CO2的溫室效應(yīng)飽和度分析及其大氣體積分?jǐn)?shù)預(yù)測模型

高鳳玲, 崔國民, 黃曉璜

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

CO2的溫室效應(yīng)飽和度分析及其大氣體積分?jǐn)?shù)預(yù)測模型

高鳳玲1, 崔國民2, 黃曉璜2

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

通過精確的LBLRTM逐線積分模式建立CO2體積分?jǐn)?shù)變化模型,分析了CO2的溫室效應(yīng)飽和度,并對未來地表溫升的變化趨勢進(jìn)行了預(yù)測.結(jié)果表明,目前CO2的持續(xù)排放只能使其在680 cm-1強(qiáng)吸收帶中心達(dá)到飽和,而在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi),其仍將通過該吸收帶的翼區(qū)以及1 000 cm-1，1 350 cm-1與1 900 cm-1等弱吸收帶對地表紅外輻射表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收,CO2的溫室效應(yīng)還遠(yuǎn)未達(dá)到飽和;如果按照當(dāng)前CO22.2 (mL/·m-3)/a的年排放速率,CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)將會(huì)持續(xù)增加,從而造成地表溫度不斷升高,到2056年,地表溫升將會(huì)達(dá)到2 K.

CO2; 溫室效應(yīng); 飽和; 大氣體積分?jǐn)?shù)

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,但是,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,造成以CO2為首的溫室氣體的排放顯著增加,致使地球逐漸變暖.聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)2014年第5次報(bào)告指出,近百年來,地表溫度已經(jīng)大約升高了0.85 K[1].地球作為一個(gè)巨大的生態(tài)系統(tǒng),如果氣溫上升幅度超過1.5 K,全球便會(huì)有20%～30%的動(dòng)植物面臨滅絕;而如果氣溫上升超過了3.5 K,則將有40%～70%的物種因?yàn)榄h(huán)境惡化而瀕臨滅絕[2].因此,如果將氣候變化的極限值設(shè)定為2 K[3],則今后溫度的上升空間只有不到1.5 K,如今所面臨的形勢已經(jīng)十分嚴(yán)峻.

CO2作為人類生產(chǎn)社會(huì)活動(dòng)所排放的首要溫室氣體,其對溫室效應(yīng)的影響已引起了國內(nèi)外科學(xué)界的廣泛關(guān)注.李翠娜等[4]對大氣CO215 μm吸收帶與溫度之間的依賴關(guān)系進(jìn)行了研究;徐娜等[5]分析了溫室氣體吸收帶重疊對CO2紅外輻射效應(yīng)的影響;Shine等[6]提出了采用全球溫變潛能值(global temperature potential,GTP)來衡量非CO2溫室氣體與CO2所造成的地表溫升之比.但是,在當(dāng)前的各種氣候模式計(jì)算中,為了節(jié)省CPU時(shí)間,大多采用了帶模式、k分布或者相關(guān)k分布模式,而所有這些方法的精度都必須有一個(gè)比較標(biāo)準(zhǔn),以便對其進(jìn)行驗(yàn)證,這就是逐線積分法,它被認(rèn)為是大氣紅外吸收計(jì)算的最精確方法[7].而且,當(dāng)前CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)已經(jīng)達(dá)到了390 mL/m3,與工業(yè)革命前280 mL/m3的大氣體積分?jǐn)?shù)相比，增長了大約了40%,其對溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)已經(jīng)占到了長壽命溫室氣體的63%[1],這是否意味著CO2的溫室效應(yīng)已經(jīng)或者即將要達(dá)到飽和,繼續(xù)研究CO2的溫室效應(yīng)是否仍有必要.鑒于此,采用美國大氣與環(huán)境研究中心(Atmospheric and Environmental Research,AER)發(fā)展的LBLRTM一維逐線積分模式,利用最新版本的大氣分子吸收光譜數(shù)據(jù)庫 HITRAN 2012,對CO2的紅外吸收能力進(jìn)行了精確計(jì)算,其長波輻射通量計(jì)算誤差大約為0.5%[8],并以近年來CO2的體積分?jǐn)?shù)變化數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),建立了其體積分?jǐn)?shù)變化模型,對未來的地表溫升進(jìn)行預(yù)測.

1 CO2溫室效應(yīng)飽和度分析

一般而言,當(dāng)一種溫室氣體的體積分?jǐn)?shù)足夠大時(shí),其對輻射的吸收能力與體積分?jǐn)?shù)之間將呈對數(shù)關(guān)系變化[9].因此,隨著CO2大氣體積分?jǐn)?shù)的逐漸增加,其吸收帶所捕獲的紅外輻射量的增加速度卻會(huì)變得越來越慢,最終吸收帶將會(huì)達(dá)到飽和,即無論CO2體積分?jǐn)?shù)如何增長,也不再會(huì)對輻射的吸收作出貢獻(xiàn)[10-11].為了考察CO2的溫室效應(yīng)飽和度,圖1和圖2分別給出了CO2在工業(yè)革命前的溫室效應(yīng)G,以及其體積分?jǐn)?shù)相對于工業(yè)革命前分別增長2倍和4倍情況下其溫室效應(yīng)相對增量ΔG%的光譜能量分布.其中,溫室效應(yīng)G定義為地表與大氣層頂部的向上長波通量之差[12].

圖1 工業(yè)革命前CO2的溫室效應(yīng)Fig.1 Greenhouse effect of CO2 before Industrial Revolution

圖2 CO2體積分?jǐn)?shù)為工業(yè)革命前的2倍與4倍時(shí)的溫室效應(yīng)相對增量

圖1表明,工業(yè)革命前,CO2在以680 cm-1帶為中心的550～810 cm-1的區(qū)間內(nèi)存在著強(qiáng)烈的吸收,此外,在1 000 cm-1波數(shù)兩側(cè)附近也表現(xiàn)出了一定的溫室效應(yīng)能力,而在1 350 cm-1與1 900 cm-1波數(shù)兩側(cè)的溫室效應(yīng)能力則非常微弱.但從圖2可以看出,當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)相對于工業(yè)革命時(shí)期出現(xiàn)成倍增長時(shí),其溫室效應(yīng)的增加卻主要出現(xiàn)在弱吸收帶,而在其強(qiáng)吸收帶中心680 cm-1處的溫室效應(yīng)增量幾乎為零.這表明，隨著CO2體積分?jǐn)?shù)的增加,其680 cm-1強(qiáng)吸收帶中心的確將會(huì)達(dá)到飽和,但在兩翼區(qū)對地表的紅外輻射仍然具有強(qiáng)烈的吸收能力,而對于原本吸收能力非常弱小的1 000 cm-1,1 350 cm-1與1 900 cm-1等弱吸收帶,因還遠(yuǎn)未達(dá)到飽和,當(dāng)CO2體積分?jǐn)?shù)從2倍增長至4倍,溫室效應(yīng)則出現(xiàn)了成倍增長.圖2說明,盡管目前CO2的680 cm-1帶中心已經(jīng)達(dá)到飽和,但在未來相當(dāng)長一段時(shí)間里,仍將通過其吸收帶的翼區(qū)對地表紅外輻射表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收,同時(shí),其1 000 cm-1，1 350 cm-1與1 900 cm-1等弱吸收帶的溫室效應(yīng)作用將變得越來越重要.

2 CO2體積分?jǐn)?shù)變化模型

通過上述分析可知,隨著以CO2為首的溫室氣體排放的持續(xù)增加,溫室效應(yīng)將會(huì)愈發(fā)嚴(yán)重.為了對未來的地表溫升進(jìn)行預(yù)測,有必要對CO2的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析.

通常,大氣中某種溫室氣體的體積分?jǐn)?shù)變化主要受排放與清除兩個(gè)機(jī)制的影響.若氣體的排放速率與衰變速率大致相等,該氣體的大氣體積分?jǐn)?shù)就會(huì)保持在基本穩(wěn)定的水平上[13].而由于衰變作用存在著一定的時(shí)間周期,因此,在某一給定時(shí)間t(單位為年,a),考慮這種作用的溫室氣體的大氣體積分?jǐn)?shù)f(t)可表示為

f(t)=Q(t)-Q(t-χ)+f(0)

(1)

式中:Q(t)為時(shí)間t時(shí)該氣體的年排放量的累積,mL/m3;χ為氣體的大氣壽命,即滯留時(shí)間,a;Q(t-χ)則是由于超出了大氣壽命,氣體的自然衰變量,mL/m3;f(0)為氣體的產(chǎn)出與消亡基本平衡時(shí)的大氣體積分?jǐn)?shù)，mL/m3.

式(1)表明,溫室氣體的即時(shí)體積分?jǐn)?shù)等于年排放量的累積Q(t)與滯留時(shí)間以前的年排放累積Q(t-χ)之差與自然平衡時(shí)的總含量的和.由于習(xí)慣上用年均排放表示人為因素引起的溫室氣體變化,將式(1)兩側(cè)對時(shí)間取微分,則可改寫為

(2)

式中:q(t),q(t-χ)分別為氣體的年排放速率與清除速率,(mL·m-3)/a.

對式(2)進(jìn)行拉氏變換,則可以得到大氣中溫室氣體體積分?jǐn)?shù)與年排放速率的傳遞函數(shù)

(3)

式中:F(s),Q(s)分別為f(t),q(t)的拉普拉斯變換;s為復(fù)變量.

從式(3)可以清晰地看出,溫室氣體的大氣體積分?jǐn)?shù)對于年排放速率的積分變化規(guī)律

(4)

式(4)表明,由于溫室氣體的自然衰變,輸入與輸出呈現(xiàn)為滯后的積分關(guān)系,雖然輸出量與輸入量的形式相同,但是,輸出量相對輸入量滯后一段時(shí)間.式(4)即為溫室氣體體積分?jǐn)?shù)變化模型,對式(4)進(jìn)行拉式反變換,能夠得到f(t)的表達(dá)式

(5)

式(5)說明,如果已知?dú)怏w的大氣壽命與年排放速率,便可以求得其在某一時(shí)間t下的大氣體積分?jǐn)?shù)f(t).因此,取CO2的大氣壽命χ為120 a[14],如果將其排放速率q(t)分為保持常數(shù)不變與按線性變化兩種情況,有

(6)

式中:m為CO2的年排放率,(mL·m-3)/a;n為其年排放加速率,(mL·m-3)/a2.

對式(6)進(jìn)行拉氏變換,可以得到

(7)

將式(7)代入式(5),有

(8)

(9)

將式(8)與式(9)進(jìn)行拉氏反變換,則在兩種不同的排放情況下,CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)變化為

(10)

(11)

式中:g1(t),g2(t)分別為排放速率為固定值與按線性變化時(shí)的CO2體積分?jǐn)?shù)變化函數(shù).

取工業(yè)革命時(shí)期的時(shí)間節(jié)點(diǎn)為1800年[1],則1800年的CO2體積分?jǐn)?shù)為280 mL/m3,這樣,到2015年為止,CO2110 mL/m3的體積分?jǐn)?shù)增量便發(fā)生在t=215 a的時(shí)間之內(nèi).由此,根據(jù)式(10)和式(11)可以分別得到

m=0.917 (mL·m-3)/a,n=0.006 (mL·m-3)/a2

因此,在第1種排放情況下,即當(dāng)每年的排放速率取m=0.917(mL·m-3)/a時(shí),并取CO2的初始體積分?jǐn)?shù)為280 mL/m3,由式(10)可以得到CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)曲線方程f1(t).

(12)

此外,當(dāng)僅考慮由年排放率m所引起的CO2大氣體積分?jǐn)?shù)的增加,不考慮CO2的自然衰變時(shí),可以得到在此情況下的CO2大氣體積分?jǐn)?shù)曲線方程f2(t).

f2(t)=280+0.917t

(13)

當(dāng)僅考慮由于CO2的自然衰變所引起的體積分?jǐn)?shù)變化時(shí),相應(yīng)的體積分?jǐn)?shù)曲線方程f3(t)應(yīng)為

(14)

圖3給出了f1(t),f2(t)與f3(t)的具體形式.從圖3可以看出,當(dāng)CO2的排放速率為定值時(shí),在排放初期,即CO2的大氣壽命以內(nèi),由于自然衰變速率還未受到排放的影響,f3(t)為水平線,因而實(shí)際的大氣體積分?jǐn)?shù)曲線f1(t)與排放引起大氣體積分?jǐn)?shù)增加的曲線f2(t)相重合,兩者均呈線性上升趨勢.但是,當(dāng)時(shí)間超過CO2的大氣壽命后,衰變速率開始以0.917 (mL·m-3)/a的速率提高,從而抵消了由于排放使CO2體積分?jǐn)?shù)增加的部分,因此,CO2體積分?jǐn)?shù)在后續(xù)時(shí)間內(nèi)維持為定值390 mL/m3,f1(t)為水平線.圖3說明,如果能夠?qū)厥覛怏w的年排放量進(jìn)行調(diào)控,也能夠?qū)⑵潴w積分?jǐn)?shù)維持在一個(gè)基本穩(wěn)定的水平上.

在第2種排放情況下,取CO2的年排放率以n=0.006 (mL·m-3)/a2的加速率線性變化,同樣,可以得到CO2實(shí)際的大氣體積分?jǐn)?shù)曲線方程f′1(t)、單純考慮排放時(shí)的體積分?jǐn)?shù)曲線方程f′2(t)，以及單純考慮衰變時(shí)的曲線方程f′3(t).

圖3 CO2的排放速率為定值時(shí)的體積分?jǐn)?shù)變化Fig.3 Concentration change of CO2 at constant emission rate

(15)

(16)

(17)

圖4給出了f′1(t),f′2(t)與f′3(t)的曲線形式.

圖4 CO2的排放速率為線性變化時(shí)的體積分?jǐn)?shù)變化Fig.4 Concentration change of CO2 at linear emission rate

與圖3類似,在CO2大氣壽命以內(nèi)的排放初期,由于衰變速率還未發(fā)生變化,CO2的體積分?jǐn)?shù)改變單純是由排放所引起,f′1(t)與f′2(t)重合,此時(shí),CO2體積分?jǐn)?shù)以拋物線形式加速上升.但是，當(dāng)時(shí)間大于CO2的大氣壽命后,衰變機(jī)制開始加速,造成f′1(t)逐漸偏離f′2(t),CO2的體積分?jǐn)?shù)上升速度有所減緩,但盡管如此,仍然保持為上升態(tài)勢.因此,圖4說明,如果CO2的排放速率以一定的加速度線性變化,將會(huì)造成大氣中的CO2體積分?jǐn)?shù)持續(xù)增加.

3 地表溫升預(yù)測

根據(jù)IPCC第5次報(bào)告[1],全球平均的溫室效應(yīng)G與地表溫升ΔT0之間存在著關(guān)系式

ΔT0=λG

(18)

式中,λ為溫室氣體的氣候敏感性參數(shù),取0.27 ℃/(W·m-2)[15].

得到了CO2的體積分?jǐn)?shù)變化規(guī)律,利用LBLRTM逐線積分模型計(jì)算出溫室效應(yīng)G后,利用式(18)便可以對未來的地表溫升進(jìn)行預(yù)測.根據(jù)美國國家海洋和大氣管理局地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)室所公布的全球CO2的歷年平均排放數(shù)據(jù)(ftp://ftp.cmdl.noaa.gov/ccg/co2/trends/co2_annmean_mlo.txt),圖5給出了2005～2015年間CO2的年排放速率隨時(shí)間的變化情況.

圖5 2005～2015年CO2的年排放速率Fig.5 Yearly emission rate of CO2 during 2005～2015

圖5說明,在最近10 a內(nèi),CO2的年排放速率并沒有發(fā)生明顯的增長,而是在大約1.6～2.7 mL/m3的范圍內(nèi)發(fā)生波動(dòng),其平均年排放速率為2.2 (mL·m-3)/a.因此,以2015年CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)390 mL/m3作為基準(zhǔn)點(diǎn),采取第1種排放情況,即取m=2.2(mL·m-3)/a的固定排放速率,可以得到未來CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)計(jì)算公式

(19)

對于其他溫室氣體對地表溫升的影響,考慮到2015年CO2的當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)為460 mL/m3,與其390 mL/m3的實(shí)際體積分?jǐn)?shù)之間的比例系數(shù)為1.179.因此,利用式(19)計(jì)算得到某一年度下CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)后,再乘以1.179的比例系數(shù),便為該年度下CO2的當(dāng)量體積分?jǐn)?shù),利用式(18)可以計(jì)算該年度下由于溫室氣體體積分?jǐn)?shù)變化所造成的溫室效應(yīng)以及相應(yīng)的地表溫升,具體結(jié)果如圖6所示.

圖6 地表溫升預(yù)測Fig.6 Surface temperature rise prediction

圖6說明,若CO2以當(dāng)前2.2 (mL·m-3)/a的速率進(jìn)行排放,則CO2當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)在未來幾十年內(nèi)將會(huì)持續(xù)增長,地表溫度也將不斷升高.為了避免全球變暖所造成的嚴(yán)重后果,《哥本哈根協(xié)議》提出了在本世紀(jì)內(nèi)將溫升控制在2 K的目標(biāo)[3].根據(jù)本文的計(jì)算結(jié)果,如果CO2的大氣體積分?jǐn)?shù)以當(dāng)前的排放速率持續(xù)增長,那么，到2056年,CO2當(dāng)量體積分?jǐn)?shù)將會(huì)達(dá)到556 mL/m3,地表溫升達(dá)到2 K.

4 結(jié) 論

通過比較不同體積分?jǐn)?shù)下CO2溫室效應(yīng)的光譜能量分布,對其溫室效應(yīng)的飽和度進(jìn)行了分析,并以所建立的CO2體積分?jǐn)?shù)變化模型為依據(jù),對未來的地表溫升進(jìn)行了預(yù)測,結(jié)果表明:

a. 目前,CO2的680 cm-1強(qiáng)吸收帶中心已經(jīng)達(dá)到飽和,但在未來相當(dāng)長一段時(shí)間內(nèi),其仍將通過該吸收帶的翼區(qū)以及1 000 cm-1，1 350 cm-1與1 900 cm-1等弱吸收帶對地表紅外輻射表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收,CO2的溫室效應(yīng)還遠(yuǎn)未飽和;

b. 當(dāng)前,CO2的年排放速率基本維持在2.2 (mL·m-3)/a的平均水平上,如果按照這樣的排放速率,根據(jù)本文所建立的CO2體積分?jǐn)?shù)變化模型,到2056年,地表溫升將會(huì)達(dá)到2 K.

[1] IPCC.Climate Change 2014:Impacts,Adaption,and Vulnerability[M].Cambridge:Cambridge University Press,2014.

[2] 趙天濤,張麗杰,趙由才.溫室效應(yīng)——沮喪? 彷徨? 希望?[M].北京:冶金工業(yè)出版社, 2012.

[3] 王偉光,鄭國光.應(yīng)對氣候變化報(bào)告(2009):通向哥本哈根[M].北京:社會(huì)科學(xué)文獻(xiàn)出版社,2009.

[4] 李翠娜,鄭有飛,石廣玉.大氣CO215 μm吸收帶對溫度依賴關(guān)系的研究[J].氣象與環(huán)境科學(xué),2008,31(2):1-6.

[5] 徐娜,石廣玉,戴鐵,等.溫室氣體吸收帶重疊對CO2紅外輻射效應(yīng)的影響[J].氣候與環(huán)境研究,2011,16(4):441-451.

[6] SHINE K P,FUGLESTVEDT J S,HAILEMARIAM K,et al.Alternatives to the global warming potential for comparing climate impacts of emissions of greenhouse gases[J].Climatic Change,2005,68(3):281-302.

[7] 廖國男.大氣輻射導(dǎo)論[M].2版.北京:氣象出版社,2004.

[8] ALVARADO M J,PAYNE V H,MLAWER E J,et al.Performance of the Line-By-Line Radiative Transfer Model (LBLRTM) for temperature,water vapor,and trace gas retrievals: recent updates evaluated with IASI case studies[J].Atmospheric Chemistry and Physics,2013,13(14):6687-6711.

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

[10] 談和平,夏新林,劉林華,等.紅外輻射特性與傳輸?shù)臄?shù)值計(jì)算——計(jì)算熱輻射學(xué)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2006.

[11] 高鳳玲,崔國民,陶樂仁,等.地表溫度時(shí)空差異對溫室效應(yīng)影響的誤差分析[J].上海理工大學(xué)學(xué)報(bào),2014,36(2):158-162.

[12] ROGELJ J,MEINSHAUSEN M,KNUTTI R.Global warming under old and new scenarios using IPCC climate sensitivity range estimates[J].Nature Climate Change,2012,2(4):248-253.

[13] GILLETT N P,ARORA V K,MATTHEWS D,et al.Constraining the ratio of global warming to cumulative CO2emissions using CMIP5 simulations[J].Journal of Climate,2013,26(18):6844-6858.

[14] 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.

[15] HANSEN J,SATO M,RUEDY R.Radiative forcing and climate response[J].Journal of Geophysical Research,1997,102(D6):6831-6864.

(編輯:石 瑛)

Greenhouse Effect Saturation Analysis and the Atmospheric Concentration Prediction Model of CO2

GAO Fengling1, CUI Guomin2, HUANG Xiaohuang2

(1.VehicleandTransportationInstitute,HenanUniversityofScienceandTechnology,Luoyang471039,China; 2.SchoolofEnergyandPowerEngineering,UniversityofShanghaiforScienceandTechnology,Shanghai200093,China)

Based on the one dimensional line by line radiation transfer model (LBLRTM) and the concentration model of CO2,the greenhouse effect saturation of CO2was analyzed and the coming surface temperature rise was predicted.The results show that so far as we know,the continuous emission of CO2has just brought about the absorption saturation at the center of the 680 cm-1strong absorption band,while the wing areas of the band and the weak absorption bands such as 1 000 cm-1,1 350 cm-1and 1 900 cm-1are far from saturation,therefore,CO2still has a strong greenhouse effect during quite a long time in the future.If the emission rate of CO2basically remains at the current level 2.2 (mL·m-3)/a,its atmospheric concentration would increase continuously,which would result in a surface temperature rise of 2 K by 2056.

CO2;greenhouseeffect;saturation;atmosphericvolumefraction

1007-6735(2017)04-0323-06

10.13255/j.cnki.jusst.2017.04.004

2016-08-10

河南省高等學(xué)校重點(diǎn)科研項(xiàng)目(17B470001);河南科技大學(xué)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助項(xiàng)目(2015XTD004)

高鳳玲(1976-),女,講師.研究方向:工程熱物理.E-mail:gaoleng091106@163.com

TK 121

A