1、浙江大学硕士学位论文全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预测姓名：李华斌申请学位级别：硕士专业：生态学指导教师：严力蛟20070501浙江大学硬士学位论文 全球变疆定量分折及未来全球平均气温变化预铡摘要本文通过研究全球变暖与辐射强迫之问的定量关系，建立了一个简单的线性关系模型，并以此对未来近50年的全球平均气温变化进行了预测。在前言部分，本文对自工业革命以来全球的气候变化概况做了一个简要的论述，认为在过去的40年里，全球地表一对流层系统已经明显升温。第一章对国内外关于全球变暖的文献进行了详细的综述。首先详细介绍了辐射强迫的概念，归纳了关于辐射强迫的一些基本原理；然后对热辐射以及地球能量收支模
2、型进行了一个简要的概述。在对可能引起全球气候变化的各个自然的和人为的主要因素，包括太阳辐射、温室气体、土地利用类型、冰层融化和冻土解冻、气溶胶和包括火山爆发等在内的其他自然因素的研究进行全面的综述后，认为温室气体、冰层融化和冻土解冻等将产生正的辐射强迫效应；土地利用类型的改变、气溶胶等将产生负的辐射强迫效应；太阳辐射呈I 1年的周期性变化，各个周期内和周期问变化都不大；其他自然因素或者因为产生的强迫太小，或者因为难以预测而不做详细的分析。最后概述了全球气候变化可能带来的后果。第二章主要介绍了本次研究的内容和方法。本文主要考虑了太阳辐射、温室气体、地球反射率变化、燃料燃烧、气溶胶、以及地球自身的
3、长波辐射等因素，通过查阅相关的权威官方数据，通过不同的方法统一换算成相对于1880年的辐射强迫，进一步计算全球年均净辐射强迫。通过分析全球年净辐射强迫变化与全球平均气温的变化的关系，拟舍两者之问的关系式，建立定量关系模型；并通过改模型来预测至2050年全球气温可能升高的幅度。第三章对1880-2000年间全球平均气温和引起全球气候变化的各个因素的数据进行分析，绘制各因素的变化曲线图；在把各因素折算成辐射强迫后绘制年均辐射强迫变化曲线图；综合这些因素的年均辐射强迫变化得到全球年均净辐射强迫变化。通过分析18851955年全球平均气温变化和全球年均净辐射强迫变化的关系，拟合得一个简单的线性关系模型
4、。该模型表明，单位年均净辐射强迫将引起约072的全球增温。第四章通过利用第三章获得的线性模型模拟1956-2000年的全球平均气温变化，并与实际观测值进行比较，对模型进行校正和优化。优化后的模型表明，单位年均净辐射强迫将引起约06TC的全球增温。浙江大学硬士学位论文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预嗣第五章主要利用优化后的模型对未来的气候进行预测。根据各个影响全球气候变化的因素的变化趋势预测，模拟未来全球气温的变化趋势模拟结果显示，到2050年，全球平均气温很可能将比当前平均气温升高O6“C第六章主要针对模型的建立原理对其优缺点进行了讨论；并认为翔果考虑正反馈效应，在未来近50年时间内
5、，全球变暖的趋势可能会比预测更高一些。关键词：全球变暖；全球平均气温；辐射强迫；模型：预测浙江大学硕士学位论文 全球变瑷定量分折及未来全球平均气温变化预测AbstractIn this master thesis a brief linear model Was established through examining thequantitative relationship between global warming and radiative forcing changeInaddition,the global annual mean tempamture in the near 5
6、0 years was predicted usingtlIis modelIn the preface,the global climate change afler the industrial revolution wassummarized，which indicated that golbal surface-troposphere system Was warmingremarkably dudng the past 40 yearsIn Chapter l，a detailed thorough review on global warming Was presentedFirs
7、t,the definition ofradiative forcing was introduced，and its principles were summarizedSecond，the global energy budget model Was briefly describedThe comprehensivereview for factors(natural and human-generated)that might introduce global climatechange,including solar irradianee,well-mixed greenhouse
8、gases1and峨change,icemelting and permafrost thaw,aerosol and other natural factors like volcanic eruptions,etc,leaded to the conclusion that I)wellmixed greenhouse gases,ice melting andpermafiost thaw would give positive radiative foreings；2)land use change andaerosol would give negative radiative fo
9、reings；3)solar irradiance carried a1 1-year-periodicity change with little varify both in and between periodses；and 4)very little or uncertain radiative forcings in other natural factors and no detail Wasmake outAt the end of this chapter,the consequences that may happen after globalclimate change w
10、ere summarizedIn chapter 2，research methods were describedIn this research，factors that maycause global climate change were mainly taken in to consideration，such as solarirradiance,well-mixed greenhouse gases,planet albedo(or surface reflectionproperties ofthe earth)，fuel consumption,aerosol and the
11、 earths long wave radiation,etcFirst the canonical official data werc investigatedand then converted to1 880一relatived radiative foreings by different formulaeAfter all the forcings beingsummed up annually,net radiative forcings wero obtainedA linear model Wasestablished by examining the quantitativ
12、e relationship between global mcarlHI浙江大学硬士学位论文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预测temperature and net radiative forcingIn chapter 3，the global meadl tempeture change and the data of various factorsthat were mentioned in chapter 2 were analyzed，and graphs for each factor wereplotedThen graphs for radiative forcin
13、gs were ploted accordinglyThrough summingall the radiative forcings up,net annual radiative forcings were obtained and graphsfor them were plotedBy examining the changes of global temperature and netradiative forcing between 1885 and 1955，a simplified linear model were establishedBased on OUr model1
14、Wm。2 net radiative forcing would lead to O72“C increase ofthe global temperatureIn chapter 4，we modified the model bY comparing the recorded global meantemperature of 1956-2000 with the data predicted by our modelThe modified modelindicated that 1 wm-2 net radiative forcing would account for O67“(2
15、global warmingIn chapter 5，future global mean temperature change was predicted by using themodified modelThe mean value offuture global temperature was simulated with thepredicted changes of factorsThe result indicated that in the future 50 years，the earthwould warnl up bY 06“CIn chapter 6，the ratio
16、nale of the model is discussed，and the pros and cons wereproposedGenerally,if positive feedback is considered into this model，the globaltemperature would increase to a much more extreme extent in the future 50 yearsKey Words：Global warming；Global mean temperature；Radiative forcing；Model；Prediction独创
17、性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝姿盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：咨绎彩心 签字日期：2007年6fl 11日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解澎些盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盘姿筮翌可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检
18、索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名；夸嘻ji式 导师签名：签字日期：2007年6月11日 签字日期：2007年6月11日学位论文作者毕业后去向：工作单位：华东勘测设计研究院通讯地址：浙江省杭州市潮王路22号电话：057156738888邮编：310014浙江大学磺士学位论文 全球变暖定量分析及来来全球平均气温变化预测0前言2007年2月2日，联合国“政府间气候变化专门委员会”(IntergovemmentalPanel 011 Climate Change，IPCC)发表了第4份全球气候变化评估报告的梗概，这份报告综
19、合了全世界科学家6年来的科学研究成果。报告称气候变暖已经是“毫无争议”的事实。报告指出，从现在开始到2100年，全球平均气温“最可能的升高幅度”是184“C，海平面也会因此升高1859cm。过去50年全球平均气温上升有超过90的可能与人类使用化石燃料产生的温室气体增加有关，这是IPCC首次使用这样严重的措辞形容人类活动与气候变暖之问的关联。2007年4月6日，经过5天的激烈争论，IPCC第二工作组评估报告的决策者摘要终于在比利时的布鲁塞尔面世了。一时间。全球变暖、水资源短缺、洪水、干旱、饥荒、瘟疫暴发、物种灭绝等再次成为流行语全球变暖是指全球气温升高。近一百多年来，全球平均气温经历了“冷一暖一
20、冷一暖”两次波动，总体为上升趋势。美国弗吉尼亚大学科学家研究认为，20世纪90年代是近2000年来最热的lO年，难以用气温的自然波动来解释。研究表明，全球变暖的主要原因是人类在近一个世纪以来大量使用矿物燃料，排放大量的温室气体。全球变暖的后果，会使全球降水量重新分配，冰川和冻土消融，海平面上升等，既危害自然生态系统的平衡，更威胁人类的食物供应和居住环境。“温室效应”现象早在1827年就被法国科学家所认识，但“全球气候改变”这个议题是在上世纪初才密集出现。令人遗憾的是，科学家们对“全球气候改变”指的是全球变暖还是变冷抑或暴冷暴热，却莫衷一是。的确，系统的、连续性的大气层尤其是大气对流层温度的数据
21、记载，是在上世纪60年代气象气球探测及微波遥感技术后才出现，距今也不过50年的时间。在这么短的时间跨度内让科学家们准确一致地计算出地球是在“发冷或是发热”，是件让科学家们为难的事，更何况科学的精神历来就崇尚怀疑主义。怀疑主义催生各种学派。上世纪70年代，全球“变冷说”成为主流，并统治了气象科学话语权20年。科学家对北极的格陵兰冰核氧同位素谱分析后发现，地球气候有lO万年周期变化，其中9万年冷期，l万年为暖期，而目前正处于暖期末期。日本气候学家朝仓正预言地球正要进入“第四小冰期”，美国环境科学家布莱森更是大胆放言地球正缓慢地进入另一个大冰河期。浙江大学磺士学位论文 全球变暖定量分折及来来全球平均
22、气温变化预测与“变冷说”相呼应的是“地球变略说”，两种说法的结论都一致，所不同的是，“变冷说”不承认人类的活动是气候变化的原因，而“地球变暗说”则认为地球变冷是因为人类制造了太多的空气污染致使地表缺乏足够日照而变冷。“全球变暖说”只是在最近lO年才逐渐成为主流学说。不过，“全球变暖说”一开始就分裂为两派，一派主张全球变暖乃人类活动所致。另一派则认为全球变暖与人类活动没有关联。两派的观点尖锐地矛盾着，互不相让，从目前来看，两派的争执已经超越了学术争论的范畴，两渗透到政治领域。不过，扶总体上来看，主张人类活动导致全球变暖的这一派显然已经占尽上风。早在1908年，瑞典科学家斯凡特阿兰纽斯就发现大气中
23、c02浓度与地球表面平均温度之阔存在正比关系，纬度越高。比例系数也越大。30年之后，英国科学家卡兰达提出严厉警告，人类排放的微量气体足以改变全球气候。可惜他们的主张都没有引起人们的重视。严格意义上说，他们应算是“全球变暖说”人类活动致气候改变这一派的奠基人。而最顽固地反对人类活动导致全球变暖这一学说的科学家是美国麻省理工学院的著名教授理查德利德兹。另外，一个60名气候科学家组成的群体最近也集体表达了全球变暖的主因不是人类活动的观点，并向加拿大政府写信，要求加拿大重新考虑对京都议定书的立场。京都议定书是联合国主导的旨在减少温室气体排放的国际性协议。不过，由2500名全球顶级气象学家参与的IPCC
24、第四份评估报告中的第一工作组报告，详细列举了各种数据，科学地论证了全球变暖实为人类活动引起的观点，并把这一相关性的级别抬高到90的水平，与前三份中600,6可能性的水平相比，几乎是最为明确的结论。IPCC委员会指出，在过去的100年(19062005年)中，全球平均地表气温升高O74“(2；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，20世纪的北半球可能是过去1000年中最热的世纪，而90年代又是最温暖的10年，其中1998年和2005年是有记录以来最暖的。另据世界气象组织(WMO)的报告，刚刚过去的2006年全球平均气温较19611990年均值高042“C，为有记录
25、以来的第六暖年。IPCC委员会认为，全球气温在这一时期的异常和快速升高与人类进入温室气体捧放密集期正好相吻合，人类活动就是全球变暖的主因。2新江大学颈士学位论文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化琢嗣1文献综述11全球气候变暖概况根据气候变化2001：科学基础(Climate Chcmge 2001 The Scientific Basis)报告称，自1861年以来，全球平均气温(global mean temperature。GMT)(陆地和海面近表层气温的平均值)已经增加。其中20世纪期问增加了O6士02(也有研究精确到061-I-0，16(Folland，2001)。从全球来看，20
26、世纪90年代很可能是1861年以来仪器记录中最暖的lO年(Richard，2006)，而1998年很可能是同期最暖的一年(Richard。1998)，预计今后的数年里气温将更上一个水平(Hansen，1999)。平均而言，在1950年和1993年之间，陆面夜问的日平均最低气温每lO年增加02“C，而白天日平均最高气温每十年大约增加0I。同期海面气温的增加约为陆面平均气温增加值的一半(Rayneretal，2003)。过去40年(2001年以前)大气层8km以下部分已经升温，总体与近地层类似，都在每10年0I量级上。自1979年有卫星观测记录以来，气温观测和气球探空都说明，8km以下地层大气的全
27、球平均气温每lO年约增加005i-0I，而全球地面平均且每lO年已经显著地增加了015i-005“(2，也有报道称达到了每lO年022O26(Konstantin et al，2003)。最低层8km大气和地面由于平流层臭氧减少，大气气溶胶和厄尔尼诺(El Nino)现象等因素，受到的影响不一样，因此，在短期内存在气温趋势差异在物理上容易理解(IPCC，2001)。12辐射强迫简单地说，辐射强迫(radiative forcing)就是对影响地球大气系统入射和出射能量平衡的因子的衡量标准，是表征气候变化机制的潜在因子重要性的指数，用每平方米多少瓦表示(Wmo)(IPCC，2001)。辐射强迫这
28、个词被IPCC评估报告用来客观地表示地球气候系统的辐射能量收支(radiative energy budgct)变化。这些变化可以由具有辐射效应的物质(radiatively active species)如C02和气溶胶(aerosols)、太阳辐射(solarirradiance)、以及其他能够影响地表吸收辐射的因素如地球反射率(surfacereflection properties)的长期变化引起。这些变化将导致地球辐射收支失衡，并引浙江大学硬士学位论文 全球变暖定t分析及未来全球平均气温变化预测起一些气候参数的变化，最终形成一个新的气候系统平衡状态。IPCC(1990，1992，19
29、94)和第二次评估报告(SecondAssessmentReport，SAP,)(IPCC，1996)对气候系统的辐射强迫作了如下的定义：由于地表一对流层系统(surfacetroposphere system)的扰动(pcrturbationg)或者某种因子(agent)(比如温室气体的浓度变化)的变化引起的辐射强迫指的是：在考虑到平流层(stratospher)温度，以及地表和对流层(troposphere)温度对辐射平衡的调整后，对流顶层顶部(tropopause)的净辐射度(net irradiance)(可见光和长波辐射，以wm也表示)的变化，并且这种状态一直保持在一个稳定的值在气候
30、变化中，强迫一词仅限于由于外部因子(external factors)引起的地表一对流层系统的辐射平衡变化，而不包括平流层的动力学变化；不包括地表和对流层的任何反馈作用(例如，不包括由于对流层运动以及热力学状态)；也不包括大气水(包括气态的、液态的和固态的)由于动力学导致的数量上和分布上的变化。IPCC的“全球平均强迫”(global mean forcing，GMF)指的是每年的全球平均强迫评估。IPCC评估以及其他的一些研究(Hansen etal，1997：Shine and Forster，1999)对上述强迫辐射的定义以及在气候变化的应用上作了一些讨论。下面将关于辐射强迫概念的一些基
31、本原理归纳如下：(1)辐射强迫的概念最初是从具有辐射效应的因子的变化引起的辐射扰动与全球年平均地表温度的关系的一维辐射传输模型(radiative-convective model)发展而来的(Manabe and Wethemld，1967；Ramanathan and Coakley，1978：WMO，1986)。在过去的数十年中，这个概念已经延伸到不同的空间维数(spatialdimensions)和季节尺度(seasonal timescale)上(IPCC，1992，1994)。(2)在一维的辐射传输模型中，地表和对流层被紧密地联系在一起，在辐射和传输过程的联合控制下，在一个特定的热
32、力结构梯度(1apse rate determiningthermal structure)下作为一个单独的热力学系统(thermodynamic system)运作。平流层的状态由辐射平衡条件决定。大气顶部的净的总辐射度必须为零以达到平衡，平流层和对流层的辐射度共同受上述要求的约束。与全球平均强迫相对，为了将辐射强迫概念应用到任意的空间和季节尺度上，平流层在辐射动力学4浙江夫学硕士学位论文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预测(radiative-dynamical)上被假设是平衡的(WMO，1992：SAR)。详见(4)内容。(3)平流层是一个快速反应系统(fast response
33、 system)，对于辐射扰动的反应在对间尺度上可以在几个月内快速地达到平衡，而地表一对流层系统则要慢得多，通常需要几十年时间(Hansen etal，1997a；Shine andFoster，1999)。后者之所以是一个慢速反应系统(slow response system)主要是因为海洋在热量上的惯性作用。(4)当一个扰动发生后(如混合均匀的温室气体的增加)，辐射度马上就会随之发生变化，并显示为地表、对流层顶部以及大气顶部的辐射不平衡。平流层热力快速重新达到平衡后将引起地表一对流层系统的辐射不平衡(WMO，1992)，并形成一个调整强追(adjusteA forcing)(SAR)。地表
34、和对流层通过一个慢速反应模型来调整平衡，而此时的平流层已经达到一个新的平衡状态了。对于任意一个空问和时间意义下的平流层，都需要对其在辐射一动力学平衡上的辐射流变动进行评估。一个经典的评估方法是“固定热力增温”法(FixedDynamical Heating)(FDH；WHO，1995)。这种方法假设平流层的热力增温速率恒定不变，通过对温度轮廓的调整达到一个新的热力平衡，以此作为对扰动的反应，最终达到一个新的辐射动力平衡(Ramanathan and Dickinson，1979：Fels等，1980)。平流层的调整过程为地表一对流层系统的强迫带来一个附加贡献，当对流层调整到一个新的辐射动力平衡
35、，同时带来自身热力状态的改变，对流层顶部和大气层顶部的辐射流也同样发生变化。平流层达到辐射动力学平衡很重要，调整强迫是作为地表温度变化响应的更相关的指标，而不是瞬间强迫(Hanson etal，1997a)。平流层的调整对于某些强迫来讲是至关重要的，但也不全都是如此(Shine and Foster，1999)。在某些辐射扰动情况下，平流层几乎不受任何干扰，瞬间和调整辐射流的改变因此也趋向类似(SAR)。在其他一些情况下，只有很少(20或者更少)的改变与平流层调整过程相关。然而，由于平流层下层臭氧的损耗，平流层的调整的结果甚至会导致相关强迫的改变。(5)作为以上几点的一个直接的结果是：最适合作
36、为地表一对流层系统对辐射扰动的反应的辐射的定义是一个净辐射度变化，这个变化范围在平流层达到一个新的热力平衡状态后被限定于对流层顶部。因此，平流层在这个模型里被设定浙江大学硕士学位论文 全肆变暖定量分析及未来全球平均气温变化预涮在什么水平上是将强追进行定量的一个重要的方面(Forster ct al。1997)，据此用模型垂直分析度(venical resolution)来分析平流层附近区域(Shineetal，1995)。平流层的经典辐射传导模型把它作为辐射传导平衡区域(如平流层)和辐射(或者说辐射动力学)平衡区域(如对流层)的分界点。这种差别在三维的普通循环模型(General Circul
37、ation Models，GCMs)或者现实世界里会变得模糊不清。然而，在GCM定义的平流层中，辐射强迫的改变表现得相当明显(Christiansen，1999)。(6)当辐射强迫、反馈以及气候响应之间能够相互区分开，辐射强迫概念可以使气候变化分析变得简单。这种区分在模型框架里是可能的，强迫和反馈都可以进行独立的评估。例如C02浓度加倍效应(Dickinson，1982；Dickinson andCicerone。1986：Cess and PoRer，1988；Cess et al，1993)把强迫、反馈和响应作为模型框架中的三个完全独立的实体的设想起源于一维的辐射传导模型，这种设想现在已经
38、过渡到利用GCM来研究气候(1-Ianll et al，1981；Wetherald andManabe，1988；Chen and Ramaswamy，1996)。(7)在(6)中提到的在模型中把强迫、反馈和相应分离考虑，很重要的一点是把地表和对流层的状态作为一个整体，然后再评估辐射强迫例如，在具有辐射效应的气体的浓度的变化中，。状态”这个词意味着所有其他的参数都保持不变，仅仅是这个气体的浓度发生了改变。因此，最严格的理解就是，在计算对流层顶部的辐射度的变化时，对流层的温度、全部大气中的水蒸气和云层以及循环系统等都是保持不变的，仅仅是平流层通过辐射效应调整到一个新的热力学平衡状态。与上述规定
39、相反，在计算强迫的时候，随之而来的气象学和气候上的一些参数(如对流层温度、水蒸气等)的变化，共同组成了对扰动的反响(WMO，1986；Charlson，2000)。在IPCC的研究范围里，辐射强迫因子包括了自然的(如火山爆发后气溶胶的变化)和人类活动(如c02)引起的扰动。把对流层中水蒸气含量的变化强调成是一个反馈变量而不是一个辐射强迫因子，这个认识很重要。然而，在气溶胶的间接二次辐射强追的研究申，这种分离却不是很明确。由人类的捧放(如飞行器、化石燃料)引起的水蒸气的扰动往往是可以忽略的。除了由CH4的氧化带来的输入外，对于平流层种的水蒸气也一样也是可以忽略的。液楣和固相水的凝结核(conde
40、nsation)(如云)的变化同6浙江大学磺士学位论文 全球变暖定量分析及来来全球平均气温变化预耐样也被当作是气候变化的反馈。如果严格要求地表和对流层没有反馈则需要在对流层顶部净辐射度改变的评估中没有任何二次反馈作用，如对流层运动或者热力学状态的改变，或者地表和大气中由热力学因素引起的水的状态的改变。(注：气溶胶的问接二次效应包括由于微小颗粒引起的水的状态的改变。)(8)上述的各种因素反映如下的基本认识：作为对外界给予的辐射强迫的回应，气候系统的平衡状态会发生相应的变化。IPCC所论及的关于气候变化的强迫有别于其他意义上的“强迫”。例如云层“强迫”(cloud forcing)(Ramanat
41、han等，1989)，在厄尔尼诺一南方涛动(ENSO)时期与海洋表面温度相关的“强迫”等等。气候系统内部变化和外部因子(包括自然的和人为的)都会引发气候变化。采用辐射强迫概念可以对影响气候的外部因子进行广泛的比较。正辐射强迫(如由不断增加的温室气体浓度造成的)会使地表和大气变暖。由某些气溶胶(微小的大气粒子)增加引起的负辐射强迫会使地表和大气变冷。诸如太阳辐射或者火山爆发活动的变化等自然因子也会产生辐射强迫。要了解以往自然变化意义上的气候变化及预测将来的气候变化，需要描述以上气候强迫因子的特征和它们随时问的变化。图I2l显示的是2000年全球气候系统各因子的平均辐射强迫(根据IPCCClima
42、teChange2001：TheScientificBasis相关内容修改整理)。o童V粤释每簪图12-l 2000年全球年平均辐射强迫(相对于1750年)(参考IPCC修改，2001)Fig!2-1 Relative global mean radiative forcings of2001(relative to 1750)(modifwd from IPCC,200D7浙江大学顼士学l筻圣e文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预测13地球长波辐射131热辐射 任何一个物体，只要温度不是绝对零度，在其他任何温度下都要向外辐射各种不同波长的电磁波，而且辐射出的总能量以及能量按波长的分布
43、情况都与该物体的温度有关，这种辐射称为热辐射。热辐射能谱是连续波谱，波长范围由红外到可见，直到紫外，包括整个电磁波段。热辐射现象在自然界中到处可见，高温炉子有热辐射，封冻的冰窖也有热辐射。不同物体辐射电磁波的本领不同，同一个物体在不同的温度下辐射各种波长的电磁波的本领也不同。132黑体辐射与发射率为了研究不依赖于物质具体物性的热辐射规律，物理学家们定义了一种理想物体一黑体(black body)，以此作为热辐射研究的标准物体。所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透射(黑体本身仍然要向外辐射)显然自然界不存在真正的黑体。1859年Kirchhoff应用热力学理论得出以下定律：在
44、热平衡状态的物体所辐射的能量与吸收的能量之比与物体本身物性无关。只与波长和温度有关。按照基尔霍夫辐射定律，在一定温度下，黑体必然是辐射本领最大的物体，可叫作完全辐射体。1875年，JStefan从实验中总结出：黑体的辐射出射度与黑体温度的四次方成正比，即峨(刃=roMo,。(T)d2=aT4 (卜1)1884年，LBoltzmann从理论上证明了这一结果，所以上式通常被称为StefanBoltzmann定律。式中盯=567x10-sW(m2K4)为普适常量，称为Stefan-Boltzmann常量。非黑体物体表面收到辐照后，一部分能量被吸收，一部分能量披反射，另一部分能量被透射。定义：吸收率铲
45、单位时间内单位表面吸收的能量与总辐照度之比；反射率f单位时问内单位表面反射的能量与总辐照度之比；B浙江大学磺士学位论文 全球变暖定量分析及未来全球平均气温变化预测透射率5=单位时问内单位表面透射能量与总辐照度之比故a+丫+6=1若透射的能量可以忽略，则Ct+丫=1(秦允豪，1999)。实验表面，实际物体的辐射度除了依赖于温度和波长外，还与构成该物体的材料性质及表面状态等因素相关。这里，我们可以引入一个随材料性质及表面状态变化的辐射系数，则就可以把黑体的基本定律应用于实际物体。这个辐射系数就是通常所说的发射率，或者称为比辐射率。其定义为实际物体与同温度黑体辐射性能之比。如果我们不考虑波长影响，只
46、研究物体在某一温度下的全发射率，c(T)=M(DMo(r)，则：MCT)=E(DcrT4 (1-2)在热平衡条件下，被物体吸收的辐射能量必然转化为该物体向外发射的辐射能量。由此可以断定，在热平衡条件下，物体的吸收率必然等于该物体在同温度下的发射率：口(D=占(D (1-3)133地球表面平均温度估算任意一个物体都会根据自身的温度通过特定的波长来对外辐射一定量的能量。由于地球被大气层所包围，加之有海洋的调解作用，地球表面不会因昼夜、季节及纬度的不同而产生很大的温度差异。例如，海洋性气候的气温日较差很小，据估计全世界海洋上气温平均日较差仅为O3“C，这是由于水具有较大的热量惯性，其温度振幅极小，使
47、得海面上方气温日较差小。内陆的气温日较差则要大一些，例如我国西部内陆上方气温日较差达14“C以上。但是，由于地球接受太阳辐射的面积即地球的纵切面基本保持不变；而且随着地球的公转有周期性的变化，因此对于地球上的任意一个地方的年较差一般说来会较小。由此我们利用黑体辐射原理来估计地球表面平均温度是可行的，也是有现实意义的。根据基尔霍夫定律可知，地球的对外辐射与表面平均温度的四次方成正比。由于地球表面温室气体的保温效应等因素的影响，地球并不是一个理想黑体。通过实验测算出地球大气的发射率约为06。根据多年观测，太阳辐射基本稳定在一个固定的值，也就是我们所谓的太阳常数(solarconstant)。太阳常
48、数并不是一个严格固定的值，在各年份之间大约有9浙江大学硕士学位论文 全球变暖定量分折及未来全肆平均气温变化预测不超过l的变化范围。与太阳黑子的发生规律一致，太阳常数的变化周期也为11年(NASA，2002)。1984年11月至1995年11月问，太阳常数平均约为13653Wino(根据NASA的观测数据整理所得)。考虑到地球受太阳辐射面积和地球自身对外黑体辐射面积比，我们引入有效太阳常数概念，即把地球纵切面受到的太阳辐射平均分配到地球表面，则有效太阳常数约为3413 Wm，其叶1被地表吸收约168Wm，被大气吸收约67Wm。(Kiehl andTrenberth，1997)。14地球能量收支模
49、型人们很早就试图建立一个关于地球的地表一大气年均能量收支表(globalannual mean surface-atmosphere energy budget)，早在1917年，Dines就建立了第一个收支表(Dines，191 7)。通过卫星观测可以大大促进地球年平均能量收支表的评估，尤其是地球反射率(albedo)和长波辐射(Iongwave radiation)评估误差的降低极大地提高了我们对地球能量收支的认识(Hunt et al，1986)。近年来，通过卫星对降水的估算(通过对湿度的观溯)也对地球表面平均潜在的热流(1atent heat flux)进行了分析。尽管我们在认识上有了很大的提高，但仍有一系列关于能量收支的关键要素还不清楚，特别是短波的净吸收(net absorbedshortwave)和地表长波流(10ngwave surface fluxes)Kiehl and Trenberth通过把辐射模型应用在卫星观测到的大气顶部的相关数据，建立了一个新的关于地球能量收支的各种辐射的贡献率的评
