CO2的溫室效應飽和度分析及其大氣體積分數預測模型

高鳳玲, 崔國民, 黃曉璜

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

CO2的溫室效應飽和度分析及其大氣體積分數預測模型

高鳳玲1, 崔國民2, 黃曉璜2

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

通過精確的LBLRTM逐線積分模式建立CO2體積分數變化模型,分析了CO2的溫室效應飽和度,并對未來地表溫升的變化趨勢進行了預測.結果表明,目前CO2的持續排放只能使其在680 cm-1強吸收帶中心達到飽和,而在未來相當長一段時間內,其仍將通過該吸收帶的翼區以及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出強烈的吸收,CO2的溫室效應還遠未達到飽和;如果按照當前CO22.2 (mL/·m-3)/a的年排放速率,CO2的大氣體積分數將會持續增加,從而造成地表溫度不斷升高,到2056年,地表溫升將會達到2 K.

CO2; 溫室效應; 飽和; 大氣體積分數

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境,但是,自工業革命以來,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.聯合國政府間氣候變化專門委員會(Intergovernmental Panel on Climate Change,IPCC)2014年第5次報告指出,近百年來,地表溫度已經大約升高了0.85 K[1].地球作為一個巨大的生態系統,如果氣溫上升幅度超過1.5 K,全球便會有20%～30%的動植物面臨滅絕;而如果氣溫上升超過了3.5 K,則將有40%～70%的物種因為環境惡化而瀕臨滅絕[2].因此,如果將氣候變化的極限值設定為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十分嚴峻.

CO2作為人類生產社會活動所排放的首要溫室氣體,其對溫室效應的影響已引起了國內外科學界的廣泛關注.李翠娜等[4]對大氣CO215 μm吸收帶與溫度之間的依賴關系進行了研究;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,在當前的各種氣候模式計算中,為了節省CPU時間,大多采用了帶模式、k分布或者相關k分布模式,而所有這些方法的精度都必須有一個比較標準,以便對其進行驗證,這就是逐線積分法,它被認為是大氣紅外吸收計算的最精確方法[7].而且,當前CO2的大氣體積分數已經達到了390 mL/m3,與工業革命前280 mL/m3的大氣體積分數相比，增長了大約了40%,其對溫室效應的貢獻已經占到了長壽命溫室氣體的63%[1],這是否意味著CO2的溫室效應已經或者即將要達到飽和,繼續研究CO2的溫室效應是否仍有必要.鑒于此,采用美國大氣與環境研究中心(Atmospheric and Environmental Research,AER)發展的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據庫 HITRAN 2012,對CO2的紅外吸收能力進行了精確計算,其長波輻射通量計算誤差大約為0.5%[8],并以近年來CO2的體積分數變化數據為基礎,建立了其體積分數變化模型,對未來的地表溫升進行預測.

1 CO2溫室效應飽和度分析

一般而言,當一種溫室氣體的體積分數足夠大時,其對輻射的吸收能力與體積分數之間將呈對數關系變化[9].因此,隨著CO2大氣體積分數的逐漸增加,其吸收帶所捕獲的紅外輻射量的增加速度卻會變得越來越慢,最終吸收帶將會達到飽和,即無論CO2體積分數如何增長,也不再會對輻射的吸收作出貢獻[10-11].為了考察CO2的溫室效應飽和度,圖1和圖2分別給出了CO2在工業革命前的溫室效應G,以及其體積分數相對于工業革命前分別增長2倍和4倍情況下其溫室效應相對增量ΔG%的光譜能量分布.其中,溫室效應G定義為地表與大氣層頂部的向上長波通量之差[12].

圖1 工業革命前CO2的溫室效應Fig.1 Greenhouse effect of CO2 before Industrial Revolution

圖2 CO2體積分數為工業革命前的2倍與4倍時的溫室效應相對增量

圖1表明,工業革命前,CO2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,此外,在1 000 cm-1波數兩側附近也表現出了一定的溫室效應能力,而在1 350 cm-1與1 900 cm-1波數兩側的溫室效應能力則非常微弱.但從圖2可以看出,當CO2體積分數相對于工業革命時期出現成倍增長時,其溫室效應的增加卻主要出現在弱吸收帶,而在其強吸收帶中心680 cm-1處的溫室效應增量幾乎為零.這表明，隨著CO2體積分數的增加,其680 cm-1強吸收帶中心的確將會達到飽和,但在兩翼區對地表的紅外輻射仍然具有強烈的吸收能力,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,因還遠未達到飽和,當CO2體積分數從2倍增長至4倍,溫室效應則出現了成倍增長.圖2說明,盡管目前CO2的680 cm-1帶中心已經達到飽和,但在未來相當長一段時間里,仍將通過其吸收帶的翼區對地表紅外輻射表現出強烈的吸收,同時,其1 000 cm-1，1 350 cm-1與1 900 cm-1等弱吸收帶的溫室效應作用將變得越來越重要.

2 CO2體積分數變化模型

通過上述分析可知,隨著以CO2為首的溫室氣體排放的持續增加,溫室效應將會愈發嚴重.為了對未來的地表溫升進行預測,有必要對CO2的體積分數變化規律進行分析.

通常,大氣中某種溫室氣體的體積分數變化主要受排放與清除兩個機制的影響.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數就會保持在基本穩定的水平上[13].而由于衰變作用存在著一定的時間周期,因此,在某一給定時間t(單位為年,a),考慮這種作用的溫室氣體的大氣體積分數f(t)可表示為

f(t)=Q(t)-Q(t-χ)+f(0)

(1)

式中:Q(t)為時間t時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)為氣體的產出與消亡基本平衡時的大氣體積分數，mL/m3.

式(1)表明,溫室氣體的即時體積分數等于年排放量的累積Q(t)與滯留時間以前的年排放累積Q(t-χ)之差與自然平衡時的總含量的和.由于習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)兩側對時間取微分,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)進行拉氏變換,則可以得到大氣中溫室氣體體積分數與年排放速率的傳遞函數

(3)

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

從式(3)可以清晰地看出,溫室氣體的大氣體積分數對于年排放速率的積分變化規律

(4)

式(4)表明,由于溫室氣體的自然衰變,輸入與輸出呈現為滯后的積分關系,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間.式(4)即為溫室氣體體積分數變化模型,對式(4)進行拉式反變換,能夠得到f(t)的表達式

(5)

式(5)說明,如果已知氣體的大氣壽命與年排放速率,便可以求得其在某一時間t下的大氣體積分數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的大氣體積分數變化為

(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的CO2體積分數變化函數.

取工業革命時期的時間節點為1800年[1],則1800年的CO2體積分數為280 mL/m3,這樣,到2015年為止,CO2110 mL/m3的體積分數增量便發生在t=215 a的時間之內.由此,根據式(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,即當每年的排放速率取m=0.917(mL·m-3)/a時,并取CO2的初始體積分數為280 mL/m3,由式(10)可以得到CO2的大氣體積分數曲線方程f1(t).

(12)

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

f2(t)=280+0.917t

(13)

當僅考慮由于CO2的自然衰變所引起的體積分數變化時,相應的體積分數曲線方程f3(t)應為

(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CO2的排放速率為定值時,在排放初期,即CO2的大氣壽命以內,由于自然衰變速率還未受到排放的影響,f3(t)為水平線,因而實際的大氣體積分數曲線f1(t)與排放引起大氣體積分數增加的曲線f2(t)相重合,兩者均呈線性上升趨勢.但是,當時間超過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體積分數增加的部分,因此,CO2體積分數在后續時間內維持為定值390 mL/m3,f1(t)為水平線.圖3說明,如果能夠對溫室氣體的年排放量進行調控,也能夠將其體積分數維持在一個基本穩定的水平上.

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實際的大氣體積分數曲線方程f′1(t)、單純考慮排放時的體積分數曲線方程f′2(t)，以及單純考慮衰變時的曲線方程f′3(t).

圖3 CO2的排放速率為定值時的體積分數變化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的體積分數變化Fig.4 Concentration change of CO2 at linear emission rate

與圖3類似,在CO2大氣壽命以內的排放初期,由于衰變速率還未發生變化,CO2的體積分數改變單純是由排放所引起,f′1(t)與f′2(t)重合,此時,CO2體積分數以拋物線形式加速上升.但是，當時間大于CO2的大氣壽命后,衰變機制開始加速,造成f′1(t)逐漸偏離f′2(t),CO2的體積分數上升速度有所減緩,但盡管如此,仍然保持為上升態勢.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,將會造成大氣中的CO2體積分數持續增加.

3 地表溫升預測

根據IPCC第5次報告[1],全球平均的溫室效應G與地表溫升ΔT0之間存在著關系式

ΔT0=λG

(18)

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

得到了CO2的體積分數變化規律,利用LBLRTM逐線積分模型計算出溫室效應G后,利用式(18)便可以對未來的地表溫升進行預測.根據美國國家海洋和大氣管理局地球系統研究實驗室所公布的全球CO2的歷年平均排放數據(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,CO2的年排放速率并沒有發生明顯的增長,而是在大約1.6～2.7 mL/m3的范圍內發生波動,其平均年排放速率為2.2 (mL·m-3)/a.因此,以2015年CO2的大氣體積分數390 mL/m3作為基準點,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的大氣體積分數計算公式

(19)

對于其他溫室氣體對地表溫升的影響,考慮到2015年CO2的當量體積分數為460 mL/m3,與其390 mL/m3的實際體積分數之間的比例系數為1.179.因此,利用式(19)計算得到某一年度下CO2的大氣體積分數后,再乘以1.179的比例系數,便為該年度下CO2的當量體積分數,利用式(18)可以計算該年度下由于溫室氣體體積分數變化所造成的溫室效應以及相應的地表溫升,具體結果如圖6所示.

圖6 地表溫升預測Fig.6 Surface temperature rise prediction

圖6說明,若CO2以當前2.2 (mL·m-3)/a的速率進行排放,則CO2當量體積分數在未來幾十年內將會持續增長,地表溫度也將不斷升高.為了避免全球變暖所造成的嚴重后果,《哥本哈根協議》提出了在本世紀內將溫升控制在2 K的目標[3].根據本文的計算結果,如果CO2的大氣體積分數以當前的排放速率持續增長,那么，到2056年,CO2當量體積分數將會達到556 mL/m3,地表溫升達到2 K.

4 結 論

通過比較不同體積分數下CO2溫室效應的光譜能量分布,對其溫室效應的飽和度進行了分析,并以所建立的CO2體積分數變化模型為依據,對未來的地表溫升進行了預測,結果表明:

a. 目前,CO2的680 cm-1強吸收帶中心已經達到飽和,但在未來相當長一段時間內,其仍將通過該吸收帶的翼區以及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出強烈的吸收,CO2的溫室效應還遠未飽和;

b. 當前,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,根據本文所建立的CO2體積分數變化模型,到2056年,地表溫升將會達到2 K.

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(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

河南省高等學校重點科研項目(17B470001);河南科技大學創新團隊資助項目(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