現代氣候學 第3章 氣候系統(tǒng)的能量平衡

1、第三章氣候系統(tǒng)的能量平衡第三章氣候系統(tǒng)的能量平衡3.0 輻射基本知識輻射基本知識3.1 太陽輻射太陽輻射3.2 大氣中的輻射傳輸過程大氣中的輻射傳輸過程3.3 氣候系統(tǒng)的輻射平衡氣候系統(tǒng)的輻射平衡3.4 地地氣系統(tǒng)的熱量平衡氣系統(tǒng)的熱量平衡3.5 全球熱量平衡全球熱量平衡輻射是太陽能傳輸到地球的唯一途徑輻射是太陽能傳輸到地球的唯一途徑dFdsdFdsTTTEae, 本定律由本定律由德國德國物理學家物理學家威廉威廉維恩維恩（Wilhelm Wien）于）于1893年年通過對實驗數據的經驗總結提出通過對實驗數據的經驗總結提出 地球上的經線和緯線 緯線緯線：垂直于地軸的平面同地球相割而成的圓：垂直于

2、地軸的平面同地球相割而成的圓 經線經線：南北線（子午線）：南北線（子午線） 本初子午線本初子午線：通過英國通過英國Greenwich(格林尼治格林尼治)天文臺的天文臺的0經線（經線（1884年確定）。年確定）。預備知識預備知識緯線和經線緯線和經線緯線平面垂直于地軸緯線平面垂直于地軸, ,經線平面都通過地軸經線平面都通過地軸經度和緯度經度和緯度l緯度緯度：一地相對于赤道平面的南北方向和角度一地相對于赤道平面的南北方向和角度緯度是一種線面角，即本地法線與赤道平面的交角緯度是一種線面角，即本地法線與赤道平面的交角；緯度在本地經線上度量，南北緯各分緯度在本地經線上度量，南北緯各分90度。共度。共180

3、度度 （-90，90 ）l經度經度：本地子午面的東西方向和角距離本地子午面的東西方向和角距離經度經度是兩面角，本初子午面為起始面，是兩面角，本初子午面為起始面，本地子午面為終面本地子午面為終面；經度通常在赤道上度量，東西經各分經度通常在赤道上度量，東西經各分180度度。共共360度度 （-180 ,180 ），或者（），或者（0,360 ） 經度和緯度經度和緯度 緯度是線面角，即本地法線與赤道平面的交角；緯度是線面角，即本地法線與赤道平面的交角； 經度是兩面角，即本地子午面與本初子午面的交角經度是兩面角，即本地子午面與本初子午面的交角。經線的間隔隨緯度增大而減小經線的間隔隨緯度增大而減小Eas

4、t China Normal University地球的赤道平面與黃道平面并不重合，而是有一個交角（二面角），就是地球的赤道平面與黃道平面并不重合，而是有一個交角（二面角），就是黃赤交角黃赤交角。在公元在公元2000年，這個交角為年，這個交角為232621。 黃道平面：地球繞太陽公轉的軌道平面黃道平面：地球繞太陽公轉的軌道平面 熱帶熱帶北溫帶北溫帶南溫帶南溫帶北寒帶北寒帶南寒帶南寒帶N2723N3366S3366S27230北極圈北極圈北回歸線北回歸線赤道赤道南回歸線南回歸線南極圈南極圈地球的五帶地球的五帶地球圍繞太陽的公轉導致了地球出現了，地球圍繞太陽的公轉導致了地球出現了，季節(jié)變化、日輻射

5、總量的變化（日出、季節(jié)變化、日輻射總量的變化（日出、日落時間的變化）日落時間的變化）太陽常數太陽常數 1)太陽光譜太陽光譜 2)日地距離日地距離 3)太陽輻射強度太陽輻射強度 第一節(jié)第一節(jié)太陽輻射太陽輻射太陽表面溫度約6000oC,其發(fā)出的能量基本為短波輻射短波輻射地球公轉示意圖地球公轉示意圖1月月3日日7月月4日日日地平均距離日地平均距離： r0=1.496108km近日點日地距離：近日點日地距離：1.471108km遠日點日地距離：遠日點日地距離：1.521108km大氣上界大氣上界、日地平均距離處日地平均距離處、垂直于太陽光線方向、垂直于太陽光線方向、單位時間、單位面積接收到的所有波長的

6、太陽輻射能。單位時間、單位面積接收到的所有波長的太陽輻射能。 2071367WMI日地平均距離日地平均距離： r0=1.496108kmh +| - |= 90太陽赤緯太陽赤緯又稱赤緯角，又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角 緯度 太陽高度角太陽高度角高度角越大,能量越集中高度角越小,能量越分散SinhSSSinhADADSSDABCABCDSSDCABSABCDSmmmmmmmmS Sm mS Sm m 水平面上得到的太陽輻射能隨著水平面上得到的太陽輻射能隨著h的增加而增加。的增加而增加。 含義：含義：coscossinsi

7、n)cos(sinh0coscoscossinsinsinh：正午h +| - |= 90正午時刻正午時刻 值：值：的取值變化于的取值變化于72237223冬至冬至:7223春分春分,秋分秋分:0夏至夏至:7223赤緯赤緯太陽赤緯太陽赤緯又稱赤緯角，又稱赤緯角，是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角是地球赤道平面與太陽和地球中心的連線之間的夾角 時角時角的取值的取值:地方時中午地方時中午12時時:向下午方向到地方時向下午方向到地方時24時時:向上午方向到地方時向上午方向到地方時24時時:12時時24時時0時時6時時18時時=0=180 = 180= 180=90=0 =90 =180

8、照射時間照射時間 日出到日沒的時間間隔日出到日沒的時間間隔coscoscossinsinsinh)coscoscossin(sinsinh2020DIDII)tgtgarccos(tgtgcoscoscoscossinsin00000rrD 日地平均距離：日地平均距離： r0=1.496108km200DII)sincoscossinsin(0020DTIS日大氣上界大氣上界,某一天某一天, 某緯度處，水平面單位面積接受的日輻射量（天文輻射）某緯度處，水平面單位面積接受的日輻射量（天文輻射）:dt)coscoscossin(sin20DIdsd2dtTT =1天天 = 24h =86400s0

9、000d)coscoscossin(sin220DTIds-0 為日出時間，為日出時間， 0 為日落時間為日落時間 )coscoscossin(sin20DII春秋分時：赤緯春秋分時：赤緯 =0，那么那么0 =/2，不同的緯度帶：，不同的緯度帶：cos20DTIS 赤道上：赤道上： =0，那么那么0 =/2，不同的時間（季節(jié)）：，不同的時間（季節(jié)）：cos20DTIS 極地上：極地上： =/2 ，那么夏半年那么夏半年0 =，冬半年，冬半年0=0：)sincoscossinsin(0020DTIS日sin20DTIS 極地在極地在夏半年夏半年0 =，在，在“夏至夏至”收到的日輻射總量最大：收到的

10、日輻射總量最大： =23.5oDTIS5 .23sin20赤道上：赤道上： =0，那么那么0 =/2，春秋分時，春秋分時 =0 ：20DTIS極地極地最大的日輻射總量與最大的日輻射總量與赤道赤道最大的日輻射總量的比值：最大的日輻射總量的比值：sin23.5=1.25倍倍書上書上P23 極地極地最大的日輻射總量與同時的最大的日輻射總量與同時的赤道赤道日輻射總量的比值：日輻射總量的比值：tg23.5=1.36倍倍取太陽常數為1366 W/m2，算出的日平均日射值Q隨緯度和一年中各天的分布。陰影區(qū)為零日射區(qū)。春分、夏至秋分和冬至的位置以實線給出，太陽赤緯以虛線繪出。天文輻射的時空分布特征天文輻射的時

11、空分布特征1）年變化）年變化：具有以一年為周期的季節(jié)性變化特點，：具有以一年為周期的季節(jié)性變化特點，但不同緯度具有不同的變化幅度，中高緯度的年變但不同緯度具有不同的變化幅度，中高緯度的年變化顯著，低緯度的年變化小?；@著，低緯度的年變化小。2）空間變化）空間變化：具有隨緯度增高而減小的趨勢。不同：具有隨緯度增高而減小的趨勢。不同季節(jié)或不同區(qū)域這種趨勢有強弱差異。季節(jié)或不同區(qū)域這種趨勢有強弱差異。大氣外界日射分布1、由于地球每年一月份最接近太陽，因此南北半球日射、由于地球每年一月份最接近太陽，因此南北半球日射不對稱，南半球大于北半球。不對稱，南半球大于北半球。2、最大值出現在極點的夏至，因為極晝

12、的緣故。、最大值出現在極點的夏至，因為極晝的緣故。3、低緯年變化小于高緯，低緯年總量大于高緯。、低緯年變化小于高緯，低緯年總量大于高緯。4、日射隨緯度變化，夏季小于冬季。、日射隨緯度變化，夏季小于冬季。 0152上節(jié)課要點幾個重要概念幾個重要概念1.太陽常數太陽常數 2.太陽高度角太陽高度角3. 太陽赤緯太陽赤緯4. 天文輻射定義及計算天文輻射定義及計算大氣對短波的影響大氣對短波的影響吸收吸收散射散射反射反射吸收吸收逆輻射逆輻射大氣對長波的影響大氣對長波的影響3.2 大氣中的輻射傳輸過程大氣中的輻射傳輸過程大氣質量（單位面積大氣質量（單位面積*光學路徑）光學路徑）:光在大氣中經過一光在大氣中經

13、過一定長度傾斜路徑到達地表面時定長度傾斜路徑到達地表面時, 其經歷空間中所含大氣其經歷空間中所含大氣物質的質量物質的質量大氣質量數大氣質量數(m):實際投射條件下的大氣質量與垂直投實際投射條件下的大氣質量與垂直投射下的大氣質量的比值射下的大氣質量的比值.dzdlm引入均質大氣高度H0和密度000Hdz00Hdldzdlmdldssinh1cschmdzdlmsinh1)30(hdzdl均質大氣58透明度的表征：大氣透明系數大氣透明系數（ Pm ）垂直入射時，到達地面的太陽直接輻射通量密度（ I ）與大氣上界太陽輻射通量密度(I0)之比。Pm值表示太陽輻射透過大氣后的削弱程度。 Pm 1大氣透明

14、度的影響因素水汽、水汽凝結物、塵粒雜質越多，透明系數越小，太陽輻射受到的減弱越強0IIPm)coscoscossin(sinsinh2020mmmmPDIPDII)coscoscossin(sinsinh2020DIDII00d)coscoscossin(sin220mmPDTIS00d)coscoscossin(sin220DTIS 吸收的定義吸收的定義：大氣分子被入射太陽輻射激發(fā)，由低能：大氣分子被入射太陽輻射激發(fā)，由低能級躍遷到高能級的過程稱為級躍遷到高能級的過程稱為吸收吸收。兩能級的差就是大。兩能級的差就是大氣吸收的輻射能量值氣吸收的輻射能量值主要集中于紅外光區(qū)主要集中于紅外光區(qū)主要集

15、中在主要集中在25km的平流層的平流層發(fā)生在高層大氣發(fā)生在高層大氣SOLAR SPECTRUM 散射強烈地依賴于粒子尺度與入射波長的相對大小散射強烈地依賴于粒子尺度與入射波長的相對大小米散射米散射:塵埃或灰塵（氣溶膠）塵?；蚧覊m（氣溶膠）直徑比波長大直徑比波長大,各種波長的散射能力相等各種波長的散射能力相等.4SD 定律定律 意義意義 大氣層頂部，地氣系統(tǒng)吸收的太陽短波輻射，與OLR平衡到達大氣層頂太陽短波輻射年平均，地氣系統(tǒng)吸收的太陽輻射大氣層頂凈短波輻射(地氣系統(tǒng)吸收)，季節(jié)平均二、大氣對地球輻射的影響二、大氣對地球輻射的影響 大氣窗大氣窗:713m位于地面輻射波段最強處位于地面輻射波段最

16、強處,大氣大氣的吸收率最小的吸收率最小,透射率最大透射率最大,這一這一波段能量透過大氣射向宇宙空間波段能量透過大氣射向宇宙空間,將這一波段稱為將這一波段稱為大氣窗大氣窗.1.大氣對長波輻射的吸收大氣對長波輻射的吸收 特點特點: 強烈地吸收強烈地吸收,且具有選擇性且具有選擇性. （P27，圖3.2d） 大氣窗大氣窗:713m2.大氣的保溫效應大氣的保溫效應 大氣中吸收長波輻射的氣體主要是水汽、水汽、CO2。水汽云太陽輻射地面溫度：負反饋負反饋，使得地球氣候趨于穩(wěn)定CO2溫室效應地面溫度：正反饋正反饋，大氣中CO2增加對大氣的輻射加熱起著主要作用有大氣逆輻射輻射能是地面和大氣的基本能量來源，在地球

17、系統(tǒng)能量平衡系統(tǒng)中，輻射是最重要的能量形式，其次才是潛熱、感熱3.3 氣候系統(tǒng)的輻射平衡氣候系統(tǒng)的輻射平衡3.3.1 地表面的輻射平衡（輻射差額）地表面的輻射平衡（輻射差額） S =太陽直接輻射太陽直接輻射 (經過大氣吸收和散射）經過大氣吸收和散射） D =散射輻射散射輻射 Q =地表總輻射地表總輻射 (Q= S + D) A =地表反射輻射地表反射輻射 (A=aQ) F =地面長波地面長波有效輻射有效輻射 R =地表凈輻射地表凈輻射 地表輻射平衡方程：地表輻射平衡方程： R= Q A F =(S+D) A F = Q(1a) F1.太陽直接輻射太陽直接輻射（1）定義：）定義：太陽輻射經過大氣

18、的吸收和散射的消弱后，沿投射方向太陽輻射經過大氣的吸收和散射的消弱后，沿投射方向直接到達地表面的那部分太陽輻射能量稱為太陽直接輻射。直接到達地表面的那部分太陽輻射能量稱為太陽直接輻射。sinh20mmPDII(J/m2s)00d)coscoscossin(sin220mmPDTIS日mP是時角 和m的函數，難以確定，因此應用上式計算太陽直接輻射日總量比較困難，一般只能求助于經驗方法參數化參數化S 太陽直接輻射太陽直接輻射 （地面）（地面）S0 天文輻射量天文輻射量S1 日照百分比（日照時數）日照百分比（日照時數）S =S0 (aS1+bS12) 全陰天全陰天S1=0，S=0 ;全晴天全晴天S1

19、=1 ， S/ S0 =a+b 晴天相對輻射晴天相對輻射a、b為局地參數化的值為局地參數化的值 （2）影響因子）影響因子：太陽高度角太陽高度角、大氣透明度、大氣透明度.（3）氣候特征）氣候特征: 日、年變化和隨緯度的變化日、年變化和隨緯度的變化2. 散射輻射散射輻射sinh)1 (0mmPSDmmP1大氣混濁度大氣混濁度太陽輻射太陽輻射 經大氣散射后到達地面的比例系數經大氣散射后到達地面的比例系數（1）定義：）定義：當太陽輻射通過大氣時，受到大氣中的氣體分子、塵埃、當太陽輻射通過大氣時，受到大氣中的氣體分子、塵埃、氣溶膠、水汽等的散射作用，使太陽輻射的一部分以漫射形式從天氣溶膠、水汽等的散射作

20、用，使太陽輻射的一部分以漫射形式從天空的各個角度到達地表，這一部分輻射量成為散射輻射空的各個角度到達地表，這一部分輻射量成為散射輻射地表得到的散射輻射隨太陽高度角增大而增加，隨大氣的混濁度的增大而增加（2）影響因子）影響因子：太陽高度角、大氣透明度、云：太陽高度角、大氣透明度、云3. 地表總輻射地表總輻射-到達地面的太陽總輻射到達地面的太陽總輻射實際大氣條件下到達地表的實際大氣條件下到達地表的太陽直接輻射與散射輻射太陽直接輻射與散射輻射之和之和，是地表面得到的太陽輻射的總能量，稱為地表，是地表面得到的太陽輻射的總能量，稱為地表總輻射總輻射影響因子影響因子:太陽高度角太陽高度角(天文輻射天文輻射

21、)、云量、大氣透明度、云量、大氣透明度.地表總輻射的氣候學計算地表總輻射的氣候學計算S0 、Q0天文輻射和晴天總輻射; f(S1,n) 天空遮避度函數;n 云量(S1 日照百分率)(1)分析地表總輻射與影響因子間的關系Q- , Q- S1(2)根據散點圖,擬合經驗公式 0S),(110nSfQQ ),(10nSfSQ )(10bSaSQ(a, b取決于大氣平均透明系數，云的透射系數，日照計的靈敏度等）全球地表總輻射年平均通量密度（全球地表總輻射年平均通量密度（Wm-2 )的分布的分布地表總輻射地表總輻射緯向帶狀分布緯向帶狀分布撒哈拉沙漠最大撒哈拉沙漠最大季風區(qū)季風區(qū)中國年平均總輻射通量密度的分

22、布中國年平均總輻射通量密度的分布(Wm-2) 主要取決于云量和地理緯度主要取決于云量和地理緯度高原大于平原高原大于平原內陸大于沿海內陸大于沿海干燥區(qū)大于濕潤干燥區(qū)大于濕潤區(qū)區(qū) 反射率反射率=A/Q影響反射率的因素：影響反射率的因素：太陽高度角（圖太陽高度角（圖3.5）、下墊面顏色、干濕度、表面粗糙度）、下墊面顏色、干濕度、表面粗糙度歸一化差分植被指數：歸一化差分植被指數：NDVI=（CH2-CH1）/（ CH2+CH1） （圖（圖3.6）4. 地表反射輻射地表反射輻射行星反照率行星反照率：地球-大氣系統(tǒng)的反照率稱為行星反照率，它表示地球作為行星對入射的太陽輻射的反射能力。行星反照率分為各地區(qū)行

23、星反照率和全球行星反照率。 赤道：約為0.2，甚至更小 極地：0.6，甚至達到0.95 目前全球的行星反照率可?。?.30,它是地球表面的平均反照率(約為0.15), 云的高反照率和大氣的后向散射作用的綜合結果5. 地表長波有效輻射地表長波有效輻射F =地面長波有效輻射地面長波有效輻射U =地面輻射（地面向上放射的長波輻射）地面輻射（地面向上放射的長波輻射）G =大氣逆輻射（大氣向下放射的長波輻射）大氣逆輻射（大氣向下放射的長波輻射） =大氣相對輻射率大氣相對輻射率G =地面吸收的大氣逆輻射地面吸收的大氣逆輻射F = U-G6.地表凈輻射地表凈輻射地表凈輻射量由短波輻射收入與地面有效輻射之間的

24、差值決定地表凈輻射量由短波輻射收入與地面有效輻射之間的差值決定R= Q A F =(S+D) A F = Q(1a) F地表凈輻射年總量（Kcalcm-2）的地理分布 中國地表凈輻射年平均通量密度分布(W/m2) 云對地面凈輻射的影響云對地面凈輻射的影響1. 云使總輻射減弱（云的反射）云使總輻射減弱（云的反射）2. 云使有效輻射增加（大氣逆輻射）云使有效輻射增加（大氣逆輻射）地面凈輻射地面凈輻射R 減小減小地面凈輻射地面凈輻射R 增大增大白天或夏季（特別是低緯地區(qū)），云的減弱作用強于增大作用，白天或夏季（特別是低緯地區(qū)），云的減弱作用強于增大作用，云量增多，輻射差額減?。辉屏吭龆?，輻射差額減小

25、；夜間或冬季（特別是高緯地區(qū)），夜間或冬季（特別是高緯地區(qū)），云的減弱作用弱于增大作用，云的減弱作用弱于增大作用，云量增多云量增多，輻射差額增大。，輻射差額增大。 云的反射云的反射Ga= 大氣逆輻射（長波輻射，向地面方向）大氣逆輻射（長波輻射，向地面方向）3.3.2 地地氣系統(tǒng)的輻射平衡氣系統(tǒng)的輻射平衡 Q =地表總輻射；地表總輻射； a =地表反射率地表反射率 Q(1a) = 地表吸收的短波輻射地表吸收的短波輻射 Qa =大氣吸收的短波輻射大氣吸收的短波輻射 as=行星反照率行星反照率 Fs= F =地地-氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射 Rs= Q(1a)+ Qa

26、F （地面吸收地面吸收+大氣吸收大氣吸收-放出長波放出長波） =S0(1as) Fs （地氣系統(tǒng)吸收（地氣系統(tǒng)吸收-放出長波）放出長波）Q(1a) Qa F 地氣系統(tǒng)地氣系統(tǒng) 地地-氣系統(tǒng)凈輻射的地理分布取決于天文輻射隨緯度的變化、地氣系統(tǒng)凈輻射的地理分布取決于天文輻射隨緯度的變化、地-氣系統(tǒng)氣系統(tǒng)行星反照率的分布及行星長波輻射行星反照率的分布及行星長波輻射 （圖（圖3.11）特點特點:年平均南北緯年平均南北緯30 之間的之間的Rs為正值為正值;其他緯度為負值其他緯度為負值.Rs+年平均年平均向外長波輻射向外長波輻射(OLR)(OLR)的分布的分布溫度高，溫度高，OLROLR大；大；低云，少云

27、低云，少云，OLROLR大；大；對流活躍區(qū)，云多對流活躍區(qū)，云多，OLROLR小小零維能量平衡模式，零維能量平衡模式，Rs=0全球年均單位時間全球年均單位時間(1秒秒)吸收的太陽輻射為吸收的太陽輻射為20)1 (rIs全球單位時間向外射出長波輻射為全球單位時間向外射出長波輻射為424eTr r為地球半徑為地球半徑,Te為地表輻射平衡溫度為地表輻射平衡溫度(K)30. 0s設設KTe6 .254則零維能量平衡模式，零維能量平衡模式，Rs=0Qa =大氣吸收的短波輻射大氣吸收的短波輻射 Ua =大氣吸收的長波輻射大氣吸收的長波輻射 Ga= 大氣逆輻射（長波輻射，向地面方向）大氣逆輻射（長波輻射，向

28、地面方向） U =大氣向外宇宙逸出的長波輻射大氣向外宇宙逸出的長波輻射 F =地地-氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射氣系統(tǒng)向外宇宙逸出的長波輻射 F =地面長波有效輻射地面長波有效輻射 Ra= Qa+ Ua (Ga+U) = Qa+ (F F) （大氣短波吸收（大氣短波吸收+放出長波）放出長波）U 大氣3.3.3 大氣系統(tǒng)的輻射平衡大氣系統(tǒng)的輻射平衡Ra= Qa+ (F F)大氣對短波輻射吸收Qa很小, 大氣輻射平衡值主要取決于（F-F ) , 而地面有效輻射F遠小于大氣頂的逸出長波輻射，所以 Ra0, 即大氣輻射收入的凈大氣輻射收入的凈通量總是負通量總是負，其所需能量則直接來自地表的感熱和潛熱的

29、輸送，來維持大氣運動。上節(jié)課要點氣候系統(tǒng)的輻射平衡氣候系統(tǒng)的輻射平衡1. 地面輻射差額（地面輻射平衡方程）地面輻射差額（地面輻射平衡方程） 2.大氣輻射差額大氣輻射差額3. 地地-氣系統(tǒng)的輻射差額氣系統(tǒng)的輻射差額第四節(jié)3.4 地地-氣系統(tǒng)的熱量平衡氣系統(tǒng)的熱量平衡一、地表的熱量平衡一、地表的熱量平衡(1). 熱力平衡過程：熱力平衡過程：無論地表還是地無論地表還是地-氣系統(tǒng)，在吸收了輻射氣系統(tǒng)，在吸收了輻射能后，會產生能量轉換和輸送而達到新的平衡，這樣的物理能后，會產生能量轉換和輸送而達到新的平衡，這樣的物理過程，成為熱量平衡過程。它是能量守恒定律在氣候學中的過程，成為熱量平衡過程。它是能量守恒

30、定律在氣候學中的一種表現，可用熱量平衡方程來描述。一種表現，可用熱量平衡方程來描述。(2). 地表熱量平衡：地表熱量平衡：地面在獲得輻射差額時，一方面要升高地面在獲得輻射差額時，一方面要升高地表溫度，另一方面將盈余的熱量以地表溫度，另一方面將盈余的熱量以湍流顯熱湍流顯熱和和潛熱潛熱向大氣向大氣輸送以及向地表活動層的分子輸送，長期平均，其獲得的輻輸送以及向地表活動層的分子輸送，長期平均，其獲得的輻射差額與支出達到平衡稱為射差額與支出達到平衡稱為地表的熱量平衡地表的熱量平衡。1. 定義定義2. 地表熱量平衡方程地表熱量平衡方程tsSQHLER地表輻射差額地表輻射差額地表潛熱通量地表潛熱通量地表感熱

31、通量地表感熱通量地表與下層的熱量交換地表與下層的熱量交換地表與上層生物體的化學、生物過程有地表與上層生物體的化學、生物過程有關的能通量（如光合作用，生物能儲藏，關的能通量（如光合作用，生物能儲藏，冰雪融凍）冰雪融凍）第四節(jié)各項均與溫度、云量、濕度、各項均與溫度、云量、濕度、降水、下墊面狀況等有關降水、下墊面狀況等有關R= Q A F =(S+D) A F = Q(1a) FF = U-G地表輻地表輻射差額射差額：某段時間內單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射的差值。小項，可略（1） 湍流湍流: 流體不規(guī)則運動流體不規(guī)則運動_渦動渦動.（思考：還有哪些方式能交換能量？）思考：還有哪些方式能交

32、換能量？）1）湍流與湍流通量）湍流與湍流通量3、地表熱量平衡的計算、地表熱量平衡的計算海氣熱交換海洋和大氣之間，相互作用，穿越海氣交界面的熱量輸送。即一種物理量的交換。主要有輻射傳輸、感熱輸送和潛輻射傳輸、感熱輸送和潛熱輸送三種方式熱輸送三種方式。海洋層結比較穩(wěn)定，海水密度大，總質量比熱大，太陽輻射能大部被其吸收，所以熱容量很大。因此，海氣之間的熱交換，主要是海洋向大氣輸送熱量。海氣熱交換是雙向的。輻射傳輸主要以長波輻射的形式進行；感熱輸送感熱輸送是海氣交界處通過湍流及分子接觸傳導作用而進行的熱量傳遞；潛熱輸送潛熱輸送則通過湍流和分子運動，在海氣界面處的凝結和蒸發(fā)而進行熱量傳遞。海氣熱交換連同

33、其他的海氣交換，是研究海氣相互作用的主要因素和基礎，在全球熱量平衡中占有極其重要的地位，對各種尺度天氣系統(tǒng)的形成和發(fā)展以及大氣環(huán)流系統(tǒng)的建立和維持都具有重要的作用。0wTwTwwT （2） 湍流（渦動）通量湍流（渦動）通量: 單位時間內湍流運動輸單位時間內湍流運動輸送的物理量送的物理量(熱量、水汽等）熱量、水汽等）垂直方向渦動熱通量垂直方向渦動熱通量=Tw垂直方向渦動水汽通量垂直方向渦動水汽通量=qw垂直方向渦動動量通量垂直方向渦動動量通量=Vw0T任何物理量都可以表示為平均量與脈動任何物理量都可以表示為平均量與脈動(擾擾動動)量之和量之和,流動也一樣流動也一樣,即即wwwvvvuuu,qqq

34、TTT,（3） 大氣邊界層湍流及湍流通量大氣邊界層湍流及湍流通量與垂直與垂直湍流通量湍流通量相比，垂直相比，垂直平均流通量平均流通量通?？赏ǔ？梢院雎圆挥嬕院雎圆挥? 湍流通量輸送量級比分子擴散要大幾個量級。湍流通量輸送量級比分子擴散要大幾個量級。 湍流運動是邊界層大氣運動的主要特征。地表加湍流運動是邊界層大氣運動的主要特征。地表加熱不均、地表對氣流的摩擦拖曳以及地面物體的熱不均、地表對氣流的摩擦拖曳以及地面物體的阻擋都可以形成湍流；阻擋都可以形成湍流；KT 為空氣熱量湍流交換系數，為空氣熱量湍流交換系數，Cp為定壓比熱為定壓比熱，為空氣密度，為空氣密度，T 為氣溫為氣溫第四節(jié)第四節(jié)（1） 湍

35、流擴散理論湍流擴散理論 感（顯）熱輸送通量感（顯）熱輸送通量ZTKCHTPgKJCp/004. 12）地表與大氣間的湍流熱交換量計算）地表與大氣間的湍流熱交換量計算 潛熱輸送通量潛熱輸送通量L 為蒸發(fā)潛熱，為蒸發(fā)潛熱，L 2500(J/g),q 為比濕（單位濕空為比濕（單位濕空氣中的水汽質量，氣中的水汽質量，g/g)ZqKLLEEEK水汽湍流交換系數水汽湍流交換系數第四節(jié)第四節(jié) 動量輸送通量（湍流應力）動量輸送通量（湍流應力）ZVKVVK動量交換系數動量交換系數V 水平風速水平風速第四節(jié)第四節(jié)（2） 渦動相關法渦動相關法分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運動分別是垂直速度、溫度、比濕和水平運動的

36、脈動值，湍流脈動儀觀測采樣頻率一般的脈動值，湍流脈動儀觀測采樣頻率一般為為10Hz qwLLEVwVqTw,TwCHP通量觀測儀觀測（3） 整體空氣動力學方法整體空氣動力學方法 熱量總體輸送系數熱量總體輸送系數 -湍流熱通量的曳力系數T0,T 地面及地面及z高度的溫度高度的溫度U 是平均風速是平均風速HC 感（顯）熱輸送通量感（顯）熱輸送通量第四節(jié)第四節(jié)ZTKCHTP)35. 3()(0TTDCHP)37. 3()(0TTUCCHHP第四節(jié)第四節(jié))(0qqUCLLEEEC水汽總體輸送系數水汽總體輸送系數qq ,0下墊面溫度下的飽和比濕，下墊面溫度下的飽和比濕，z高度比濕高度比濕 潛熱輸送通量潛

37、熱輸送通量ZqKLLEE L 蒸發(fā)潛熱蒸發(fā)潛熱 動量輸送通量動量輸送通量第四節(jié)第四節(jié)DC動量總體輸送系數，也稱動力拖動量總體輸送系數，也稱動力拖曳系數曳系數2UCD3）地面與下層間的熱量交換）地面與下層間的熱量交換第四節(jié)為土壤導熱系數為土壤導熱系數，為土壤溫度為土壤溫度為土壤導溫系數為土壤導溫系數為土壤密度為土壤密度為土壤比熱（為土壤比熱（J/g C）TsTZTKCZTQssTTsTssKTTCZ（1） 理論公式理論公式土壤成分土壤成分粘土礦物粘土礦物土壤土壤有機物有機物花崗巖花崗巖水水空氣空氣（20 C）冰冰（0 C）比熱（J/gC）0.750.962.500.8374.181.0042.1

38、01熱容量（J/cm3C）2.0482.4242.7082.1774.180.0011.900土壤各種成分的比熱和熱容量土壤各種成分的比熱和熱容量第四節(jié)土壤種土壤種類類干沙土干沙土濕沙土濕沙土壤土壤土花崗巖花崗巖水（水（20 C）空氣空氣冰冰導熱系導熱系數（數（J/sm C）0.15242.25720.1884.0540.6280.02092.1736導溫系導溫系數（數（cm2/s）0.00130.0120.0070.0190.00150.1610.012幾種物質的導熱系數幾種物質的導熱系數 和導溫系數和導溫系數（2） 氣候學計算氣候學計算cTbQaQs205205Q土壤土壤5cm與與20cm

39、的土溫差的土溫差T地地-氣溫差氣溫差地表與下層的熱量交換參數化a=2.826, b=0.486, c=-0.7774）地面冷、熱源地面冷、熱源（1）定義定義：某一地區(qū)地表有湍流熱量向大某一地區(qū)地表有湍流熱量向大氣輸送，稱該地區(qū)為熱源，反之為地面冷氣輸送，稱該地區(qū)為熱源，反之為地面冷源（熱匯）。源（熱匯）。（2）方程式：HLEQRs0熱源熱源0冷源我國地表熱源分布（圖3.13，3.14）5） 地表熱量平衡的分布地表熱量平衡的分布 地表面與大氣間感熱輸送年總量分布地表面與大氣間感熱輸送年總量分布 （單位：kcalcm-2a-1） 中國年平均感熱通量密度的分布（單位：中國年平均感熱通量密度的分布（單

40、位：kcalcm -2.a -1） 北高南低北高南低高值區(qū)：高值區(qū)：塔里木盆地塔里木盆地內蒙古內蒙古 高原高原低值區(qū)：低值區(qū)：四川四川貴州等地貴州等地全球潛熱輸送年總量的地理分布（全球潛熱輸送年總量的地理分布（Kcalcm -2） 中國年平均潛熱通量密度的分布（瓦中國年平均潛熱通量密度的分布（瓦/米米2） 緯向分布緯向分布由南向北遞減由南向北遞減 洋面與深層水體的熱量輸送年總量的地理分布(Kcalcm -2) 赤道、熱帶地區(qū)：洋面向下輸送熱量北半球中高緯地區(qū)，深層水體輸送給大氣暖海流活動區(qū)：深層海水通過洋面向大氣輸送熱量最多南北半球冷洋流活動區(qū)，大洋表面從太陽和大氣獲得熱量，向深層輸送6） 地

41、表面熱量平衡的緯圈平均地表面熱量平衡的緯圈平均緯度帶陸地海洋全球RLEHRLEHC0RLEHC07060N60505040403030202010100010S10202030304040505060全年平均9211340188424282680309833083308314029712596184214652093670963104796379613402387255418841172121492192111302513778371465188417589217451256180013829215449639631800168037684647506651915317510845643852

42、3014192638101281968280540194563489943544154473144383433213514653433921795670586293293293251377461461251377377-1256-963-795-837-209-1265449210-335-4262884092115492261318239354564477348574689418736842972192633078371382188427213140397838943768410336843182209314652763461544754963879670418377586754586293

43、377544-377-377-377-502-84-844617120-251-84586840全球表面熱量平衡各分量的緯圈年平均值全球表面熱量平衡各分量的緯圈年平均值 (MJ/m2） 海洋環(huán)流的能量水平輸送陸表：熱含量變化趨于零，水平輸送小，忽略海洋：海洋環(huán)流水平輸送較大，不能，忽略二、大氣的熱量平衡大氣的熱量平衡1.定義：自地面伸展到大氣頂的單位截面積定義：自地面伸展到大氣頂的單位截面積垂直空氣柱內所有熱通量的代數和。垂直空氣柱內所有熱通量的代數和。2. 方程式方程式HLrCDRaaa大氣柱輻射差額大氣柱熱含量變化熱平流引起的熱交換降水的潛熱釋放等號右側支出為正，收入為負感熱Ra= Qa+ (F F)大氣對短波輻射吸收Qa很小, 大氣輻射平衡值主要取決于（F-F ) , 而地面有效輻射F遠小于大氣頂的逸出長波輻射，所以 Ra0, 即大氣輻射收入的凈大氣輻射收入的凈通量總是負通量總是負，其所需能量則直接來自地表的感熱和潛熱的輸送，來維持大氣運動。 大氣中的熱量平衡分布大氣中的熱量平衡分布 3.各分量的經向分布各分量的經向分布Ra均為負值，Lr、H均為正值，補償負的Ra.赤道地區(qū)降水量多，凝結釋放熱量Lr最大。H在中緯度稍大點大氣平流量Ca在赤道地區(qū)均為負值，正好對應Lr高值區(qū)，在高緯度地區(qū)為正值，表明大氣運動總是使熱量向極地輸送三、