全球变暖背景下温室效应的光谱能量分布分析

高凤玲， 崔国民， 陶乐仁， 华泽钊， 黄晓璜

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳 471039）

全球变暖背景下温室效应的光谱能量分布分析

高凤玲1，2， 崔国民1， 陶乐仁1， 华泽钊1， 黄晓璜1

（1.上海理工大学能源与动力工程学院，上海 200093；2.河南科技大学车辆与动力工程学院，河南洛阳 471039）

利用一维辐射传递方程及LBLRTM逐线积分模式建立计算模型，对工业革命前与目前大气构成情况下温室效应的能量分布及其光谱吸收机理进行分析，在保持温室气体浓度为当前水平的基础上，研究温室效应能量分布与地表温度之间的相互耦合机理.结果表明：工业革命前地球的温暖环境主要来自于大气温室气体的（100～370）cm－1、（640～710）cm－1以及（1 370～2 000）cm－1三个强吸收带对于地球长波辐射的吸收，而地球当前的变暖则源自于大气的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1两个弱吸收带的作用，其对工业革命以来所额外增加的温室效应贡献分别达到了25%和55%；地表温度升高，温室效应在全波段范围内也会随之增强，但不同谱带处的温室效应贡献以地球平均温度所对应的辐射峰值波数为界线，峰值波数右侧的温室效应贡献将会增加，在其左侧的贡献比例则会减小.

全球变暖；温室效应；温室气体；能量分布

0 引言

众所周知，地球上之所以具有适合于生命的温度环境，一方面是太阳辐射提供的能量，另一方面，更重要的是地球上拥有独特的大气环境，其中的温室气体产生的温室效应作用起到了保温的效果，使得地表平均温度升高为更舒适的288 K，而不是简单太阳辐射作用下的255 K.可以说，以H2O、CO2等为代表的温室气体，对于地球温暖环境的形成具有至关重要的作用.但是，近年来全球温度不断升高，呈现出变暖的趋势，据IPCC第四次报告表明，工业革命以来，全球平均温度升高了（0.74±0.18）℃，究其原因也正是由于人类活动造成的温室气体浓度大幅提高的结果［1］.

一直以来，针对不同种类温室气体对全球变暖的影响，国内外学者做了大量研究.如对于CO2，进行了CO2温室效应的饱和度分析［2］，CO2浓度加倍所造成全球地表温度变化的气候敏感性分析等［3－5］；近年来，随着卫星遥感技术的不断提高，则实现了对H2O温室效应的定量评估［6－7］；对于大气中的痕量温室气体，如HFCs、PFCs等，目前的研究主要集中在其分子光谱吸收特性和辐射强迫上，即计算该种气体浓度变化后所引起的对流层顶净辐射通量的变化量，以确定其浓度增加对全球变暖贡献的相对大小［8－10］.

但是，当前的这些研究和预测大多都是针对某一种温室气体浓度改变对温室效应所造成的影响，而对于有关各种温室气体所造成的总体温室效应的综合光谱能量分布的变化研究却不多见.一方面，自工业革命以来，人类向大气中排放的温室气体不断增多，而不同的温室气体对于地球的红外辐射存在着不同的吸收带，大气成分的改变，势必对地球的温室效应光谱能量分布带来影响.而另一方面，实际的地表温度在空间和时间尺度上所体现出的极大的不均匀性，又会使得即使温室气体的浓度不再变化，由于地表温度时空差异所导致的红外辐射光谱迁移以及温室气体的选择性吸收特性，也会使温室效应的能量分布发生改变，进而直接影响到地球环境温度的进一步变化.

鉴于此，本文利用一维辐射传递方程建立计算模型，首先通过对比工业革命前与目前大气构成情况下的大气温室效应作用，分析其能量分布的变化特点；其次，在保持温室气体浓度为当前水平的基础上，从温室气体的选择性吸收及地球红外辐射随地表温度变化的能量迁移特点出发，探讨温室效应能量分布与地表温度之间的相互耦合机理.

1 数据来源和辐射模型

1.1 数据来源和模型假设

工业革命前地表、大气温度及水汽含量廓线参照代表全球平均状况的美国标准大气，其中地表温度为288.2 K［11］.自工业革命以来，地表温度已经升高了（0.74±0.18）℃，故当前地表温度取289 K.大气温度数据采用美国国家海洋和大气管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）大气温度探空数据集RATPAC-A［12］.该数据集以一年为单位，覆盖了全球85个站点从1958年至今在13个压力层，即1 000、850、700、500、400、300、250、200、150、100、70、50和30 hPa处的大气温度变化，其具体数据可在网址http：／／www.ncdc.noaa.gov／上下载获得.图1为根据RATPAC-A得到的2010年相对于工业革命前的地表至大气30 hPa处的温度变化.

图1表明，工业革命以来，地表及对流层温度总体呈上升趋势，且对流层中低层的温度变化大于高层；但随着逐年来对流层中温室气体含量不断增多，会加大对地气系统长波辐射的吸收，使得平流层接收到的长波辐射量有所减少，因此，对流层高层及平流层低层温度变化反而呈下降趋势［13］.就30 hPa以上的平流层高层的温度变化而言，目前的观测数据还非常有限，而且不同观测资料之间、观测资料与气候模式的模拟结果之间均存在着明显差别［14］.鉴于缺乏当前平流层高层温度的可靠资料，而且，在全球平均的意义上，地表和对流层紧密地耦合在一起，可以当做一个单一的热力学系统来处理，因此，IPCC报告中将温室气体辐射强迫的计算位置取在了对流层顶［1］.同理，本文中温室效应G的计算位置同样取在对流层顶，并参照美国标准大气，将对流层顶取在12 km（200 hPa）处，计算地球表面和对流层顶向上长波通量的差值.

大气温度的变化，意味着其含湿量也将发生相应改变.McCarthy等通过对1973－2003年间北半球探空资料HadTH的分析，认为在此30年来，北半球对流层比湿正以每十年1%－5%的速度增加，但平均相对湿度基本保持不变［15］；Dessler等根据2003至2008年间大气红外探测卫星AIRS的全球探测数据，得到了类似的结果，即大气温度升高，造成其绝对湿度有所上升，但相对湿度整体变化不大［7］.因此，对流层温度升高后，其水汽含量计算采用固定相对湿度方法处理［16］：

式中：RH0为地面相对湿度，取0.77［16］；p0为地面大气压力，取1 000 hPa；p为所计算气层的大气压力，hPa；RH为该气层的相对湿度.计算中，所考虑的其他温室气体及其工业革命前后浓度见表1.表1中温室气体的当前浓度为根据美国国家航空航天局改进的全球大气实验计划（Advanced Global Atmospheric Gases Experiment，http：／／agage.eas. gatech.edu／）所发布的2010年的数值，此外，由于全球各地对流层O3分布的时空差异很大，因而未考虑其浓度变化，其两个时期下的浓度均参照美国标准大气.

辐射通量的确定，采用如图2所示的计算模型，即将环绕地球的大气层视为沿地球径向的一维多层介质，地表为第0层，从地表到对流层顶12 km处，取各气层间距Δs＝0.5 km，将对流层共分为24层；因在晴天无云及尘埃等大颗粒质点较少时，大气对长波辐射的散射削弱极小，可以忽略不计［17］，故仅考虑大气对辐射的吸收与发射，不考虑其散射，任一气层的向上长波通量Fj为其自身辐射和所有到达该层的下层辐射通量之和；将地球表面假设为黑体，只向上辐射能量［18］，而温室气体的出射辐射与方向无关，为漫射辐射；鉴于地球大约有98%的长波辐射能量都集中在（100～2 000）cm－1的波数范围内，故计算区间为（100～2 000）cm－1.

1.2 模型计算方法

一维辐射传递方程的基本形式为［19－20］

其中，kaυ为介质在波数为υ，高度为s时的光谱吸收系数，m－1；ksυ为其光谱散射系数，m－1；Ibυ（s）为当把介质看做黑体时的光谱辐射强度，W·（m2·m）－1；Iυ（s）为介质实际光谱辐射强度，W·（m2·m）－1，φυ为介质的散射相函数.

方程（2）中等号右侧的最后两项与散射有关，由于不考虑散射，因此，辐射传递方程可简化为

左右两边乘以ds，得

其中aBn为集合Bn中元素的策略状态，an0表示用户n退出信道竞争时的策略状态，aBn/n为用户n的相邻用户在n退出信道竞争时的策略状态.然而博弈过程中，n只对集合In中的用户产生干扰，则有：

采用数值计算中的有限差分代替微分，将（4）式转化为

即

移项，得

对波数进行积分，得第j＋1层的辐射强度

对漫辐射表面，辐射力是任意方向辐射强度的π倍，则第j＋1层的向上辐射通量为

通过上述分析可知，在辐射通量的计算中，关键是要确定每一气层在给定波数处的吸收系数kaυ.为了对kaυ进行精确计算，采用美国大气与环境研究中心（Atmospheric and Environmental Research，AER）的LBLRTM逐线积分方案［21］.计算中，分子吸收光谱资料采用HITRAN 2008，谱线采用混合加宽Viogt线型.由于kaυ基本上按照离线中心距离的平方而衰减，而且谱线强度和谱线的远翼行为都存在着某种误差和不确定性［16］，因此，采取在离线中心5cm－1处将线翼贡献截断.计算得到kaυ后，利用一维辐射传输模型，即可从地表起逐层计算出每一大气层的向上长波辐射通量.

1.3 模型验证

IPCC第四次报告中，对地球能量平衡所进行的分析依据的是文献［18］的研究结果.其利用窄带计算方案和一维气体辐射传输模型，得到1985－1989年期间，晴天大气层顶的平均向上长波通量为265 W·m－2.本文利用逐线积分方案，采用与文献［18］相同的计算条件，所得到的结果为262.3 W·m－2，两者的偏差仅为1%.但文献［18］中所采用的分子吸收光谱资料为较早版本的HITRAN 1992，而且由于逐线积分能够逐条计入大气气体吸收谱线对辐射削弱的贡献，因此本文所建立的辐射传输模型能够更精确地对气体的辐射通量进行计算.

2 结果分析

利用第1节中所建立的数学模型，并分别采用工业革命前和目前大气构成情况下的温度廓线，可对两者的温室效应的能量分布变化进行比较分析.图3（a）、（b）分别为工业革命前，H2O、CO2、O3以及CH4与N2O单独和共同作用时，温室效应G的光谱分布情况.从图中可以看出，对G贡献最大的气体为H2O与CO2，其中H2O对于地球红外辐射的吸收覆盖了整个光谱范围，而CO2主要在以680 cm－1带为中心的（550～810）cm－1的区间内存在着强烈的吸收，并在该波段的（640～710）cm－1处出现了峰值.但就温室效应的整体分布而言，在（830～1 250）cm－1的谱带范围内，除了O3存在着较强的吸收，其余气体的红外拦截作用均很弱，该波段范围内的大部分辐射可以直接穿过地球大气而射向外太空，这就是通常所说的“大气之窗”.

图4为目前大气构成情况下与工业革命前温室效应差值ΔG的光谱能量分布.图4表明，温室气体浓度的提高，使得温室效应在整个光谱区间内也均有所增强，其增量ΔG则是造成当前全球变暖的原因所在.比较图3与图4，发现工业革命前的温室效应G与其目前所产生的增量ΔG在光谱能量分布上存在较大差异.与图3相比，图4中虽然温室效应增强最为显著的波段也发生在CO2的（550～810）cm－1处，但在（640～710）cm－1这一很窄的波长区间内，ΔG却非常微小.ΔG另外一个较大峰值出现在以CH4和N2O的1 300 cm－1吸收带为中心的（1 250～1 370）cm－1的谱带范围内，此外，在（830～1 250）cm－1的窗区内，由于4种氯氟烃类气体的吸收，ΔG也出现了较为明显的波动.而在（100～550）cm－1与（1 370～2 000）cm－1这两个H2O的主要吸收带内，由于自工业革命以来H2O浓度并没有大幅增加，因而ΔG变化平稳，并没有较大的峰值出现.

从图3、图4 G与ΔG随光谱的变化情况中可以看出，温室效应的能量分布主要取决于温室气体对地球辐射的选择性吸收.因此，研究温室效应的能量分布变化，有必要对大气的综合光谱吸收性能进行考察，而该光谱吸收性不仅取决于温室气体各自的强弱吸收带，同时也取决于其浓度.图5为各温室气体取当前浓度时，在地面上的综合光谱吸收率曲线.由图5可见，温室气体综合光谱吸收特性与单一气体相比具有很大不同，这一方面来自于多种温室气体的相互叠加和耦合作用；另一方面则是由于温室气体含量造成的光学“增厚”作用.总体来看，综合光谱吸收率在（100～370）cm－1、（640～710）cm－1和（1 370～2 000）cm－1的波段内，除了在（1 830～2 000）cm－1这一非常窄的区间里吸收率较小，在其余波数处均为1，故属于强吸收带，而这些波段恰好对应于图3B中温室效应的主要能量分布区域；其在（370～640）cm－1与（710～1 370）cm－1波段内的吸收率则相对较小，为弱吸收带，并与图4中ΔG的能量集中波段相吻合.

为了说明温室效应在地球环境的“温暖”和目前所面临的“变暖”上的光谱能量贡献，将工业革命前地球的温室效应G，与当前大气浓度下地球额外增加的温室效应增量ΔG在上述几个强弱吸收带内的数值GΔυ与ΔGΔυ列于表2.表2中同时给出了GΔυ与该波段内地球红外辐射能量EΔυ之间，以及ΔGΔυ与总温室效应增量ΔG之间的比值.

从表2可以看出，在（100～2 000）cm－1的全波段范围内，地球总共有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波段内的吸收比例为最大，分别达到了41%、61%和77%，而（370～640）cm－1与（710～1 370）cm－1两个弱吸收带的吸收份额则分别只有26%和19%，这就说明，地球温暖环境的形成，主要来自于以H2O、CO2为主的强吸收带对于地球长波辐射的吸收.但是，对ΔG贡献最大的却是大气的两个弱吸收带，尤其是包含窗区的（710～1 370）cm－1的波段范围内，其所产生的温室效应增量达到了总温室效应增量的55%.之所以造成这种现象，结合图5可以知道，由于在强吸收带中原有的H2O和CO2的大气浓度已接近了对地球辐射的饱和吸收，拦截地球辐射的潜力已经不大，而CH4、N2O等痕量气体的主要吸收带又都位于大气窗区或者窗区边缘，因此，温室气体浓度增加对地球能量的吸收只能主要来自于（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1等弱吸收带，这部分波段吸收的强化才是地球变暖的主要根源.

2.2 地表温度变化对温室效应能量分布的影响分析

如果把地球辐射处理为黑体，根据普朗克定律，随着地表温度升高，辐射能量也将总体增强，同时其光谱分布将会发生向短波方向的移动.而地表温度在空间分布上极不均匀，在不同的时间尺度上，其随昼夜交替、季节变换也会产生不同的变化特点，从而造成即使温室气体的浓度保持一定，但因其选择性吸收的特性，不同地表温度下的温室效应分布也会发生变化.为此，取地表温度分别为热带气候模式下的299.7 K［11］和当前全球平均值289 K，计算了两种情况下的（100～2 000）cm－1内，每10 cm－1区间里的温室效应相对于总温室效应的比值G10／G，将两者的相对变化量ΔG10／G以及两地表温度下温室效应的绝对变化量ΔG10的光谱分布表示于图6.

由图可见，温度的升高一方面造成了在全波段范围内的地球辐射能量的整体提高，使得温室效应的绝对数值变大，ΔG10均大于零；但另一方面，由于地球红外光谱能量向着较大波数方向迁移，温室效应在不同波段处的百分比例却呈现出正负不同的变化情况.大约在小于当前地球平均温度289 K所对应的红外辐射峰值波数570 cm－1的波段范围内，ΔG10／G为负值，此后随着波数的逐渐增加，ΔG10／G则变为正值，说明温度升高后，在较大波数范围内的温室效应对总温室效应的贡献增加了.造成这种现象的原因主要是由于随着地表温度上升，能量分布曲线右移，该范围内的能量水平得到了整体提升，使得在原始的地球辐射峰值波数右侧的吸收带所吸收的能量相对增多，ΔG10／G为正值；相应的，在原始峰值波数左侧的吸收则会相对减弱，因而该范围内的温室效应对总温室效应的贡献也随之减小，ΔG10／G小于零.

通过对图6的分析说明，地球温度变化所引起的光谱能量迁移也具有两面性，以地球平均温度289 K所对应的辐射峰值波数为界线，温度升高后，峰值波数右侧的温室效应贡献将会增加，在其左侧的温室效应贡献则会减小，而随着地表温差的逐渐加大，光谱迁移的这种两面性作用也将越明显.图7列出了地表温度分别取热带（TRP，299.7 K）、中纬度夏季（MLS，294.2 K）、亚极地夏季（SAS，287.2 K）、中纬度冬季（MLW272.2 K）亚极地冬季（SAW，257.2 K）和当前全球平均气候（AVE，289 K）6种气候模式及其相应的大气温度廓线时［11］，在（100～570）cm－1与（570～2 000）cm－1两个波段的温室效应占总温室效应的比值.计算中，除H2O与O3廓线分别取自各相应的气候模式，其余各温室气体浓度均取表2中的当前固定浓度.

由图7可见，当地表温度由平均温度289 K逐步上升到热带地区的299.7 K，（100～570）cm－1内的温室效应贡献则由41%减小到37%，相应地，（570～2 000）cm－1的贡献份额从59%增加到了63%，而当地表温度从289 K下降到亚极地冬季的257.2 K时，变化情况刚好相反，（100～570）cm－1内的温室效应贡献增加了6%，而（570～2 000）cm－1的贡献份额减小了6%.总体来看，温差最大的热带和亚极地的冬季受温度变化所引起的光谱能量迁移影响最大，热带地区在（100～570）cm－1内的温室效应贡献比亚极地冬季低了10%，而在另一波段高出10%.由于除H2O外，CO2等绝大多数温室气体的主要吸收带大都位于在波数大于570 cm－1的波段内，因此，如果这些气体的大气浓度发生变化，其在热带地区或高温季节对温室效应的影响权重将会加大.而从表2可以看出，H2O虽然在（1 370～2 000）cm－1内对地球辐射也存在强烈吸收，但该波段的地球辐射能量仅占其总能量的7%左右，所以水汽对温室效应起主要贡献的吸收带位于在波数小于570 cm－1的波段内，从这一角度而言，在寒冷的冬季和极地、亚极地地区，虽然水汽含量稀少，但其含量变化对温室效应的影响却将明显大于相对湿度很大的夏季和热带地区.

3 结论

通过利用一维辐射传递方程及LBLRTM逐线积分模式建立计算模型，首先对工业革命前与目前大气构成情况下温室效应的能量分布及其光谱吸收机理进行了分析.结果表明，从成因上来看，地球环境的“温暖”和目前所面临的“变暖”有着本质的不同.工业革命前的温暖环境主要来自于大气温室气体的（100～370）cm－1、（640～710）cm－1以及（1 370～2 000）cm－1三个强吸收带对于地球长波辐射的吸收，三个波段内，地球辐射被吸收的比例分别达到了41%、61%和77%，而地球当前的“变暖”主要源于大气的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1两个弱吸收带的作用.由于温室气体的浓度升高，目前地球的温室效应已经增加了5.9 W·m－2，其中在（710～1 370）cm－1波段内的吸收贡献最大为55%，（370～640）cm－1次之，但贡献比例也达到了25%.

其次，通过改变地表温度，研究了温度变化对温室效应能量分布的影响.结果表明，温度升高，会造成全波段范围内的地球辐射能量的整体提高，使得温室效应增强，但另一方面，由于地球红外光谱能量向着波数较大的方向迁移，不同谱带处的温室效应对总温室效应的贡献却呈现出正负不同的变化情况.以地球平均温度289 K所对应的辐射峰值波数为界线，温度升高后，峰值波数右侧的温室效应贡献将会增加，在其左侧的温室效应贡献则会减小.由于热带和亚极地冬季的地表温度差异最大，受地球光谱能量迁移的影响也最明显.热带地区在（100～570）cm－1内的温室效应贡献比亚极地冬季低了10%，而在（570～2 000）cm－1的波段内高出10%.因此CO2、CH4等主要吸收带位于在波数大于570 cm－1范围内的气体，在热带地区对温室效应的影响权重将有所加大，而在寒冷的冬季和极地、亚极地地区，由H2O所引起的温室效应贡献则会明显大于相对湿度很大的夏季和热带地区.

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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

国家自然科学基金（51076107）资助项目

高凤玲（1976－），女，博士生，讲师，主要从事大气温室效应研究，E-mail：gaoleng091106＠163.com