人為熱釋放：全球分布的估算及其氣候效應的探索

陳兵　陳良富　董理　石廣玉中國科學院遙感與數字地球研究所遙感科學國家重點實驗室，北京000中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室（LASG），北京0009

人為熱釋放：全球分布的估算及其氣候效應的探索

陳兵1, 2陳良富1董理2石廣玉2
1中國科學院遙感與數字地球研究所遙感科學國家重點實驗室，北京100101
2中國科學院大氣物理研究所大氣科學和地球流體力學數值模擬國家重點實驗室（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的探索 [J]. 大氣科學，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.

人類生產和生活中大量消費各種形式的能源，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發展而長期存在，隨著全球人口增長和經濟發展，其影響效應不斷加劇。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，人為熱釋放可高達每平方米數百瓦，足以影響局地氣候。伴隨全球經濟的發展，人口的增長及城市化進程的加劇，人為熱釋放分布更集中，影響氣候的范圍逐步擴大，其對氣候的影響能力逐步增強。全球氣候模式的結果表明：人為熱釋放能夠對全球大氣環流產生影響，進而影響到全球氣候變化。人為熱釋放可以導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，尤其對北半球中高緯度升溫效應明顯。研究結果表明，人為熱釋放雖然沒有溫室氣體如二氧化碳等影響因子對全球氣候的影響那么顯著，但是其仍然能夠對全球氣候產生影響，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生了巨大的變化，人類活動被認為很可能是導致氣候變化的關鍵因素（IPCC，2013）。人類生產和生活中大量消費各種形式的能源，最終的結果除了向大氣里排放溫室氣體和氣溶膠外，同時釋放大量熱量，這種熱量稱為人為熱釋放（Anthropogenic Heat Release）。人類活動消費各類能源，對氣候產生了深遠的影響，其中溫室效應被認為是造成全球氣候變化的主要因素之一。

地球氣候變化驅動力主要包括自然因素（如太陽活動、火山噴發、地球軌道變化等）和人為因素（如化石燃料和生物質燃燒、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IPCC AR5（the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change）的結論（IPCC, 2013），從1750年歐洲工業革命以來，人類活動對于氣候的總體影響是增暖效應，人類活動總的影響造成的輻射強迫約為2.29 [1.13～3.33] W m?2。現階段人口增加和GDP（Gross Domestic Product）增長跟能源消費成正相關（Tucker, 1995; Dietz and Rosa, 1997; 石廣玉，2007；陳兵等，2011），各種能源消費的最終結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革命以來，人類大量使用化石燃料而產生的。隨著全球人口的增長和經濟的發展，伴隨著全球城市化的發展，已經具有了影響局地氣候的能力（IPCC, 2007）。人為熱釋放具有分布嚴重不均，局地集中的特征。在人為熱釋放聚集的地區可能高達1000 W m?2以上（Ichinose et al., 1999），而在荒無人煙的荒漠等地區，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。

人為熱釋放作為地氣系統中外加的強迫熱源，可以導致地氣系統的近地層能量收支受到擾動。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，進而對城市局地氣候、區域氣候產生影響（Oke, 1988; Taha, 1997; Fan and Sailor, 2005）。研究發現，人為熱釋放對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，并對邊界層高度有明顯增加作用，可能對氣溶膠的擴散和化學—氣候過程造成影響（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（Chen and Shi, 2012），其通量在人口稠密、工業發達的地區可以高達每平方米數百瓦。Ichinose et al.（1999）對東京市區的人為熱釋放研究表明，在東京市中心超過了400 W m?2，冬季最大峰值達到了1590 W m?2，明顯具有影響局地氣候的能力（IPCC, 2007）。考慮到城市化的發展，全球人口區域分布將更加集中，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，全球城市化導致的人口分布相對更加集中，人為熱釋放對氣候影響能力將持續增強。因此人為熱釋放的氣候效應不局限于區域尺度，對全球氣候都能夠會產生影響（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生的熱量和來自經濟活動中的能源消費（Sailor and Lu, 2004），并以后者為主。近來針對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及對于人為熱釋放的分布格點的估算過于粗糙等問題，Chen et al.（2012）利用經濟發展和能源消費的關系，結合NOAA的DMSP/OLS（Defense Meteorological Satellite Program System/Operational Linescan System）數據優勢和特點，研究了中國區域1992年到2009年人為熱釋放的分布估算和發展過程。DSMP/OLS數據是美國國防氣象衛星DMSP使用OLS傳感器的紅外和近紅外兩個通道獲取的空間分辨率可達0.56 km的高精度衛星數據。該數據具有連續觀測時間長和高精度的時間和空間分辨率的特征，同時OLS傳感器具有非常強的探測能力，因此保證了數據的準確性（Elvidge et al., 1997）。DMSP/OLS數據被廣泛應用于經濟GDP評估、人口和能源消費的估算等研究領域（Elvidge et al., 1997; Ghosh et al., 2009; Letu et al., 2010）。基于DMSP/OLS數據的以上特征，因此采用DMSP/OLS資料預估全球人為熱釋放具有科學的理論基礎。研究發現，NOAA的DMSP/OLS數據跟人為熱釋放通量有強烈的線性相關性，并且利用DMSP/OLS數據可以很好反映出隨著經濟發展和人口增長的發展，人為熱釋放的不斷發展和影響范圍逐步擴大的過程（Chen et al., 2012）。根據中國統計局能源統計消費資料（http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/[2015 -03-30]），結合國際能源署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，應用DMSP/OLS衛星數據估算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，跟經濟發展和人口分布緊密關聯。人為熱釋放聚集的地區總體上是經濟發達、人口稠密的區域；反之，人為熱釋放較小的地區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主要包括北美東部、南美東南部、歐洲以及東亞和南亞地區。目前從人為熱釋放分布圖來看，高值地區年平均人為熱釋放通量可以達到每平方米數十瓦的量級。考慮到全球人口的增長以及能源需求的提高，伴隨著城市化進程的加劇，人為熱釋放有發展成大區域片狀分布的趨勢。人為熱釋放的集中區域對氣候的影響能力將逐步增強，其氣候效應值得密切關注。

為了檢驗應用DMSP/OLS數據得到的全球人為熱釋放的估算可能存在的誤差，將估算結果與統計資料進行對比。具體方法是，針對中國區域，參考2010年中國統計局的能源消費資料，實現各省區內各個格點的累加，得到各省區每年的能源消費的估算，與統計資料進行對比。分析結果顯示，總體上應用DMSP/OLS衛星數據得到的人為熱釋放分布與統計資料吻合非常好（Chen et al., 2012）。同樣將應用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的能源消費統計數據對比，結果顯示誤差在30%以內（Chen and Shi, 2012）。總體上，采用DMSP/OLS數據估算的全球人為熱釋放分布誤差在合理的范圍以內，估算較為合理準確，其優勢在于獲得全球范圍內高精度格點的（最小格點可達1 km×1 km）資料以及可以反映出人為熱釋放伴隨著經濟發展而不斷加劇的過程，為實現用氣候模式研究人為熱釋放的氣候效應提供了可能。

3　未來全球人為熱釋放分布的估算

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

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

1965～2012年間，全球能源呈現急速增長的趨勢，全球能源消費總量增長了三倍多，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。根據英國石油公司BP（2011）發布的《Energy Outlook 2030》預計的人類社會人口增長和能源消費增長的情景（BP, 2011），忽略城市人口遷移等因素，預估到2100年全球人為熱釋放分布如圖3所示。

圖3　預估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域如歐洲、北美中東部以及東亞等大片地區，人為熱釋放年平均通量達到能夠影響局地氣候的程度，但又不僅僅局限于區域氣候。人為熱釋放具有典型地域分布不均的特征，可能對全球氣候產生影響。人類社會的城市化發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的發展而不斷加劇和發展。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的探索

為了檢驗人為熱釋放的氣候效應，將估算的全球人為熱釋放格點分布耦合到全球格點氣候模式GAMIL中。GAMIL氣候模式是由中國科學院大氣物理研究所國家重點試驗室LASG開發的，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，對近地層大氣的能量平衡產生影響。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分布耦合到GAMIL氣候模式中。本試驗中模式分辨率為2.8°×2.8°，模式運行時間是從1992到2009年，為了減少模式誤差，只取2000～2009年這10年的模式結果進行分析。模式研究得到人為熱釋放對全球地表溫度和500 hPa溫度場的影響如圖4和圖5所示。

圖4　能源消費導致的人為熱釋放對全球地表溫度（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　能源消費導致的人為熱釋放對全球500 hPa溫度場（單位：K）的作用Fig. 5　Effect of AHR on global 500-hPa temperature field (units: K)

根據圖4和圖5所示，人為熱釋放對全球平均地表升溫約0.06 K，對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。地表升溫地區集中于北美中高緯地區以及亞歐大陸東部和30°N～60°N地區；500 hPa溫度場上，升溫較大的地區集中于北美洲東部和北部地區，亞洲東部和中部地區以及南美洲的東南部地區，增暖中心升溫可達1～2 K。通過對比圖4和圖5，可以發現人為熱釋放導致的全球不同高度上大氣升溫效果存在差異。這個差異可能對大氣的垂直運動產生影響。圖4和圖5跟圖1進行比較可以看出，近地層升溫顯著的地區跟人為熱釋放分布集中地區并不完全重合。這意味著，人為熱釋放不僅能對局地氣候產生影響，而且可能對全球氣候產生影響。最新的研究結果（Chen et al., 2014; Zhang et al., 2013）表明，全球人為熱釋放可以影響大氣運動，導致北半球中高緯度地區升溫明顯，進而影響全球氣候。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對研究全球變暖具有重要的科學意義。

5　結語和展望

本文采用了NOAA的DMSP/OLS數據估算全球人為熱釋放的分布，并且根據未來全球人口和能源增長的情景預估了到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。

人為熱釋放的全球分布具有典型不均勻分布的特征，已經具有影響局地氣候效應的能力。伴隨著全球經濟發展和城市化進程的加劇，人為熱釋放氣候影響能力也將擴大。這也暗示了人為熱釋放可能對全球氣候產生影響（Nordell, 2003; Block et al., 2004; Feng et al., 2012; Zhang et al., 2013，Chen et al., 2014）。從對氣候的影響時間尺度上來說，人為熱釋放會一直伴隨著人類社會發展而存在。人類社會的發展離不開對能源的需求，而能源消費的最終結果是排放人為熱釋放。隨著全球經濟的發展和人口的增加，以及全球城市化進程的加劇，人為熱釋放分布相對集中的趨勢會更加明顯，人為熱釋放對氣候的影響力在逐步加強。模式結果說明，人為熱釋放可以導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。

本研究應用全球氣候模式研究人為熱釋放的氣候效應，處于初步探索階段。模式結果也存在一定不確定性，需要繼續深入研究。人為熱釋放作為人類活動影響氣候的一方面，其在城市氣候以及區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值得深入探索，這對于研究人類活動對氣候的影響和極端氣候等研究領域具有重要的科學意義和應用價值。

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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氣候效應氣候變化

1006-9895(2016)02-0289-07

P461

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1504.14268

2014-09-15；網絡預出版日期2015-04-20

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

石廣玉，E-mail: shigy@mail.iap.ac.cn

國家自然科學基金項目41505126、41130528，中國博士后科學基金2013M541077，浙江省科技計劃項目2012C13011-2，2014年中國科學院大氣物理所LASG國家重點試驗室開放課題