全球變暖背景下溫室效應的光譜能量分布分析

高鳳玲， 崔國民， 陶樂仁， 華澤釗， 黃曉璜

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

全球變暖背景下溫室效應的光譜能量分布分析

高鳳玲1，2， 崔國民1， 陶樂仁1， 華澤釗1， 黃曉璜1

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

利用一維輻射傳遞方程及LBLRTM逐線積分模式建立計算模型，對工業革命前與目前大氣構成情況下溫室效應的能量分布及其光譜吸收機理進行分析，在保持溫室氣體濃度為當前水平的基礎上，研究溫室效應能量分布與地表溫度之間的相互耦合機理.結果表明：工業革命前地球的溫暖環境主要來自于大氣溫室氣體的（100～370）cm－1、（640～710）cm－1以及（1 370～2 000）cm－1三個強吸收帶對于地球長波輻射的吸收，而地球當前的變暖則源自于大氣的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1兩個弱吸收帶的作用，其對工業革命以來所額外增加的溫室效應貢獻分別達到了25%和55%；地表溫度升高，溫室效應在全波段范圍內也會隨之增強，但不同譜帶處的溫室效應貢獻以地球平均溫度所對應的輻射峰值波數為界線，峰值波數右側的溫室效應貢獻將會增加，在其左側的貢獻比例則會減小.

全球變暖；溫室效應；溫室氣體；能量分布

0 引言

眾所周知，地球上之所以具有適合于生命的溫度環境，一方面是太陽輻射提供的能量，另一方面，更重要的是地球上擁有獨特的大氣環境，其中的溫室氣體產生的溫室效應作用起到了保溫的效果，使得地表平均溫度升高為更舒適的288 K，而不是簡單太陽輻射作用下的255 K.可以說，以H2O、CO2等為代表的溫室氣體，對于地球溫暖環境的形成具有至關重要的作用.但是，近年來全球溫度不斷升高，呈現出變暖的趨勢，據IPCC第四次報告表明，工業革命以來，全球平均溫度升高了（0.74±0.18）℃，究其原因也正是由于人類活動造成的溫室氣體濃度大幅提高的結果［1］.

一直以來，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.如對于CO2，進行了CO2溫室效應的飽和度分析［2］，CO2濃度加倍所造成全球地表溫度變化的氣候敏感性分析等［3－5］；近年來，隨著衛星遙感技術的不斷提高，則實現了對H2O溫室效應的定量評估［6－7］；對于大氣中的痕量溫室氣體，如HFCs、PFCs等，目前的研究主要集中在其分子光譜吸收特性和輻射強迫上，即計算該種氣體濃度變化后所引起的對流層頂凈輻射通量的變化量，以確定其濃度增加對全球變暖貢獻的相對大小［8－10］.

但是，當前的這些研究和預測大多都是針對某一種溫室氣體濃度改變對溫室效應所造成的影響，而對于有關各種溫室氣體所造成的總體溫室效應的綜合光譜能量分布的變化研究卻不多見.一方面，自工業革命以來，人類向大氣中排放的溫室氣體不斷增多，而不同的溫室氣體對于地球的紅外輻射存在著不同的吸收帶，大氣成分的改變，勢必對地球的溫室效應光譜能量分布帶來影響.而另一方面，實際的地表溫度在空間和時間尺度上所體現出的極大的不均勻性，又會使得即使溫室氣體的濃度不再變化，由于地表溫度時空差異所導致的紅外輻射光譜遷移以及溫室氣體的選擇性吸收特性，也會使溫室效應的能量分布發生改變，進而直接影響到地球環境溫度的進一步變化.

鑒于此，本文利用一維輻射傳遞方程建立計算模型，首先通過對比工業革命前與目前大氣構成情況下的大氣溫室效應作用，分析其能量分布的變化特點；其次，在保持溫室氣體濃度為當前水平的基礎上，從溫室氣體的選擇性吸收及地球紅外輻射隨地表溫度變化的能量遷移特點出發，探討溫室效應能量分布與地表溫度之間的相互耦合機理.

1 數據來源和輻射模型

1.1 數據來源和模型假設

工業革命前地表、大氣溫度及水汽含量廓線參照代表全球平均狀況的美國標準大氣，其中地表溫度為288.2 K［11］.自工業革命以來，地表溫度已經升高了（0.74±0.18）℃，故當前地表溫度取289 K.大氣溫度數據采用美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）大氣溫度探空數據集RATPAC-A［12］.該數據集以一年為單位，覆蓋了全球85個站點從1958年至今在13個壓力層，即1 000、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50和30 hPa處的大氣溫度變化，其具體數據可在網址http：／／www.ncdc.noaa.gov／上下載獲得.圖1為根據RATPAC-A得到的2010年相對于工業革命前的地表至大氣30 hPa處的溫度變化.

圖1表明，工業革命以來，地表及對流層溫度總體呈上升趨勢，且對流層中低層的溫度變化大于高層；但隨著逐年來對流層中溫室氣體含量不斷增多，會加大對地氣系統長波輻射的吸收，使得平流層接收到的長波輻射量有所減少，因此，對流層高層及平流層低層溫度變化反而呈下降趨勢［13］.就30 hPa以上的平流層高層的溫度變化而言，目前的觀測數據還非常有限，而且不同觀測資料之間、觀測資料與氣候模式的模擬結果之間均存在著明顯差別［14］.鑒于缺乏當前平流層高層溫度的可靠資料，而且，在全球平均的意義上，地表和對流層緊密地耦合在一起，可以當做一個單一的熱力學系統來處理，因此，IPCC報告中將溫室氣體輻射強迫的計算位置取在了對流層頂［1］.同理，本文中溫室效應G的計算位置同樣取在對流層頂，并參照美國標準大氣，將對流層頂取在12 km（200 hPa）處，計算地球表面和對流層頂向上長波通量的差值.

大氣溫度的變化，意味著其含濕量也將發生相應改變.McCarthy等通過對1973－2003年間北半球探空資料HadTH的分析，認為在此30年來，北半球對流層比濕正以每十年1%－5%的速度增加，但平均相對濕度基本保持不變［15］；Dessler等根據2003至2008年間大氣紅外探測衛星AIRS的全球探測數據，得到了類似的結果，即大氣溫度升高，造成其絕對濕度有所上升，但相對濕度整體變化不大［7］.因此，對流層溫度升高后，其水汽含量計算采用固定相對濕度方法處理［16］：

式中：RH0為地面相對濕度，取0.77［16］；p0為地面大氣壓力，取1 000 hPa；p為所計算氣層的大氣壓力，hPa；RH為該氣層的相對濕度.計算中，所考慮的其他溫室氣體及其工業革命前后濃度見表1.表1中溫室氣體的當前濃度為根據美國國家航空航天局改進的全球大氣實驗計劃（Advanced Global Atmospheric Gases Experiment，http：／／agage.eas. gatech.edu／）所發布的2010年的數值，此外，由于全球各地對流層O3分布的時空差異很大，因而未考慮其濃度變化，其兩個時期下的濃度均參照美國標準大氣.

輻射通量的確定，采用如圖2所示的計算模型，即將環繞地球的大氣層視為沿地球徑向的一維多層介質，地表為第0層，從地表到對流層頂12 km處，取各氣層間距Δs＝0.5 km，將對流層共分為24層；因在晴天無云及塵埃等大顆粒質點較少時，大氣對長波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計［17］，故僅考慮大氣對輻射的吸收與發射，不考慮其散射，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；將地球表面假設為黑體，只向上輻射能量［18］，而溫室氣體的出射輻射與方向無關，為漫射輻射；鑒于地球大約有98%的長波輻射能量都集中在（100～2 000）cm－1的波數范圍內，故計算區間為（100～2 000）cm－1.

1.2 模型計算方法

一維輻射傳遞方程的基本形式為［19－20］

其中，kaυ為介質在波數為υ，高度為s時的光譜吸收系數，m－1；ksυ為其光譜散射系數，m－1；Ibυ（s）為當把介質看做黑體時的光譜輻射強度，W·（m2·m）－1；Iυ（s）為介質實際光譜輻射強度，W·（m2·m）－1，φυ為介質的散射相函數.

方程（2）中等號右側的最后兩項與散射有關，由于不考慮散射，因此，輻射傳遞方程可簡化為

左右兩邊乘以ds，得

其中aBn為集合Bn中元素的策略狀態，an0表示用戶n退出信道競爭時的策略狀態，aBn/n為用戶n的相鄰用戶在n退出信道競爭時的策略狀態.然而博弈過程中，n只對集合In中的用戶產生干擾，則有：

采用數值計算中的有限差分代替微分，將（4）式轉化為

即

移項，得

對波數進行積分，得第j＋1層的輻射強度

對漫輻射表面，輻射力是任意方向輻射強度的π倍，則第j＋1層的向上輻射通量為

通過上述分析可知，在輻射通量的計算中，關鍵是要確定每一氣層在給定波數處的吸收系數kaυ.為了對kaυ進行精確計算，采用美國大氣與環境研究中心（Atmospheric and Environmental Research，AER）的LBLRTM逐線積分方案［21］.計算中，分子吸收光譜資料采用HITRAN 2008，譜線采用混合加寬Viogt線型.由于kaυ基本上按照離線中心距離的平方而衰減，而且譜線強度和譜線的遠翼行為都存在著某種誤差和不確定性［16］，因此，采取在離線中心5cm－1處將線翼貢獻截斷.計算得到kaυ后，利用一維輻射傳輸模型，即可從地表起逐層計算出每一大氣層的向上長波輻射通量.

1.3 模型驗證

IPCC第四次報告中，對地球能量平衡所進行的分析依據的是文獻［18］的研究結果.其利用窄帶計算方案和一維氣體輻射傳輸模型，得到1985－1989年期間，晴天大氣層頂的平均向上長波通量為265 W·m－2.本文利用逐線積分方案，采用與文獻［18］相同的計算條件，所得到的結果為262.3 W·m－2，兩者的偏差僅為1%.但文獻［18］中所采用的分子吸收光譜資料為較早版本的HITRAN 1992，而且由于逐線積分能夠逐條計入大氣氣體吸收譜線對輻射削弱的貢獻，因此本文所建立的輻射傳輸模型能夠更精確地對氣體的輻射通量進行計算.

2 結果分析

利用第1節中所建立的數學模型，并分別采用工業革命前和目前大氣構成情況下的溫度廓線，可對兩者的溫室效應的能量分布變化進行比較分析.圖3（a）、（b）分別為工業革命前，H2O、CO2、O3以及CH4與N2O單獨和共同作用時，溫室效應G的光譜分布情況.從圖中可以看出，對G貢獻最大的氣體為H2O與CO2，其中H2O對于地球紅外輻射的吸收覆蓋了整個光譜范圍，而CO2主要在以680 cm－1帶為中心的（550～810）cm－1的區間內存在著強烈的吸收，并在該波段的（640～710）cm－1處出現了峰值.但就溫室效應的整體分布而言，在（830～1 250）cm－1的譜帶范圍內，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，該波段范圍內的大部分輻射可以直接穿過地球大氣而射向外太空，這就是通常所說的“大氣之窗”.

圖4為目前大氣構成情況下與工業革命前溫室效應差值ΔG的光譜能量分布.圖4表明，溫室氣體濃度的提高，使得溫室效應在整個光譜區間內也均有所增強，其增量ΔG則是造成當前全球變暖的原因所在.比較圖3與圖4，發現工業革命前的溫室效應G與其目前所產生的增量ΔG在光譜能量分布上存在較大差異.與圖3相比，圖4中雖然溫室效應增強最為顯著的波段也發生在CO2的（550～810）cm－1處，但在（640～710）cm－1這一很窄的波長區間內，ΔG卻非常微小.ΔG另外一個較大峰值出現在以CH4和N2O的1 300 cm－1吸收帶為中心的（1 250～1 370）cm－1的譜帶范圍內，此外，在（830～1 250）cm－1的窗區內，由于4種氯氟烴類氣體的吸收，ΔG也出現了較為明顯的波動.而在（100～550）cm－1與（1 370～2 000）cm－1這兩個H2O的主要吸收帶內，由于自工業革命以來H2O濃度并沒有大幅增加，因而ΔG變化平穩，并沒有較大的峰值出現.

從圖3、圖4 G與ΔG隨光譜的變化情況中可以看出，溫室效應的能量分布主要取決于溫室氣體對地球輻射的選擇性吸收.因此，研究溫室效應的能量分布變化，有必要對大氣的綜合光譜吸收性能進行考察，而該光譜吸收性不僅取決于溫室氣體各自的強弱吸收帶，同時也取決于其濃度.圖5為各溫室氣體取當前濃度時，在地面上的綜合光譜吸收率曲線.由圖5可見，溫室氣體綜合光譜吸收特性與單一氣體相比具有很大不同，這一方面來自于多種溫室氣體的相互疊加和耦合作用；另一方面則是由于溫室氣體含量造成的光學“增厚”作用.總體來看，綜合光譜吸收率在（100～370）cm－1、（640～710）cm－1和（1 370～2 000）cm－1的波段內，除了在（1 830～2 000）cm－1這一非常窄的區間里吸收率較小，在其余波數處均為1，故屬于強吸收帶，而這些波段恰好對應于圖3B中溫室效應的主要能量分布區域；其在（370～640）cm－1與（710～1 370）cm－1波段內的吸收率則相對較小，為弱吸收帶，并與圖4中ΔG的能量集中波段相吻合.

為了說明溫室效應在地球環境的“溫暖”和目前所面臨的“變暖”上的光譜能量貢獻，將工業革命前地球的溫室效應G，與當前大氣濃度下地球額外增加的溫室效應增量ΔG在上述幾個強弱吸收帶內的數值GΔυ與ΔGΔυ列于表2.表2中同時給出了GΔυ與該波段內地球紅外輻射能量EΔυ之間，以及ΔGΔυ與總溫室效應增量ΔG之間的比值.

從表2可以看出，在（100～2 000）cm－1的全波段范圍內，地球總共有31%的能量被吸收，其中尤以（100～370）cm－1、（640～710）cm－1以及（1 370～2 000）cm－1波段內的吸收比例為最大，分別達到了41%、61%和77%，而（370～640）cm－1與（710～1 370）cm－1兩個弱吸收帶的吸收份額則分別只有26%和19%，這就說明，地球溫暖環境的形成，主要來自于以H2O、CO2為主的強吸收帶對于地球長波輻射的吸收.但是，對ΔG貢獻最大的卻是大氣的兩個弱吸收帶，尤其是包含窗區的（710～1 370）cm－1的波段范圍內，其所產生的溫室效應增量達到了總溫室效應增量的55%.之所以造成這種現象，結合圖5可以知道，由于在強吸收帶中原有的H2O和CO2的大氣濃度已接近了對地球輻射的飽和吸收，攔截地球輻射的潛力已經不大，而CH4、N2O等痕量氣體的主要吸收帶又都位于大氣窗區或者窗區邊緣，因此，溫室氣體濃度增加對地球能量的吸收只能主要來自于（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1等弱吸收帶，這部分波段吸收的強化才是地球變暖的主要根源.

2.2 地表溫度變化對溫室效應能量分布的影響分析

如果把地球輻射處理為黑體，根據普朗克定律，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發生向短波方向的移動.而地表溫度在空間分布上極不均勻，在不同的時間尺度上，其隨晝夜交替、季節變換也會產生不同的變化特點，從而造成即使溫室氣體的濃度保持一定，但因其選擇性吸收的特性，不同地表溫度下的溫室效應分布也會發生變化.為此，取地表溫度分別為熱帶氣候模式下的299.7 K［11］和當前全球平均值289 K，計算了兩種情況下的（100～2 000）cm－1內，每10 cm－1區間里的溫室效應相對于總溫室效應的比值G10／G，將兩者的相對變化量ΔG10／G以及兩地表溫度下溫室效應的絕對變化量ΔG10的光譜分布表示于圖6.

由圖可見，溫度的升高一方面造成了在全波段范圍內的地球輻射能量的整體提高，使得溫室效應的絕對數值變大，ΔG10均大于零；但另一方面，由于地球紅外光譜能量向著較大波數方向遷移，溫室效應在不同波段處的百分比例卻呈現出正負不同的變化情況.大約在小于當前地球平均溫度289 K所對應的紅外輻射峰值波數570 cm－1的波段范圍內，ΔG10／G為負值，此后隨著波數的逐漸增加，ΔG10／G則變為正值，說明溫度升高后，在較大波數范圍內的溫室效應對總溫室效應的貢獻增加了.造成這種現象的原因主要是由于隨著地表溫度上升，能量分布曲線右移，該范圍內的能量水平得到了整體提升，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，ΔG10／G為正值；相應的，在原始峰值波數左側的吸收則會相對減弱，因而該范圍內的溫室效應對總溫室效應的貢獻也隨之減小，ΔG10／G小于零.

通過對圖6的分析說明，地球溫度變化所引起的光譜能量遷移也具有兩面性，以地球平均溫度289 K所對應的輻射峰值波數為界線，溫度升高后，峰值波數右側的溫室效應貢獻將會增加，在其左側的溫室效應貢獻則會減小，而隨著地表溫差的逐漸加大，光譜遷移的這種兩面性作用也將越明顯.圖7列出了地表溫度分別取熱帶（TRP，299.7 K）、中緯度夏季（MLS，294.2 K）、亞極地夏季（SAS，287.2 K）、中緯度冬季（MLW272.2 K）亞極地冬季（SAW，257.2 K）和當前全球平均氣候（AVE，289 K）6種氣候模式及其相應的大氣溫度廓線時［11］，在（100～570）cm－1與（570～2 000）cm－1兩個波段的溫室效應占總溫室效應的比值.計算中，除H2O與O3廓線分別取自各相應的氣候模式，其余各溫室氣體濃度均取表2中的當前固定濃度.

由圖7可見，當地表溫度由平均溫度289 K逐步上升到熱帶地區的299.7 K，（100～570）cm－1內的溫室效應貢獻則由41%減小到37%，相應地，（570～2 000）cm－1的貢獻份額從59%增加到了63%，而當地表溫度從289 K下降到亞極地冬季的257.2 K時，變化情況剛好相反，（100～570）cm－1內的溫室效應貢獻增加了6%，而（570～2 000）cm－1的貢獻份額減小了6%.總體來看，溫差最大的熱帶和亞極地的冬季受溫度變化所引起的光譜能量遷移影響最大，熱帶地區在（100～570）cm－1內的溫室效應貢獻比亞極地冬季低了10%，而在另一波段高出10%.由于除H2O外，CO2等絕大多數溫室氣體的主要吸收帶大都位于在波數大于570 cm－1的波段內，因此，如果這些氣體的大氣濃度發生變化，其在熱帶地區或高溫季節對溫室效應的影響權重將會加大.而從表2可以看出，H2O雖然在（1 370～2 000）cm－1內對地球輻射也存在強烈吸收，但該波段的地球輻射能量僅占其總能量的7%左右，所以水汽對溫室效應起主要貢獻的吸收帶位于在波數小于570 cm－1的波段內，從這一角度而言，在寒冷的冬季和極地、亞極地地區，雖然水汽含量稀少，但其含量變化對溫室效應的影響卻將明顯大于相對濕度很大的夏季和熱帶地區.

3 結論

通過利用一維輻射傳遞方程及LBLRTM逐線積分模式建立計算模型，首先對工業革命前與目前大氣構成情況下溫室效應的能量分布及其光譜吸收機理進行了分析.結果表明，從成因上來看，地球環境的“溫暖”和目前所面臨的“變暖”有著本質的不同.工業革命前的溫暖環境主要來自于大氣溫室氣體的（100～370）cm－1、（640～710）cm－1以及（1 370～2 000）cm－1三個強吸收帶對于地球長波輻射的吸收，三個波段內，地球輻射被吸收的比例分別達到了41%、61%和77%，而地球當前的“變暖”主要源于大氣的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1兩個弱吸收帶的作用.由于溫室氣體的濃度升高，目前地球的溫室效應已經增加了5.9 W·m－2，其中在（710～1 370）cm－1波段內的吸收貢獻最大為55%，（370～640）cm－1次之，但貢獻比例也達到了25%.

其次，通過改變地表溫度，研究了溫度變化對溫室效應能量分布的影響.結果表明，溫度升高，會造成全波段范圍內的地球輻射能量的整體提高，使得溫室效應增強，但另一方面，由于地球紅外光譜能量向著波數較大的方向遷移，不同譜帶處的溫室效應對總溫室效應的貢獻卻呈現出正負不同的變化情況.以地球平均溫度289 K所對應的輻射峰值波數為界線，溫度升高后，峰值波數右側的溫室效應貢獻將會增加，在其左側的溫室效應貢獻則會減小.由于熱帶和亞極地冬季的地表溫度差異最大，受地球光譜能量遷移的影響也最明顯.熱帶地區在（100～570）cm－1內的溫室效應貢獻比亞極地冬季低了10%，而在（570～2 000）cm－1的波段內高出10%.因此CO2、CH4等主要吸收帶位于在波數大于570 cm－1范圍內的氣體，在熱帶地區對溫室效應的影響權重將有所加大，而在寒冷的冬季和極地、亞極地地區，由H2O所引起的溫室效應貢獻則會明顯大于相對濕度很大的夏季和熱帶地區.

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Analysis on Spectral Energy Distribution of Greenhouse Effect Under Global Warming Background

GAO Fengling1，2，CUI Guomin1，TAO Leren1，HUA Zezhao1，HUANG Xiaohuang1
（1．School of Energy and Power Engineering，University of Shanghai for Science and Technology，Shanghai 200093，China；2．Vehicle and Motive Power Engineering College，Henan University of Science and Technology，Luoyang 471039，China）

In a one-dimensional radiation transfer model，energy distribution and spectral absorption mechanism of greenhouse effect under Pre-Industrial and current atmospheric compositions were analyzed.Coupling mechanism between greenhouse effect and surface temperature was investigated on the basis of greenhouse gas concentrations at current level.It shows that warm environment before Industrial Revolution is mainly due to three strong absorption bands of greenhouse gases，which are（100－370）cm－1，（640－710）cm－1and（1 370－2 000）cm－1respectively.However，current global warming is originated from weak absorption bands of greenhouse gases，that is，radiation absorptions by（370－640）cm－1and（710－1 370）cm－1.Contributions to greenhouse effect increment of these weak bands after Industrial Revolution are 25%and 55%respectively.With rising temperature，contribution of right side of the earth's radiation peak wavenumber to total greenhouse effect shows positive change，while contribution of left side shows negative change.

global warming；greenhouse effect；greenhouse gas；energy distribution

date： 2013－07－01；Revised date： 2013－09－30

TK124

A

1001-246X（2014）03-0343-08

2013－07－01；

2013－09－30

國家自然科學基金（51076107）資助項目

高鳳玲（1976－），女，博士生，講師，主要從事大氣溫室效應研究，E-mail：gaoleng091106＠163.com