và gián tiếp của sol khí cũng giống như là hiệu chỉnh lại chu trình nước thông qua thay thế tích trữ năng lượng bề mặt, làm giảm lượng bốc hơi và như vậy sẽ làm chậm lại chu trình nước Hơn nữa, sol khí còn tác động đến môi trường theo nhiều cách khác nữa Các sol khí gây bất lợi cho sức khỏe của con người và làm giảm tầm nhìn bởi sự phân tán và hấp thụ bức xạ Sol khí cũng ảnh hưởng tới. .. bức xạ mặt trời của sol Tác động bán trực Âm thì độ phản xạ càng lớn T/động đến thời gian băng trong mây, càng nhiều hạt mây Tất cả tiếp khí tác động đến độ ổn định và năng Dương lượng tới bề mặt, và có thể dẫn tới hoặc âm Nhỏ Rất thấp sự bay hơi của các phần tử mây T/động gián Mây hỗn tiếp gây hợp (lỏng đóng băng và băng) T/động Mây hỗn nhiệt động hợp (lỏng lực và băng) Số lượng các nhân băng tăng... lượng lớn sol khí do con người gây ra 1.1.2.2 Tác động của sol khí lên mây và giáng thủy Những thay đổi vật lí vĩ mô của mây như độ bao phủ, cấu trúc, độ cao và những thay đổi vật lý vi mô như kích thước hạt, pha mây có tác động lớn tới khí hậu Trong khi trên thực tế nhiều nghiên cứu cho thấy sol khí tác động không nhỏ đến việc làm thay đổi các quá trình vi vật lý mây Quan hệ giữa các phần tử sol khí . LUẬN VĂN THẠC SỸ NGHIÊN CỨU, ĐÁNH GIÁ CÁC SOL KHÍ SUNFAT, CACBON ĐEN VÀ CACBON HỮU CƠ ẢNH HƯỞNG TỚI NHIỆT ĐỘ VÀ LƯỢNG MƯA KHU VỰC 1. khu vực Đông Nam Á, luận văn đã tiến hành nghiên cứu, đánh giá các sol khí Sunfat, Cacbon đen và Cacbon hữu cơ ảnh hưởng tới nhiệt độ và lượng mưa khu