人為熱釋放：全球分布的估算及其氣候效應(yīng)的探索

陳兵　陳良富　董理　石廣玉中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京000中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LASG），北京0009

人為熱釋放：全球分布的估算及其氣候效應(yīng)的探索

陳兵1, 2陳良富1董理2石廣玉2
1中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所遙感科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100101
2中國科學(xué)院大氣物理研究所大氣科學(xué)和地球流體力學(xué)數(shù)值模擬國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（LASG），北京100029

陳兵，陳良富，董理，等. 2016. 人為熱釋放：全球分布的估算及其氣候效應(yīng)的探索 [J]. 大氣科學(xué)，40 (2): 289–295. Chen Bing, Chen Liangfu, Dong Li, et al. 2016. Estimating the global distribution of anthropogenic heat release and exploring its possible climatic effect [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (2): 289–295, doi:10.3878/j.issn.1006-9895.1504.14268.

人類生產(chǎn)和生活中大量消費(fèi)各種形式的能源，除了向大氣里排放溫室氣體和氣溶膠外，還釋放大量熱量。人為熱釋放伴隨著人類社會(huì)發(fā)展而長期存在，隨著全球人口增長和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，其影響效應(yīng)不斷加劇。人為熱釋放具有典型地域集中、不均勻分布的特征：雖然全球平均人為熱釋放通量僅約為0.03 W m?2，在人口密集的城市地區(qū)，人為熱釋放可高達(dá)每平方米數(shù)百瓦，足以影響局地氣候。伴隨全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人口的增長及城市化進(jìn)程的加劇，人為熱釋放分布更集中，影響氣候的范圍逐步擴(kuò)大，其對(duì)氣候的影響能力逐步增強(qiáng)。全球氣候模式的結(jié)果表明：人為熱釋放能夠?qū)θ虼髿猸h(huán)流產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到全球氣候變化。人為熱釋放可以導(dǎo)致全球地表溫度增溫約0.06 K，500 hPa溫度場平均升溫約0.04 K，尤其對(duì)北半球中高緯度升溫效應(yīng)明顯。研究結(jié)果表明，人為熱釋放雖然沒有溫室氣體如二氧化碳等影響因子對(duì)全球氣候的影響那么顯著，但是其仍然能夠?qū)θ驓夂虍a(chǎn)生影響，是全球氣候變化不可忽視的影響因子。

1　引言

近百年來全球氣候發(fā)生了巨大的變化，人類活動(dòng)被認(rèn)為很可能是導(dǎo)致氣候變化的關(guān)鍵因素（IPCC，2013）。人類生產(chǎn)和生活中大量消費(fèi)各種形式的能源，最終的結(jié)果除了向大氣里排放溫室氣體和氣溶膠外，同時(shí)釋放大量熱量，這種熱量稱為人為熱釋放（Anthropogenic Heat Release）。人類活動(dòng)消費(fèi)各類能源，對(duì)氣候產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，其中溫室效應(yīng)被認(rèn)為是造成全球氣候變化的主要因素之一。

地球氣候變化驅(qū)動(dòng)力主要包括自然因素（如太陽活動(dòng)、火山噴發(fā)、地球軌道變化等）和人為因素（如化石燃料和生物質(zhì)燃燒、溫室氣體的排放等）。各氣候因子之間共同作用影響著全球氣候變化。根據(jù)IPCC AR5（the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change）的結(jié)論（IPCC, 2013），從1750年歐洲工業(yè)革命以來，人類活動(dòng)對(duì)于氣候的總體影響是增暖效應(yīng)，人類活動(dòng)總的影響造成的輻射強(qiáng)迫約為2.29 [1.13～3.33] W m?2?，F(xiàn)階段人口增加和GDP（Gross Domestic Product）增長跟能源消費(fèi)成正相關(guān)（Tucker, 1995; Dietz and Rosa, 1997; 石廣玉，2007；陳兵等，2011），各種能源消費(fèi)的最終結(jié)果是向大氣排放熱量，即使不使用化石燃料，改用其他清潔能源或可再生能源，諸如太陽能、核能等，可以減緩大氣溫室氣體濃度的增加，但不能根本減少人為熱釋放的排放。

人為熱釋放是伴隨著近代工業(yè)革命以來，人類大量使用化石燃料而產(chǎn)生的。隨著全球人口的增長和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，伴隨著全球城市化的發(fā)展，已經(jīng)具有了影響局地氣候的能力（IPCC, 2007）。人為熱釋放具有分布嚴(yán)重不均，局地集中的特征。在人為熱釋放聚集的地區(qū)可能高達(dá)1000 W m?2以上（Ichinose et al., 1999），而在荒無人煙的荒漠等地區(qū)，人為熱釋放幾乎為0。因此我們不能從全球平均的角度看待人為熱釋放的氣候效應(yīng)。

人為熱釋放作為地氣系統(tǒng)中外加的強(qiáng)迫熱源，可以導(dǎo)致地氣系統(tǒng)的近地層能量收支受到擾動(dòng)。人為熱釋放可以增加近地層大氣的感熱和潛熱，以及升高近地層空氣的溫度，進(jìn)而對(duì)城市局地氣候、區(qū)域氣候產(chǎn)生影響（Oke, 1988; Taha, 1997; Fan and Sailor, 2005）。研究發(fā)現(xiàn)，人為熱釋放對(duì)城市熱島具有重要作用（佟華等，2004；Crutzen, 2004; Oleson et al., 2010），可以使全球表面增溫，并對(duì)邊界層高度有明顯增加作用，可能對(duì)氣溶膠的擴(kuò)散和化學(xué)—?dú)夂蜻^程造成影響（Flanner, 2009）。目前雖然人為熱釋放通量全球表面平均大約為0.03 W m?2，全球陸地平均約為0.10 W m?2，但是全球人為熱釋放的分布具有局地集中的特點(diǎn)（Chen and Shi, 2012），其通量在人口稠密、工業(yè)發(fā)達(dá)的地區(qū)可以高達(dá)每平方米數(shù)百瓦。Ichinose et al.（1999）對(duì)東京市區(qū)的人為熱釋放研究表明，在東京市中心超過了400 W m?2，冬季最大峰值達(dá)到了1590 W m?2，明顯具有影響局地氣候的能力（IPCC, 2007）?？紤]到城市化的發(fā)展，全球人口區(qū)域分布將更加集中，未來人口將有60億人聚集在城市里（McCarthy et al., 2010）。隨著全球能源需求的增加，全球城市化導(dǎo)致的人口分布相對(duì)更加集中，人為熱釋放對(duì)氣候影響能力將持續(xù)增強(qiáng)。因此人為熱釋放的氣候效應(yīng)不局限于區(qū)域尺度，對(duì)全球氣候都能夠會(huì)產(chǎn)生影響（石廣玉，2007；陳兵等，2011；Chen et al., 2012; Chen and Shi, 2012）。

2　全球人為熱釋放分布的估算

一般而言，人為熱釋放的來源分為來自人體新陳代謝產(chǎn)生的熱量和來自經(jīng)濟(jì)活動(dòng)中的能源消費(fèi)（Sailor and Lu, 2004），并以后者為主。近來針對(duì)人為熱釋放的研究主要集中于局地的人為熱釋放通量（Ichinose et al., 1999; Makar, 2006; Smith et al., 2009; Lee et al., 2009）。為了解決以往研究集中于局部地區(qū)及對(duì)于人為熱釋放的分布格點(diǎn)的估算過于粗糙等問題，Chen et al.（2012）利用經(jīng)濟(jì)發(fā)展和能源消費(fèi)的關(guān)系，結(jié)合NOAA的DMSP/OLS（Defense Meteorological Satellite Program System/Operational Linescan System）數(shù)據(jù)優(yōu)勢和特點(diǎn)，研究了中國區(qū)域1992年到2009年人為熱釋放的分布估算和發(fā)展過程。DSMP/OLS數(shù)據(jù)是美國國防氣象衛(wèi)星DMSP使用OLS傳感器的紅外和近紅外兩個(gè)通道獲取的空間分辨率可達(dá)0.56 km的高精度衛(wèi)星數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)具有連續(xù)觀測時(shí)間長和高精度的時(shí)間和空間分辨率的特征，同時(shí)OLS傳感器具有非常強(qiáng)的探測能力，因此保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性（Elvidge et al., 1997）。DMSP/OLS數(shù)據(jù)被廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)GDP評(píng)估、人口和能源消費(fèi)的估算等研究領(lǐng)域（Elvidge et al., 1997; Ghosh et al., 2009; Letu et al., 2010）?；贒MSP/OLS數(shù)據(jù)的以上特征，因此采用DMSP/OLS資料預(yù)估全球人為熱釋放具有科學(xué)的理論基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，NOAA的DMSP/OLS數(shù)據(jù)跟人為熱釋放通量有強(qiáng)烈的線性相關(guān)性，并且利用DMSP/OLS數(shù)據(jù)可以很好反映出隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長的發(fā)展，人為熱釋放的不斷發(fā)展和影響范圍逐步擴(kuò)大的過程（Chen et al., 2012）。根據(jù)中國統(tǒng)計(jì)局能源統(tǒng)計(jì)消費(fèi)資料（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/[2015 -03-30]），結(jié)合國際能源署IEA（http://www. iea.org/[2015-03-30]）和美國能源信息署EIA （http://www.eia.gov/[2015-03-30]）的資料，應(yīng)用DMSP/OLS衛(wèi)星數(shù)據(jù)估算2010年全球人為熱釋放年平均通量的分布如圖1所示。

圖1　2010年全球人為熱釋放通量的估算分布（單位：W m?2；分辨率：0.1°×0.1°）Fig. 1　Estimation of the global distribution of anthropogenic heat release (AHR) in 2010 (units: W m?2; resolution: 0.1°×0.1°)

如圖1所示，全球人為熱釋放分布很不均勻，具有地域集中的特征，跟經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口分布緊密關(guān)聯(lián)。人為熱釋放聚集的地區(qū)總體上是經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、人口稠密的區(qū)域；反之，人為熱釋放較小的地區(qū)一般多為人煙稀少的荒漠、森林等地。全球人為熱釋放集中地區(qū)主要包括北美東部、南美東南部、歐洲以及東亞和南亞地區(qū)。目前從人為熱釋放分布圖來看，高值地區(qū)年平均人為熱釋放通量可以達(dá)到每平方米數(shù)十瓦的量級(jí)?？紤]到全球人口的增長以及能源需求的提高，伴隨著城市化進(jìn)程的加劇，人為熱釋放有發(fā)展成大區(qū)域片狀分布的趨勢。人為熱釋放的集中區(qū)域?qū)夂虻挠绊懩芰⒅鸩皆鰪?qiáng)，其氣候效應(yīng)值得密切關(guān)注。

為了檢驗(yàn)應(yīng)用DMSP/OLS數(shù)據(jù)得到的全球人為熱釋放的估算可能存在的誤差，將估算結(jié)果與統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行對(duì)比。具體方法是，針對(duì)中國區(qū)域，參考2010年中國統(tǒng)計(jì)局的能源消費(fèi)資料，實(shí)現(xiàn)各省區(qū)內(nèi)各個(gè)格點(diǎn)的累加，得到各省區(qū)每年的能源消費(fèi)的估算，與統(tǒng)計(jì)資料進(jìn)行對(duì)比。分析結(jié)果顯示，總體上應(yīng)用DMSP/OLS衛(wèi)星數(shù)據(jù)得到的人為熱釋放分布與統(tǒng)計(jì)資料吻合非常好（Chen et al., 2012）。同樣將應(yīng)用DMSP/OLS得到2006年全球分布與國際能源署IEA和美國能源信息署EIA的能源消費(fèi)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)比，結(jié)果顯示誤差在30%以內(nèi)（Chen and Shi, 2012）?？傮w上，采用DMSP/OLS數(shù)據(jù)估算的全球人為熱釋放分布誤差在合理的范圍以內(nèi)，估算較為合理準(zhǔn)確，其優(yōu)勢在于獲得全球范圍內(nèi)高精度格點(diǎn)的（最小格點(diǎn)可達(dá)1 km×1 km）資料以及可以反映出人為熱釋放伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展而不斷加劇的過程，為實(shí)現(xiàn)用氣候模式研究人為熱釋放的氣候效應(yīng)提供了可能。

3　未來全球人為熱釋放分布的估算

從歐洲工業(yè)革命至今，人類社會(huì)生產(chǎn)和生活方式發(fā)生了很大的變革。從二十世紀(jì)初至今，世界人口增長了四倍多，一次能源消費(fèi)增長了22.5倍（BP，2011）。從1965年到2012年全球能源消費(fèi)總量（BP，2014）變化趨勢如圖2所示。

圖2　1965～2012年全球能源消費(fèi)總量變化趨勢[單位：Mtoe（百萬噸標(biāo)準(zhǔn)油）]Fig. 2　Global total energy consumption from 1965 to 2012 [units: Mtoe (Million tons of oil equivalent )]

1965～2012年間，全球能源呈現(xiàn)急速增長的趨勢，全球能源消費(fèi)總量增長了三倍多，全球平均人為熱釋放通量從不足0.01 W m?2增長到0.03 W m?2。根據(jù)英國石油公司BP（2011）發(fā)布的《Energy Outlook 2030》預(yù)計(jì)的人類社會(huì)人口增長和能源消費(fèi)增長的情景（BP, 2011），忽略城市人口遷移等因素，預(yù)估到2100年全球人為熱釋放分布如圖3所示。

圖3　預(yù)估2100年全球人為熱釋放通量的分布（單位：W m?2）Fig. 3　Estimation of the global distribution of AHR in the year 2100 (units: W m?2)

比較圖1和圖3，可以看出人為熱釋放增長明顯，在人為熱分布集中區(qū)域如歐洲、北美中東部以及東亞等大片地區(qū)，人為熱釋放年平均通量達(dá)到能夠影響局地氣候的程度，但又不僅僅局限于區(qū)域氣候。人為熱釋放具有典型地域分布不均的特征，可能對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響。人類社會(huì)的城市化發(fā)展使得人口分布更加集中，并且能源需求也將提高。人為熱釋放必將隨著人類社會(huì)的發(fā)展而不斷加劇和發(fā)展。因此，人為熱釋放在氣候變化中的作用是不能被忽視的。

4　人為熱釋放全球氣候效應(yīng)的探索

為了檢驗(yàn)人為熱釋放的氣候效應(yīng)，將估算的全球人為熱釋放格點(diǎn)分布耦合到全球格點(diǎn)氣候模式GAMIL中。GAMIL氣候模式是由中國科學(xué)院大氣物理研究所國家重點(diǎn)試驗(yàn)室LASG開發(fā)的，其基本物理框架基于美國大氣研究中心（NCAR）的Community Atmosphere Model（CAM），并且參加了一系列諸如AMIP (Atmospheric ModelIntercomparison Project), CliPAS (Climate Prediction and its Application to Society), C20C (Climate of the 20th Century) 等國際模式比較計(jì)劃，和IPCC AR4、AR5的氣候變化研究，具有較好的模式性能（Li et al., 2013）。應(yīng)用NOAA的DMSP/OLS資料，可以得到1992～2009年全球高精度的人為熱釋放的分布（Chen and Shi, 2012）。人為熱釋放可以加熱近地層大氣，對(duì)近地層大氣的能量平衡產(chǎn)生影響。由于人為熱釋放排放集中于近地層大氣，人為熱釋放被地表和近地層大氣完全吸收后轉(zhuǎn)化成向上的長波輻射，因此將人為熱釋放作為長波輻射考慮到氣候模式中。將1992～2009年全球人為熱釋放格點(diǎn)分布耦合到GAMIL氣候模式中。本試驗(yàn)中模式分辨率為2.8°×2.8°，模式運(yùn)行時(shí)間是從1992到2009年，為了減少模式誤差，只取2000～2009年這10年的模式結(jié)果進(jìn)行分析。模式研究得到人為熱釋放對(duì)全球地表溫度和500 hPa溫度場的影響如圖4和圖5所示。

圖4　能源消費(fèi)導(dǎo)致的人為熱釋放對(duì)全球地表溫度（單位：K）的影響（Chen et al., 2014）Fig. 4　Effect of AHR on global surface temperature (units: K) (Chen et al., 2014)

圖5　能源消費(fèi)導(dǎo)致的人為熱釋放對(duì)全球500 hPa溫度場（單位：K）的作用Fig. 5　Effect of AHR on global 500-hPa temperature field (units: K)

根據(jù)圖4和圖5所示，人為熱釋放對(duì)全球平均地表升溫約0.06 K，對(duì)500 hPa溫度場平均升溫約0.04 K，其中北半球中高緯度的升溫效果比較明顯。地表升溫地區(qū)集中于北美中高緯地區(qū)以及亞歐大陸東部和30°N～60°N地區(qū)；500 hPa溫度場上，升溫較大的地區(qū)集中于北美洲東部和北部地區(qū)，亞洲東部和中部地區(qū)以及南美洲的東南部地區(qū)，增暖中心升溫可達(dá)1～2 K。通過對(duì)比圖4和圖5，可以發(fā)現(xiàn)人為熱釋放導(dǎo)致的全球不同高度上大氣升溫效果存在差異。這個(gè)差異可能對(duì)大氣的垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響。圖4和圖5跟圖1進(jìn)行比較可以看出，近地層升溫顯著的地區(qū)跟人為熱釋放分布集中地區(qū)并不完全重合。這意味著，人為熱釋放不僅能對(duì)局地氣候產(chǎn)生影響，而且可能對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響。最新的研究結(jié)果（Chen et al., 2014; Zhang et al., 2013）表明，全球人為熱釋放可以影響大氣運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致北半球中高緯度地區(qū)升溫明顯，進(jìn)而影響全球氣候。研究全球人為熱釋放的分布以及人為熱釋放的全球氣候效應(yīng)對(duì)研究全球變暖具有重要的科學(xué)意義。

5　結(jié)語和展望

本文采用了NOAA的DMSP/OLS數(shù)據(jù)估算全球人為熱釋放的分布，并且根據(jù)未來全球人口和能源增長的情景預(yù)估了到2100年全球人為熱釋放分布。將人為熱釋放引入全球氣候模式，探索人為熱釋放的氣候效應(yīng)。

人為熱釋放的全球分布具有典型不均勻分布的特征，已經(jīng)具有影響局地氣候效應(yīng)的能力。伴隨著全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城市化進(jìn)程的加劇，人為熱釋放氣候影響能力也將擴(kuò)大。這也暗示了人為熱釋放可能對(duì)全球氣候產(chǎn)生影響（Nordell, 2003; Block et al., 2004; Feng et al., 2012; Zhang et al., 2013，Chen et al., 2014）。從對(duì)氣候的影響時(shí)間尺度上來說，人為熱釋放會(huì)一直伴隨著人類社會(huì)發(fā)展而存在。人類社會(huì)的發(fā)展離不開對(duì)能源的需求，而能源消費(fèi)的最終結(jié)果是排放人為熱釋放。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的增加，以及全球城市化進(jìn)程的加劇，人為熱釋放分布相對(duì)集中的趨勢會(huì)更加明顯，人為熱釋放對(duì)氣候的影響力在逐步加強(qiáng)。模式結(jié)果說明，人為熱釋放可以導(dǎo)致北半球中高緯度升溫明顯。人為熱釋放雖然沒有溫室氣體對(duì)全球氣候的影響那么顯著，但仍然是全球氣候變化不可忽視的影響因子。

本研究應(yīng)用全球氣候模式研究人為熱釋放的氣候效應(yīng)，處于初步探索階段。模式結(jié)果也存在一定不確定性，需要繼續(xù)深入研究。人為熱釋放作為人類活動(dòng)影響氣候的一方面，其在城市氣候以及區(qū)域乃至全球氣候變化中的作用都是不能忽視的。人為熱釋放的全球氣候效應(yīng)值得深入探索，這對(duì)于研究人類活動(dòng)對(duì)氣候的影響和極端氣候等研究領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Estimating the Global Distribution of Anthropogenic Heat Release and Exploring Its Possible Climatic Effect

CHEN Bing1, 2, CHEN Liangfu1, DONG Li2, and SHI Guangyu2
1 State Key Laboratory of Remote Sensing Science, Institute of Remote Sensing and Digital Earth, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100101
2 The State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029

Anthropogenic Heat Release (AHR), which is produced through the consumption process of all kinds of energy resources in human society, will increase with the development of the global economy and expansion of the population. The present study shows that the global distribution of AHR is geographically concentrated and fundamentally correlated with economic activity. The global mean flux of AHR is just 0.03 W m?2, but in populated urban regions it may reach several hundred watts per square meter—A high enough level to affect regional climate. Theclimatic effect of AHR will increase with the development of global urbanization, implying that AHR may affect the global climate. Global climate model results in the present study show that AHR could have a significant impact on the surface temperature at mid and high latitudes over the Northern Hemisphere, leading to a 0.06 K increase in surface temperature and a 0.04 K increase at 500 hPa. Although AHR does not have as significant an impact as greenhouse gases, such as carbon dioxide, it is nonetheless an important climatic factor that should not be ignored in global climate change studies.

Anthropogenic heat release, Global distribution, Climatic effect, Climate change

Funded byThe National Natural Science Foundation of China (Grants 41505126 and 41130528), the China Postdoctoral Science Foundation (Grant 2013M541077), Science and Technology Project of Zhejiang Province (Grant 2012C13011-2), and the Open Project for 2014 of the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics (LASG), Institute of Atmospheric Physics

人為熱釋放全球分布?xì)夂蛐?yīng)氣候變化

1006-9895(2016)02-0289-07

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1504.14268

2014-09-15；網(wǎng)絡(luò)預(yù)出版日期2015-04-20

陳兵，男，1985年出生，博士，從事氣候變化、大氣環(huán)境與大氣物理學(xué)方面的研究。E-mail: chenbing@mail.iap.ac.cn

石廣玉，E-mail: shigy@mail.iap.ac.cn

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目41505126、41130528，中國博士后科學(xué)基金2013M541077，浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目2012C13011-2，2014年中國科學(xué)院大氣物理所LASG國家重點(diǎn)試驗(yàn)室開放課題