主题：【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？十 气溶胶 -- 橡树村
前面讲过，在地球的总能量平衡里面，地表对太阳光的反照也贡献了不小的比例，将近10%的太阳光直接被地表反照。地表对太阳光的反照显然与地表本身的颜色、植被、地形、地貌有关。而人类工业活动以来，大规模改变了不少地方的地表覆盖物，这些变化，就会对地表对太阳光的反照造成影响。比如人类把大量的森林开辟出来，成为农田、牧场，就可以直接改变这个地区地表对太阳的反照程度。农田与森林的反照有很明显的区别，由于森林植被茂密，形状也不一，高低不齐，森林对太阳的反照就要少一些，而农田相对来讲整齐划一，也普遍比较低矮，这样对太阳的反照就要多一些。另外，在降雪的时候，森林很难会完全被大雪覆盖，总是有很多高耸的树木露出来，从而降低雪地对太阳光的反照，而农田基本上是一片平地，被大雪覆盖后比较均匀，对太阳光的反照就会比较强烈。
人类自1750年以来对地表的影响
上图：重建的没有人类影响的地面植被；下图：1750年与1990年农业（中）与农牧业（下）的比较
在1750年，人类农牧业用地的总面积估计是790到920万平方公里之间，占地球陆地面积的7%到9%。这些土地主要分布在欧洲、印度恒河平原，当然还有中国。然后，人类的农牧业用地就一直在增加，在1850年到1950年之间的农牧业用地增长非常迅速，到了1950年前后达到最高值。从1950年开始，农牧业用地总面积基本上稳定，并略有减少。到1990年，人类农牧业用地总量是4570到5130万平方公里，占地球陆地面积的35%到39%。和这个数值相对应的，就是森林覆盖面积的减少，估计森林减少了1100万平方公里。1950年代以后西欧和美国都有大量农牧业土地被废弃，这些地表重新被森林覆盖，与此同时，美洲、非洲和亚洲热带雨林在迅速消失，变成农牧业用地。
前面讲了，森林成为农牧业用地，会导致地表对太阳光的反照程度增加，但是对这个反照程度的估计可不这么容易，需要考虑的因素很多。不同的植被是有不同的反照率的，同样的植物，不同的生长阶段的反照情况也是有很大差异的，所以要得到可靠的反照估计，就需要对于全球各个地方不同时期所种植的植物有所了解，需要了解其播种、成长、和收割的时间等等。可以想象收集这些数据的难度。这个方面现在有了几个根据卫星扫描得到的数据库，有的已经可以精确到一公里分辨率，进步不小，一些研究者已经开始根据这些数据库来对反照的变化进行估算。因为IPCC比较的是1750年与现在的差别，那么1750年的状况是什么样子的，也是需要了解的。这就产生了很大的差别，不同研究者对于历史数据有不同的视角和解读方法，导致计算结果有很大的差异。已经有研究者把1750年的植被情况复原到经纬度半度的分辨率，是很不错的成绩了。其他会对估算造成影响的，还有对雪面的估计，比如积雪多长时间，是否可以覆盖地表和植被等等。综合起来，AR4采用的数据，是1750年以来因为土地改变对地表直接反射造成的影响，其辐射强迫是-0.2+-0.2W/m2，基本上说是一个不算很小的负方向的辐射强迫。目前科学界对这个问题的认识程度是中等。
雪对森林和农田的覆盖是不同的
人类向大气中排放的各种气溶胶最终都会降落到地表。气溶胶特别是炭黑沉积到雪面冰面上就会降低地表对太阳光的反照，从而导致一个正方向的辐射强迫。这方面需要考虑炭黑和雪究竟是怎么混合的，炭黑的大小等等因素，涉及到的面积也是一个不确定因素。相关研究有限，AR4采用的数值，是辐射强迫为+0.10+-0.10W/m2，认识程度低。
人类对地表的改变还会带来一些更加复杂的影响。比如直接改变地表的辐射率，比如对水的输送和挥发的影响改变水汽的运动模式，改变潜热和焓的比值（鲍文比Bowen Ratio，衡量传导与挥发潜热的比值的参数，气象学的一个重要参数），改变空气动力学粗糙度（影响大气的摩擦拽力和热量以及水汽传输的参数）。这些奇怪的气象学名词，都会对接近地表的空气温度造成影响，会对湿度有所影响，影响降雨，也会影响风速。比如人类的灌溉行为就可以改变地表的水汽输送，从而影响地表的能量平衡。人类使用水导致的挥发只占大自然水挥发量的1%，其中70%的用水目的是灌溉。灌溉对温度、湿度、降雨的影响还是有的，甚至对全球的温度和湿度都有影响。比如有研究说亚洲的农业灌溉导致了对流层底部水蒸气含量增加1%，导致+0.03W/m2的辐射强迫。不过，灌溉导致的挥发增加，实际上把地表的能量带入到大气中，在地面，会导致温度降低，同时，灌溉用水也会对大自然的水循环造成干扰。森林减少也会影响水的挥发，等等。这些因素更多的要归结到非辐射强迫里面，不能用套用辐射强迫的概念。人类使用化石燃料也会导致水蒸气的排放，这方面的影响远远低于灌溉用水的影响。总的来说，这方面的认识水平还非常低。
灌溉会影响水的分布，水的挥发，进而影响地表的能量变化
还有很多很复杂的作用。比如农田本身对尘土也有影响，这里面也会对辐射强迫产生贡献。人类排放的一些气体，比如二氧化碳，会影响植物的呼吸作用，从而对鲍文比产生影响，进而影响其他。不过这些因素里面，有一些属于强迫，有一些属于反馈，很多时候很难分辨。这些都归结到非辐射强迫里面，并不在辐射强迫的概念内讨论。对这些问题的认识程度也还很低。
人类活动在地表直接释放的能量，比如加热建筑物、大型机械的工作、汽车里面内燃机的燃烧等等，也会把能量排放到环境里面。这个因素不会对辐射强迫直接产生影响，但是与地球的总能量平衡有关，也可以用W/m2来衡量。这些人类直接的能量排放，基本上都集中在城市里面。在人口集中的地方，人类把大量能量排放到环境里面，影响当地的能量平衡。在城市，这个能量可以达到65W/m2，还是很大的数值。即使没有这些能量排放，因为城市内缺少植被，也会造成城市热岛效应。一个对东京的研究说，在白天，这个数值可以达到平均 400W/m2，而在冬季可以达到 1590W/m2。不过这个因素对于城市气候影响虽然很重要，但是在全球尺度，仍然是一个很小的因素。毕竟城市的面积仅仅占地表面积的 0.046%，全球平均下来，仅有0.03W/m2，对总能量平衡贡献微乎其微。
城市热岛效应
讨论到这里，人类行为对辐射强迫的影响基本上就讨论完了。有人提出水蒸气这么重要的温室气体为什么不讨论，这里简单解释几句。某个因素能不能归结到这里面研究的辐射强迫里面，要看这个因素从1750年以来有没有自主的变化。也就是说，这个变化是因为大自然自身的变化，或者人类的行为导致的变化，并且，这个变化是自己发生的，不依赖其他原因。只有符合这个条件，才能归结到辐射强迫里面。水蒸气并不能自己主动变化，只能根据环境的变化而变化，是很多变化的结果。当然水蒸气在被动变化之后，会对其发生的原因产生增强或者减弱的影响，但是，这样的行为，是作为反馈来讨论的，而不是强迫。所以除了前面提到了人类灌溉对水蒸气的影响，水蒸气的研究都不列入辐射强迫。这不等于水蒸气的行为不被考虑。在所有的气候变化模型里面，水蒸气都是非常重要的因素。在影响水蒸气的行为的各个因素里面，可能气溶胶的作用是最重要的，要高于其他因素的影响，但是这方面的研究还很不充分。
总结一下AR4里面研究的人类活动导致的辐射强迫。温室气体，二氧化碳 +1.66+-0.17W/m2，甲烷 +0.48+-0.02W/m2，氧化亚氮 +0.16+-0.02W/m2，氟氯烃 +0.32+-0.03W/m2，对流层臭氧 +0.35[+0.25~+0.65]W/m2，平流层臭氧 -0.05+-0.10W/m2，甲烷导致的平流层水汽增加 +0.07+-0.05W/m2。这些因素的估计，因为研究的相对比较充分，作用机理也比较简单，误差范围都比较小，研究的可靠性也比较高。这些因素之间又相互影响，所以不能简单相加。温室气体的总贡献被估算为 +2.63+-0.23W/m2，比这些数值的和要低。
剩下的两个重要因素的研究水平就要差很多了。气溶胶的直接效应导致的辐射强迫估计为 -0.5+-0.4W/m2，间接效应导致的辐射强迫估计为 -0.7[-0.3~-1.8]W/m2，航迹云的辐射强迫 +0.01[+0.003~+0.03]W/m2。土地变化的影响 -0.2+-0.2W/m2，气溶胶沉降对地表反照的影响是 +0.1+-0.1W/m2。这些因素，大部分都是造成负的辐射强迫的因素，误差几乎都可以达到100%甚至超过100%，导致的绝对数值的变化也很大，研究水平也不高。在这些领域的深入研究有可能会对人类活动影响的结论产生不小的影响。
人类行为的总影响，被估算为 +1.6[+0.6~+2.4]W/m2，或者说是从+0.6W/m2到+2.4W/m2之间。这个数值范围还是不小的。
人类影响造成的辐射强迫
温室气体的影响还有一个复杂的问题，在于温室气体在大气中的存在是有一定时间的，而对于不同的温室气体，这个时间还是有很大区别的。这方面，已经有很系统的关于具体某种温室气体在大气中留存寿命的研究，并引入了一个叫做全球变暖潜势GWP的概念，对这些温室气体在不同时间尺度下的影响进行量度。比如同样量的二氧化碳和甲烷，20年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势为1的话，甲烷就是72，而到了100年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势仍然是1，甲烷已经下降到了25，到了500年的时候，二氧化碳的全球变暖潜势仍然是1，甲烷的则已经降低到了7.6。其他所有温室气体都有着一系列数值。
温室气体的时间效应
人类的影响说完了，那么，和大自然自身的变化相比，人类的影响究竟是大还是小呢？
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🙂自旋不为零的粒子都有磁场 橡树村 字123 2010-01-22 20:17:34
🙂电磁场的作用还不清楚 1 快乐是什么 字320 2010-01-21 16:50:17
🙂抢个村长沙发 1 bigsk 字0 2010-01-21 04:01:42
🙂【读书笔记】IPCC究竟讲了什么？11 土地变化及其他
😄出宝了，地面反射率有增加 1 抱朴仙人 字153 2010-01-21 03:38:49
🙂只有那一个机构--IPCC在干这个活吗? 1 月色溶溶 字68 2010-01-19 20:15:16
🙂IPCC只是收集整理资料的 1 橡树村 字144 2010-01-19 20:28:54
🙂对我来说新鲜词不少:气溶胶, 3 月色溶溶 字158 2010-01-18 05:27:54