全球大气变化

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1、 全球大气变化1例例 8.2 加倍 CO2引起的气温变化CO2大气浓度加倍会引起 4.35W/m2的辐射强度，假如地球的反照率不变，设大气敏感 系数为 ，同时用 估计用于平衡输入和输出辐射的地球表面温度的实际变化。 解：根据（8.20）我们那可以得出以下公式，83. 1srad TQ假定反照率不变0 TsQabs得出 211 /55. 0)83. 1 ()(mWTQ TsQsabsrad我们已经知 CO2加倍能引起 4.35W/m2的辐射，因此用（8.17）我们估计地球表面温度变化，4 . 2/35. 4)/(/55. 022mWmWFTs气候敏感参数很难得出，估计的不确定性的一种方法时 IP

2、CC（1966）所估计的 的与 CO2的加倍有关的地表温度 1.5 到 4.5 之间，最佳估计为 2.5。如果在前面给出的例子中，CO2的辐射强度时准确的，气温变化范围如 ICPP 所预测的那样值大约在 0.34 到 1.03 之间，最佳估计是 0.57（非常接近例 8.2 中所得出的值） 。 的值不确定性很大超过范围，在很大程度上很难模拟反馈参数，这仍旧是很难理解的。 例如，我们都很清楚二氧化碳浓度增加会增大辐射强度，同时会引起地表温度的上升。随 着温度的上升，会加大蒸发量，因此会增加大气中水蒸汽的含量。由于水蒸气是很重要的 温室气体，水蒸气含量的增加会引起最初温度的增加，会使温度更高（正反

3、馈） 。另方面， 更多的水蒸气会产生更多的云雾，会引起反照率的上升。增加反照率会减少到达地球的太 阳辐射，会抵消初始温度（负反馈） 。在气候模拟中，这种水蒸气（云）的反馈过程使非常 重要的， 然而却是最难理解的。例 8.3 反照率的变化 假设冰川的溶解引起地球反照率在 0.31 到 0.30 之间变化。现在计算辐射强度。假如气候敏 感参数在 0.34 在 1.03。CW1m2,计算地表温度变化。 解解：辐射强度是由能量吸收引起的，从（8.12）我们可以得到222/42. 3)30. 01 (/342)31. 01 (/42. 314mWmWmWSQabs 辐射强度会引起地表温度在以下两个式子之

4、间变化和CmWmWCFTs16. 1/42. 3/34. 02 2全球大气变化2CmWmWCFTs52. 3/42. 3/03. 12 2平衡温度和实际温度地表温度 Ts和S是平衡温度，也就是由于温室气体实际达到的温度。当然了地表温T度不会随着辐射强度同时调整。需要相当多的时间加热海洋上层和陆地表面，这就意味着 地表实际温度在某种程度上会比平衡温度延迟一段时间。 图 8.15 表明，平衡温度（Teq）和实际温度（Ts）与辐射强度有关，辐射强度随着时间线 性增加。在 t1地表已经被加热到 T t，但是在辐射强度上没有进一步的增加。假定辐射强度 线性增加，在温度达到实际温度之前会有（t2-t1）年

5、的时间延迟。大气海洋普通循环模 式表明实际温度大约是平衡温度的 60%85%。图 8.15 表明由于温室气体强度线性增加在平衡温度和实际温度之间的差异。 在时间 t1,地表温度增加（TeqTt）需要（t2-t1）年。工业化前以来的辐射强度工业化前以来的辐射强度 气候变化的辐射强度概念可以应用到大气温室气体的积累，天然气溶胶到人工气溶胶的 变化，同温层臭氧的损耗，光化学反应在对流层中产生的臭氧富集和达到地球外部大气层 的太阳强度的自然可变性。正强度和负强度都是有可能的。正强度能促进地球变暖，而负 强度会使地球变冷。 气体和大气中的颗粒状物质能产生直接的或间接的辐射强度效果。直接强度是由大气层 中

6、释放出来的一些物质引起的。非直接强度是由影响大气辐射参数的那些物质引起的。例全球大气变化3如，当气溶胶吸收或反射太阳光的时候，会对强度有直接影响。当气溶胶在云的反照率中 引起变化时，会引起非直接影响。卤代烃还提供另外的直接和间接影响的例子。当这些气 体从地球吸收长波辐射时，卤代烃的直接影响是辐射强度的增加。然而，也会通过破坏同 温层中的臭氧层产生间接影响。从表 8.11 臭氧存在于大气窗的中间部位，因此臭氧层的破 坏会打开这个窗户，使地球冷的更快。因此卤代烃的直接影响使大气变暖，而间接影响是 破坏臭氧层促使地球变冷。 表 8.3 提供了由温室气体、气溶胶和太阳辐射的直接和间接影响引起的辐射强度

7、总结。 在以后的章节将会更加详细的描述这些组分。表 8.3 从 1850 年至今由于温室气体、气溶胶和太阳辐射全球辐射强度辐射强度 可信度 注释和不确定性估计)/(2mWF直接温室气体 二氧化碳 1.56 高 CO2从 278 到 356ppm 甲烷 0.47 高 CH4从 700 到 1714ppb 卤代烃 0.28 高 大部分 CFC-11,-12,-113 一氧化二氮 0.14 高 NO2从 275 到 311ppb全部气体 2.45 高 2.1 到 2.82/mW间接温室气体 同温层臭氧 0.1 低 0.05 到0.22/mW对流层臭氧 0.4 低 0.2 到 0.62/mW直接气溶胶

8、硫酸盐 0.4 低 0.2 到0.82/mW燃料灰尘 0.1 非常低 0.03 到 0.32/mW生物燃料 0.2 非常低 0.07 到0.6 全部直接 0.5 非常低 0.2 到1.0 非间接气溶胶 0 到1.5 非常低 受云的形式影响太阳能（自从 1850） 0.3 非常低 0.1 到 0.52/mW温室气体引起的直接强度温室气体引起的直接强度 在表 8.3 中已经列出了主要的温室气体是二氧化碳，甲烷，一氧化二氮和一系列的卤代 烃。所有的这些气体都得到了很好的混合，辐射强度能被很好的理解。 图 8.16 表明从 1860 年至今根据辐射强度变化，主要温室气体相关重要性，前工业化时 期总强度

9、 2.45W/m2中，二氧化碳占 64%，甲烷占 19%,卤代烃占 11%，一氧化二氮占 6%，因为卤代烃间接冷却影响对臭氧的破坏没有包括在内，在这个图表中尤其强调卤代烃 的作用。 二氧化碳（二氧化碳（CO2）全球大气变化4一个世纪以来，由于二氧化碳的重要性，一直被认为是重要的温室气体。Arrhenius(1896)通 常根据第一次全球温度的计算作为二氧化碳在大气中的浓度，他的计算结果与今天的结果 非常接近，二氧化碳在温室效应这个论题中引起的极大的注意，因为它占据了目前辐射强 度的 2/3。 1957 年在南极，1958 年在莫纳罗亚山，夏威夷，人们对二氧化碳第一次进行连续性，假 定，直接测量

10、的计算。那时二氧化碳的浓度大约为 315ppm，每年以低于 1ppm 的速度浓度 在增加，到 1994 年浓度大约为 358ppm，以每年 1.6ppm 速度增加。 （表 8.17） 。人为二氧 化碳的释放主要集中在北半球，但是北半球和南半球大气混合非常彻底，莫纳罗亚山地区 的二氧化碳浓度仅比北极地区高出 12 个 ppm。 表 8.17 中的摆动表明，莫纳罗亚山的数据以光合作用速度是由季节变化，在光合作用的 过程中，碳被转化为植物生长所需物质（以下的反应中用碳水化合物，葡萄糖表示） ，在春 季和冬季，当植物长的特别快时，二氧化碳的含量很低，十月份在北半球达到最低点。图 8.16 从前工业化时

11、期至今由于温室气体的变化引起直接辐射强度，在表 8.3 中列出总直 接辐射 2.45 W/m2，,当间接影响被包括在内时，直接影响低于 11%。图 8.17 从 1958 年以来莫纳罗亚山、夏威夷二氧化碳浓度趋势和季节循环（来源：IPCC）全球大气变化56CO2+6H2OC6H12O6+6O2 (8.21)逆转前面描述的呼吸反应过程就会得到生物用于得到能量的反应式。在呼吸过程中， 复杂的有机分子断裂，把二氧化碳释放到大气中。在秋季和冬季，当呼吸速度大于光合作 用速度时，二氧化碳进入到大气中，导致五月份，北半球二氧化碳的含量最高。 C6H12O6+6O26CO2+6H2O能量 （8.22） 通过

12、光合作用，碳全部从大气转移到食物链中，通过呼吸作用又返回到大气中。在过 去 1000 年中，从南极冰核中得到的大气二氧化碳浓度与最近在莫纳罗亚山的测量结果结合。 图 8.18 二氧化碳浓度一直保持在 280ppm 左右，这个值主要用于目前读物与将来工程对比 的参照值。二氧化碳浓度比工业革命时期高出 30%。图 8.18 过去 1000 多年南极洲和 Mauna Loa 的二氧化碳浓度。 光滑的曲线表示 100 年的平均值。 二氧化碳是最主要的温室气体，但其性质的探讨放在最后一章，首先介绍影响气候其 它气体和气溶胶。 甲烷（甲烷（CH4） 大气中甲烷的富集，辐射强度为 0.47 W/m2，占直接

13、温室气体的 19%，吸附波 7.7，在大气窗的边缘，如表 8.19 所示。在 19 世纪甲烷的浓度迅速上升之前，几年来m甲烷的浓度大约为 700ppb,1992 年浓度达到了 1714ppb，与工业化前相比，增加了 250%。 甲烷是由于人类活动而导致浓度增加的天然气体，在厌氧条件下，由细菌发酵产生，例 如沼泽地、湿地、填料、土地废料，同时生产、运输、燃料的消耗也会产生甲烷。甲烷的 天然来源包括湿地、白蚁、海洋，每平方米会产生 16，000 万吨，人为的产生甲烷的量大 约由 37，500 万（IPCC,1955） 。认为原因产生的甲烷大概有一半是由于食物生产产生的 （表 8.20） 。家畜包括

14、牛、羊、水牛等每年会释放出大约 8，000 万吨的甲烷；食物填料会 释放 6，000 万吨的甲烷；清理绿地用于放牧和种植庄稼要释放甲烷 4，000 万吨。人为原 因产生甲烷的 1/4，大约每年 10，000 万吨，都是与燃料的使用有关。为了满足人口增长的 需要，不断增加食物和能量生产，甲烷将是总辐射强度很重要的一部分。甲烷在大气中与氢氧根反应主要根据以下反应进行： CH4+OH+9O2CO2+0.5H2+2H2O+5O2 (8.20)全球大气变化6图 8.19 南极冰核中的甲烷与最近的直接测量相结合（光滑曲线） 。 图中也显示了辐射强度。 （来源：IPCC,1995）图 8.20 甲烷的人为来源。估计每年由于人为原因产生的甲烷量为 37，500 万吨； 甲烷的天然来源能产生 16，000 万吨（根据 IPCC,1995）甲烷是也是温室气体，对辐射强度有直接的影响。然而会有相当数量的间接影响提供其 他的辐射强