全球變暖背景下溫室效應(yīng)的光譜能量分布分析

高鳳玲， 崔國(guó)民， 陶樂(lè)仁， 華澤釗， 黃曉璜

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471039）

全球變暖背景下溫室效應(yīng)的光譜能量分布分析

高鳳玲1，2， 崔國(guó)民1， 陶樂(lè)仁1， 華澤釗1， 黃曉璜1

（1.上海理工大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，上海 200093；2.河南科技大學(xué)車輛與動(dòng)力工程學(xué)院，河南洛陽(yáng) 471039）

利用一維輻射傳遞方程及LBLRTM逐線積分模式建立計(jì)算模型，對(duì)工業(yè)革命前與目前大氣構(gòu)成情況下溫室效應(yīng)的能量分布及其光譜吸收機(jī)理進(jìn)行分析，在保持溫室氣體濃度為當(dāng)前水平的基礎(chǔ)上，研究溫室效應(yīng)能量分布與地表溫度之間的相互耦合機(jī)理.結(jié)果表明：工業(yè)革命前地球的溫暖環(huán)境主要來(lái)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(gè)強(qiáng)吸收帶對(duì)于地球長(zhǎng)波輻射的吸收，而地球當(dāng)前的變暖則源自于大氣的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1兩個(gè)弱吸收帶的作用，其對(duì)工業(yè)革命以來(lái)所額外增加的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)分別達(dá)到了25%和55%；地表溫度升高，溫室效應(yīng)在全波段范圍內(nèi)也會(huì)隨之增強(qiáng)，但不同譜帶處的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)以地球平均溫度所對(duì)應(yīng)的輻射峰值波數(shù)為界線，峰值波數(shù)右側(cè)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)將會(huì)增加，在其左側(cè)的貢獻(xiàn)比例則會(huì)減小.

全球變暖；溫室效應(yīng)；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(huán)境，一方面是太陽(yáng)輻射提供的能量，另一方面，更重要的是地球上擁有獨(dú)特的大氣環(huán)境，其中的溫室氣體產(chǎn)生的溫室效應(yīng)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(jiǎn)單太陽(yáng)輻射作用下的255 K.可以說(shuō)，以H2O、CO2等為代表的溫室氣體，對(duì)于地球溫暖環(huán)境的形成具有至關(guān)重要的作用.但是，近年來(lái)全球溫度不斷升高，呈現(xiàn)出變暖的趨勢(shì)，據(jù)IPCC第四次報(bào)告表明，工業(yè)革命以來(lái)，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(dòng)造成的溫室氣體濃度大幅提高的結(jié)果［1］.

一直以來(lái)，針對(duì)不同種類溫室氣體對(duì)全球變暖的影響，國(guó)內(nèi)外學(xué)者做了大量研究.如對(duì)于CO2，進(jìn)行了CO2溫室效應(yīng)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(lái)，隨著衛(wèi)星遙感技術(shù)的不斷提高，則實(shí)現(xiàn)了對(duì)H2O溫室效應(yīng)的定量評(píng)估［6－7］；對(duì)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(qiáng)迫上，即計(jì)算該種氣體濃度變化后所引起的對(duì)流層頂凈輻射通量的變化量，以確定其濃度增加對(duì)全球變暖貢獻(xiàn)的相對(duì)大小［8－10］.

但是，當(dāng)前的這些研究和預(yù)測(cè)大多都是針對(duì)某一種溫室氣體濃度改變對(duì)溫室效應(yīng)所造成的影響，而對(duì)于有關(guān)各種溫室氣體所造成的總體溫室效應(yīng)的綜合光譜能量分布的變化研究卻不多見(jiàn).一方面，自工業(yè)革命以來(lái)，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(duì)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(shì)必對(duì)地球的溫室效應(yīng)光譜能量分布帶來(lái)影響.而另一方面，實(shí)際的地表溫度在空間和時(shí)間尺度上所體現(xiàn)出的極大的不均勻性，又會(huì)使得即使溫室氣體的濃度不再變化，由于地表溫度時(shí)空差異所導(dǎo)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(huì)使溫室效應(yīng)的能量分布發(fā)生改變，進(jìn)而直接影響到地球環(huán)境溫度的進(jìn)一步變化.

鑒于此，本文利用一維輻射傳遞方程建立計(jì)算模型，首先通過(guò)對(duì)比工業(yè)革命前與目前大氣構(gòu)成情況下的大氣溫室效應(yīng)作用，分析其能量分布的變化特點(diǎn)；其次，在保持溫室氣體濃度為當(dāng)前水平的基礎(chǔ)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(diǎn)出發(fā)，探討溫室效應(yīng)能量分布與地表溫度之間的相互耦合機(jī)理.

1 數(shù)據(jù)來(lái)源和輻射模型

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和模型假設(shè)

工業(yè)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(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣，其中地表溫度為288.2 K［11］.自工業(yè)革命以來(lái)，地表溫度已經(jīng)升高了（0.74±0.18）℃，故當(dāng)前地表溫度取289 K.大氣溫度數(shù)據(jù)采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）大氣溫度探空數(shù)據(jù)集RATPAC-A［12］.該數(shù)據(jù)集以一年為單位，覆蓋了全球85個(gè)站點(diǎn)從1958年至今在13個(gè)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(shù)據(jù)可在網(wǎng)址http：／／www.ncdc.noaa.gov／上下載獲得.圖1為根據(jù)RATPAC-A得到的2010年相對(duì)于工業(yè)革命前的地表至大氣30 hPa處的溫度變化.

圖1表明，工業(yè)革命以來(lái)，地表及對(duì)流層溫度總體呈上升趨勢(shì)，且對(duì)流層中低層的溫度變化大于高層；但隨著逐年來(lái)對(duì)流層中溫室氣體含量不斷增多，會(huì)加大對(duì)地氣系統(tǒng)長(zhǎng)波輻射的吸收，使得平流層接收到的長(zhǎng)波輻射量有所減少，因此，對(duì)流層高層及平流層低層溫度變化反而呈下降趨勢(shì)［13］.就30 hPa以上的平流層高層的溫度變化而言，目前的觀測(cè)數(shù)據(jù)還非常有限，而且不同觀測(cè)資料之間、觀測(cè)資料與氣候模式的模擬結(jié)果之間均存在著明顯差別［14］.鑒于缺乏當(dāng)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(duì)流層緊密地耦合在一起，可以當(dāng)做一個(gè)單一的熱力學(xué)系統(tǒng)來(lái)處理，因此，IPCC報(bào)告中將溫室氣體輻射強(qiáng)迫的計(jì)算位置取在了對(duì)流層頂［1］.同理，本文中溫室效應(yīng)G的計(jì)算位置同樣取在對(duì)流層頂，并參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣，將對(duì)流層頂取在12 km（200 hPa）處，計(jì)算地球表面和對(duì)流層頂向上長(zhǎng)波通量的差值.

大氣溫度的變化，意味著其含濕量也將發(fā)生相應(yīng)改變.McCarthy等通過(guò)對(duì)1973－2003年間北半球探空資料HadTH的分析，認(rèn)為在此30年來(lái)，北半球?qū)α鲗颖葷裾悦渴?%－5%的速度增加，但平均相對(duì)濕度基本保持不變［15］；Dessler等根據(jù)2003至2008年間大氣紅外探測(cè)衛(wèi)星AIRS的全球探測(cè)數(shù)據(jù)，得到了類似的結(jié)果，即大氣溫度升高，造成其絕對(duì)濕度有所上升，但相對(duì)濕度整體變化不大［7］.因此，對(duì)流層溫度升高后，其水汽含量計(jì)算采用固定相對(duì)濕度方法處理［16］：

式中：RH0為地面相對(duì)濕度，取0.77［16］；p0為地面大氣壓力，取1 000 hPa；p為所計(jì)算氣層的大氣壓力，hPa；RH為該氣層的相對(duì)濕度.計(jì)算中，所考慮的其他溫室氣體及其工業(yè)革命前后濃度見(jiàn)表1.表1中溫室氣體的當(dāng)前濃度為根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局改進(jìn)的全球大氣實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（Advanced Global Atmospheric Gases Experiment，http：／／agage.eas. gatech.edu／）所發(fā)布的2010年的數(shù)值，此外，由于全球各地對(duì)流層O3分布的時(shí)空差異很大，因而未考慮其濃度變化，其兩個(gè)時(shí)期下的濃度均參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)大氣.

輻射通量的確定，采用如圖2所示的計(jì)算模型，即將環(huán)繞地球的大氣層視為沿地球徑向的一維多層介質(zhì)，地表為第0層，從地表到對(duì)流層頂12 km處，取各氣層間距Δs＝0.5 km，將對(duì)流層共分為24層；因在晴天無(wú)云及塵埃等大顆粒質(zhì)點(diǎn)較少時(shí)，大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的散射削弱極小，可以忽略不計(jì)［17］，故僅考慮大氣對(duì)輻射的吸收與發(fā)射，不考慮其散射，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；將地球表面假設(shè)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(wú)關(guān)，為漫射輻射；鑒于地球大約有98%的長(zhǎng)波輻射能量都集中在（100～2 000）cm－1的波數(shù)范圍內(nèi)，故計(jì)算區(qū)間為（100～2 000）cm－1.

1.2 模型計(jì)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(zhì)在波數(shù)為υ，高度為s時(shí)的光譜吸收系數(shù)，m－1；ksυ為其光譜散射系數(shù)，m－1；Ibυ（s）為當(dāng)把介質(zhì)看做黑體時(shí)的光譜輻射強(qiáng)度，W·（m2·m）－1；Iυ（s）為介質(zhì)實(shí)際光譜輻射強(qiáng)度，W·（m2·m）－1，φυ為介質(zhì)的散射相函數(shù).

方程（2）中等號(hào)右側(cè)的最后兩項(xiàng)與散射有關(guān)，由于不考慮散射，因此，輻射傳遞方程可簡(jiǎn)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(tài)，an0表示用戶n退出信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的策略狀態(tài)，aBn/n為用戶n的相鄰用戶在n退出信道競(jìng)爭(zhēng)時(shí)的策略狀態(tài).然而博弈過(guò)程中，n只對(duì)集合In中的用戶產(chǎn)生干擾，則有：

采用數(shù)值計(jì)算中的有限差分代替微分，將（4）式轉(zhuǎn)化為

即

移項(xiàng)，得

對(duì)波數(shù)進(jìn)行積分，得第j＋1層的輻射強(qiáng)度

對(duì)漫輻射表面，輻射力是任意方向輻射強(qiáng)度的π倍，則第j＋1層的向上輻射通量為

通過(guò)上述分析可知，在輻射通量的計(jì)算中，關(guān)鍵是要確定每一氣層在給定波數(shù)處的吸收系數(shù)kaυ.為了對(duì)kaυ進(jìn)行精確計(jì)算，采用美國(guó)大氣與環(huán)境研究中心（Atmospheric and Environmental Research，AER）的LBLRTM逐線積分方案［21］.計(jì)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(qiáng)度和譜線的遠(yuǎn)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(xiàn)截?cái)?計(jì)算得到kaυ后，利用一維輻射傳輸模型，即可從地表起逐層計(jì)算出每一大氣層的向上長(zhǎng)波輻射通量.

1.3 模型驗(yàn)證

IPCC第四次報(bào)告中，對(duì)地球能量平衡所進(jìn)行的分析依據(jù)的是文獻(xiàn)［18］的研究結(jié)果.其利用窄帶計(jì)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?shù)钠骄蛏祥L(zhǎng)波通量為265 W·m－2.本文利用逐線積分方案，采用與文獻(xiàn)［18］相同的計(jì)算條件，所得到的結(jié)果為262.3 W·m－2，兩者的偏差僅為1%.但文獻(xiàn)［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(jì)入大氣氣體吸收譜線對(duì)輻射削弱的貢獻(xiàn)，因此本文所建立的輻射傳輸模型能夠更精確地對(duì)氣體的輻射通量進(jìn)行計(jì)算.

2 結(jié)果分析

利用第1節(jié)中所建立的數(shù)學(xué)模型，并分別采用工業(yè)革命前和目前大氣構(gòu)成情況下的溫度廓線，可對(duì)兩者的溫室效應(yīng)的能量分布變化進(jìn)行比較分析.圖3（a）、（b）分別為工業(yè)革命前，H2O、CO2、O3以及CH4與N2O單獨(dú)和共同作用時(shí)，溫室效應(yīng)G的光譜分布情況.從圖中可以看出，對(duì)G貢獻(xiàn)最大的氣體為H2O與CO2，其中H2O對(duì)于地球紅外輻射的吸收覆蓋了整個(gè)光譜范圍，而CO2主要在以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，并在該波段的（640～710）cm－1處出現(xiàn)了峰值.但就溫室效應(yīng)的整體分布而言，在（830～1 250）cm－1的譜帶范圍內(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，該波段范圍內(nèi)的大部分輻射可以直接穿過(guò)地球大氣而射向外太空，這就是通常所說(shuō)的“大氣之窗”.

圖4為目前大氣構(gòu)成情況下與工業(yè)革命前溫室效應(yīng)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(yīng)在整個(gè)光譜區(qū)間內(nèi)也均有所增強(qiáng)，其增量ΔG則是造成當(dāng)前全球變暖的原因所在.比較圖3與圖4，發(fā)現(xiàn)工業(yè)革命前的溫室效應(yīng)G與其目前所產(chǎn)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(yīng)增強(qiáng)最為顯著的波段也發(fā)生在CO2的（550～810）cm－1處，但在（640～710）cm－1這一很窄的波長(zhǎng)區(qū)間內(nèi)，ΔG卻非常微小.ΔG另外一個(gè)較大峰值出現(xiàn)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(nèi)，此外，在（830～1 250）cm－1的窗區(qū)內(nèi)，由于4種氯氟烴類氣體的吸收，ΔG也出現(xiàn)了較為明顯的波動(dòng).而在（100～550）cm－1與（1 370～2 000）cm－1這兩個(gè)H2O的主要吸收帶內(nèi)，由于自工業(yè)革命以來(lái)H2O濃度并沒(méi)有大幅增加，因而ΔG變化平穩(wěn)，并沒(méi)有較大的峰值出現(xiàn).

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(yīng)的能量分布主要取決于溫室氣體對(duì)地球輻射的選擇性吸收.因此，研究溫室效應(yīng)的能量分布變化，有必要對(duì)大氣的綜合光譜吸收性能進(jìn)行考察，而該光譜吸收性不僅取決于溫室氣體各自的強(qiáng)弱吸收帶，同時(shí)也取決于其濃度.圖5為各溫室氣體取當(dāng)前濃度時(shí)，在地面上的綜合光譜吸收率曲線.由圖5可見(jiàn)，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(lái)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(xué)“增厚”作用.總體來(lái)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(nèi)，除了在（1 830～2 000）cm－1這一非常窄的區(qū)間里吸收率較小，在其余波數(shù)處均為1，故屬于強(qiáng)吸收帶，而這些波段恰好對(duì)應(yīng)于圖3B中溫室效應(yīng)的主要能量分布區(qū)域；其在（370～640）cm－1與（710～1 370）cm－1波段內(nèi)的吸收率則相對(duì)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(shuō)明溫室效應(yīng)在地球環(huán)境的“溫暖”和目前所面臨的“變暖”上的光譜能量貢獻(xiàn)，將工業(yè)革命前地球的溫室效應(yīng)G，與當(dāng)前大氣濃度下地球額外增加的溫室效應(yīng)增量ΔG在上述幾個(gè)強(qiáng)弱吸收帶內(nèi)的數(shù)值GΔυ與ΔGΔυ列于表2.表2中同時(shí)給出了GΔυ與該波段內(nèi)地球紅外輻射能量EΔυ之間，以及ΔGΔυ與總溫室效應(yīng)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(nèi)，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(nèi)的吸收比例為最大，分別達(dá)到了41%、61%和77%，而（370～640）cm－1與（710～1 370）cm－1兩個(gè)弱吸收帶的吸收份額則分別只有26%和19%，這就說(shuō)明，地球溫暖環(huán)境的形成，主要來(lái)自于以H2O、CO2為主的強(qiáng)吸收帶對(duì)于地球長(zhǎng)波輻射的吸收.但是，對(duì)ΔG貢獻(xiàn)最大的卻是大氣的兩個(gè)弱吸收帶，尤其是包含窗區(qū)的（710～1 370）cm－1的波段范圍內(nèi)，其所產(chǎn)生的溫室效應(yīng)增量達(dá)到了總溫室效應(yīng)增量的55%.之所以造成這種現(xiàn)象，結(jié)合圖5可以知道，由于在強(qiáng)吸收帶中原有的H2O和CO2的大氣濃度已接近了對(duì)地球輻射的飽和吸收，攔截地球輻射的潛力已經(jīng)不大，而CH4、N2O等痕量氣體的主要吸收帶又都位于大氣窗區(qū)或者窗區(qū)邊緣，因此，溫室氣體濃度增加對(duì)地球能量的吸收只能主要來(lái)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(qiáng)化才是地球變暖的主要根源.

2.2 地表溫度變化對(duì)溫室效應(yīng)能量分布的影響分析

如果把地球輻射處理為黑體，根據(jù)普朗克定律，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)發(fā)生向短波方向的移動(dòng).而地表溫度在空間分布上極不均勻，在不同的時(shí)間尺度上，其隨晝夜交替、季節(jié)變換也會(huì)產(chǎn)生不同的變化特點(diǎn)，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(yīng)分布也會(huì)發(fā)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(dāng)前全球平均值289 K，計(jì)算了兩種情況下的（100～2 000）cm－1內(nèi)，每10 cm－1區(qū)間里的溫室效應(yīng)相對(duì)于總溫室效應(yīng)的比值G10／G，將兩者的相對(duì)變化量ΔG10／G以及兩地表溫度下溫室效應(yīng)的絕對(duì)變化量ΔG10的光譜分布表示于圖6.

由圖可見(jiàn)，溫度的升高一方面造成了在全波段范圍內(nèi)的地球輻射能量的整體提高，使得溫室效應(yīng)的絕對(duì)數(shù)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(shù)方向遷移，溫室效應(yīng)在不同波段處的百分比例卻呈現(xiàn)出正負(fù)不同的變化情況.大約在小于當(dāng)前地球平均溫度289 K所對(duì)應(yīng)的紅外輻射峰值波數(shù)570 cm－1的波段范圍內(nèi)，ΔG10／G為負(fù)值，此后隨著波數(shù)的逐漸增加，ΔG10／G則變?yōu)檎?，說(shuō)明溫度升高后，在較大波數(shù)范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)對(duì)總溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)增加了.造成這種現(xiàn)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(nèi)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(shù)右側(cè)的吸收帶所吸收的能量相對(duì)增多，ΔG10／G為正值；相應(yīng)的，在原始峰值波數(shù)左側(cè)的吸收則會(huì)相對(duì)減弱，因而該范圍內(nèi)的溫室效應(yīng)對(duì)總溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)也隨之減小，ΔG10／G小于零.

通過(guò)對(duì)圖6的分析說(shuō)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(duì)應(yīng)的輻射峰值波數(shù)為界線，溫度升高后，峰值波數(shù)右側(cè)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)將會(huì)增加，在其左側(cè)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)則會(huì)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(dāng)前全球平均氣候（AVE，289 K）6種氣候模式及其相應(yīng)的大氣溫度廓線時(shí)［11］，在（100～570）cm－1與（570～2 000）cm－1兩個(gè)波段的溫室效應(yīng)占總溫室效應(yīng)的比值.計(jì)算中，除H2O與O3廓線分別取自各相應(yīng)的氣候模式，其余各溫室氣體濃度均取表2中的當(dāng)前固定濃度.

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)?shù)乇頊囟扔善骄鶞囟?89 K逐步上升到熱帶地區(qū)的299.7 K，（100～570）cm－1內(nèi)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)則由41%減小到37%，相應(yīng)地，（570～2 000）cm－1的貢獻(xiàn)份額從59%增加到了63%，而當(dāng)?shù)乇頊囟葟?89 K下降到亞極地冬季的257.2 K時(shí)，變化情況剛好相反，（100～570）cm－1內(nèi)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)增加了6%，而（570～2 000）cm－1的貢獻(xiàn)份額減小了6%.總體來(lái)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(qū)在（100～570）cm－1內(nèi)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)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(shù)溫室氣體的主要吸收帶大都位于在波數(shù)大于570 cm－1的波段內(nèi)，因此，如果這些氣體的大氣濃度發(fā)生變化，其在熱帶地區(qū)或高溫季節(jié)對(duì)溫室效應(yīng)的影響權(quán)重將會(huì)加大.而從表2可以看出，H2O雖然在（1 370～2 000）cm－1內(nèi)對(duì)地球輻射也存在強(qiáng)烈吸收，但該波段的地球輻射能量?jī)H占其總能量的7%左右，所以水汽對(duì)溫室效應(yīng)起主要貢獻(xiàn)的吸收帶位于在波數(shù)小于570 cm－1的波段內(nèi)，從這一角度而言，在寒冷的冬季和極地、亞極地地區(qū)，雖然水汽含量稀少，但其含量變化對(duì)溫室效應(yīng)的影響卻將明顯大于相對(duì)濕度很大的夏季和熱帶地區(qū).

3 結(jié)論

通過(guò)利用一維輻射傳遞方程及LBLRTM逐線積分模式建立計(jì)算模型，首先對(duì)工業(yè)革命前與目前大氣構(gòu)成情況下溫室效應(yīng)的能量分布及其光譜吸收機(jī)理進(jìn)行了分析.結(jié)果表明，從成因上來(lái)看，地球環(huán)境的“溫暖”和目前所面臨的“變暖”有著本質(zhì)的不同.工業(yè)革命前的溫暖環(huán)境主要來(lái)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(gè)強(qiáng)吸收帶對(duì)于地球長(zhǎng)波輻射的吸收，三個(gè)波段內(nèi)，地球輻射被吸收的比例分別達(dá)到了41%、61%和77%，而地球當(dāng)前的“變暖”主要源于大氣的（370～640）cm－1和（710～1 370）cm－1兩個(gè)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(yīng)已經(jīng)增加了5.9 W·m－2，其中在（710～1 370）cm－1波段內(nèi)的吸收貢獻(xiàn)最大為55%，（370～640）cm－1次之，但貢獻(xiàn)比例也達(dá)到了25%.

其次，通過(guò)改變地表溫度，研究了溫度變化對(duì)溫室效應(yīng)能量分布的影響.結(jié)果表明，溫度升高，會(huì)造成全波段范圍內(nèi)的地球輻射能量的整體提高，使得溫室效應(yīng)增強(qiáng)，但另一方面，由于地球紅外光譜能量向著波數(shù)較大的方向遷移，不同譜帶處的溫室效應(yīng)對(duì)總溫室效應(yīng)的貢獻(xiàn)卻呈現(xiàn)出正負(fù)不同的變化情況.以地球平均溫度289 K所對(duì)應(yīng)的輻射峰值波數(shù)為界線，溫度升高后，峰值波數(shù)右側(cè)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)將會(huì)增加，在其左側(cè)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)則會(huì)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(qū)在（100～570）cm－1內(nèi)的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)比亞極地冬季低了10%，而在（570～2 000）cm－1的波段內(nèi)高出10%.因此CO2、CH4等主要吸收帶位于在波數(shù)大于570 cm－1范圍內(nèi)的氣體，在熱帶地區(qū)對(duì)溫室效應(yīng)的影響權(quán)重將有所加大，而在寒冷的冬季和極地、亞極地地區(qū)，由H2O所引起的溫室效應(yīng)貢獻(xiàn)則會(huì)明顯大于相對(duì)濕度很大的夏季和熱帶地區(qū).

［1］Solomon S，Qin D，Manning M，et al.Climate change 2007：The physical science basis［C］∥Intergovernmental Panel on Climate Change，2007：131－235.

［2］Liu Y Z，Xiao W A，Shi G Y.On the saturation of greenhouse effect due to atmospheric carbon dioxide［J］.Advance in Earth Science，2002，17（5）：653－658.

［3］Schwartz S E.Uncertainty in climate sensitivity：Causes，consequences，challenges［J］.Energy＆Environmental Science，2008，1（4）：430－453.

［4］Lin B，Min Q，Sun W Y，et al.Can climate sensitivity be estimated from short-term relationships of top-of-atmosphere net radiation and surface temperature？［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2011，112（2）：177－181.

［5］Hansen J，Sato M，Kharecha P，et al.Target atmospheric CO2：Where should humanity aim？［J］.The Open Atmosphere Science Journal，2008，2（1）：217－231.

［6］Solomon S，Rosenlof K H，Portmann R W.Contributions of stratospheric water vapor to decadal changes in the rate of global warming［J］.Science，2010，327：1219－1223.

［7］Dessler A E，Zhang Z，Yang P.Water-vapor climate feedback inferred from climate fluctuations，2003－2008［J］. Geophysical Research Letters，2008，35（10）：L20704.

［8］Zhang H，Wu J X，Shen Z P.Radiative forcing ang global warming potential of PFCs and SF6［J］.Science in China Series D：Earth Sciences，2011，41（2）：225－233.

［9］Iván B，George M，David R N，et al.Radiative efficiencies and global warming potentials using theoretically determined absorption cross-sections for several hydrofluoroethers（HFEs）and hydrofluoropolyethers（HFPEs）［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2011，112（12）：1967－1977.

［10］Forster P M，Burkholder J B，Clerbaux C，et al.Resolution of the uncertainties in the radiative forcing of HFC－134a［J］. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2005，93（4）：447－460.

［11］McClatchey R A，F(xiàn)enn R W，Selby J E A，et al.Optical properties of atmosphere［M］.3rd ed.Washington：United States Air Force Press，1973.

［12］Free M，Seidel D J，Angell J K，et al.Radiosonde atmospheric temperature products for assessing climate（RATPAC）：A new dataset of large-area anomaly time series［J］.Journal of Geophysical Research，2005，110：D22101.

［13］Ramaswamy V，Schwarzkopf M D，Randel W J，et al.Anthropogenic and natural influences in the evolution of lower stratospheric cooling［J］.Science，2006，311：1138－1141.

［14］David W J，Dian J S，William J R，et al.The mystery of recent stratospheric temperature trends［J］.Nature，2012，49：1592 －697.

［15］McCarthy M P，Thorne P W，Titchner H A.An analysis of tropospheric humidity trends from radiosondes［J］.Journal of Climate，2009，22（22）：5820－583.

［16］Shi G Y.Atmosphere radiology［M］.Beijing：Beijing Science Press，2007.

［17］Sheng P X，Mao J T，Li J G.Atmosphere physics［M］.Beijing：Beijing University Press，2003.

［18］Kiehl J T，Trenberth K E.Earth's annual global mean energy budget［J］.Bulletin of American Meteorological Society，1997，78（2）：197－208.

［19］Tan H P，Xia X L，Liu L H，et al.Infrared radiative properties and numerical computation of radiative transfer［M］.Harbin：Harbin Institute Technology Press，2006.

［20］Liu L，Zhao J.Diffusion approximation of steady radiative transport in graded index media［J］.Chinese Journal of Computational Physics，2013，30（1）：120－126.

［21］Clough S A，Shephard M W，Mlawer E J，et al.Atmospheric radiative transfer modeling：A summary of the AER codes，Short Communication［J］.Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer，2005，91（2）：233－244.

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(guó)家自然科學(xué)基金（51076107）資助項(xiàng)目

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