Chương 1: Tổng quan Trong chƣơng này, tác giả trình bày những nghiên cứu trong nƣớc và ngoài nƣớc về việc ứng dụng mô hình số trong giải quyết bài toán tác động hồi tiếp giữa các chất hóa học khí quyển và các yếu tố khí hậu. Chương 2: Phương pháp nghiên cứu Chi tiết về mô hình đƣợc chọn để ứng dụng chạy thử nghiệm, thiết kế thi nghiệm và các phƣơng pháp đánh giá. Chương 3: Kết quả và nhận xét Trình bày tóm tắt các kết quả chủ yếu của luận văn, những điểm mới đã đạt đƣợc và kiến nghị về hƣớng nghiên cứu trong tƣơng lai. 8 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Chƣơng 1 TỔNG QUAN Chƣơng này sẽ đề cập đến ảnh hƣởng của các thành phần hóa học (xon khí) tới hệ thống khí hậu đồng thời chỉ ra những biến đổi của chúng trong thập kỷ gần đây.
Bên cạnh đó, những ứng dụng (trên thế giới và trong nƣớc) của mô hình hóa trong bài toán mô phỏng các thành phần hóa học khí quyển cũng đƣợc chỉ ra, đặc biệt nhấn mạnh tới các ứng dụng của mô hình WRF/Chem. Bức tranh tổng quan ban đầu đó sẽ cho ta thấy sự cần thiết và ý nghĩa của việc ứng dụng mô hình WRF/Chem cho khu vực Việt Nam.1 Các nghiên cứu trên thế giới Ô nhiễm không khí và sự biến đổi các thành phần hóa học khí quyển có ảnh hƣởng lớn đến hệ thống khí hậu và môi trƣờng đang là một trọng tâm mới trong khoa học khí quyển hiện nay. Sự vận chuyển xuyên lục địa của các chất ô nhiễm không khí đang gây nguy hiểm cho hệ sinh thái trên toàn thế giới và có tác động mạnh đến toàn bộ hệ thống khí hậu [8]. 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 dƣơng), các bụi khoáng do gió đƣa lên, từ núi lửa, từ thực vật và các sản phẩm của các phản ứng khí tự nhiên. Loại có nguồn gốc nhân tạo do chất thải công nghiệp (khói, bụi,…), nông nghiệp, sản phẩm của các phản ứng khí. Xon khí có ảnh hƣởng lớn tới môi trƣờng nói chung, chất lƣợng không khí nói riêng và cả sức khỏe con ngƣời [4],[11]. Xon khí đã và đang lan ra trên quy mô toàn cầu nhƣng sự bất đồng nhất về mức độ tập trung giữa các khu vực là khá lớn, nó góp phần gây biến đổi khí hậu toàn cầu qua các tác động lên bức xạ một cách trực tiếp, bán trực tiếp và cả gián tiếp [13].
Khi bề mặt trái đất lạnh hơn khí quyển phía trên, khí quyển trở nên ổn định (ảnh hƣởng bán trực tiếp). Các phần tử xon khí 9 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com làm tăng số hạt nhân ngƣng kết nên hình thành nhiều hạt nƣớc hơn nhƣng lại có kích thƣớc nhỏ hơn, dẫn đến tăng tán xạ và phản xạ của mây. Các hạt nuớc nhỏ làm hạn chế sự va chạm và liên kết, kéo dài thời gian tồn tại của mây và ngăn cản sự lớn lên của hạt nƣớc trong mây để tạo mƣa (ảnh hƣởng gián tiếp)., (2005) [5] đã chỉ ra rằng ảnh hƣởng trực tiếp của xon khí có thể làm giảm năng lƣợng bức xạ trung bình toàn cầu, giảm 0.35 W/m2 tại giới hạn trên của khí quyển, tăng khoảng 3.0 W/m2 trong lớp khí quyển và giảm 3.4 W/m2 tại bề mặt trái đất. Trong khu vực gió mùa châu Á, trung bình năm, năng lƣợng bức xạ trong khí quyển (mặt đất) có thể tăng (giảm) 10-20W/m2.
Hơn thế nữa, nghiên cứu của Mark Z. Jacobson [14] cho thấy trạng thái tồn tại của các loại xon khí cũng có mức độ ảnh hƣởng khác nhau. Nếu tính riêng tác động của các loại sun phát hữu cơ (Sulfate Organics) và cácbon đen (BC) thì chúng chỉ làm lƣợng bức xạ trung bình giảm đi 0,31 W/m2 nhƣng nếu chúng tồn tại dƣới dạng hỗn hợp thì tác động của chúng sẽ làm lƣợng bức xạ giảm đi 0,62 W/m2. Theo Ramanathan ccs., (2005) [17] mây nâu ABCs (Atmospheric Brown Clouds) đƣợc cấu thành từ các chất ô nhiễm nhƣ cácbon đen, cácbon hữu cơ, tro, bụi và các chất hấp thụ nhƣ sun fat, ngăn cản bức xạ mặt trời tới mặt đất có thể làm giảm 50% sự nóng lên toàn cầu do tăng các khí nhà kính.
Nhìn chung, xon khí làm thay đổi phân bố năng lƣợng của khí quyển và bề mặt, thay đổi gradient khí áp theo phƣơng ngang, tác động tới hoàn lƣu gió mùa và làm thay đổi lƣợng mƣa của một số nơi trên Trái Ðất [13],[17],[28]. Ngƣợc lại, dị thƣờng hoàn lƣu quy mô lớn có tác động đến sự thay đổi vận chuyển xon khí, điều chỉnh quá trình sa lắng, thay đổi môi trƣờng vật lý và hoá học của hỗn hợp xon khí. Bụi có thể đƣợc hoàn lƣu quy mô lớn vận chuyển từ vùng sa mạc lân cận tới Ấn Ðộ [13]. Những trận mƣa rào mạnh trong mùa khô ảnh hƣởng tới phổ độ dày quang học và đặc trƣng kích thƣớc của xon khí [18]., (2002) [21] đã đánh giá đƣợc tác động của cácbon đen (BC) lên các yếu tố khí tƣợng.
Trong đó, sự ảnh hƣởng của BC lên sự biến đổi lƣợng mƣa là khá rõ rệt (Hình 1.1), đặc biệt khi chú ý tới khu vực Đông Nam Á. Nếu xét riêng cho khu vực Việt Nam, phía Bắc có lƣợng mƣa 10 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tăng khoảng 1 – 4mm/ngày còn ở phía Nam lƣợng mƣa lại giảm đi (cũng khoảng 1 – 4mm/ngày).1 So sánh sự thay đổi lượng mưa của các tháng 6,7,8 trong thí nghiệm A (hình trên) khi có tính đến ảnh hưởng của BC và thí nghiệm B (hình dưới) khi không tính đến ảnh hưởng của BC (Menon ccs., 2002) [21] Một điểm đáng lƣu ý là trong những thập kỷ gần đây, mức độ phát thải các chất ô nhiễm vào khí quyển ngày càng tăng do quá trình phát triển công nghiệp của các quốc gia trên thế giới. Đồng thời, nguồn phát thải rất khác nhau và việc định lƣợng chúng cũng khá khó khăn. Năm 1981, sự xuất hiện của MAPS cho phép chúng ta có đƣợc những số liệu đầu tiên về nồng độ đáng báo động của CO trên vùng nhiệt đới châu Á, châu Phi và Nam Mỹ [8] khiến các nhà khoa học nhận thức rõ hơn rằng ô nhiễm môi trƣờng không khí đã trở thành một vấn đề quốc tế.
Quan trắc này cũng cho thấy chất lƣợng không khí của các khu vực và toàn cầu bị ô nhiễm không chỉ bởi đốt nhiên liệu hóa thạch trong công nghiệp mà còn do phát thải 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com từ đốt sinh khối (cháy rừng, đốt chất thải nông nghiệp, và đốt nhiên liệu thực vật). Những năm 1990 trở lại đây, lƣợng phát thải NO2 ở Châu Á đã vƣợt qua cả Bắc Mỹ, Châu Âu và đƣợc dự đoán là sẽ tiếp tục tăng trong những thập kỷ tới[8].2 minh chứng cho sự gia tăng không ngừng của phát thải NOx do con ngƣời, đặc biệt là khu vực Châu Á, nơi tập trung nhiều nƣớc đang phát triển. Theo đó, phát thải NOx ở hai khu vực Châu Mỹ và Châu Âu gần nhƣ giữ nguyên không đổi ở mức cao trong những năm 1980 (khoảng 25 - 28 Tg/năm). Từ sau năm 1990, do áp dụng các biện pháp kiểm soát phát thải nên nồng độ NOx ở Châu Âu có xu hƣớng giảm nhẹ ngƣợc lại với tốc độ phát thải NOx tăng chóng mặt ở khu vực Châu Á.
Janusz Cofala ccs. (2007) [9] cũng chỉ ra rằng xu thế này có thể sẽ tiếp tục giữ nhƣ vậy trong ít nhất hai thập kỉ tiếp theo. Đến đây, có thể nhận thấy yêu cầu cần thiết của việc nghiên cứu, xem xét tác động của các thành phần hóa học, các chất xon khí lên hệ thống thời tiết, khí hậu.2 Sự thay đổi lượng phát thải NOx ở Bắc Mỹ, Châu Âu và Châu Á từ năm 1970 đến 2000 (Akimoto, 2003) [8] 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. Về chức năng, có thể chia các mô hình vận chuyển hóa học động lực thành hai loại: mô hình “đồng thời” (online) và mô hình “không đồng thời” 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.
Trong các mô hình “không đồng thời”, việc mô phỏng các yếu tố khí tƣợng đƣợc tiến hành trƣớc việc mô phỏng các chất hóa học. Tại mỗi bƣớc thời gian xác định (ví dụ từng giờ), mô hình “không đồng thời” sử dụng các trƣờng khí tƣợng đƣợc lấy từ quan trắc hoặc mô hình để làm đầu vào cho mô hình hóa học. Các mô hình “không đồng thời” thƣờng tích hợp gió vào vận chuyển, đôi khi các mô hình này cũng đƣa các trƣờng nhƣ độ cao lớp biên và năng lƣợng rối động lực vào tính toán để mô phỏng các quá trình qui mô vừa và nhỏ [19][20]. Các trƣờng khí tƣợng đƣợc nội suy sao cho phù hợp với đầu vào của thành phần mô phỏng hóa học trong mô hình, cả về không gian và thời gian.
Mô hình “không đồng thời” thƣờng có hiệu quả tính toán cao, tuy nhiên hạn chế của các mô hình này là chỉ cho ta thấy các ảnh hƣởng một chiều nên không thể tính toán đầy đủ những tác động ngƣợc trở lại hệ thống khí hậu của các chất hóa học (ví dụ nhƣ lƣợng bức xạ bị hấp thụ bởi xon khí hay ẩn nhiệt giải phóng từ các chất hóa học). Thực tế trong khí quyển thực, các quá trình khí tƣợng và hóa học tƣơng tác với nhau rất chặt chẽ thông qua các tác động hồi tiếp giữa khí hậu - hóa học - xon khí – mây- bức xạ [28]. Trong khi đó, các mô hình “đồng thời” tuy yêu cầu khoảng thời gian tích phân dài hơn nhƣng lại giải quyết đƣợc bài toán hồi tiếp của xon khí tới hệ thống khí hậu. Chúng có thể mô phỏng đồng thời thành phần hóa học và thành phần khí tƣợng trên cùng một quy mô không gian, thời gian, do đó ta có thể bỏ qua các bƣớc nội suy phức tạp (Bảng 1., (2002) [15] đã chỉ ra rằng nếu mô hình khí tƣợng và mô hình hóa học không đƣợc tích phân đồng thời với nhau, sẽ dễ đƣa đến những sai số lớn do bƣớc cập nhật đầu vào khí tƣợng thấp nên mô hình có thể không nắm bắt đƣợc những quá trình khí tƣợng xảy ra trong quy mô thời gian nhỏ.