甲烷与二氧化碳温室效应的比较分析.doc

中国工程热物理学会 传热传质学 学术会议论文 编号：μm带两翼区及CH4的7.7μm带中心附近均不可能达到饱和。随着地表温度升高，CH4与CO2的辐射强迫也会逐渐增强。除亚极地冬季外，CO2在热带、中纬度夏季、亚极地夏季及中纬度冬季气候模式下的温室效应对地表温度的敏感性均略微高于CH4。 关键词：甲烷，二氧化碳，温室效应，辐射强迫 0 引言 自20世纪末以来，温室效应及全球变暖已成为影响气侯变化、人类生存环境和经济共同发展与安全的重大问题。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）2007年第4次报告指出，在过去100 年里 （1906～2005），近地球表面空气和海洋温度升高了0.74 ± 0.18℃，其中过去50年的全球平均气温在过去的500年和1300年以来可能是最高的，而20世纪的北半球则可能是过去1000年中最热的世纪[1]。 自工业革命以(来，由于人类生产和社会活动的急剧发展，不断向大气排放CO2、CH4、N2O以及氟氯烃等大量温室气体，致使温室效应增强是造成近年来地球变暖的主要原因。CO2作为人类生产社会活动所排放的首要温室气体，其对温室效应的影响已引起了国内外科学界的广泛关注，但是CH4等其余微量温室气体的影响同样不容忽视。CH4的大气浓度在微量温室气体中排在首位，而且其中心位于7.7μm的吸收带，恰好处在大气窗区的边缘，会使窗区的不透明度增加，因而具有强烈的温室效应，单位质量的全球增温是的倍μm的红外区有吸收，故只考虑两种气体浓度变化所引起的长波通量的变化量，忽略其对太阳光的吸收，定义辐射强迫为： （1） 式1中为计算气体取工业革命时期浓度时，对流层顶部的向上长波通量，W·m-2；为计算气体浓度变化后的对流层顶部向上长波通量, W·m-2。辐射强迫越大，说明气体浓度变化后所拦截的红外辐射量越多，温室效应越严重。 计算中，所用到的初始条件与假设为： （1）如无特殊说明，大气温度与压力廓线，以及其余温室气体含量，即H2O、N2O与O3取代表全球平均状况的美国标准大气，对流层顶取在大气温度随高度增加由升高转为不变的第一次转折点12处，地球辐射假设为288K的黑体； （2）计算波长区间为3-1000μm，所有计算均在晴天无云情况下进行，忽略散射的影响； （3）辐射方案采用美国大气与环境研究中心（AER）的RRTM-LW长波辐射传输模型，该模型以大气分子光谱资料HITRAN2004为基础，通过相关分布模式，将计算波长区间划分了16个连续的谱带，每个谱带的分布由逐线模型直接获得，对于水蒸汽的连续吸收采用MT-CKD模式。由该快速长波辐射传输模型计算得到的各大气层向上长波通量与逐线模型相比，误差在0.3 W·m-2以内，冷却率误差小于0.3K·d-1[3]。 2 甲烷与二氧化碳辐射强迫比较 CO2自工业革命以来，其大气浓度呈持续增长趋势，2000-2010年的平均年增长率约为2.1 ppmv ·yr-1[2]。而CH4在1998-2006年间，增长出现停滞，浓度基本维持在1745 ppbv的水平上，直到2007年才又开始以约10 ppbv ·yr-1的速度出现显著增长[2,4]。因此，取CH4与CO2的当前浓度为初始值，CO2取其实际的年增长率2.1 ppmv ·yr-1，CH4取1、5、10和15 ppbv ·yr-1的四种不同的年增长率，两种气体在未来100年内的辐射强迫随时间的变化关系见图1。 从图1可以看出，目前，CH4所产生的辐射强迫大约已经占到CO2的30%。但是，由于CO2辐射强迫的增长速率明显大于CH4，并根据CH4不同的年增长率，到了2111年，这一数值会发生明显的变化，具体见表1。图1及表1说明如果依照CH4现在10 ppbv ·yr-1的年增长率，到了2111年，除去CO2所引起的温室效应，CH4会额外再贡献相当于CO2温室效应22%的辐射强迫；但是如果把浓度增长控制在1 ppbv ·yr-1， CH4的辐射强迫随时间推移则几乎没有增加， 100年后其值也仅为CO2的13%。反之，如果CH4浓度在现有基础上继续增加，达到15 ppbv ·yr-1，100年后的辐射强将达到1.04 W·m-2，是目前浓度增长情况下的预测值0.84 W·m-2的1.24倍。CH4在大气中会与OH-自由基发生化学反应，从而具有较短的大气寿命，大约为9~15年[5]，如果能够维持其产生与消除的近似平