高鳳玲，崔國民

(1.河南科技大學車輛與交通工程學院，河南洛陽471039；2.上海理工大學能源與動力工程學院，上海200093)

0 引言

眾所周知，CO2、CH4等溫室氣體的保溫作用形成了地球適于生物生存的溫暖環(huán)境.但自工業(yè)革命以來，由于人類對能源、食物等需求的快速增長，造成了以CO2為首的溫室氣體的排放顯著增加，導致溫室作用不斷增強，地球正在逐漸變暖.聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2014年的第5次報告（fifth Assessment Report，AR5）指出：近一百年間，地表溫度已經大約升高了0.85 K[1].

長期以來，針對不同種類溫室氣體對全球變暖的影響，國內外學者做了大量研究.如針對CO2是否是當前全球變暖的主要驅動力展開了熱烈的爭論：文獻[2,3]進行了CO2濃度加倍對地表溫度影響的氣候敏感性分析，文獻[4]從增長率角度討論了現(xiàn)代溫度與CO2的關系；對于非CO2溫室氣體，IPCC AR5提出了用全球溫變潛能值(Global Temperature Potential，GTP)替代原有的全球變暖潛能值（Global Warming Potential,GWP）來衡量其溫室效應影響，以清楚表示出溫室氣體排放與地表溫升之間的直接關系[1,5]；近些年，衛(wèi)星遙感技術的進步實現(xiàn)了對受人為因素影響較小的H2O溫室效應的研究分析[6,7].

目前在進行全球溫度受溫室氣體影響的計算中，大多文獻都是將地表溫度處理為單一的平均溫度.而實際上，地表溫度在空間地域上存在著極大的不均勻性，在不同的時間尺度上，隨日夜、四季的更替也會產生不同的變化特點.地表溫度在空間和時間上所體現(xiàn)出的這種不均勻性使得即使溫室氣體的濃度不發(fā)生變化，由地表溫度差異所導致的地球紅外輻射的光譜遷移以及溫室氣體的選擇性吸收特性也會造成溫室效應呈現(xiàn)出不同的時空分布特點.

因此本文通過利用一維輻射傳遞方程建立計算模型，從溫室氣體的選擇性吸收與地表溫度的時空差異出發(fā)，對地球紅外發(fā)射光譜分布與溫室效應的相互耦合關系進行研究.

1 計算模型的建立

計算中所考慮的溫室氣體及其當前的大氣濃度見表1[1].計算模型如圖1所示，將大氣層沿地表一維徑向劃分為多層.考慮到對流層與地表耦合緊密，IPCC AR5中把它們作為單一的熱力學系統(tǒng)來處理，將由溫室氣體吸收所引起的輻射通量變化的計算位置取在了對流層頂[1].因此，本文中溫室效應G的計算位置同樣設在對流層頂，即計算地球表面與對流層頂處向上長波輻射通量的差值.計算時，將地球表面假設為黑體，只向上輻射能量[8,9]，而溫室氣體的自身輻射與方向無關，為漫射輻射.對流層頂設在12km處，各氣層間距?s=0.5km，把對流層劃分成24層.因計算在晴天無云模式下進行，此時，大氣對長波輻射的散射削弱極小，故不考慮氣體分子的散射作用[10]，任一氣層的向上長波通量Fj為其自身輻射和所有到達該層的下層輻射通量之和.

表1 大氣中主要溫室氣體濃度/ppm

圖1 計算模型示意圖

根據一維輻射傳遞方程[11]：

式中，ksυ為介質的光譜散射系數，m?1；kaυ為其在高度為s，波數為υ時的光譜吸收系數，m?1；Ibυ(s)為當把介質視為黑體時的光譜輻射強度，W·(m2·m)?1；Iυ(s)則為介質實際的光譜輻射強度，W·(m2·m)?1，φυ為介質的散射相函數.

式（1）中等號右側最后兩項與散射有關，由于忽略散射，因此，將式（1）簡化為：

等式兩邊同乘ds：

利用有限差分代替微分，將(3)式轉化為：

即：

移項后：

通過對波數積分，可得第j+1層的輻射強度：

對漫射表面，輻射力為任意方向上輻射強度的π倍，則可得第j+1層的向上輻射通量：

計算中，給定波數處每一氣層的吸收系數kaυ采用美國大氣與環(huán)境研究中心的LBLRTM逐線積分方案[12].計算得到kaυ后，利用一維輻射傳輸模型，即可從地表起逐層進行計算得到每一大氣層的向上長波輻射通量.

2 地表溫度變化對溫室效應的影響

根據普朗克定律，如果把地球輻射處理為黑體，隨著地表溫度升高，輻射能量也將總體增強，同時其光譜分布將會向著較大波數方向移動.如圖2所示，當地表溫度從當前的全球平均溫度289 K升高到熱帶氣候模式下的299.7 K時[13]，其峰值波數也相應從570 cm?1升高到了587 cm?1.但是，從圖3可以看出，大氣中各個溫室氣體有著固定的吸收帶位置，其中CO2在以680 cm?1帶為中心的550～810 cm?1的區(qū)間內存在著強烈的吸收，CH4與N2O則主要在600 cm?1、1300 cm?1等波數附近表現(xiàn)出強烈的溫室效應，而H2O對于地球紅外輻射的吸收卻覆蓋了圖示的整個紅外光譜范圍.但就溫室效應的整體分布而言，在830-1250 cm?1的波段內，除了O3存在著較強的吸收，其余氣體的紅外攔截作用均很弱.溫室氣體這種固有的選擇性吸收特性勢必造成即使其濃度保持一定，不同地表溫度下的溫室效應分布也會有所不同.

圖2 不同地表溫度下地球輻射能量的光譜分布

圖3 大氣中主要溫室氣體溫室效應的光譜分布

2.1 溫室效應的溫度增強

為了研究地表溫度變化對溫室效應的影響，計算了當地表溫度分別取當前全球平均溫度289 K和熱帶氣候模式時的299.7 K[13]兩種情況下的溫室效應G，如圖4所示.

圖4表明，地表溫度升高對于溫室效應存在著溫度增強效果，即在圖示的整個光譜范圍內地球的發(fā)射能量均有所提高.但另一方面，由于地表輻射能量的光譜遷移與溫室氣體的選擇性吸收的相互耦合，不同波數處溫室效應的變化量并不相同，具體可以通過下面的數學推導來作進一步分析.

假設在初始溫度下，地表的黑體輻射能量為E，溫室氣體的平均吸收率為α，則溫室效應G：

當溫度有一微小增加，則產生的結果是E變化為?E，吸收系數α變化成為?α，則新的溫室效應Gnew可以表示為：

從式（9）可以直接看出，溫室效應取決于兩種因素，即地表的紅外輻射能力E與大氣的吸收能力α.當地表溫度升高時，其發(fā)射能力也必定隨之增強，所以大氣對地球輻射的吸收量也會有所增加，造成溫室效應相應提高.但是式（10）表明，地表溫度升高后，溫室效應G并不是隨著發(fā)射能量E線性增加的，所引起的溫室效應增量?G有三部分組成，即?Eα、E?α與?E?α.其中，?E?α是一高階小量，與其他兩項相比，對?G的影響相對較小，可以忽略.因此，?G主要取決于兩個因素，即?Eα和E?α.其中，?Eα主要是由于地表發(fā)射能量的強度變化所引起的，在本文中被稱為強度變化分量，而E?α則根源于地表溫度變化使其發(fā)射能量發(fā)生光譜遷移，從而導致大氣的綜合吸收發(fā)生改變造成的，故可以被稱為光譜變化分量.

圖5給出了當地表溫度從289 K變化到299.7 K時，其強度變化分量?Eα與光譜變化分量E?α的能量分布情況.

圖4 地表溫度為289 K與299.7 K時的溫室效應光譜分布

圖5 地表溫度從289 K變化到299.7 K時的強度變化與光譜變化分量的能量分布

從圖5可以看出，?Eα在全波段范圍內均為正值，因為隨著地表溫度升高，?E總是大于零.而E?α則大約以289 K所對應的紅外輻射峰值波數570 cm?1為界線，在該峰值波數左側的E?α小于零，對溫室效應起弱化作用，相反，在峰值波數右側的E?α則大于零，對溫室效應起強化作用.總體而言，在全波段范圍內對波數進行積分，可以得到強度變化分量?Eα與光譜變化分量E?α的數值分別為47.341 W·?2和-0.181 W·?2.總的光譜變化分量為負值，在一定程度上起到了積極的減弱溫室效應的影響.

2.2 光譜變化分量的兩面性

造成光譜變化分量對溫室效應的這種兩面性影響如果從地表輻射的角度來考慮，應歸因為溫度變化所引起的輻射能量的光譜遷移.當地表溫度上升，能量分布曲線右移，使得在原始的地球輻射峰值波數右側的吸收帶所吸收的能量相對增多，E?α為正值；相應的，在原始峰值波數左側的吸收則會有所減弱，E?α為負值.但如果從溫室氣體的角度來考慮，假如氣體的主要吸收帶位于地球輻射峰值波數的右側，則溫度升高后，其總的光譜變化分量為正值，對溫室效應起增強作用；反之，如果氣體的吸收帶位于峰值波數的左側，那么隨著溫度升高，能量分布曲線右移，氣體對地表輻射的吸收將會減小，使得總的光譜變化分量為負值，溫室效應被削弱.

根據上述分析，光譜變化分量與地表紅外輻射的能量分布以及溫室氣體自身的選擇性吸收特性具有高度耦合的關系.一方面，不同溫室氣體的特定吸收帶位置會影響到光譜變化分量的正負取值，而另一方面，根據Stenfan-Boltzmann定律，黑體單位時間內向外輻射的能量與熱力學溫度的四次方成正比，地表溫度即使只升高1 K，出射能量也會增加5～8 W·?2，從而使其能量分布發(fā)生改變.因此，由于地表溫度的時空差異，不同發(fā)射溫度下的地球能量分布也有可能改變光譜變化分量的數值.

圖6給出了在不同地表溫度下，溫度每上升1 K時，H2O、CO2以及CH4與N2O的光譜變化分量E?α隨溫度的變化情況.圖6表明，對于CO2，當溫度在373～253 K的范圍內時，隨著溫度逐漸降低，E?α呈增加趨勢，但盡管如此，E?α始終保持為負值，說明此時它對溫室效應起削弱作用；但是當溫度低于253 K以后，E?α則變?yōu)檎?，這樣，它將與強度變化分量?Eα一起，共同對溫室效應起增強作用.

對于H2O，由于它在整個紅外光譜范圍內對地球的能量都有吸收，光譜吸收特性相對于CO2較為復雜，因而在圖6中，H2O的E?α不再隨溫度單調變化.當溫度大約為253 K時，E?α具有最大負值，相應的在此溫度下，其對溫室效應的削弱影響也最為顯著；但是當溫度分別低于153 K或高于333 K時，E?α則將變?yōu)檎?，H2O對溫室效應的影響也將由削弱轉為增強.

對于CH4與N2O，其主要吸收帶中心位于1300 cm?1波數處，始終處在圖6所示的地表溫度下輻射峰值波數的右側，故在圖示溫度下，這兩種氣體的E?α始終保持正值，對溫室效應總是起增強影響.

圖6 不同地表溫度下各主要溫室氣體的光譜變化分量

圖7 不同地表溫度下溫度每升高1 K所引起的溫室效應的絕對增量與相對增量

2.3 極地溫室效應特性

極地地區(qū)，包括北極與南極，常年地表溫度在273 K以下.如此之低的地表溫度決定了其溫室效應的溫度增強特性也與其他地區(qū)有所不同.前面的分析表明，地表溫度越低，溫室效應的絕對數值也就越低，但是根據IPCC AR5，極地地區(qū)的溫升在全球所有地區(qū)中卻是最為顯著的[1].為了分析這一現(xiàn)象，圖7給出了不同地表溫度下由于1 K的溫升，所引起的溫室效應的絕對增量以及絕對增量與相應地表溫度的比值，即溫室效應的相對增量.

從圖7可以看出，溫室效應的絕對增量與相對增量隨溫度變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢.隨著溫度逐漸降低，絕對增量也相應減小，與前面的分析相一致，但是相對增量卻隨溫度降低緩慢增加.當地表溫度低于223 K時，相對增量的數值則超過了絕對增量，說明在溫度極低的極地地區(qū)，溫室效應的溫度增強效果更為明顯.之所以造成這一現(xiàn)象，可以從溫度增強的強度變化與光譜變化兩個分量來考慮.從圖6可以看出，對于大氣中溫室效應最強的兩大氣體H2O與CO2，在溫度相對較高的中緯度或熱帶地區(qū)，溫度升高1 K溫室效應的增加是：強度變化分量為正，光譜變化分量為較大的負值，光譜變化分量起著較大的弱化溫室效應的作用.而在極地地區(qū)，溫度增加1 K，溫室效應的增加則是：強度變化仍然為正，但光譜變化對于H2O為很小的負值，而CO2則是正值，這樣，H2O光譜變化的弱化作用變得很小，CO2的光譜變化又隨強度變化分量一起共同對溫室效應起強化效果，因而一定程度上對于極地地區(qū)的明顯溫升做出了相應貢獻.

此外，從圖7還可以看出，絕對增量的曲線斜率隨著溫度的增加呈加大趨勢，這也就意味著極地地區(qū)溫度升高1K所需的代價將會小于其他地區(qū)，換言之，極地地區(qū)只需要很小的溫室效應增量便會引起較大的溫升.考慮到溫升所導致的冰層融化，還會導致原本封存在冰層中的CO2、CH4等溫室氣體被釋放到大氣中，從而使溫室效應進一步增強.因此，極地溫室效應的絕對數值雖然最小，但環(huán)境卻最為脆弱，受溫室效應的影響也最嚴重.

3 結論

通過利用一維輻射傳遞方程建立計算模型研究了不同地表溫度下的溫室效應特征，探討了地表發(fā)射光譜特性對溫室效應的影響.結果表明：

1.地表溫度升高，會使溫室效應增強，而這一溫度增強效應根源于強度變化和光譜變化兩個分量.強度變化分量由于始終為正的特性，對溫室效應總是起加強作用，而光譜變化分量根據不同氣體的吸收帶位置和地表溫度差異所引起的光譜能量遷移，有可能為負值，從而削弱溫室效應；

2.極地地區(qū)，H2O與CO2兩種主要溫室氣體的光譜變化分量對溫室效應的弱化作用變得很小，當溫度極低時，甚至會出現(xiàn)強度變化與光譜變化分量同時為正，共同對溫室效應起強化作用的情況，從一定程度上對于極地地區(qū)更為顯著的溫室效應做出了貢獻.