地表溫度時(shí)空差異對(duì)溫室效應(yīng)影響的誤差分析

高鳳玲， 崔國(guó)民， 陶樂(lè)仁， 華澤釗

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

自20世紀(jì)末以來(lái)，溫室效應(yīng)及全球變暖已成為影響氣侯變化、人類(lèi)生存環(huán)境和經(jīng)濟(jì)發(fā)展與安全的重大因素.由于人類(lèi)生產(chǎn)和社會(huì)活動(dòng)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(qiáng)，這是造成近年來(lái)地球變暖的主要原因.根據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（IPCC）第4次報(bào)告，在過(guò)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(duì)全球變暖的后果進(jìn)行預(yù)測(cè)，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(huì)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(bào)告以及大多數(shù)有關(guān)全球變暖的研究文獻(xiàn)在計(jì)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(shí)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(shí)間尺度上，其隨晝夜交替、季節(jié)變換也會(huì)產(chǎn)生不同的變化特點(diǎn)，平均溫度的使用，勢(shì)必使預(yù)測(cè)結(jié)果偏離真實(shí)值.鑒于此，筆者在分析全球地表溫度時(shí)空分布特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別將其作均一化處理并與考慮時(shí)間、地域差別之后計(jì)算所得到的溫室效應(yīng)進(jìn)行了比較，預(yù)測(cè)人為溫室氣體排放對(duì)溫室效應(yīng)的影響.

1 地表溫度時(shí)空分布特點(diǎn)

地球的能量幾乎都來(lái)自于太陽(yáng)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(yáng)照射到地球的光束能量不可能同時(shí)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(shí)間性的變化特點(diǎn).表1為根據(jù)南北回歸線和南北極圈將地球劃分的5個(gè)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(shí)間尺度上又將其均分為夏季與冬季兩種氣候類(lèi)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(jì)算中，地表輻射通常被簡(jiǎn)化為黑體輻射［3－4］，按照Stenfan－Boltzmann定律，黑體單位時(shí)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(huì)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(duì)于溫室氣體，其選擇吸收的特性又會(huì)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(zhǎng)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(jì)算的初始條件及假設(shè)

IPCC用輻射強(qiáng)迫來(lái)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(duì)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(zhǎng)波通量的改變，忽略對(duì)太陽(yáng)光的吸收，定義輻射強(qiáng)迫為

式中，LW0，LW1為計(jì)算氣體取如表2所示工業(yè)革命前及當(dāng)前濃度時(shí)，對(duì)流層頂部的向上長(zhǎng)波通量，W／m2.ΔF越大，說(shuō)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(duì)于某一區(qū)域，由于時(shí)間變化所引起的地表溫度差異對(duì)輻射強(qiáng)迫影響的計(jì)算式為

式中，ΔFt為總時(shí)間t下輻射強(qiáng)迫的年均值；ΔF （t′）為計(jì)算區(qū)域在各不同時(shí)間段t′下的輻射強(qiáng)迫.而就全球而言，溫室氣體的輻射強(qiáng)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(duì)其相應(yīng)的地表面積A′進(jìn)行積分晴天無(wú)云情況下進(jìn)行，忽略散射的影響.

d.輻射方案采用美國(guó)大氣與環(huán)境研究中心（AER）的RRTM－LW長(zhǎng)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(guò)相關(guān)k分布模式，將計(jì)算波長(zhǎng)區(qū)間劃分為16個(gè)連續(xù)的譜帶，每個(gè)譜帶的k分布由逐線模型直接獲得［7－8］.

3 地表溫度時(shí)空差異對(duì)輻射強(qiáng)迫影響的分析與預(yù)測(cè)

式中，ΔFs為考慮了地表溫度的時(shí)空差異后，溫室氣體的平均輻射強(qiáng)迫；A為地球的總表面積.根據(jù)式（2）～（3）進(jìn)行計(jì)算時(shí)，地球的區(qū)域與時(shí)間劃分如表1所示，計(jì)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(shí)空積分處理時(shí)，不同時(shí)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(jì)算時(shí)，所用到的氣候模式為代表全球平均狀況的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣［6］.

b.對(duì)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(diǎn)處，將地球假設(shè)為相應(yīng)區(qū)域溫度下的黑體.

c.計(jì)算波長(zhǎng)區(qū)間為3～1 000μm，所有計(jì)算均在

表3將利用時(shí)空積分與均一處理方法各自得到的CO2，CH4和N2O的輻射強(qiáng)迫ΔFs和ΔFa進(jìn)行了比較.考慮到氣候帶劃分的對(duì)稱(chēng)性，表3中僅計(jì)算了北半球的數(shù)據(jù).從表3可以看出，溫室效應(yīng)的強(qiáng)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(qiáng)迫ΔFt也呈上升趨勢(shì)，熱帶地區(qū)達(dá)到最大，溫室效應(yīng)最為嚴(yán)重.但相對(duì)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(duì)時(shí)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(guò)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(duì)較小的輻射強(qiáng)迫受時(shí)間、地域差別的影響也較小，經(jīng)時(shí)空積分與均一化處理不同方法所得到的輻射強(qiáng)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(qiáng)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(lái)100年內(nèi)的輻射強(qiáng)迫進(jìn)行了預(yù)測(cè).CO2自工業(yè)革命以來(lái)，大氣濃度呈持續(xù)增長(zhǎng)趨勢(shì)，根據(jù)美國(guó)海洋與大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室所公布的數(shù)據(jù)，其2000～2010年間的平均年增長(zhǎng)率約為每年2.1mL／m3；而CH4在1998～2006年間，增長(zhǎng)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(kāi)始以約每年10μL／m3的速度出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)［9］.因此圖1及表4中，CO2的年增長(zhǎng)率取為實(shí)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(zhǎng)率，兩種氣體的初始濃度均取當(dāng)前值（見(jiàn)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(shí)空積分后所得到的輻射強(qiáng)迫均大于均一化處理方案，但CO2輻射強(qiáng)迫受計(jì)算方法的影響更大.如表4所示，到了2112年，CO2兩種計(jì)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(duì)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(duì)差別則增長(zhǎng)到7%，與當(dāng)前偏差相比增長(zhǎng)了1個(gè)百分點(diǎn).而CH4即使按照表4中最大的年增長(zhǎng)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(duì)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(huì)造成輻射強(qiáng)迫的計(jì)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(duì)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(shí)空差異對(duì)其輻射強(qiáng)迫也不會(huì)產(chǎn)生顯著影響，在溫室效應(yīng)的分析計(jì)算中采用地表平均溫度不會(huì)影響到計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性.

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

表4 2112年CO2與CH4輻射強(qiáng)迫預(yù)測(cè)值Tab.4 Predictiver adiative forcings of CO2and CH4in 2112

此外，圖1說(shuō)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(qiáng)迫大約已經(jīng)占到了CO2的25%.但是，CH4輻射強(qiáng)迫的增長(zhǎng)速率明顯小于CO2，而且它在大氣中會(huì)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(duì)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(zhǎng)率，到了2112年，除去CO2所引起的溫室效應(yīng)，CH4會(huì)額外再貢獻(xiàn)相當(dāng)于CO2溫室效應(yīng)19%的輻射強(qiáng)迫；但是如果將濃度增長(zhǎng)控制在每年1μL／m3，CH4的輻射強(qiáng)迫隨時(shí)間推移則幾乎沒(méi)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(zhǎng)率，100年后的輻射強(qiáng)迫將達(dá)到0.96 W／m2，是目前濃度增長(zhǎng)情況下的預(yù)測(cè)值0.80 W／m2的1.2倍.所以如果能夠減少CH4排放量，實(shí)現(xiàn)其濃度的緩慢增長(zhǎng)，有可能是一個(gè)在相對(duì)短的時(shí)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(shí)間分布特點(diǎn)，分別采用將地表溫度作均一化處理以及時(shí)空積分兩種不同的方法，對(duì)CO2，CH4，N2O等溫室氣體的輻射強(qiáng)迫進(jìn)行了計(jì)算與預(yù)測(cè)，結(jié)果表明：

a.在CO2輻射強(qiáng)迫的計(jì)算中，如果采用地表平均溫度將會(huì)使計(jì)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(duì)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(huì)明顯增加；但是對(duì)于以CH4為首的微量溫室氣體，其輻射強(qiáng)迫受時(shí)空影響很小，兩種計(jì)算方法下的相對(duì)偏差小于2%.

b.目前，CH4所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫大約已經(jīng)占到CO2的25%.但是，CH4輻射強(qiáng)迫的年增加率明顯低于CO2，如果能夠?qū)H4濃度增長(zhǎng)控制在較低水平上，其輻射強(qiáng)迫則隨時(shí)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(duì)全球變暖所施加的巨大壓力.

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