Mô phỏng khí hậu là gì? Các nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về mô phỏng khí hậu

Mô phỏng khí hậu là quá trình sử dụng mô hình toán học để tái tạo và phân tích hệ thống khí hậu của Trái Đất. Các mô hình này được xây dựng dựa trên các định luật vật lý cơ bản và dữ liệu thực nghiệm, cho phép các nhà khoa học kiểm tra giả thuyết, đưa ra dự đoán và hiểu rõ hơn về quá trình khí hậu hiện tại, quá khứ và tương lai.

Mô phỏng khí hậu là công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu biến đổi khí hậu toàn cầu. Thay vì chỉ dựa vào quan sát, mô phỏng cho phép con người mô tả các quá trình vật lý phức tạp như trao đổi năng lượng giữa khí quyển và đại dương, dòng tuần hoàn toàn cầu, sự hình thành mây, bức xạ mặt trời và sự hấp thụ CO₂. Thông qua đó, ta có thể kiểm tra các kịch bản giả định như việc tăng gấp đôi lượng CO₂ trong khí quyển hoặc thay đổi mức độ phản xạ mặt đất.

Mô hình khí hậu là gì?

Mô hình khí hậu là một hệ thống phương trình toán học biểu diễn các quá trình vật lý, hóa học và sinh học xảy ra trong hệ thống khí hậu. Các phương trình này mô tả chuyển động của không khí, trao đổi nhiệt, độ ẩm, phản xạ năng lượng mặt trời, tuần hoàn đại dương và tương tác giữa đất, nước và sinh quyển.

Có ba nhóm mô hình khí hậu cơ bản:

• Mô hình cân bằng năng lượng (Energy Balance Models - EBMs): sử dụng các phương trình đơn giản để tính toán cân bằng năng lượng giữa bức xạ mặt trời và bức xạ hồng ngoại phát ra từ Trái Đất.
• Mô hình khí hậu khu vực (RCMs): tập trung mô phỏng các vùng địa lý cụ thể với độ phân giải cao hơn.
• Mô hình khí hậu toàn cầu (GCMs): tích hợp toàn bộ các thành phần của khí hậu và cung cấp dự báo quy mô hành tinh.

Các mô hình hiện đại sử dụng lưới ba chiều để phân chia bề mặt Trái Đất và bầu khí quyển thành các ô nhỏ. Mỗi ô tính toán các thông số như nhiệt độ, áp suất, độ ẩm theo thời gian: $\frac{\partial T}{\partial t} + \vec{u} \cdot \nabla T = \kappa \nabla^2 T + Q$trong đó \(T\) là nhiệt độ, \(\vec{u}\) là vận tốc, \(\kappa\) là hệ số khuếch tán nhiệt và \(Q\) là nguồn nhiệt.

Các thành phần chính trong mô hình khí hậu

Mô hình khí hậu hiện đại không chỉ mô phỏng khí quyển mà còn mô tả đầy đủ các thành phần trong hệ thống khí hậu như đại dương, lớp băng, đất, sinh quyển và vòng tuần hoàn cacbon. Mỗi thành phần này có mô-đun riêng, tương tác liên tục với nhau theo thời gian thực.

Các thành phần chính gồm:

• Khí quyển: bao gồm sự chuyển động của gió, tạo mây, mưa, quá trình bức xạ và đối lưu.
• Đại dương: đóng vai trò điều hòa nhiệt độ toàn cầu, lưu trữ và phân phối năng lượng.
• Băng tuyết (cryosphere): ảnh hưởng đến độ phản xạ bức xạ mặt trời và mực nước biển.
• Địa chất và sinh quyển: bao gồm đất, cây cối, vi sinh vật có vai trò trong vòng tuần hoàn nước và khí nhà kính.

Bảng dưới đây tóm tắt chức năng và vai trò của từng mô-đun:

Phân loại mô hình khí hậu

Tùy theo mức độ chi tiết và mục đích sử dụng, mô hình khí hậu được chia làm nhiều loại khác nhau. Phân loại này giúp lựa chọn mô hình phù hợp với từng yêu cầu nghiên cứu, từ các phép tính đơn giản đến mô phỏng toàn cầu dài hạn.

Bốn nhóm chính bao gồm:

1. Mô hình đơn giản: như EBMs dùng cho các phân tích sơ bộ về cân bằng năng lượng toàn cầu.
2. Mô hình một chiều hoặc hai chiều: mô tả một phần bầu khí quyển hoặc đại dương, có độ chính xác trung bình nhưng ít tốn tài nguyên tính toán.
3. Mô hình khu vực (RCMs): cho phép mô phỏng chi tiết hơn theo địa phương, thường được gắn với mô hình GCM để lấy điều kiện biên.
4. Mô hình toàn cầu (GCMs và ESMs): mô phỏng toàn diện toàn bộ hệ thống khí hậu, bao gồm các chu trình hóa học và sinh học.

Các mô hình tích hợp hiện đại (Earth System Models - ESMs) không chỉ mô phỏng vật lý mà còn tích hợp mô-đun về carbon, nitơ, khí sinh học và phản hồi sinh thái. Đây là công cụ chủ yếu được sử dụng trong các báo cáo của IPCC.

Dữ liệu đầu vào và hiệu chỉnh mô hình

Độ chính xác của mô hình khí hậu phụ thuộc rất lớn vào chất lượng và độ tin cậy của dữ liệu đầu vào. Các mô hình hiện đại sử dụng lượng dữ liệu khổng lồ từ nhiều nguồn khác nhau: quan trắc mặt đất, thiết bị bay (radiosonde), vệ tinh khí tượng, phao đo đại dương và các hồ sơ khí hậu cổ thu thập từ lõi băng hoặc trầm tích biển.

Dữ liệu này được dùng để xác định điều kiện ban đầu và điều kiện biên cho mô hình. Ví dụ, để mô phỏng khí hậu khu vực Đông Nam Á trong 50 năm tới, mô hình cần thông tin về nhiệt độ mặt đất, độ ẩm không khí, nồng độ CO₂, tốc độ gió và lượng mưa hiện tại cùng với các dự đoán phát thải trong tương lai.

Tuy nhiên, dữ liệu thực tế luôn tồn tại sai số, khiến các mô hình cần được hiệu chỉnh (model tuning). Hiệu chỉnh là quá trình điều chỉnh các tham số mô hình sao cho kết quả đầu ra khớp với thực tế lịch sử. Ví dụ, nếu mô hình tính sai lượng mưa trung bình trong một vùng so với dữ liệu khí tượng thực tế, các nhà khoa học sẽ tinh chỉnh hệ số bốc hơi, độ phản xạ mặt đất, hoặc sơ đồ đối lưu.

Một số nguồn dữ liệu chuẩn và uy tín:

• NOAA National Centers for Environmental Information
• NCAR Climate Data Guide
• Copernicus Climate Data Store (EU)

Ứng dụng của mô phỏng khí hậu

Mô phỏng khí hậu đóng vai trò trung tâm trong nhiều lĩnh vực chính sách và nghiên cứu. Một trong những ứng dụng nổi bật nhất là dự báo tác động của biến đổi khí hậu đến các lĩnh vực nhạy cảm như nông nghiệp, nước, sức khỏe và đô thị hóa.

Dưới đây là các ứng dụng phổ biến:

• Phân tích kịch bản khí hậu: mô phỏng khí hậu theo các kịch bản phát thải khác nhau như SSP1-2.6, SSP5-8.5 để đánh giá tương lai khí hậu đến năm 2100.
• Hỗ trợ hoạch định chính sách: mô hình khí hậu giúp các chính phủ thiết kế chiến lược giảm phát thải, thích ứng biến đổi khí hậu và quy hoạch sử dụng đất.
• Quản lý rủi ro thiên tai: dự báo lũ, hạn hán, sóng nhiệt và mưa lớn dựa trên mô phỏng khí hậu giúp cải thiện hệ thống cảnh báo sớm.
• Ứng dụng trong y tế và dịch tễ học: mô hình khí hậu cung cấp nền tảng để dự báo sự bùng phát dịch bệnh do muỗi hoặc nhiệt độ tăng cao.

Trong lĩnh vực nghiên cứu, mô phỏng khí hậu cũng giúp kiểm định các giả thuyết khoa học, ví dụ như tác động của El Niño lên mực nước biển hay ảnh hưởng của băng tan ở Greenland lên tuần hoàn đại dương.

Độ tin cậy và bất định trong mô hình

Mọi mô hình khí hậu đều mang theo mức độ bất định nhất định. Những bất định này không chỉ đến từ sai số số học, giới hạn hiểu biết khoa học mà còn từ chính các giả định con người đưa vào mô hình, đặc biệt là kịch bản phát thải trong tương lai.

Các loại bất định chính bao gồm:

• Bất định do mô hình (Model uncertainty): phát sinh từ cách mô hình biểu diễn các quá trình vật lý chưa hoàn thiện như tạo mây, dòng hải lưu sâu hay phản hồi sinh học.
• Bất định do điều kiện ban đầu (Initial condition uncertainty): vì không thể biết chính xác toàn bộ trạng thái khí hậu hiện tại.
• Bất định do kịch bản xã hội (Scenario uncertainty): do không chắc chắn về tốc độ phát triển kinh tế, mức tiêu thụ năng lượng và chính sách khí hậu trong tương lai.

Dù tồn tại bất định, các mô hình đã chứng minh được tính khả tín khi tái hiện lại các xu hướng khí hậu trong quá khứ. Một ví dụ nổi bật là mô hình Hansen et al. năm 1988 đã dự đoán chính xác nhiệt độ toàn cầu tăng khoảng 0.5°C trong 30 năm tiếp theo, phù hợp với dữ liệu quan trắc.

Mô phỏng khí hậu và biến đổi khí hậu

Một trong những vai trò chính của mô hình khí hậu là lượng hóa tác động của biến đổi khí hậu và xác định nguyên nhân chính gây ra hiện tượng này. Các mô hình cho phép cô lập ảnh hưởng của con người khỏi các biến động tự nhiên để đánh giá vai trò của khí nhà kính trong sự nóng lên toàn cầu.

Mối liên hệ giữa cưỡng bức bức xạ và sự thay đổi nhiệt độ trung bình toàn cầu được thể hiện bằng công thức: $\Delta T = \lambda \cdot \Delta F$trong đó \(\Delta T\) là sự tăng nhiệt độ toàn cầu, \(\lambda\) là độ nhạy khí hậu (climate sensitivity) và \(\Delta F\) là mức cưỡng bức bức xạ (radiative forcing) do khí nhà kính gây ra.

Nhờ vào mô phỏng, ta biết rằng lượng CO₂ trong khí quyển đã tăng từ 280 ppm (trước Cách mạng Công nghiệp) lên hơn 420 ppm hiện nay, kéo theo nhiệt độ trung bình toàn cầu tăng hơn 1°C. Những kết quả này được tổng hợp trong các báo cáo của IPCC – cơ quan khoa học khí hậu hàng đầu thế giới.

Các hệ thống mô hình khí hậu toàn cầu

Nhiều trung tâm khí tượng và viện nghiên cứu quốc tế đã phát triển các hệ thống mô hình khí hậu toàn cầu để cung cấp dữ liệu cho cộng đồng khoa học. Các mô hình này là trụ cột cho các báo cáo IPCC và cơ sở cho dự báo dài hạn.

Các hệ thống nổi bật:

• EC-Earth: do liên minh các viện khí tượng châu Âu phát triển, tích hợp khí quyển, đại dương và sinh quyển.
• GFDL (NOAA): Hoa Kỳ phát triển, một trong những mô hình chính xác nhất hiện nay.
• HadGEM: mô hình của Cục Khí tượng Anh, tập trung vào mô phỏng mưa và biến động khí hậu khu vực.

Ngoài ra còn có mô hình CESM (Hoa Kỳ), MIROC (Nhật), MPI-ESM (Đức)... Các mô hình này thường được chia sẻ công khai và sử dụng trong các dự án hợp tác quốc tế như CMIP6 – nền tảng cho báo cáo IPCC AR6.

Xu hướng phát triển mô hình khí hậu tương lai

Mô hình khí hậu đang tiếp tục tiến hóa nhờ sự phát triển của công nghệ tính toán và dữ liệu vệ tinh. Một số xu hướng lớn đang hình thành trong lĩnh vực này.

Các hướng cải tiến nổi bật:

• Tăng độ phân giải: từ mô hình 100 km/pixel xuống 10 km/pixel, cho phép mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng như xoáy thuận nhiệt đới, đối lưu địa phương và dòng hải lưu hẹp.
• Tích hợp thêm yếu tố xã hội và sinh học: như sử dụng mô hình kinh tế-vĩ mô để dự báo phát thải CO₂.
• Ứng dụng AI và học máy: để tối ưu hóa tham số, phát hiện mẫu trong dữ liệu khí hậu và tăng tốc mô phỏng.
• Mở rộng khả năng tiếp cận: với các mô hình mã nguồn mở như CliMA hoặc CESM, giúp cộng đồng nghiên cứu dễ dàng tiếp cận và đóng góp.

Tương lai của mô phỏng khí hậu gắn liền với khả năng mô tả toàn diện hành vi của Trái Đất trong điều kiện khí hậu thay đổi nhanh chóng, từ đó giúp con người ra quyết định chính xác hơn cho sự sống còn của hành tinh.