Đề tài Tổng quan về sol khí và mô hình Regcm

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 Pautocv, 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 (0C), 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, 10 sol khí phát triển hình thành các đám mây bụi ở tầng bình lưu cực. Các phản ứng hóa học xảy ra ở khu vực tập trung nhiều các phần tử mây bụi. Các phản ứng này chủ yếu là phản ứng Clo và cuối cùng chúng phá hủy ozon ở tầng bình lưu. Chứng cớ cho sự phá hủy tầng ozon này là hiện tại đang tồn tại các thay đổi tập trung của ozon trong tầng bình lưu tương tự như đã xảy ra khi có sự phun trào núi lửa lớn, giống như năm 1991, núi Pinatubo phun trào và hàng tấn sol khí bị đưa vào khí quyển (Hình 1.1). Một lượng lớn SO2, HCl và tro bụi được đưa vào tầng bình lưu của khí quyển Trái đất khi núi lửa phun trào. Trong hầu hết các trường hợp HCl ngưng tụ với hơi nước và theo mưa rơi khỏi đám mây hình thành bởi phun trào núi lửa, còn SO2 từ đám mây được chuyển đổi thành H2SO4. Axit H2SO4 nhanh chóng ngưng tụ lại và các phần tử sol khí này sẽ tồn tại trong khí quyển trong một khoảng thời gian. Tương tác hóa học lên bề mặt của sol khí có xu hướng tăng mức độ Clo, Clo tương tác với Nito ở tầng bình lưu, đây chính là nguyên nhân chủ yếu trong phá hủy lớp ozon ở tầng bình lưu. Đường kính sol khí trải từ vài nanomet (nm) tới hàng chục micromet (µm). Kích cỡ của sol khí được chia ra làm 3 cấp. Cấp có kích cỡ nhỏ nhất gọi là các phần tử cực nhỏ (nhỏ hơn khoảng 0,1µm) chủ yếu phát sinh từ chuyển đổi các phần tử khí như khí SO2, NOx và Cacbon hữu cơ dễ bay hơi bị oxi hóa và ngưng tụ lại. Cấp có đường kính lớn nhất được gọi là phần tử thô (xấp xỉ 1µm) được tạo ra rất cơ học, gió thổi trên khu vực bụi hoặc bốc hơi từ bụi nước biển,… Giữa các phần tử cực nhỏ và phần tử thô là phần tử nhỏ cỡ 0,1 đến 1µm. Dạng này được quy cho là dạng tích tụ vì các sol khí ở kích thước này tích tụ từ các phần tử cực nhỏ và có xu hướng tồn tại lâu dài trong khí quyển (vài ngày) bởi lắng động chậm và tốc độ tích tụ. Dạng này liên quan chủ yếu tới trữ lượng năng lượng Trái Đất và biến đổi khí hậu bởi tương tác của chúng với bức xạ mặt trời, (hầu hết năng lượng bức xạ ở trong khoảng phổ cỡ 0,5 µm), và các phần tử này cũng có kích cỡ tương tự như sóng dài phân tán ánh sáng, nhân ngưng kết mây CCN và nhân ngưng kết băng (IN). Dạng sol khí này thông thường tồn tại trong khí quyển vài ngày có khi vài tuần. Các phần tử sol khí khí quyển có thể bắt nguồn từ các phần tử cơ bản hoặc được hình thành từ 11 Hình 1.2. Sol khí núi lửa (Tham khảo trên báo Science Daily) tiền chất khí (nguồn thứ hai), đó là các phần tử khí chuyển đổi đã nói ở trên (SO2, NOx, và VOC,…). Một vài nguồn từ tự nhiên đưa vào khí quyển như từ núi lửa, bụi từ sóng biển, đại dương; Mặt khác, các phát thải công nghiệp, cháy sinh khối và phát thải đất bụi từ các hoạt động nông nghiệp do con ng