[论文解读] Dependence of Earth's Thermal Radiation on Five Most Abundant Greenhouse Gases

W. A. van Wijngaarden, W. Happer|arXiv (Cornell University)|Jun 4, 2020

Atmospheric and Environmental Gas DynamicsEnvironmental Science参考文献 28被引用 22

一句话总结

本研究使用超过33万条HITRAN谱线的逐线辐射传输计算，量化了当前及光学薄大气条件下地球五大最丰富温室气体——H₂O、CO₂、O₃、N₂O和CH₄——的辐射强迫。结果发现，由于饱和效应，H₂O和CO₂的单位分子强迫被抑制高达四个数量级，而较不丰富的气体如CH₄则保有显著更高的单位分子强迫；CO₂、N₂O或CH₄浓度加倍仅使强迫增加百分之几。

ABSTRACT

The atmospheric temperatures and concentrations of Earth's five most important, greenhouse gases, H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$ control the cloud-free, thermal radiative flux from the Earth to outer space. Over 1/3 million lines having strengths as low as $10^{-27}$ cm of the HITRAN database were used to evaluate the dependence of the forcing on the gas concentrations. For a hypothetical, optically thin atmosphere, where there is negligible saturation of the absorption bands, or interference of one type of greenhouse gas with others, the per-molecule forcings are of order $10^{-22}$ W for H$_2$O, CO$_2$, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$. For current atmospheric concentrations, the per-molecule forcings of the abundant greenhouse gases H$_2$O and CO$_2$ are suppressed by four orders of magnitude. The forcings of the less abundant greenhouse gases, O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, are also suppressed, but much less so. For current concentrations, the per-molecule forcings are two to three orders of magnitude greater for O$_3$, N$_2$O and CH$_4$, than those of H$_2$O or CO$_2$. Doubling the current concentrations of CO$_2$, N$_2$O or CH$_4$ increases the forcings by a few per cent. These forcing results are close to previously published values even though the calculations did not utilize either a CO$_2$ or H$_2$O continuum. The change in surface temperature due to CO$_2$ doubling is estimated taking into account radiative-convective equilibrium of the atmosphere as well as water feedback for the cases of fixed absolute and relative humidities as well as the effect of using a pseudoadiabatic lapse rate to model the troposphere temperature. Satellite spectral measurements at various latitudes are in excellent quantitative agreement with modelled intensities.

研究动机与目标

• 量化当前真实大气条件下地球五大最丰富温室气体——H₂O、CO₂、O₃、N₂O和CH₄——的辐射强迫。
• 评估温室气体之间的饱和效应和谱带重叠如何抑制单位分子的辐射强迫。
• 评估在考虑辐射-对流平衡和水汽反馈的情况下，CO₂、N₂O或CH₄浓度加倍对大气顶热辐射和地表温度的影响。
• 将模型模拟的大气顶光谱辐射强度与实际卫星观测数据进行对比，以验证模型性能。
• 研究水汽反馈和大气温度廓线在决定气候敏感性中的作用。

提出的方法

• 使用来自HITRAN数据库的超过33万条转动-振动谱线（吸收强度低至10⁻²⁷ cm）进行逐线辐射传输计算。
• 将大气划分为500个高度层段，利用标准中纬度大气数据定义温度和气体浓度廓线。
• 通过模拟辐射-对流平衡来估算在CO₂浓度加倍条件下地表温度的变化，涵盖固定绝对湿度和固定相对湿度的情景。
• 采用假干绝热直减率来模拟对流层温度廓线，以考虑水汽凝结释放的潜热。
• 计算并比较了大气顶（TOA）光谱辐射通量与不同气候区（包括撒哈拉、地中海和南极）的卫星观测数据。
• 通过将模型模拟的大气顶辐射强度与实际卫星光谱对比，验证了计算中未包含CO₂或H₂O连续谱项的合理性，结果表现出极佳的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在光学薄与当前大气条件下，H₂O、CO₂、O₃、N₂O和CH₄的单位分子辐射强迫如何变化？
• RQ2 温室气体之间的饱和效应和谱带重叠在多大程度上抑制了辐射强迫？
• RQ3 在考虑辐射-对流平衡和水汽反馈的情况下，CO₂浓度加倍导致的地表温度变化是多少？
• RQ4 在未包含CO₂或H₂O连续谱项的情况下，逐线模型计算是否能准确再现卫星测量的大气顶光谱辐射强度？
• RQ5 在固定绝对湿度、固定相对湿度以及假干绝热直减率假设下，气候敏感性如何变化？

主要发现

• 由于极端饱和效应，当前浓度下H₂O和CO₂的单位分子强迫被抑制了四个数量级，而O₃、N₂O和CH₄则受到的抑制较轻。
• 在当前浓度下，O₃、N₂O和CH₄的单位分子强迫比H₂O或CO₂高出两到三个数量级。
• 由于饱和效应，CO₂、N₂O或CH₄浓度加倍仅使辐射强迫增加百分之几。
• 模型模拟的大气顶光谱辐射强度在不同纬度区域与卫星观测数据高度一致，验证了逐线计算方法的有效性。
• 气候敏感性估计值为：固定绝对湿度下为1.4 K，固定相对湿度且采用假干绝热直减率下为2.2–2.3 K，与其他研究结果一致。
• 计算中未包含CO₂或H₂O连续谱项对大气顶辐射通量的影响可忽略不计，这一结论得到卫星数据一致性的证实。