2.3 二氧化碳濃度加倍對輻射強(qiáng)迫影響的定性分析

從上述公式可以看到，逐線積分計算是很復(fù)雜的，難以簡單判斷二氧化碳濃度變化的影響大小。

下面的分析不考慮不同分子的疊加吸收效應(yīng)。從單波長來看，根據(jù)（2）式，加倍大氣二氧化碳濃度，大氣輻射透過率A=A₀², 這導(dǎo)致地面紅外輻射的透射減少，其減少的幅度就是輻射強(qiáng)迫增加。

△RF（△v）＝－（A－A0）Fs=A0(1-A0)Fs（△v）                          （12）

△v代表的是某一波段。Fs是地面紅外輻射。從上式可以看到，A0＝0.5時，輻射強(qiáng)迫增加最大。隨著A0向0或1方向上靠近，產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫增加幅度減小。如下圖，給出了二氧化碳濃度加倍，導(dǎo)致輻射強(qiáng)迫增加，在單波長處，增加的輻射強(qiáng)迫與該波長處地面輻射的比值（△RF/Fs(△v), △v是某個波數(shù)范圍）。最大值達(dá)到25%?？紤]到地面輻射總量是390W/m2，按照這個計算，輻射強(qiáng)迫最大可達(dá)到97.5W/m2。實際值低得多，因為不同波長的透過率變化很大，基本上都偏離透過率0.5。

對其它溫室氣體，主要是水蒸汽。當(dāng)二氧化碳濃度加倍以后，引起氣溫升高，從而導(dǎo)致水蒸氣增多。這是主要反饋機(jī)制之一。根據(jù)（2）式，我們可以得到：

dA=exp(-kCL)*(-kL)dC=-kLAdC＝A*ln(A)*dC/C                           （13）

當(dāng)氣體濃度增加，透過率下降，其下降幅度與現(xiàn)有透過率A相關(guān)，與濃度變化率成正比。通常水蒸氣飽和蒸汽壓與水溫相關(guān)，可以用下式表示（有更精確的擬合公式）：

Cw=1760000*EXP(-5318/Ts)                                            （14）

簡單分析時，可認(rèn)為大氣中濕度保持不變。例如為80%（也就是大氣中水蒸氣含量為飽和時80%）。根據(jù)上式，我們可以得到下圖：

也就是說，當(dāng)?shù)乇頊囟仍黾?/span>1K時，水蒸氣濃度變化率基本上變化較小，約變化6-7%。因此，根據(jù)（13）式，當(dāng)二氧化碳濃度加倍引起地表溫度增加，進(jìn)而導(dǎo)致水蒸汽濃度增加時，對單一波長處的輻射強(qiáng)迫影響，還是在于該波長段的透過率，如圖。

這里dCw/Cw=0.065, 可以看到，最大值為A＝1/e*0.365=2.4%, 也就是輻射強(qiáng)迫增加比約為2.4%/K。 這里需要注意的是，利用上式計算時，要求水蒸氣增加相對量要比較小。

實際地面輻射近似是灰體連續(xù)紅外輻射。而大氣透過率在不同波長處變化很大，參見下圖（圖中是吸收率向下增加，而透過率向上增加）。地面紅外輻射波長范圍約為3－30微米，最大波長在10微米左右。二氧化碳的吸收線在此波段，處于中間值較少。

此圖是太陽短波輻射垂直通過大氣前后的光譜，主要吸收來自水蒸氣，二氧化碳吸收峰已經(jīng)飽和，增加二氧化碳濃度對短波吸收沒有影響，但是反饋產(chǎn)生的水蒸氣會增加大氣對二氧化碳的吸收

此圖是太陽光譜和地面紅外輻射光譜（上），對外來輻射，地面11km處大氣吸收率（中）和地面處大氣吸收率（下）

以上3圖來自 fundamental atmosphere physic，從3圖可以獲得感性認(rèn)識。

另一方面，根據(jù)（5）－（6），大氣吸收譜線強(qiáng)度隨大氣溫度增加而增加。這說明二氧化碳濃度增加，導(dǎo)致的溫度升高，也增加了大氣吸收和輻射強(qiáng)迫的增加。這是二氧化碳自身反饋效應(yīng)，在報告中，也給出了數(shù)據(jù)，但沒有提及這個效應(yīng)的貢獻(xiàn)。

根據(jù)（10）和（11）式，溫度增加還影響到吸收峰峰寬。對壓力加寬，其內(nèi)在原因是分子碰撞引起激發(fā)態(tài)分子衰變，譜峰寬度最壓力增加而增加。而Doppler展寬主要由分子熱運動導(dǎo)致的速度增加，產(chǎn)生的Doppler效應(yīng)增加。它們對輻射強(qiáng)迫的影響很難分析，只能根據(jù)數(shù)值計算來確定。

由于輻射強(qiáng)迫的計算與大氣壓力和溫度相關(guān)，這需要一個能夠預(yù)測大氣壓力和溫度的模型，在此基礎(chǔ)上，我們才能進(jìn)一步計算輻射變化。其它分子與水蒸氣和二氧化碳分子在同一波段的吸收重疊，會降低二氧化碳和水蒸氣對大氣透過率的影響。這里忽略了另一個重要過程，大氣分子對輻射的散射作用。另外，二氧化碳濃度增加，使大氣吸收率增加，按照基爾霍夫定理，大氣對外輻射時的發(fā)射率也同時增加，從而減少了輻射強(qiáng)迫。

大氣中還有液體和固體水，也就是日常所說的多云和雨雪天氣。一般認(rèn)為，晴天無云僅占天空38%，而在多云和雨雪天氣，地面紅外輻射基本上被大氣中的雨滴和冰晶所吸收，一切變化都不影響云層覆蓋的大氣透射率（高空卷云的透過率不為0，其影響復(fù)雜，還沒有搞得很清楚）。