全球变暖背景下温室效应的光谱能量分布分析.pdfVIP

第 31卷 第 3期 2014年 5月 计 算 物 理 CHINESE JOURNAL OF COMPUTATIONAL PHYSICS Vo1．31．NO．3 May，2014 文章编号 ：1001—246X(2014)03．0343-08 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2]2程学院，河南 洛阳 471039) 摘 要：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)em～、(640～710)em 以及(1 370～2 000)cm 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 和(710～1 370)cm 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． 关键词 ：全球 变暖 ；温室效应 ；温室气体 ；能量分布 中图分类号 ：TK124 文献标志码 ：A 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H O、CO 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)oC，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 ?． 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 CO，，进行了 CO 温室效应的饱和度分析 ，CO 浓度加倍所造成全球地表温度变化的气候敏感性分析等 ；近年来， 随着卫星遥感技术的不断提高，则实现了对 H：O温室效应的定量评估 一 ；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 ． 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 收稿 日期 ：2013—07—01；修 回日期 ：2013—09—30 基金项目：国家自然科学基金资助项目 作者简介：高凤玲(1976一)，女，博士生，讲师，主要从事大气温室效应研究，E-mail：gaolenso91106@163．tom 344 计 算 物 理 第 31卷 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? ． 自工业革命以来，地表温度已经升高了(0．74 4-0．18)℃，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 At