Tác động của xon khí đến một số yếu tố khí hậu trên khu vực việt nam và lân cận 22

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


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH ................................................................................................
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ......................................................................
MỞ ĐẦU ................................................................................................................
Chương 1TỔNG QUAN ..........................................................................................
1.1

Xon khí và vai trò của nó đối với khí hậu ........................................

1.2

Tác động trực tiếp của xon khí .........................................................

1.3

Tác động gián tiếp của xon khí .........................................................

Chương 2PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..........................................................
2.1

Đặt bài toán .......................................................................................

2.2

Sơ lược về mô hình RegCM và module Chem-aerosol ....................

2.2.1Mô hình RegCM ............................................................................................
2.2.2Mô đun xon khí trong RegCM4.2 ..................................................................
2.3

Thiết kế thí nghiệm ...........................................................................

Chương 3KẾT QUẢ VÀ NHẬN XÉT ..................................................................
3.1

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

3.2

Phân bố theo không gian nồng độ của BC ........................................

3.3

Tác động của xon khí carbon đen lên nhiệt độ .................................

3.3.1Tương quan giữa nồng độ BC và hiệu nhiệt độ T2m ......................................
3.3.2Tác động của xon khí carbon đen lên nhiệt độ các mực khí quyển .................
3.4

Tác động của xon khí carbon đen lên lượng mưa .............................

3.5

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

3.6

Phân bố không gian của nồng độ của bụi .........................................
1


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

2


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Tóm tắt các thành phần chính liên quan tới tác động bức xạ (W/m2).............9
Hình 1.2 Những cơ chế bức xạ khác nhau của mây gây ra bởi xon khí........................10

Hình 1.3 Mô tả những tác động khác nhau của xon khí đã được trình bày trong bảng
1.1 (IPCC – 2007) [11].............................................................................................................. 15
Hình 2.1 Cấu trúc lưới thẳng đứng (bên trái) và lưới ngang dạng xen kẽ Arakawa-B
(bên phải) của mô hình.............................................................................................................. 22
Hình 2.2 Miền tính và độ cao địa hình (m)........................................................................... 30
Hình 3.1 Nồng độ carbon đen trung bình năm giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2)........34
Hình 3.2 Nồng độ carbon đen trung bình tháng giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m2)......34
Hình 3.3 Biến trình năm của BC trong các năm 1991 – 2000 (mg/m2)........................35
Hình 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)..................... 36
2

Hình 3.5 Nồng độ (bên trái - mg/m ), độ dày quang học (bên phải) của BC trung
bình tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10 (tương ứng từ trên xuống dưới )...................38
o

Hình 3.6 Hiệu nhiệt độ T2m (TH1) từ tháng 1 đến tháng 12 ( C) giai đoạn 1991 –
2000 (tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới)..................................................... 40
o

Hình 3.7 Hiệu nhiệt độ T2m ( C) (TH1) tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng
10 (d).............................................................................................................................................. 42
Hình 3.8 Hiệu nhiệt độ T2m (oC) (TH1) tháng 1, tháng , tháng 7, tháng 10( tương
ứng từ trái sang phải)................................................................................................................. 42
Hình 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

3

2

Hình 3.10 Biến trình năm nồng độ BC (mg/m ) (a), biến trình năm của hiệu nhiệt độ
o

T2m ( C) (TH1) (b), hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu nhiệt
độ T2m (TH1) (c)........................................................................................................................ 45
Hình 3.11Hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu nhiệt độ T2m
(TH1)cho khu vực Việt Nam.................................................................................................... 46
Hình 3.12 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng (trái) – vĩ hướng (phải) hiệu
o

nhiệt độ C (TH1) tháng 1, 4, 7, 10 ( tương ứng từ trên xuống dưới)............................ 48
Hình 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).....................49
Hình 3.14 Hiệu lượng mưa (mm) (TH1) trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7
(c), tháng 10 (d)........................................................................................................................... 50
Hình 3.15 hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ BC và hiệu lượng mưa
(TH1)............................................................................................................................................. 51
2

Hình 3.16 Nồng độ bụi trung bình năm giai đoạn 1991 – 2000 (mg/m )......................52
2

Hình 3.17 Nồng độ bụi trung bình tháng giai đoạn 1991 - 2000 (mg/m )....................53
2

Hình 3.18 Biến trình năm của nồng độ bụi trong các năm 1991 – 2000 (mg/m ) trên
toàn khu vực................................................................................................................................. 54
Hình 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).................................................................................. 55
Hình 3.20 Nồng độ (bên

trái), độ dày quang học (bên phải) của bụi trung bình

2

tháng 1, 4, 7, 10 (mg/m ) ( tương ứng từ trên xuống dưới )............................................. 57
Hình 3.21 Trường gió bề mặt trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c), tháng
10 (d) (m/s)................................................................................................................................... 59
o

Hình 3.22 Hiệu nhiệt độ T2m (TH2) từ tháng 1 đến tháng 12 ( C) giai đoạn 1991 –
2000 (Tương ứng từ trái sang phải, từ trên xuống dưới)................................................... 61

4


o

Hình 3.23 Hiệu nhiệt độ T2m ( C) (TH2) của tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7 (c),
tháng 10 (d) ...........................................................................................................
o

Hình 3.24 Hiệu nhiệt độ T2m ( C) (TH2) của tháng 1, tháng 4, tháng 7, tháng 10
(Tương ứng từ trái sang phải) ................................................................................
Hình 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) ...........................................................................
o

Hình 3.26 Biến trình năm nồng độ bụi (mg/m2) (a), hiệu nhiệt độ T2m TH2 ( C)
(c) ..........................................................................................................................
Hình 3.27 Hệ số tương quan theo thời gian của nồng độ bụi và hiệu nhiệt độ T2m
cho khu vực Việt Nam (TH2) ................................................................................
Hình 3.28 Mặt cắt thẳng đứng phân bố kinh hướng (trái) – vĩ hướng (phải) hiệu
o

nhiệt độ C (TH2) tháng 1, 4, 7, 10 ( tương ứng từ trên xuống dưới)......................
Hình 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) ..........
Hình 3.30 Hiệu lượng mưa (mm) (TH2) trung bình tháng 1 (a), tháng 4 (b), tháng 7
(c), tháng 10 (d) .....................................................................................................
Hình 3.31 hệ số tương quan thời gian của nồng độ bụi và hiệu lượng mưa (TH2) ..
Hình 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 ...............................................................
Hình 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 ...............................................................
Hình 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 ...............................................................
Hình 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


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)

6


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.
7


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
2

chúng chỉ làm lượng bức xạ trung bình giảm đi – 0.31 W/m nhưng nếu chúng tồn tại
2

dưới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lượng bức xạ giảm đi – 0.62 W/m .
Ảnh hưởng trực tiếp của xon khí làm giảm năng lượng bức xạ trung bình toàn cầu, tại
2

2

giới hạn trên của khí quyển – 0.35 W/m , tăng trong lớp khí quyển 3.0 W/m , và
2

giảm tại bề mặt trái đất – 3.4 W/m 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

8


và các chất hấp thụ như sunfat, ngăn cản bức xạ mặt trời tới mặt đất có thể làm giảm
50% sự nóng lên toàn cầu do tăng khí nhà kính.
Theo báo cáo thứ tư của Ban liên chính phủ về Biên đối khí hậu (IPCC 2007
[11]), những hạt xon khí tác động tới bức xạ bằng cách phản xạ và hấp thụ bức xạ
mặt trời, bức xạ hồng ngoại trong khí quyển. Một vài loại xon khí gây tác động bức
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
2

2

trực tiếp của xon khí là – 0.5 W/m với mức độ dao động là – 0.9 đến – 0.1W/m .
2

Còn đối với tác động liên quan đến albedo mây có giá trị khoảng –0.7 W/m với mức
2

dao động là – 1.8 đến – 0.3W/m (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
2

2

xon khí như sau: sulphate, – 0.4 [± 0.2]W/m ; carbon vô cơ – 0.05 [± 0.05] W/m ;
2

2

carbon đen + 0.2 [±0.15]W/m ; đốt sinh khối + 0.03 [±0.12] W/m ; nitrate – 0.1 [±
2

2

0.1] W/m ; và muối khoáng – 0.1[[±0.2] W/m .

Hình 1.1 Tóm tắt các thành phần chính liên quan tới tác động bức xạ (W/m2)
9


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
10

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
2

2

trị –1 đến – 8W/m vào mùa đông và – 1 đến 15W/m 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

11


hợp với nhiệt độ quan trắc trong những thập kỷ gần đây trên các khu vực khác nhau
của Trung Quốc.
Nhìn chung xon khí làm thay đổi phân bố năng lượng của khí quyển và bề
mặt, thay đổi gradient khí áp theo phương ngang, tác động tới hoàn lưu gió mùa và
làm thay đổi lượng mưa một số nơi trên trái đất. Ngược lại, dị thường hoàn lưu quy
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
o

khí lên nhiệt độ trung bình T2m là nhỏ, khoảng – 0.2 đến – 0.1 C và lạnh đi ở vùng
o

o

phía nam vĩ độ 50 – 55 N, ấm lên ở phía bắc vĩ độ 55 N. 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
12


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
o

tới – 1 C. 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
13


chứa nước, độ cao mây, và thời gian tồn tại của mây được gọi là “ tác động gián tiếp
loại 2”, “tác động tới thời gian tồn tại của mây” hoặc “tác động Albrecht”. Xon khí có
thể tương tác với mây và giáng thủy bằng nhiều cách như là trở thành nhân ngưng kết
hoặc nhân băng hay đóng vai trò là những phần tử hấp thụ năng lượng mặt trời và
phân bố lại nguồn năng lượng nhiệt này trong các lớp mây. Xon khí tác động tới độ
phản xạ của mây và thời gian tồn tại của mây thông qua quá trình phân 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 CO 2 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

14


Hình 1.3 Mô tả những tác động khác nhau của xon khí đã được trình
bày trong bảng 1.1 (IPCC – 2007) [11]
Tác động gián tiếp loại 1 (tác động albedo mây) được lý giải bởi số hạt xon
khí càng nhiều làm tăng số lượng hạt mây có kích thước nhỏ hơn, dẫn đến độ phản xạ
mây tăng, hiệu ứng n ày có tác động làm lạnh. Tác động gián tiếp loại 2 (kéo dài thời
gian tồn tại của mây) được hiểu như sau: khi số lượng các hạ t xon khí càng nhiều
làm số hạt mây tăng dẫn đến kích thước hạt mây nhỏ đi, các hạ t nước nhỏ làm

15


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
16


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

Tác động
đến độ phản
xạ của mây

Tác động
đến thời gian
tồn tại của
mây

Tác động
bán trực tiếp

Tác động
gián tiếp gây

đóng băng


Tác động


nhiệt động
lực

Bảng 1.2 Những tác động gián tiếp khác nhau của xon khí và ảnh
hưởng của nó tới bức xạ sóng ngắn tại bề mặt đất (cột 2 đến cột 4) với
giáng thủy (cột 5 đến cột 7) IPCC 2007 [11]

Tác động

Tác động đến
độ phản xạ của
mây
Tác động đến
thời gian tồn tại
của mây
Tác động bán
trực tiếp
Tác động gián
tiếp gây đóng
băng
Tác động nhiệt
động lực

18


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 (CO 2, 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.

19


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
20