BAO NHIÊU PHẦN BIẾN ĐỔI KHÍ HẬU GẦN ĐÂY LÀ DAO ĐỘNG CỦA CHÍNH TỰ NHIÊN?

Mọi xu hướng khí hậu mà chúng ta quan sát được đều là tổng của hai thành phần. Thành phần thứ nhất là phản ứng cưỡng bức (forced response): sự thay đổi do khí nhà kính, sol khí, việc sử dụng đất và các vụ phun trào núi lửa gây ra. Thành phần thứ hai là biến thiên nội tại (internal variability): những dao động của chính khí hậu, như El Niño hay các dao động chậm của Thái Bình Dương và Đại Tây Dương. Phân biệt được chúng rất quan trọng, vừa để hiểu biến đổi khí hậu, vừa để đánh giá xem các mô hình khí hậu có đúng hay không.

Vấn đề là thực tế chỉ diễn ra một lần. Các mô hình khí hậu có thể được chạy hàng chục lần với cùng một mức cưỡng bức, và trung bình của các lần chạy đó cho thấy phần cưỡng bức. Nhưng mô hình có sai lệch, còn những thủ thuật thống kê đơn giản hơn thì thường giả định rằng kiểu hình cưỡng bức không bao giờ thay đổi. Một đợt so sánh quốc tế gần đây giữa các phương pháp như vậy cho thấy sai số vẫn còn lớn — và các phương pháp học máy không làm tốt hơn thống kê cổ điển.

Bài báo đưa ra một ví dụ đáng cảnh giác: sự chững lại của hiện tượng ấm lên toàn cầu trong giai đoạn 1998–2012 ban đầu được hiểu là dấu hiệu cho thấy sự ấm lên do con người đang chậm lại và các mô hình đã sai, trước khi được công nhận là biến thiên nội tại.

Một mạng học được “tiếng ồn”

Parvathi Kooloth, Wenyu Zhou và các đồng nghiệp tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Tây Bắc Thái Bình Dương (Pacific Northwest National Laboratory), Đại học California San Diego và Đại học Washington đã xây dựng một ConvLSTM, một mạng nơ-ron kết hợp khả năng nhận biết các kiểu hình không gian với trí nhớ về cách chúng biến đổi theo thời gian. Họ huấn luyện nó trên các tập hợp lớn (ensemble) mô phỏng từ 15 mô hình khí hậu, sử dụng các bản đồ nhiệt độ bề mặt, lượng mưa và khí áp mực nước biển. Nhiệm vụ của nó là nhận ra các dao động tự nhiên; phần còn lại chính là phần cưỡng bức.

Khi được thử trên những mô hình chưa từng thấy, nó vượt qua sáu phương pháp hiện có đối với nhiệt độ, lượng mưa và khí áp trong phần lớn giai đoạn lịch sử — với một ngoại lệ, là một mô phỏng mà các tác giả cho là một giá trị ngoại lai thiếu thực tế. Với thế giới thực, mười phiên bản của mạng, mỗi phiên bản được huấn luyện trên một bộ mười mô hình khác nhau, đã được áp dụng cho khí hậu quan sát được kể từ năm 1940.

Những gì nó tìm thấy trong số liệu thực tế

• Sự chững lại của hiện tượng ấm lên giai đoạn 1998–2012 hiện ra là biến thiên tự nhiên, đúng như các nghiên cứu sau này đã kết luận. Phần tự nhiên của nhiệt độ toàn cầu bám sát dao động chậm của Thái Bình Dương.
• Bắc Cực. Tốc độ ấm lên quan sát được ở Bắc Cực gần đây đã đạt khoảng bốn lần tốc độ toàn cầu. Theo mạng nơ-ron, phần cưỡng bức gần như không đổi ở mức khoảng ba lần. Dao động tự nhiên làm nốt phần còn lại: Thái Bình Dương kìm hãm sự ấm lên toàn cầu, trong khi một nhịp qua lại mang tính khu vực của riêng Bắc Cực, tức một kiểu biến thiên của Bắc Cực, lại thúc đẩy sự ấm lên tại đó, đặc biệt trong giai đoạn 2005–2020.
• Đại Tây Dương. Chênh lệch nhiệt độ giữa Bắc và Nam Đại Tây Dương đã đi theo hình chữ V kể từ năm 1950. Phần cưỡng bức cũng giảm rồi tăng, phù hợp với sự gia tăng rồi suy giảm sau đó của ô nhiễm sol khí ở Bắc Bán Cầu. Biến thiên tự nhiên đã khuếch đại dao động này, tạo nên vùng đáy sâu của những năm 1970 và 1980.
• Thái Bình Dương và Tây Nam Hoa Kỳ. Từ năm 1980, vùng đông Thái Bình Dương xích đạo ấm lên ít hơn vùng tây, một kiểu hình “giống La Niña” mà các mô hình hiếm khi tái hiện được. Mạng nơ-ron cho biết riêng phản ứng cưỡng bức lẽ ra sẽ tạo ra một kiểu hình ngược lại yếu, “giống El Niño”; biến thiên tự nhiên đã đảo ngược nó. Điều tương tự cũng đúng với sự mạnh lên của vùng áp cao trên đông bắc Thái Bình Dương và sự khô hạn ở tây nam Bắc Mỹ: phần lớn là tự nhiên, phần cưỡng bức chỉ khiêm tốn.

Với một số đặc điểm trong số này, xu hướng quan sát được trong giai đoạn 1980–2022 nằm ngoài phạm vi của phản ứng cưỡng bức ước tính — một lời nhắc rằng một xu hướng lịch sử duy nhất có thể là chỉ dẫn kém tin cậy về những gì con người đã gây ra.

Một phép kiểm tra đối với các mô hình

Vì mạng nơ-ron đưa ra một ước tính rõ ràng về phần cưỡng bức, nó có thể được so sánh trực tiếp với những gì các mô hình mô phỏng. Các kiểu hình tổng thể khớp nhau: ấm lên nhiều hơn trên đất liền và ở vĩ độ cao, ít hơn trên vùng cận cực Bắc Đại Tây Dương và Nam Đại Dương, vùng nhiệt đới và vĩ độ cao ẩm ướt hơn, vùng cận nhiệt đới khô hơn. Nhưng các mô hình làm Bắc Bán Cầu ấm lên nhiều hơn, làm vùng áp cao cận nhiệt đới mạnh lên ít hơn, và làm đất liền khô đi ít hơn. Các tác giả cho rằng các mô hình hiện nay có thể đang đánh giá thấp mức độ mà sự dịch chuyển của gió sẽ làm khô các lục địa.

Chính họ đã liệt kê các giới hạn. Mạng nơ-ron học từ các mô hình, nên một sai lệch chung của tất cả các mô hình có thể đánh lừa nó. Rất khó nhìn vào bên trong để hiểu vì sao nó hoạt động tốt đến vậy. Và nó giả định rằng trung bình của một tập hữu hạn các mô phỏng chính là phản ứng cưỡng bức thực sự. Trong phạm vi những giới hạn đó, các tác giả kết luận, học máy có thể giúp việc quy nguyên (attribution) biến đổi khí hậu trong quá khứ vững chắc hơn — và việc kiểm định các mô hình sắc bén hơn.