溫室效應(yīng)與地表輻射耦合關(guān)系的影響分析?

高鳳玲，崔國(guó)民

(1.河南科技大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院，河南洛陽(yáng)471039；2.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)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(lái)，由于人類(lèi)對(duì)能源、食物等需求的快速增長(zhǎng)，造成了以CO2為首的溫室氣體的排放顯著增加，導(dǎo)致溫室作用不斷增強(qiáng)，地球正在逐漸變暖.聯(lián)合國(guó)政府間氣候變化專(zhuān)門(mén)委員會(huì)（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）2014年的第5次報(bào)告（fifth Assessment Report，AR5）指出：近一百年間，地表溫度已經(jīng)大約升高了0.85 K[1].

長(zhǎng)期以來(lái)，針對(duì)不同種類(lèi)溫室氣體對(duì)全球變暖的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.如針對(duì)CO2是否是當(dāng)前全球變暖的主要驅(qū)動(dòng)力展開(kāi)了熱烈的爭(zhēng)論：文獻(xiàn)[2,3]進(jìn)行了CO2濃度加倍對(duì)地表溫度影響的氣候敏感性分析，文獻(xiàn)[4]從增長(zhǎng)率角度討論了現(xiàn)代溫度與CO2的關(guān)系；對(duì)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(lái)衡量其溫室效應(yīng)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(guān)系[1,5]；近些年，衛(wèi)星遙感技術(shù)的進(jìn)步實(shí)現(xiàn)了對(duì)受人為因素影響較小的H2O溫室效應(yīng)的研究分析[6,7].

目前在進(jìn)行全球溫度受溫室氣體影響的計(jì)算中，大多文獻(xiàn)都是將地表溫度處理為單一的平均溫度.而實(shí)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(shí)間尺度上，隨日夜、四季的更替也會(huì)產(chǎn)生不同的變化特點(diǎn).地表溫度在空間和時(shí)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(dǎo)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(huì)造成溫室效應(yīng)呈現(xiàn)出不同的時(shí)空分布特點(diǎn).

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

1 計(jì)算模型的建立

計(jì)算中所考慮的溫室氣體及其當(dāng)前的大氣濃度見(jiàn)表1[1].計(jì)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(duì)流層與地表耦合緊密，IPCC AR5中把它們作為單一的熱力學(xué)系統(tǒng)來(lái)處理，將由溫室氣體吸收所引起的輻射通量變化的計(jì)算位置取在了對(duì)流層頂[1].因此，本文中溫室效應(yīng)G的計(jì)算位置同樣設(shè)在對(duì)流層頂，即計(jì)算地球表面與對(duì)流層頂處向上長(zhǎng)波輻射通量的差值.計(jì)算時(shí)，將地球表面假設(shè)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(wú)關(guān)，為漫射輻射.對(duì)流層頂設(shè)在12km處，各氣層間距?s=0.5km，把對(duì)流層劃分成24層.因計(jì)算在晴天無(wú)云模式下進(jìn)行，此時(shí)，大氣對(duì)長(zhǎng)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(zhǎng)波通量Fj為其自身輻射和所有到達(dá)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(jì)算模型示意圖

根據(jù)一維輻射傳遞方程[11]：

式中，ksυ為介質(zhì)的光譜散射系數(shù)，m?1；kaυ為其在高度為s，波數(shù)為υ時(shí)的光譜吸收系數(shù)，m?1；Ibυ(s)為當(dāng)把介質(zhì)視為黑體時(shí)的光譜輻射強(qiáng)度，W·(m2·m)?1；Iυ(s)則為介質(zhì)實(shí)際的光譜輻射強(qiáng)度，W·(m2·m)?1，φυ為介質(zhì)的散射相函數(shù).

式（1）中等號(hào)右側(cè)最后兩項(xiàng)與散射有關(guān)，由于忽略散射，因此，將式（1）簡(jiǎn)化為：

等式兩邊同乘ds：

利用有限差分代替微分，將(3)式轉(zhuǎn)化為：

即：

移項(xiàng)后：

通過(guò)對(duì)波數(shù)積分，可得第j+1層的輻射強(qiáng)度：

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

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

2 地表溫度變化對(duì)溫室效應(yīng)的影響

根據(jù)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(qiáng)，同時(shí)其光譜分布將會(huì)向著較大波數(shù)方向移動(dòng).如圖2所示，當(dāng)?shù)乇頊囟葟漠?dāng)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(shí)[13]，其峰值波數(shù)也相應(yīng)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(gè)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(nèi)存在著強(qiáng)烈的吸收，CH4與N2O則主要在600 cm?1、1300 cm?1等波數(shù)附近表現(xiàn)出強(qiáng)烈的溫室效應(yīng)，而H2O對(duì)于地球紅外輻射的吸收卻覆蓋了圖示的整個(gè)紅外光譜范圍.但就溫室效應(yīng)的整體分布而言，在830-1250 cm?1的波段內(nèi)，除了O3存在著較強(qiáng)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(shì)必造成即使其濃度保持一定，不同地表溫度下的溫室效應(yīng)分布也會(huì)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(yīng)的光譜分布

2.1 溫室效應(yīng)的溫度增強(qiáng)

為了研究地表溫度變化對(duì)溫室效應(yīng)的影響，計(jì)算了當(dāng)?shù)乇頊囟确謩e取當(dāng)前全球平均溫度289 K和熱帶氣候模式時(shí)的299.7 K[13]兩種情況下的溫室效應(yīng)G，如圖4所示.

圖4表明，地表溫度升高對(duì)于溫室效應(yīng)存在著溫度增強(qiáng)效果，即在圖示的整個(gè)光譜范圍內(nèi)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(shù)處溫室效應(yīng)的變化量并不相同，具體可以通過(guò)下面的數(shù)學(xué)推導(dǎo)來(lái)作進(jìn)一步分析.

假設(shè)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(yīng)G：

當(dāng)溫度有一微小增加，則產(chǎn)生的結(jié)果是E變化為?E，吸收系數(shù)α變化成為?α，則新的溫室效應(yīng)Gnew可以表示為：

從式（9）可以直接看出，溫室效應(yīng)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(dāng)?shù)乇頊囟壬邥r(shí)，其發(fā)射能力也必定隨之增強(qiáng)，所以大氣對(duì)地球輻射的吸收量也會(huì)有所增加，造成溫室效應(yīng)相應(yīng)提高.但是式（10）表明，地表溫度升高后，溫室效應(yīng)G并不是隨著發(fā)射能量E線(xiàn)性增加的，所引起的溫室效應(yīng)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(xiàng)相比，對(duì)?G的影響相對(duì)較小，可以忽略.因此，?G主要取決于兩個(gè)因素，即?Eα和E?α.其中，?Eα主要是由于地表發(fā)射能量的強(qiáng)度變化所引起的，在本文中被稱(chēng)為強(qiáng)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(dǎo)致大氣的綜合吸收發(fā)生改變?cè)斐傻?，故可以被稱(chēng)為光譜變化分量.

圖5給出了當(dāng)?shù)乇頊囟葟?89 K變化到299.7 K時(shí)，其強(qiáng)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(shí)的溫室效應(yīng)光譜分布

圖5 地表溫度從289 K變化到299.7 K時(shí)的強(qiáng)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(nèi)均為正值，因?yàn)殡S著地表溫度升高，?E總是大于零.而E?α則大約以289 K所對(duì)應(yīng)的紅外輻射峰值波數(shù)570 cm?1為界線(xiàn)，在該峰值波數(shù)左側(cè)的E?α小于零，對(duì)溫室效應(yīng)起弱化作用，相反，在峰值波數(shù)右側(cè)的E?α則大于零，對(duì)溫室效應(yīng)起強(qiáng)化作用.總體而言，在全波段范圍內(nèi)對(duì)波數(shù)進(jìn)行積分，可以得到強(qiáng)度變化分量?Eα與光譜變化分量E?α的數(shù)值分別為47.341 W·?2和-0.181 W·?2.總的光譜變化分量為負(fù)值，在一定程度上起到了積極的減弱溫室效應(yīng)的影響.

2.2 光譜變化分量的兩面性

造成光譜變化分量對(duì)溫室效應(yīng)的這種兩面性影響如果從地表輻射的角度來(lái)考慮，應(yīng)歸因?yàn)闇囟茸兓鸬妮椛淠芰康墓庾V遷移.當(dāng)?shù)乇頊囟壬仙芰糠植记€(xiàn)右移，使得在原始的地球輻射峰值波數(shù)右側(cè)的吸收帶所吸收的能量相對(duì)增多，E?α為正值；相應(yīng)的，在原始峰值波數(shù)左側(cè)的吸收則會(huì)有所減弱，E?α為負(fù)值.但如果從溫室氣體的角度來(lái)考慮，假如氣體的主要吸收帶位于地球輻射峰值波數(shù)的右側(cè)，則溫度升高后，其總的光譜變化分量為正值，對(duì)溫室效應(yīng)起增強(qiáng)作用；反之，如果氣體的吸收帶位于峰值波數(shù)的左側(cè)，那么隨著溫度升高，能量分布曲線(xiàn)右移，氣體對(duì)地表輻射的吸收將會(huì)減小，使得總的光譜變化分量為負(fù)值，溫室效應(yīng)被削弱.

根據(jù)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(guān)系.一方面，不同溫室氣體的特定吸收帶位置會(huì)影響到光譜變化分量的正負(fù)取值，而另一方面，根據(jù)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，地表溫度即使只升高1 K，出射能量也會(huì)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(shí)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(shù)值.

圖6給出了在不同地表溫度下，溫度每上升1 K時(shí)，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(duì)于CO2，當(dāng)溫度在373～253 K的范圍內(nèi)時(shí)，隨著溫度逐漸降低，E?α呈增加趨勢(shì)，但盡管如此，E?α始終保持為負(fù)值，說(shuō)明此時(shí)它對(duì)溫室效應(yīng)起削弱作用；但是當(dāng)溫度低于253 K以后，E?α則變?yōu)檎?，這樣，它將與強(qiáng)度變化分量?Eα一起，共同對(duì)溫室效應(yīng)起增強(qiáng)作用.

對(duì)于H2O，由于它在整個(gè)紅外光譜范圍內(nèi)對(duì)地球的能量都有吸收，光譜吸收特性相對(duì)于CO2較為復(fù)雜，因而在圖6中，H2O的E?α不再隨溫度單調(diào)變化.當(dāng)溫度大約為253 K時(shí)，E?α具有最大負(fù)值，相應(yīng)的在此溫度下，其對(duì)溫室效應(yīng)的削弱影響也最為顯著；但是當(dāng)溫度分別低于153 K或高于333 K時(shí)，E?α則將變?yōu)檎?，H2O對(duì)溫室效應(yīng)的影響也將由削弱轉(zhuǎn)為增強(qiáng).

對(duì)于CH4與N2O，其主要吸收帶中心位于1300 cm?1波數(shù)處，始終處在圖6所示的地表溫度下輻射峰值波數(shù)的右側(cè)，故在圖示溫度下，這兩種氣體的E?α始終保持正值，對(duì)溫室效應(yīng)總是起增強(qiáng)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(yīng)的絕對(duì)增量與相對(duì)增量

2.3 極地溫室效應(yīng)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(yīng)的溫度增強(qiáng)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(yīng)的絕對(duì)數(shù)值也就越低，但是根據(jù)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(yīng)的絕對(duì)增量以及絕對(duì)增量與相應(yīng)地表溫度的比值，即溫室效應(yīng)的相對(duì)增量.

從圖7可以看出，溫室效應(yīng)的絕對(duì)增量與相對(duì)增量隨溫度變化呈現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì).隨著溫度逐漸降低，絕對(duì)增量也相應(yīng)減小，與前面的分析相一致，但是相對(duì)增量卻隨溫度降低緩慢增加.當(dāng)?shù)乇頊囟鹊陀?23 K時(shí)，相對(duì)增量的數(shù)值則超過(guò)了絕對(duì)增量，說(shuō)明在溫度極低的極地地區(qū)，溫室效應(yīng)的溫度增強(qiáng)效果更為明顯.之所以造成這一現(xiàn)象，可以從溫度增強(qiáng)的強(qiáng)度變化與光譜變化兩個(gè)分量來(lái)考慮.從圖6可以看出，對(duì)于大氣中溫室效應(yīng)最強(qiáng)的兩大氣體H2O與CO2，在溫度相對(duì)較高的中緯度或熱帶地區(qū)，溫度升高1 K溫室效應(yīng)的增加是：強(qiáng)度變化分量為正，光譜變化分量為較大的負(fù)值，光譜變化分量起著較大的弱化溫室效應(yīng)的作用.而在極地地區(qū)，溫度增加1 K，溫室效應(yīng)的增加則是：強(qiáng)度變化仍然為正，但光譜變化對(duì)于H2O為很小的負(fù)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(qiáng)度變化分量一起共同對(duì)溫室效應(yīng)起強(qiáng)化效果，因而一定程度上對(duì)于極地地區(qū)的明顯溫升做出了相應(yīng)貢獻(xiàn).

此外，從圖7還可以看出，絕對(duì)增量的曲線(xiàn)斜率隨著溫度的增加呈加大趨勢(shì)，這也就意味著極地地區(qū)溫度升高1K所需的代價(jià)將會(huì)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(yīng)增量便會(huì)引起較大的溫升.考慮到溫升所導(dǎo)致的冰層融化，還會(huì)導(dǎo)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(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng).因此，極地溫室效應(yīng)的絕對(duì)數(shù)值雖然最小，但環(huán)境卻最為脆弱，受溫室效應(yīng)的影響也最嚴(yán)重.

3 結(jié)論

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

1.地表溫度升高，會(huì)使溫室效應(yīng)增強(qiáng)，而這一溫度增強(qiáng)效應(yīng)根源于強(qiáng)度變化和光譜變化兩個(gè)分量.強(qiáng)度變化分量由于始終為正的特性，對(duì)溫室效應(yīng)總是起加強(qiáng)作用，而光譜變化分量根據(jù)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(fù)值，從而削弱溫室效應(yīng)；

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(duì)溫室效應(yīng)的弱化作用變得很小，當(dāng)溫度極低時(shí)，甚至?xí)霈F(xiàn)強(qiáng)度變化與光譜變化分量同時(shí)為正，共同對(duì)溫室效應(yīng)起強(qiáng)化作用的情況，從一定程度上對(duì)于極地地區(qū)更為顯著的溫室效應(yīng)做出了貢獻(xiàn).