主题：解读IPCC报告关于大气[CO2]加倍对对气候的定量影响 -- hwd99

2.3 二氧化碳浓度加倍对辐射强迫影响的定性分析

从上述公式可以看到，逐线积分计算是很复杂的，难以简单判断二氧化碳浓度变化的影响大小。

下面的分析不考虑不同分子的叠加吸收效应。从单波长来看，根据（2）式，加倍大气二氧化碳浓度，大气辐射透过率A=A02, 这导致地面红外辐射的透射减少，其减少的幅度就是辐射强迫增加。

△RF（△v）＝－（A－A0）Fs=A0(1-A0)Fs（△v） （12）

△v代表的是某一波段。Fs是地面红外辐射。从上式可以看到，A0＝0.5时，辐射强迫增加最大。随着A0向0或1方向上靠近，产生的辐射强迫增加幅度减小。如下图，给出了二氧化碳浓度加倍，导致辐射强迫增加，在单波长处，增加的辐射强迫与该波长处地面辐射的比值（△RF/Fs(△v), △v是某个波数范围）。最大值达到25%。考虑到地面辐射总量是390W/m2，按照这个计算，辐射强迫最大可达到97.5W/m2。实际值低得多，因为不同波长的透过率变化很大，基本上都偏离透过率0.5。

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对其它温室气体，主要是水蒸汽。当二氧化碳浓度加倍以后，引起气温升高，从而导致水蒸气增多。这是主要反馈机制之一。根据（2）式，我们可以得到：

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

当气体浓度增加，透过率下降，其下降幅度与现有透过率A相关，与浓度变化率成正比。通常水蒸气饱和蒸汽压与水温相关，可以用下式表示（有更精确的拟合公式）：

Cw=1760000*EXP(-5318/Ts) （14）

简单分析时，可认为大气中湿度保持不变。例如为80%（也就是大气中水蒸气含量为饱和时80%）。根据上式，我们可以得到下图：

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也就是说，当地表温度增加1K时，水蒸气浓度变化率基本上变化较小，约变化6-7%。因此，根据（13）式，当二氧化碳浓度加倍引起地表温度增加，进而导致水蒸汽浓度增加时，对单一波长处的辐射强迫影响，还是在于该波长段的透过率，如图。

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这里dCw/Cw=0.065, 可以看到，最大值为A＝1/e*0.365=2.4%, 也就是辐射强迫增加比约为2.4%/K。 这里需要注意的是，利用上式计算时，要求水蒸气增加相对量要比较小。

实际地面辐射近似是灰体连续红外辐射。而大气透过率在不同波长处变化很大，参见下图（图中是吸收率向下增加，而透过率向上增加）。地面红外辐射波长范围约为3－30微米，最大波长在10微米左右。二氧化碳的吸收线在此波段，处于中间值较少。

此图是大气中吸收红外辐射的气体吸收谱。

此图是太阳短波辐射垂直通过大气前后的光谱，主要吸收来自水蒸气，二氧化碳吸收峰已经饱和，增加二氧化碳浓度对短波吸收没有影响，但是反馈产生的水蒸气会增加大气对二氧化碳的吸收

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此图是太阳光谱和地面红外辐射光谱（上），对外来辐射，地面11km处大气吸收率（中）和地面处大气吸收率（下）

以上3图来自 fundamental atmosphere physic，从3图可以获得感性认识。

另一方面，根据（5）－（6），大气吸收谱线强度随大气温度增加而增加。这说明二氧化碳浓度增加，导致的温度升高，也增加了大气吸收和辐射强迫的增加。这是二氧化碳自身反馈效应，在报告中，也给出了数据，但没有提及这个效应的贡献。

根据（10）和（11）式，温度增加还影响到吸收峰峰宽。对压力加宽，其内在原因是分子碰撞引起激发态分子衰变，谱峰宽度最压力增加而增加。而Doppler展宽主要由分子热运动导致的速度增加，产生的Doppler效应增加。它们对辐射强迫的影响很难分析，只能根据数值计算来确定。

由于辐射强迫的计算与大气压力和温度相关，这需要一个能够预测大气压力和温度的模型，在此基础上，我们才能进一步计算辐射变化。其它分子与水蒸气和二氧化碳分子在同一波段的吸收重叠，会降低二氧化碳和水蒸气对大气透过率的影响。这里忽略了另一个重要过程，大气分子对辐射的散射作用。另外，二氧化碳浓度增加，使大气吸收率增加，按照基尔霍夫定理，大气对外辐射时的发射率也同时增加，从而减少了辐射强迫。

大气中还有液体和固体水，也就是日常所说的多云和雨雪天气。一般认为，晴天无云仅占天空38%，而在多云和雨雪天气，地面红外辐射基本上被大气中的雨滴和冰晶所吸收，一切变化都不影响云层覆盖的大气透射率（高空卷云的透过率不为0，其影响复杂，还没有搞得很清楚）。

2.4 结果：大气二氧化碳浓度加倍导致的辐射强迫增加值

• 【索引】有关“全球变暖”问题的讨论整理汇总(三)