大氣輻射學(xué)_石廣玉

1、石廣玉教材、參考書教材：石廣玉編著，大氣輻射學(xué)，科學(xué)出版社，北京，2007，89RMB。 1. Paltridge, G. W., Platt, C. M. R., Radiative Processes in Meteorology and Climatology, Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 1976. (有中譯本，比較偏重于應(yīng)用) 2. Liu, K. N., An Introduction to Atmospheric Radiation, Academic Press, New York，1980. (有中譯本

2、,亦有更新版) 3. Goody, R. M., Atmospheric Radiation I. Theoretical Basis, Oxford at the Clarendon Press, 1964. 4. Goody, R. M., Yung, Y. L., Atmospheric Radiation Theoretical Basis(2nd ed.), Oxford University Press, 1989. 5. 劉長(zhǎng)盛，劉文保，大氣輻射學(xué)，南京大學(xué)出版社，南京，1990。 6. 尹宏，大氣輻射學(xué)基礎(chǔ)（通俗易懂），氣象出版社，北京，1993。 7. 周秀驥等，高等大氣物理

3、學(xué)（下），氣象出版社，北京，1991。什么是什么是“大氣輻射學(xué)大氣輻射學(xué)”？大氣輻射學(xué)是大氣物理學(xué)中的一個(gè)古老的、但近年來又獲得蓬勃發(fā)展的學(xué)科。輻射過程是大氣中最重要的物理過程之一。一方面，地氣系統(tǒng)的輻射收支決定了長(zhǎng)期的全球平均氣候狀況；另一方面，太陽輻射能和熱輻射能在大氣中的輻合、輻散，形成非絕熱冷、熱源，造成大氣水平和垂直層結(jié)的不穩(wěn)定。有許多學(xué)者認(rèn)為，地球氣候環(huán)境系統(tǒng)是由大氣圈、水圈、冰雪圈、巖石圈和行星圈（宇宙空間圈）所謂“五圈”構(gòu)成的。但實(shí)際上，水圈和冰雪圈只是水的不同存在狀態(tài)，而行星圈則是影響其他“四圈”的外部因子。從能量和熱力學(xué)的角度來看，決定地球天氣、氣候環(huán)境的，是來自行星圈的太

4、陽輻射能以及這一能量通過動(dòng)力過程在大氣圈和水圈的再分配。很難設(shè)想，沒有太陽輻射及熱輻射過程的地球環(huán)境會(huì)是怎樣一種狀態(tài)。運(yùn)動(dòng)就是一切，沒有運(yùn)動(dòng)就沒有一切，但運(yùn)動(dòng)來自于不穩(wěn)定。造成地球氣候環(huán)境不穩(wěn)定的根本原因是輻射過程，從這種意義上來說，地球氣候環(huán)境系統(tǒng)就是在輻射過程造成的這種不穩(wěn)定與動(dòng)力過程使系統(tǒng)趨于穩(wěn)定的相互作用中演化的。k輻射傳輸過程與動(dòng)力過程的相互作用決定輻射傳輸過程與動(dòng)力過程的相互作用決定了地球氣候環(huán)境的長(zhǎng)期平衡狀態(tài)了地球氣候環(huán)境的長(zhǎng)期平衡狀態(tài)內(nèi)容與重點(diǎn) 本課程的內(nèi)容與重點(diǎn)是研究地球大氣中輻射傳輸?shù)奈锢磉^程和基本規(guī)律以及地球大氣系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱地氣系統(tǒng)）的輻射能收支，特別是與全球（氣候）變化有

5、關(guān)的輻射問題。其研究課題是：入射太陽輻射能轉(zhuǎn)換為散射輻射和熱輻射以及在地球大氣中產(chǎn)生的熱力學(xué)效應(yīng)（Goody and Yung, 1989），重點(diǎn)是由大氣動(dòng)力和輻射過程引起的地氣系統(tǒng)所吸收的太陽能的再分配以及最終作為低溫的行星或地球（含大氣）輻射而返回外空所形成的地氣系統(tǒng)的輻射平衡。與輻射過程有關(guān)的耦合過程示意圖與輻射過程有關(guān)的耦合過程示意圖 章節(jié)內(nèi)容（1）第1章 地球大氣組成及其變化1.1 大氣的熱結(jié)構(gòu)1.2 大氣壓力隨高度的變化1.3 大氣組成及其變化第2章 大氣輻射過程與輻射性質(zhì)2.1 熱輻射2.2 氣體分子能級(jí)躍遷與譜線性質(zhì)2.3 大氣分子吸收光譜2.4 大氣中粒子的光散射與吸收第3章

6、 單色輻射傳輸問題的解3.1輻射傳輸方程3.2對(duì)于特殊問題的解析解3.3數(shù)值解法3.4近似數(shù)值解法3.5三維輻射傳輸數(shù)值方法簡(jiǎn)介第4章 輻射傳輸中的光譜積分4.1輻射計(jì)算的若干問題4.2 逐線積分模式4.3帶模式4.4 吸收系數(shù)分布模式4.5 參數(shù)化與經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法章節(jié)內(nèi)容（2）第5章 地氣系統(tǒng)輻射平衡擾動(dòng)的簡(jiǎn)單模式表達(dá)5.1 地氣系統(tǒng)的輻射平衡5.2 能量平衡模式5.3 輻射-對(duì)流模式第6章 氣候變化的輻射強(qiáng)迫6.1 引言6.2 大氣溫室氣體的輻射強(qiáng)迫6.3 大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫6.4 太陽變化的輻射強(qiáng)迫6.5 云的輻射強(qiáng)迫6.6全球增溫潛能6.7 人為熱釋放附錄附錄1 與輻射有關(guān)的物理常

7、數(shù)附錄2 單位與換算附錄3 HITRAN2004分子光譜資料匯編簡(jiǎn)介附錄4 大氣氣溶膠折射指數(shù)附錄5 水和冰的復(fù)折射指數(shù)附錄6 地外太陽分光光譜輻射通量密度以及到達(dá)地面的太陽輻射通量的簡(jiǎn)化計(jì)算方法附錄7 目前世界上主要大氣環(huán)流模式中的輻射方案簡(jiǎn)介大氣輻射學(xué)的學(xué)科體系“ The updated 100-year linear trend (1906 to 2005) of 0.74 0.56 to 0.92 is therefore larger than the corresponding trend for 1901 to 2000 given in the TAR of 0.6 0.4 t

8、o 0.8 . The linear warming trend over the last 50 years (0.13 0.10 to 0.16 per decade) is nearly twice that for the last 100 years. The total temperature increase from 1850-1899 to 2001-2005 is 0.76 0.57 to 0.95 .” -IPCC AR4 SPMGlobal and China annual temperature changes in the recent 100 years, rel

9、ative to the period 1961-1990( Globe: CRU/Jones PD, China: Wang S )Warming trends for globe and China are significant in the past 100 yearsClimate Change in China (from Qin)GlobalChinaSpatial distribution of temperature changesover China during the past 50 yearsMost regions turned to warmer, particu

10、larly in northern China( NCC / CMA )Cooling WarmingClimate Change in China （from Qin)地球氣候系統(tǒng)（IPCC 2007）全球能量平衡（絕對(duì)單位，年平均）全球能量平衡（絕對(duì)單位，年平均）注意：三重含義（地面、大氣頂、大氣）注意：三重含義（地面、大氣頂、大氣）IPCC 2007 (Kiehl and Trenberth, 1997 )Trenberth, Fasullo, and Kiehl, BAMS, 2009, March全球能量平衡（相對(duì)單位）全球能量平衡（相對(duì)單位）An idealised model o

11、f the natural greenhouse effect類比方法類比方法：這種方法，根據(jù)歷史上已經(jīng)發(fā)生過的全球的或區(qū)域的氣這種方法，根據(jù)歷史上已經(jīng)發(fā)生過的全球的或區(qū)域的氣候狀況，來預(yù)測(cè)大氣溫室氣體濃度增加引起全球變暖后的氣候狀況。候狀況，來預(yù)測(cè)大氣溫室氣體濃度增加引起全球變暖后的氣候狀況。但是，對(duì)于地球氣候這樣一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)來說，是否存在完但是，對(duì)于地球氣候這樣一個(gè)高度非線性的系統(tǒng)來說，是否存在完全可以類比的氣候，可能是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題；另外，由于很難獲全可以類比的氣候，可能是一個(gè)有爭(zhēng)議的問題；另外，由于很難獲得歷史氣候狀況的精確資料，所以可以進(jìn)行類比的氣候要素有限；得歷史氣候狀況

12、的精確資料，所以可以進(jìn)行類比的氣候要素有限；也許最重要的是，類比方法無法闡明氣候變化的機(jī)制，這就大大限也許最重要的是，類比方法無法闡明氣候變化的機(jī)制，這就大大限制了它的應(yīng)用制了它的應(yīng)用 物理方法：物理方法：地球氣候系統(tǒng)是一個(gè)包括大氣圈、水圈（特別是海洋和地球氣候系統(tǒng)是一個(gè)包括大氣圈、水圈（特別是海洋和云系）、冰雪圈、生物圈和巖石圈在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，要科學(xué)地預(yù)測(cè)云系）、冰雪圈、生物圈和巖石圈在內(nèi)的復(fù)雜系統(tǒng)，要科學(xué)地預(yù)測(cè)氣候的未來變化，唯一可靠的方法是在支配氣候系統(tǒng)物理定律的基氣候的未來變化，唯一可靠的方法是在支配氣候系統(tǒng)物理定律的基礎(chǔ)上，建立一套完整的數(shù)學(xué)模式，即氣候模式礎(chǔ)上，建立一套完整的數(shù)學(xué)模

13、式，即氣候模式目前，由于人為和自然原因引起的全球（氣候）變化已成為一個(gè)目前，由于人為和自然原因引起的全球（氣候）變化已成為一個(gè)重要的全球環(huán)境問題，有幾種不同的方法可以對(duì)其進(jìn)行歸因和預(yù)重要的全球環(huán)境問題，有幾種不同的方法可以對(duì)其進(jìn)行歸因和預(yù)測(cè)研究測(cè)研究研究氣候變化的方法研究氣候變化的方法溫室氣體氣候效應(yīng)的評(píng)估方法地面溫度的變化地面溫度的變化：如果想用一個(gè)單一的熱力學(xué)物理量來表征全球氣候狀況的話，那么地面溫度無疑是最恰當(dāng)不過的。因此，地面溫度的變化是溫室氣候效應(yīng)的最直觀、也是最終的一種度量。利用第5章所介紹的能量平衡氣候模式（EBM），輻射-對(duì)流模式（RCM）以及更復(fù)雜的大氣環(huán)流模式（GCM）可以

14、計(jì)算大氣溫室氣體濃度變化引起的地面溫度變化。但是，正如第5章所指出的，地面溫度變化取決于地氣系統(tǒng)中的多種反饋過程，例如水汽-溫度反饋、雪冰反照率-溫度反饋以及云-氣候反饋等。對(duì)這些反饋過程，目前尚未完全了解。因此，即使在氣候系統(tǒng)的外部強(qiáng)迫已知的條件下，對(duì)地面溫度變化的預(yù)測(cè)的不確定性仍然很大。比如，當(dāng)大氣中二氧化碳濃度增加1倍時(shí)，目前預(yù)測(cè)的地面溫度變化在之間，相差3倍左右。輻射強(qiáng)迫輻射強(qiáng)迫：另一種評(píng)估溫室氣體氣候效應(yīng)相對(duì)大小的方法是，計(jì)算某種氣體的大氣濃度變化后它所引起的對(duì)流層頂凈輻射通量的變化，即輻射強(qiáng)迫（RF）。用輻射強(qiáng)迫來表征不同溫室氣體氣候效應(yīng)相對(duì)大小的好處是： 1）輻射強(qiáng)迫可以提示氣候

15、變化的總趨勢(shì)。如上所述，輻射強(qiáng)迫將擾動(dòng)入射和出射輻射的平衡，為了建立新的輻射平衡，氣候系統(tǒng)將響應(yīng)此種擾動(dòng)而發(fā)生變化。例如，平均而言，當(dāng)RF0 (定義向下的輻射通量為正)時(shí)，它將加暖地面和對(duì)流層；而當(dāng)RF0時(shí)，地面和對(duì)流層將會(huì)變冷。 2）由于避開了地氣系統(tǒng)中的多種復(fù)雜反饋過程，因此可以以比確定氣候變化本身高得多的精度來確定它，從而比較各種輻射強(qiáng)迫因子的相對(duì)大小。目前的氣候模式主要由于對(duì)氣候系統(tǒng)中各種復(fù)雜的反饋過程的處理不同，對(duì)于相同的外部強(qiáng)迫所得到的地面溫度變化 (更不要說降水等其他氣候變化)是很不相同的；而且甚至無法斷定何種結(jié)果更接近實(shí)際情況。但是，就RF而言，特別是各種GHGs濃度變化所產(chǎn)生

16、的輻射強(qiáng)迫，卻可以以高得多的精度來確定它，從而得以比較它們的相對(duì)大小并進(jìn)而給控制GHGs排放的政策制定提供參考依據(jù)。 這里值得注意的是，由于氣候系統(tǒng)中大氣、海洋，可能還有冰雪圈、地表以及生物圈之間復(fù)雜的相互作用，當(dāng)不存在任何輻射強(qiáng)迫，即RF=0時(shí)，氣候也可以發(fā)展變化。不過，一般說來這種變化是短期的，而且是可以恢復(fù)的。全球增溫潛能（全球增溫潛能（GWP）與溫變潛能（）與溫變潛能（GTP）：需要強(qiáng)調(diào)指出的是，以上兩種度量方法均建立在大氣中溫室氣體濃度變化的基礎(chǔ)上，而不直接涉及某種氣體向大氣中的釋放量。但是，從制定方針、政策的觀點(diǎn)來看，估價(jià)某種溫室氣體的進(jìn)一步釋放所可能產(chǎn)生的影響顯得更為重要。所以，

17、應(yīng)當(dāng)尋求一種度量方法，它可以把對(duì)單個(gè)分子的溫室強(qiáng)度的計(jì)算與對(duì)分子的大氣壽命的估計(jì)結(jié)合起來，同時(shí)它又能將該種氣體在大氣中引起的化學(xué)變化（主要指生成新的溫室氣體分子）所帶來的間接溫室效應(yīng)包括進(jìn)去。受到大氣臭氧損耗潛能（ODP）的啟發(fā)，提出了全球增溫潛能的概念，實(shí)際上它也是一種輻射強(qiáng)迫指數(shù)，但其中包含有溫室氣體分子大氣壽命的信息。 瞬時(shí)輻射強(qiáng)迫（IRF）與調(diào)整過的輻射強(qiáng)迫（ARF）RFCC（IPCC AR4）氣候系統(tǒng)的響應(yīng)與反饋氣候系統(tǒng)的響應(yīng)與反饋TF 1/FT 或者或者長(zhǎng)壽命GHG的RFCC變化史Shi (1992) GHGs RF計(jì)算公式IPCC (1994)特別提及了IPCC(1990)和Sh

18、i (1992)的公式。石廣玉 (1992) 在k-分布輻射計(jì)算模式的基礎(chǔ)上使用一個(gè)一維輻射-對(duì)流模式對(duì)均勻混合的大氣溫室氣體的輻射強(qiáng)迫提出了以下簡(jiǎn)化計(jì)算公式，其中已經(jīng)包括了吸收帶重疊的效應(yīng)與其他簡(jiǎn)化公式相比，石廣玉(1992) 簡(jiǎn)化公式的主要不同表現(xiàn)在： 在CO2輻射強(qiáng)迫的公式增加了平方根項(xiàng)，在CH4和N2O的公式中增加了線性項(xiàng);(1) 公式更具有物理意義，而且精度更好（IPCC 2001）。 CO2 CH4 N2O CFCs )(03691. 0)/ln(735. 500CO2CCCCFppmv150040 C)(8218. 3)(4740. 4)(4425. 1)(0556. 00000

19、CH4MMNEMMNEMMEMMFppbv000,10100 M)(8218. 3)(4740. 4)(4504. 2)(1305. 00000ON2NNMENNMENNENNFppbv000, 120 NCFCs21CFCs218. 0CffFC是大氣CO2的濃度(ppmv)M和N分別為CH4和N2O的濃度(ppbv)下標(biāo)”0”表示參考濃度，且C0=354ppmv, M0=1720ppbv,N0=310ppbv。CCFCS是CFCs, HCFCs和HFCs的濃度(ppbv) f1和f2分別是相對(duì)于CFC-11的比例因子和重疊效應(yīng)訂正系數(shù) 大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫 可以分為以下幾種類型 直接輻射強(qiáng)

20、迫直接輻射強(qiáng)迫：大氣氣溶膠直接輻射強(qiáng)迫的符號(hào)是可正可負(fù)的，取決于氣溶膠粒子反射和吸收太陽輻射的相對(duì)能力 間接輻射強(qiáng)迫間接輻射強(qiáng)迫 ：涉及到氣溶膠與大氣其他輻射活性成分（例如，云）的相互作用 半直接效應(yīng)半直接效應(yīng) ：當(dāng)氣溶膠增加太陽加熱率、促進(jìn)低云蒸發(fā)時(shí)，會(huì)造成云量和云反照率的減小，并進(jìn)而影響氣候 已經(jīng)辨識(shí)出并認(rèn)為是重要的氣溶膠粒子的各種輻射強(qiáng)迫機(jī)制已經(jīng)辨識(shí)出并認(rèn)為是重要的氣溶膠粒子的各種輻射強(qiáng)迫機(jī)制（黑點(diǎn)：氣溶膠顆粒；空心白圓：云滴；黑直線：太陽輻射；波浪線：地球輻射）（黑點(diǎn)：氣溶膠顆粒；空心白圓：云滴；黑直線：太陽輻射；波浪線：地球輻射）散射與吸收：直接效應(yīng)未被擾動(dòng)的云反照率效應(yīng)：CDCN增

21、加，第一類間接效應(yīng)云高上升、云壽命延長(zhǎng)：第二類間接效應(yīng)加熱引起云蒸發(fā)、破碎造成云量和云反照率減小：半直接效應(yīng)冰云與尾流的間接效應(yīng)氣溶膠與云、降水相互作用氣溶膠氣候-環(huán)境問題的復(fù)雜性 大氣氣溶膠的物理特性 數(shù)濃度 譜分布 粒子形狀 大氣氣溶膠的化學(xué)組成 大氣氣溶膠的光學(xué)、輻射特性 以上特性的垂直分布 時(shí)空分布的高度可變性 歷史資料 大氣氣溶膠的輻射強(qiáng)迫受到多種因子的影響，目前很難對(duì)每個(gè)因子的效應(yīng)作出確切估計(jì) LargeAbsorbingNon-AbsorbingSmallFilter-ICFilter-TEMSMPS(DMA-CPC)LidarAethalometerAMSAndersen Sa

22、mpler分類（粒徑、濃度、成分、形狀）PSAPSOOT (BC, EC)Organic CarbonSulfateDustSeasalt SkyradiometerNephelometerOPC氣溶膠的三個(gè)重要物理量 氣溶膠光學(xué)厚度，定義為 ： 是氣溶膠消光系數(shù)， ，而 和 則分別是氣溶膠散射系數(shù)和吸收系數(shù) ，可表示為 是單個(gè)粒子的消光效率因子dzzzz),()(21eAeasesa21)(log10ln)(),()(2as,e,as,e,rrdrrdrrdNrrmQ),(as,e,rmQ單次散射比（或單次散射反照率） 單次散射比（或單次散射反照率），用來度量氣溶膠粒子散射和吸收的相對(duì)重要性

23、)()(1)()()(eaes不對(duì)稱因子不對(duì)稱因子定義為角度散射相函數(shù)的余弦加權(quán)平均，即 它用來度量前向與后向散射的輻射量，其中， 是相函數(shù)cos),(cos),(cos)(dpdpg),(p21)(log10ln)(),(),(2rrdrrdrrdNrrmFp歸一化的相函數(shù)則為 21)(log10ln)(),()(/1 (),(2srrdrrdrrdNrrmFp云云對(duì)對(duì)地球地球輻輻射的影響射的影響（注意：高、低云的不同效果注意：高、低云的不同效果）不但缺乏地質(zhì)、歷史年代云的任何紀(jì)錄，器測(cè)年代的紀(jì)錄（目視）也不可靠，衛(wèi)星資料不足四十年沒有任何觀測(cè)的和/或理論的證據(jù)表明：在一個(gè)變化了的氣候環(huán)境下

24、云將不發(fā)生變化目前，我們無法知道：在一個(gè)變化了的氣候環(huán)境下，云（云量、云高、云型、云的光學(xué)特性）將如何變化？云-氣候研究面臨的困難所用模式 采用一個(gè)一維輻射-對(duì)流氣候模式（RCM）來研究云的輻射-氣候效應(yīng)。 從地面到50左右的地球大氣分為20層 ；當(dāng)太陽常數(shù)取為1367W/m2，大氣溫室氣體濃度取當(dāng)前值，在模式高度4.25-5.5km處放置云量等于0.5、光學(xué)厚度等于9.0的有效云層時(shí)，得到地面溫度等于288K、行星反照率等于0.32的一個(gè)平衡態(tài)氣候，相當(dāng)好地表征了目前全球平均的狀況。 大氣頂短波太陽輻射的強(qiáng)迫計(jì)算公式 長(zhǎng)波輻射產(chǎn)生的大氣頂輻射強(qiáng)迫為 綜合計(jì)算公式綜合計(jì)算公式.51. 8,)5

25、2. 8/exp(60.) 5 . 8/exp(1765.1136.124,49. 5,)46.17/exp(07. 2) 5 . 8/exp(1765.1136.124CCCCCCCCCCCCstHHHAHHHAF.46.1662.14)46.16/ )62.14(2exp(81.21)60. 0/exp(95.4514.552CCCCCCltHHHAF云量、云光學(xué)厚度、云高對(duì)輻射強(qiáng)迫的影響 以Ac=0.49, c=9.0，Hc=5.5Km為例(單層有效云層) 如果取Ac=-0.02,c=-0.5和Hc=0.3Km(這些取值均在其平均值的5%左右)， 可得Fc分別為1.356，1.686，2

26、.035 W.m-2 三者的和為5.077W.m-2，已經(jīng)大于CO2倍增所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫3.75 W.m-2 如果取Ac=+0.02,c=+0.5和Hc=-0.3Km 可得Fc分別為-1.363，-1.598，-1.217 W.m-2，三者的和為-4.178W.m-2，幅度與CO2倍增所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫3.75 W.m-2不相上下，但符號(hào)相反。結(jié) 論（1）云量。總體來說，隨著云量增加，云的輻射強(qiáng)迫增大，冷卻效應(yīng)增強(qiáng)。（2）云光學(xué)厚度?？傮w效果是，隨著光學(xué)厚度的增加，云的輻射強(qiáng)迫越來越大，冷卻 效應(yīng)越來越強(qiáng)。（3）云高。云對(duì)地表接收到的短波向下輻射通量有遮擋作用，但是，這種作用與云的 高度有關(guān)。特

27、別是，隨著高度的增加，云將由水云變?yōu)楸?，云型的變化將?duì)其輻射- 氣候效應(yīng)產(chǎn)生巨大影響。（4）與太陽短波輻射相比，云的存在對(duì)大氣長(zhǎng)波輻射的影響相對(duì)較小。由于云在長(zhǎng)波 波段基本上可以作為黑體處理，所以云底（頂）高度（溫度）對(duì)輻射通量（強(qiáng)迫）的 影響較大。（5）云具有極為重要的輻射-氣候效應(yīng)。云量、云光學(xué)厚度以及云高即使只有百分之幾 的變化，所帶來的輻射強(qiáng)迫也可以與大氣二氧化碳濃度加倍所產(chǎn)生的輻射強(qiáng)迫相比 擬。遺憾的是，目前我們并不清楚：在一個(gè)變化了的氣候條件下，云將發(fā)生何種變化 （包括變化的方向及變化幅度）。為了解釋過去的氣候變化，特別是未來氣候變化的預(yù) 測(cè)，亟待加強(qiáng)該領(lǐng)域的研究。地球氣候變化的

28、自然強(qiáng)迫自然原因 火山爆發(fā)（季節(jié)-幾年尺度） 日射量 太陽變化（年代際-幾百年） 地球軌道變化 地球系統(tǒng)內(nèi)部層圈相互作用研究地球氣候變化的自然原因的意義了解控制不同尺度的氣候變化的因子經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義火山噴發(fā) 火山活動(dòng)是除太陽活動(dòng)外影響地氣系統(tǒng)的輻射收支進(jìn)而影響全球氣候的另一個(gè)重要的自然因子 火山噴發(fā)的氣候效應(yīng) 大的火山噴發(fā)所形成的平流層氣溶膠云，對(duì)大氣輻射過程的影響是多方面的。其中最明顯的、也是了解最多的是它對(duì)太陽輻射的影響 硫酸鹽氣溶膠粒子的有效半徑大約是0.5um，與可見光的波長(zhǎng)非常接近，而且其單次散射比接近于1 ，增加了行星反照率 另一方面，由于平流層火山氣溶膠粒子的存在，前向散射過程也

29、同時(shí)增強(qiáng)，使得向下的散射輻射增加；它在某種程度上補(bǔ)償了直接太陽輻射的減少，但并不足以全部補(bǔ)償，因此在地面上產(chǎn)生一種凈的冷卻效應(yīng)。 直接效應(yīng) 在反射和散射太陽可見光的同時(shí)，平流層火山氣溶膠對(duì)太陽近紅外輻射的吸收也是重要的，這將導(dǎo)致火山云上部增暖 。 各種相互抵消、補(bǔ)償?shù)妮椛湫?yīng)的凈結(jié)果是，火山平流層云本身被加熱以及地面的冷卻 到達(dá)地面的直接太陽輻射通量的大幅度減少，是造成火山噴發(fā)后全球變冷的主要原因。 間接效應(yīng) 火山氣溶膠還具有若干可能的間接效應(yīng)。其中，比較重要的是，平流層氣溶膠粒子的增多，會(huì)通過非均相反應(yīng)加速臭氧的減少，從而導(dǎo)致平流層太陽加熱率的減小，地面UV輻射的增加。 火山氣溶膠粒子也可以

30、作為凝結(jié)核，影響卷云的形成。 過去火山活動(dòng)指數(shù)（Robock, 2000）1883年印度尼西亞年印度尼西亞Krakatau火山噴發(fā)火山噴發(fā)， 1902 Pelee, W-Indies，14.82N 61.2W, Soufriere St. Vincent, W-Indies 13.33 61.2W 4 I,G,C I,Co L,St1903 Santa Maria, Guatemala 14.76N 91.5W, 1991菲律賓Pinatubo Visible (wavelength of 0.55 micron) optical depth estimates of stratospheri

31、c sulfate aerosols formed in the aftermath of explosive volcanic eruptions that occurred between 1860 and 2000. 輻射強(qiáng)迫與光學(xué)厚度的關(guān)系太 陽太陽變化的輻射強(qiáng)迫 尋求造成近百年來全球平均氣溫變化的其它原因 火山和太陽活動(dòng)所造成的強(qiáng)迫是目前已知的可能影響十年幾百年時(shí)間尺度氣候變化的最重要的外部自然強(qiáng)迫因子。對(duì)于從近百年的氣溫變化中探測(cè)（辨識(shí)）人為強(qiáng)迫起著關(guān)鍵作用。 圖1861-1989年近130年間的北半球溫度距平與Zurich太陽黑子數(shù)的關(guān)系：不可思議的相關(guān)，不可思議不可思議的相關(guān)，

32、不可思議的地面溫度變化超前太陽黑子數(shù)的地面溫度變化超前太陽黑子數(shù)太陽周期長(zhǎng)度與地面氣溫的相關(guān)太陽變化的觀測(cè)太陽變化的觀測(cè) 一個(gè)重要的物理量太陽常數(shù) 定義：在大氣頂，平均日地距離上，與太陽光線方向垂直的單位面積上所接受到的太陽總輻射能稱為太陽常數(shù) 太陽常數(shù)的觀測(cè)太陽常數(shù)的觀測(cè)1970年以前利用各種方法所測(cè)得的太陽常數(shù) Measurements of total solar irradiance made between 1979 and 1999 by satellite, rocket and balloon instruments太陽常數(shù)的衛(wèi)星觀測(cè)太陽常數(shù)的衛(wèi)星觀測(cè)Fig. 6.4: Measurements of total solar irradiance made between 1979 and 1999 by satellite, rocket and balloon instruments (http:/www.pmodwrc.ch/solar_const/solar_const.html).太陽輻射強(qiáng)迫 值得注意的是，由于面積和反照率效應(yīng)，太陽強(qiáng)迫只是太陽輻射通量密度的0.175 倍，即 1410740175p.最近的衛(wèi)星觀測(cè)資料表明