高鳳玲， 崔國民， 陶樂仁， 華澤釗

（1.上海理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，上海 200093；2.河南科技大學(xué)車輛與動力工程學(xué)院，洛陽 471039）

自20世紀(jì)末以來，溫室效應(yīng)及全球變暖已成為影響氣侯變化、人類生存環(huán)境和經(jīng)濟發(fā)展與安全的重大因素.由于人類生產(chǎn)和社會活動的急劇發(fā)展，不斷向大氣排放CO2，CH4等大量溫室氣體，致使溫室效應(yīng)增強，這是造成近年來地球變暖的主要原因.根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第4次報告，在過去1906～2005年短短的100年間，近地球表面空氣和海洋溫度已經(jīng)升高了0.74±0.18℃［1］.氣候?qū)W家采用多種氣候模型對全球變暖的后果進(jìn)行預(yù)測，如果不能有效地控制CO2的排放，到2100年地球表面溫度可能還會繼續(xù)升高1.1～6.4℃，從而導(dǎo)致災(zāi)難性后果［1－2］.但是IPCC氣候報告以及大多數(shù)有關(guān)全球變暖的研究文獻(xiàn)在計算中大都只將地表溫度處理為單一的平均溫度，即認(rèn)為是288.15K，而實際的地表溫度在空間分布上體現(xiàn)出了極大的不均勻性.在不同的時間尺度上，其隨晝夜交替、季節(jié)變換也會產(chǎn)生不同的變化特點，平均溫度的使用，勢必使預(yù)測結(jié)果偏離真實值.鑒于此，筆者在分析全球地表溫度時空分布特點的基礎(chǔ)上，分別將其作均一化處理并與考慮時間、地域差別之后計算所得到的溫室效應(yīng)進(jìn)行了比較，預(yù)測人為溫室氣體排放對溫室效應(yīng)的影響.

1 地表溫度時空分布特點

地球的能量幾乎都來自于太陽的短波輻射，但是受到地球自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)、地貌分布特征以及不同緯度大氣分布的影響，造成太陽照射到地球的光束能量不可能同時到達(dá)地球所有表面，使得地表溫度呈現(xiàn)出區(qū)域性和時間性的變化特點.表1為根據(jù)南北回歸線和南北極圈將地球劃分的5個氣候帶及其相應(yīng)的地表面積（取地球半徑為6 371km）和氣候模式.其中，考慮到溫帶和寒帶地區(qū)四季較大的溫差，在時間尺度上又將其均分為夏季與冬季兩種氣候類型.

從表1可以看出，溫帶地區(qū)的地表面積最大，但也只占了總地表面積的50%，而被大多數(shù)文獻(xiàn)所采用的288.15K的地表平均溫度也僅與溫帶地區(qū)的年平均溫度283.2K較為接近，與另外占地50%的熱帶和寒帶的年均溫度299.7K和272.2K相比，溫差達(dá)到了10K以上.在溫室效應(yīng)的計算中，地表輻射通常被簡化為黑體輻射［3－4］，按照Stenfan－Boltzmann定律，黑體單位時間內(nèi)向外輻射的能量與熱力學(xué)溫度的四次方成正比.因此，地表溫度每升高1K，將會使其出射能量增加6～8W／m2，10K的溫差必將引起地表出射能量的顯著改變.而對于溫室氣體，其選擇吸收的特性又會由于地表溫度不同造成紅外光譜的遷移，從而使得其所吸收的地氣系統(tǒng)的長波輻射量發(fā)生變化.

表1 地球的氣候帶與氣候模式Tab.1 Climatic zones and climate models of the globe

2 輻射計算的初始條件及假設(shè)

IPCC用輻射強迫來衡量某種氣體溫室效應(yīng)的大小，即該氣體濃度變化后所產(chǎn)生的對流層頂凈輻射通量的變化量.由于溫室氣體主要在大于3μm的紅外區(qū)有吸收［5］，故只考慮其濃度變化所引起的長波通量的改變，忽略對太陽光的吸收，定義輻射強迫為

式中，LW0，LW1為計算氣體取如表2所示工業(yè)革命前及當(dāng)前濃度時，對流層頂部的向上長波通量，W／m2.ΔF越大，說明氣體濃度變化后所攔截的紅外輻射量越多，溫室效應(yīng)越嚴(yán)重.

表2 工業(yè)革命前和目前大氣中溫室氣體濃度［1］Tab.2 Greenhouse gas concentrations at present and pre－Industrial Revolution［1］mL／m3

對于某一區(qū)域，由于時間變化所引起的地表溫度差異對輻射強迫影響的計算式為

式中，ΔFt為總時間t下輻射強迫的年均值；ΔF （t′）為計算區(qū)域在各不同時間段t′下的輻射強迫.而就全球而言，溫室氣體的輻射強迫還應(yīng)考慮到不同地域之間表面溫度的差異，即應(yīng)將各地域的ΔFt再對其相應(yīng)的地表面積A′進(jìn)行積分晴天無云情況下進(jìn)行，忽略散射的影響.

d.輻射方案采用美國大氣與環(huán)境研究中心（AER）的RRTM－LW長波輻射傳輸模型，該模型以大氣分子光譜資料HITRAN2004為基礎(chǔ)，通過相關(guān)k分布模式，將計算波長區(qū)間劃分為16個連續(xù)的譜帶，每個譜帶的k分布由逐線模型直接獲得［7－8］.

3 地表溫度時空差異對輻射強迫影響的分析與預(yù)測

式中，ΔFs為考慮了地表溫度的時空差異后，溫室氣體的平均輻射強迫；A為地球的總表面積.根據(jù)式（2）～（3）進(jìn)行計算時，地球的區(qū)域與時間劃分如表1所示，計算中所用到的其它初始條件與假設(shè)為：

a.將地表溫度作時空積分處理時，不同時間與地域下的大氣溫度及壓力廓線均取自如表1所示的相應(yīng)的氣候模式；當(dāng)采用地表平均溫度288.15K計算時，所用到的氣候模式為代表全球平均狀況的美國標(biāo)準(zhǔn)大氣［6］.

b.對流層頂選在大氣溫度隨高度增加由降低轉(zhuǎn)為不變的第一次轉(zhuǎn)折點處，將地球假設(shè)為相應(yīng)區(qū)域溫度下的黑體.

c.計算波長區(qū)間為3～1 000μm，所有計算均在

表3將利用時空積分與均一處理方法各自得到的CO2，CH4和N2O的輻射強迫ΔFs和ΔFa進(jìn)行了比較.考慮到氣候帶劃分的對稱性，表3中僅計算了北半球的數(shù)據(jù).從表3可以看出，溫室效應(yīng)的強弱與地表溫度存在著正相關(guān)的特性，即隨著地表溫度逐漸增加，各溫室氣體的年均輻射強迫ΔFt也呈上升趨勢，熱帶地區(qū)達(dá)到最大，溫室效應(yīng)最為嚴(yán)重.但相對于CH4與N2O，由于CO2自身較大的濃度基數(shù)，使得不同地域的ΔFt，CO2對時間的積分表現(xiàn)出了較大差異，熱帶和寒帶地區(qū)相差達(dá)1.02W／m2.因此經(jīng)過空間積分后，ΔFs，CO2和ΔFa，CO2的差別達(dá)到了0.12W／m2，相當(dāng)于6%的偏差.而CH4與N2O在大氣中屬于微量氣體，其相對較小的輻射強迫受時間、地域差別的影響也較小，經(jīng)時空積分與均一化處理不同方法所得到的輻射強迫則表現(xiàn)出了較好的吻合性，兩者差別均只有0.01W／m2，偏差小于2%.

表3 溫室氣體輻射強迫Tab.3 Radiative forcing of greenhouse gases W／m2

由于CH4是大氣濃度僅次于CO2的首要微量溫室氣體，圖1與表4利用上述兩種方法將這兩種氣體在未來100年內(nèi)的輻射強迫進(jìn)行了預(yù)測.CO2自工業(yè)革命以來，大氣濃度呈持續(xù)增長趨勢，根據(jù)美國海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實驗室所公布的數(shù)據(jù)，其2000～2010年間的平均年增長率約為每年2.1mL／m3；而CH4在1998～2006年間，增長出現(xiàn)停滯，濃度基本維持在1 745μL／m3的水平上，直到2007年才又開始以約每年10μL／m3的速度出現(xiàn)顯著增長［9］.因此圖1及表4中，CO2的年增長率取為實際值每年2.1 mL／m3，CH4分別取了每年1，5，10和15μL／m3的4種不同的年增長率，兩種氣體的初始濃度均取當(dāng)前值（見表2）.

從圖1及表4可以看出，隨著CO2與CH4大氣濃度的逐漸增加，將地表溫度進(jìn)行時空積分后所得到的輻射強迫均大于均一化處理方案，但CO2輻射強迫受計算方法的影響更大.如表4所示，到了2112年，CO2兩種計算方法下所得到的ΔFs，CO2和ΔFa，CO2分別為4.15，3.86 W／m2，兩者的絕對差值達(dá)到了0.29 W／m2，比當(dāng)前差值0.12 W／m2的2倍還多，相對差別則增長到7%，與當(dāng)前偏差相比增長了1個百分點.而CH4即使按照表4中最大的年增長率15μL／m3，100年后，其ΔFs，CH4也僅比ΔFa，CH4大0.03 W／m2，偏差只有3%.在地球能量平衡中，凡可能引起能量流變化0.1 W／m2的情況，都必須給予認(rèn)真考慮［3，10］.因此，對于大氣中含量最大的溫室氣體CO2，地表溫度均一化的處理方案將會造成輻射強迫的計算值偏低，并且隨著其大氣濃度的不斷加大，偏差還將明顯增加；但是對于以CH4為首的其余微量溫室氣體，即使?jié)舛瘸霈F(xiàn)大幅增加，地表溫度的時空差異對其輻射強迫也不會產(chǎn)生顯著影響，在溫室效應(yīng)的分析計算中采用地表平均溫度不會影響到計算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖1 輻射強迫隨時間變化關(guān)系Fig.1 Radiative forcing variations with time

表4 2112年CO2與CH4輻射強迫預(yù)測值Tab.4 Predictiver adiative forcings of CO2and CH4in 2112

此外，圖1說明，CH4作為大氣中的首要微量溫室氣體，目前，其所產(chǎn)生的輻射強迫大約已經(jīng)占到了CO2的25%.但是，CH4輻射強迫的增長速率明顯小于CO2，而且它在大氣中會與OH－自由基發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，具有較短的大氣壽命，大約為9～15年［11］.如果能夠維持其產(chǎn)生與消除的近似平衡，就有可能使其濃度像在1998～2006年間那樣保持基本穩(wěn)定，從而顯著緩解由于CO2濃度持續(xù)上升對全球變暖所施加的巨大壓力.如表4所示，如果依照CH4現(xiàn)在10μL／m3的年增長率，到了2112年，除去CO2所引起的溫室效應(yīng)，CH4會額外再貢獻(xiàn)相當(dāng)于CO2溫室效應(yīng)19%的輻射強迫；但是如果將濃度增長控制在每年1μL／m3，CH4的輻射強迫隨時間推移則幾乎沒有增加，100年后其值也僅為CO2的11%.反之，如果CH4濃度在現(xiàn)有基礎(chǔ)上繼續(xù)增加，達(dá)到每年15μL／m3的增長率，100年后的輻射強迫將達(dá)到0.96 W／m2，是目前濃度增長情況下的預(yù)測值0.80 W／m2的1.2倍.所以如果能夠減少CH4排放量，實現(xiàn)其濃度的緩慢增長，有可能是一個在相對短的時間內(nèi)減緩溫室效應(yīng)的有效并可行的手段.

4 結(jié) 論

分析了全球地表溫度的空間和時間分布特點，分別采用將地表溫度作均一化處理以及時空積分兩種不同的方法，對CO2，CH4，N2O等溫室氣體的輻射強迫進(jìn)行了計算與預(yù)測，結(jié)果表明：

a.在CO2輻射強迫的計算中，如果采用地表平均溫度將會使計算值偏低，與將地表溫度作積分處理后的結(jié)果相比，兩者的絕對差值達(dá)到了0.12W／m2，相當(dāng)于6%的偏差，而且隨著CO2大氣濃度的不斷加大，偏差還會明顯增加；但是對于以CH4為首的微量溫室氣體，其輻射強迫受時空影響很小，兩種計算方法下的相對偏差小于2%.

b.目前，CH4所產(chǎn)生的輻射強迫大約已經(jīng)占到CO2的25%.但是，CH4輻射強迫的年增加率明顯低于CO2，如果能夠?qū)H4濃度增長控制在較低水平上，其輻射強迫則隨時間推移幾乎不發(fā)生變化，從而顯著緩解由于CO2濃度持續(xù)上升對全球變暖所施加的巨大壓力.

［1］ Solomon S，Qin D，Manning M，et al.Intergovernmental panel on climate change，climate change 2007：the physical science basis［M］.New York：Cambridge University Press，2007.

［2］ 丁仲禮，段曉男，葛全勝，等.國際溫室氣體減排方案評估及中國長期排放權(quán)討論［J］.中國科學(xué)，D輯：地球科學(xué)，2009，39（12）：1659－1671.

［3］ Hansen J，Sato M，Kharecha P，et al.Earth’s energy imbalance and implications［J］.Atmospheric Chemistry and Physics，2011，11（24）：13421－13449.

［4］ 石廣玉.大氣輻射學(xué)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［5］ 盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.大氣物理學(xué)［M］.北京：北京大學(xué)出版社，2003.

［6］ McClatchey R A，F(xiàn)enn R W，Selby J E A，et al.Optical properties of atmosphere［M］.3rd.Cambridge：Air Forca Systems Command，United States Air Force，1973.

［7］ Mlawer E J，Taubman S J，Brown P D，et al.RRTM，a validated correlated－k model for the longwave［J］.Journal of Geophysical Research，1997，102：16663－16682.

［8］ Iacono M J，Mlawer E J，Clough S A，et al.Impact of an improved longwave radiation model，RRTM.on the energy budget and thermodynamic properties of the NCAR community climate mode，CCM3［J］.Journal of Geophysical Research，2000，105：14873－14890.

［9］ Kai F M，Tyler S C，Randerson J T，et al.Reduced methane growth rate explained by decreased Northern Hemisphere microbial sources［J］.Nature，2011，476（7359）：194－197.

［10］ Trenberth K E，F(xiàn)asullo J T，Kiehl J.Earth’s global energy budget［J］.Bulletin of the American Meteorological Society，2009，90（3）：311－323.

［11］ 王建兵.環(huán)境工程與科學(xué)導(dǎo)論［M］.3版.北京：高等教育出版社，2009.