第三章地球大氣系統(tǒng)的能量平衡

第三章地球大氣系統(tǒng)的能量平衡第1頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1能量平衡基本方程3.2輻射平衡的變化特征3.3全球熱量平衡3.4能量經(jīng)向調(diào)整3.5輻射加熱率和輻射冷卻率3.6溫室效應主要內(nèi)容第三章地球大氣系統(tǒng)的能量平衡第2頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1能量平衡基本方程B:正值表示地面是熱源；負值表示地面是熱匯（冷源）。輻射平衡方程.地表面輻射平衡項B：夜間或冬季第3頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月.大氣輻射平衡BA：

整層大氣的凈輻射通量=大氣層吸收的短波輻射凈通量q′+地面向上長波輻射凈通量F+地面和大氣層向宇宙空間逸出的長波輻射凈通量F

。地表長波被大氣吸收部分第4頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月。地---氣系統(tǒng)輻射平衡Bs：考慮到地球截獲陽光的面積與發(fā)射長波輻射的全球表面積之比全球多年平均而言，地氣系統(tǒng)的蝮蛇平衡應保持平衡，第5頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月二、熱量平衡方程凈輻射=感熱交換+潛熱交換+地表與下層能量交換+地表下能量水平輸送

陸地表面：年平均：沙漠地區(qū)：海洋表面：大氣:年平均:地氣系統(tǒng):第6頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

考慮實際大氣中水汽的潛熱輸送：大氣中水汽的儲存和釋放LA；大氣中水汽的水平輸送Cv。地氣系統(tǒng)：年平均：陸地：全球長期平均：第7頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2輻射平衡變化規(guī)律

地表輻射平衡時氣候形成主要因子之一，它在很大程度上決定著土壤上層和近地層的溫度分布，在計算蒸發(fā)速度、冰雪消融，以及輻射霧、輻射霜凍和低溫預報等問題上具有重要意義；

在解決氣團的形成與變性等天氣學上的問題也具有很大的意義；

在研究流域的水分狀況和水域的水文氣象特征具有參考價值。

地表輻射平衡變化規(guī)律第8頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月夏季晴天輻射平衡各分量的平均日變化曲線那曲第9頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

輻射平衡具有明顯的日變化，通常正值輻射平衡的最大值出現(xiàn)在正午附近，負值出現(xiàn)在夜間，夜間輻射平衡的變化比白天小得多；午后輻射平衡值比午前相應時間稍小一些（午后地表溫度增高，有效輻射大于午前有效輻射，午后湍流活動增強，大氣混濁度增加，致使入射太陽輻射比午前減?。?；在夏季晴天輻射平衡的形成中，直接太陽輻射具有決定性的作用；輻射平衡正值和負值轉(zhuǎn)變時間與日出何日沒時間不一致（短波吸收輻射、有效輻射）；第10頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月圖不同地區(qū)夏季晴天輻射平衡平均日變化的比較觀測資料表明:輻射平衡正負值交替時間通常出現(xiàn)在太陽高度角等于10°-15°之間。第11頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月G

白天，云存在和云量增加，將引起總輻射and有效輻射減少；夜間，云的存在將使有效輻射出現(xiàn)減小趨勢。

各分量日變化振幅比晴天要小，陰天直接太陽輻射為零，總輻射完全由天空散射輻射構(gòu)成，陰天大氣逆輻射增大，地面射出輻射減小。

第12頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

白天正值輻射平衡隨云量增加而減小，但在少云的白天,輻射平衡都比晴天要大?

第13頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月由冬到夏，輻射平衡增加是由于地表吸收輻射的增大超過有效輻射的增大。第14頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月圖不同緯度帶輻射平衡的年變化在北半球不同地區(qū)，輻射平衡最大值出現(xiàn)在6、7月份，最小值在冬季；隨緯度增加，輻射平衡年變化振幅逐漸減小，正輻射平衡持續(xù)時間減少；第15頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

洋面的輻射平衡大于陸面輻射平衡?

南半球各緯度帶的輻射平衡值均比北半球相應緯度帶要大一些?。第16頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣輻射平衡變化規(guī)律大氣輻射平衡由三個分量組成：大氣吸收的短波輻射、地面有效輻射、以及長波逸出輻射北半球：

大氣輻射平衡年總量隨緯度的增加，從赤道（-2345MJ.M-2）到25°N（-2093MJ.M-2）絕對值略有減少。然后又開始增加，直到60°N附近絕對值達到最大，在北極地區(qū)又減小。

就整個北半球而言，大氣層輻射平衡值總是負值，其輻射凈虧損2512MJ.M-2大氣輻射收支凈通量總是負值。第17頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月南半球：

大氣輻射凈虧損由赤道-南極圈附近呈增加，再向南直到南極又開始減小。

與北半球相比，南半球（104W.m-2)大氣輻射年平均凈虧損大于北半球（80W.m-2)。第18頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

全球各緯度帶大氣輻射平衡均為負值，其絕對值在兩極最小，在南北極圈緯度附近達到最大。經(jīng)向非對稱性絕對值第19頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月地-氣系統(tǒng)系統(tǒng)輻射平衡變化規(guī)律（1）地氣系統(tǒng)輻射平衡由兩部分組成：

地氣系統(tǒng)上邊界所吸收的入射太陽輻射和地氣系統(tǒng)通過上邊界逸出的長波射出輻射。

就年平均而言，中、低緯度一般為正值，其余緯度為負值，

就月平均而言，夏季為負值，冬季月份為正值第20頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

年變化：12月份到3月份，輻射平衡為正值；4月份到8月份輻射平衡為負值。就全球平均而言：指向地氣系統(tǒng)的入射太陽輻射與指向宇宙空間的射出長波輻射基本上相等。第21頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第22頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月輻射源過渡帶輻射匯第23頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

由于高、低緯之間巨大的凈輻射分布的不均勻性，驅(qū)動地球上熱量分布通過大氣和海洋的大規(guī)模環(huán)流發(fā)生調(diào)整。第24頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月圖2、6地氣系統(tǒng)輻射平衡的平均經(jīng)向分布VonderHear,1968p158第25頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4全球熱量平衡地表面熱量平衡的緯圈分布熱量平衡的地理分布地表面與大氣間的感熱輸送洋面與下層水體間的能量交換第26頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）地表面熱量平衡的緯圈年平均分布第27頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月無論大陸和海洋，輻射平衡僅在中緯度地區(qū)隨緯度減小而迅速增加，在熱帶地區(qū)輻射平衡和緯度的關系比較小。陸地和海洋上的潛熱輸送隨緯度不同：陸地的最大潛熱輸送在赤道附近；在副熱帶地區(qū)，潛熱輸送急劇減小，但在海洋上，潛熱輸送出現(xiàn)極大值。赤道附近海洋上，潛熱輸送比副熱帶海洋上小。陸地和海洋的感熱輸送：同緯度陸地感熱輸送大于海洋，海洋在各個緯度帶上的感熱輸送均很小，但隨緯度增加略有增加。第28頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月洋面和較深層之間由于海流作用出現(xiàn)熱量水平輸送，20oS-10oN附近的大洋上，有熱量儲存；在中高緯度海洋上，有熱量釋放.

全球平均而言，海洋上的凈輻射比陸地大80%，比全球平均值大15%；洋面的潛熱輸送使陸面的3倍，而感熱輸送不及陸面的40%；從海陸表面的平均看，地表和大氣間的感熱和潛熱輸送方向，在70oN-60oS間都是從地表面指向大氣，即在能量的收入盈余和虧損中，地球絕大部分表面總是通過感熱和潛熱形式向大氣輸送能量，而大氣通過這種形式獲得能量。第29頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月1從大陸到海洋，輻射平衡等值線在沿海出現(xiàn)中斷:洋面平均反射率小于陸面，洋面上輻射平衡年總量比同緯度陸地表面要大得多。陸地上：2陸地表面年輻射平衡最大值出現(xiàn)在潮濕的熱帶地區(qū)，年輻射平衡值隨緯度略呈帶狀分布，但是在許多地區(qū)由于濕潤條件不同，使帶狀特征破壞了。3在熱帶、副熱帶沙漠和干旱氣候條件下，由于地面溫度高，云量少，空氣干燥，地表反照率大，致使吸收輻射減少而長波輻射增加，年輻射平衡值較小。（2）熱量平衡的地理分布第30頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月4海洋上：輻射平衡呈帶狀分布，在所有無冰的海洋上輻射平衡年總量都是正值；在冷暖海流影響的海域，輻射平衡的帶狀分布有偏差；在熱帶緯度海洋上，年輻射平衡變化比較小，從低緯度到高緯度輻射平衡急劇減小。5零值輻射平衡等值線的南北界限：

陸地上—一月份零值等值線與北緯40平行；

海洋上—一月份零值等值線與南北緯45平行。

7月份最大值在熱帶大陸上和熱帶的阿拉伯海的北部。

第31頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）地表面與大氣間的潛熱輸送1潛熱輸送發(fā)生在：土壤表面，自由水面，冰雪表面等不斷有蒸發(fā)過程向大氣輸送能量；植物根系向上通過蒸騰向大氣釋放能量。決定陸面蒸散的主要因子是：到達地表的輻射，同時環(huán)境因子，如地表濕度，空氣飽和差，土壤濕度和風速等氣象因子影響潛熱輸送。3地理分布：在海陸分布處，潛熱輸送相差很大；

陸面上：潛熱輸送和氣候條件有關，在充分濕潤區(qū)，潛熱輸送主要決定于輻射平衡大?。辉诓怀浞譂駶檯^(qū)，因土壤水分供應不足，潛熱輸送與氣候的干旱程度成正比。

第32頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月干旱區(qū)，潛熱輸送較小。

在全球范圍內(nèi)，海洋上潛熱輸送的變化很大，在赤道附近，由于云量增加和溫度升高，潛熱輸送比熱帶海面略有減少。

海洋上，潛熱輸送的帶狀分布被破壞的主要原因在于：冷暖海流的分布引起的。海洋上輻射凈收入除潛熱輸送外，同時也消耗于海流的水平輸送，

海洋上潛熱輸送年總量大小決定于秋、冬季節(jié)；陸地上冷季的潛熱輸送小于暖季。（3）地表面與大氣間的潛熱輸送第33頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月潛熱年總量輸送：大陸表面占陸地輻射平衡的54%；洋面占洋面輻射平衡的90%，洋面上比陸面大3倍。全球表面年平均潛熱輸送占輻射平衡的84%，因此，地--氣系統(tǒng)間的能量交換主要是通過潛熱來完成的。第34頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月（4）地表面與大氣間的感熱輸送1陸地和海洋表面溫度與低層大氣的溫度不相等，兩者之間產(chǎn)生感熱交換進行能量輸送。2地理分布：陸地上，感熱輸送由高緯度向低緯度增加，最大值出現(xiàn)在熱帶沙漠地區(qū)，隨氣候濕潤度的增加而減小。在大于南、北緯40o地區(qū)，感熱輸送在一年中改變方向：冬季地表面通過感熱交換從大氣獲熱量。

第35頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月

3.3地球-大氣系統(tǒng)能量平衡模式地球能量平衡模式基本由三個部分組成：入射太陽輻射在地球、大氣內(nèi)部的分布及轉(zhuǎn)換；地氣系統(tǒng)長波輻射及其轉(zhuǎn)換；非輻射過程的能量輸送。第36頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第37頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月表3.11地氣系統(tǒng)、大氣層和地表面能量收支93157138第38頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月表3.12模式中各能量收支的比較第39頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4能量的經(jīng)向調(diào)整輻射源：吸收輻射赤道大，兩極?。婚L波射出輻射隨緯度變化小；赤道附近年平均輻射過剩；輻射匯：兩極地區(qū)輻射不足。第40頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月感熱輸送是主要的分量；潛熱經(jīng)向輸送量??；20o-30o副熱帶感熱凈通量大；在全球輻射收支的經(jīng)向調(diào)整中，大氣的極向輸送占重要作用第41頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.5輻射加熱率和輻射冷卻率

第42頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第44頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第45頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第47頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月3.6溫室效應第48頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月第49頁，課件共62頁，創(chuàng)作于2023年2月作業(yè)思考題掌握地表、大氣和地氣系統(tǒng)的能量平衡方程及其表達的物理意義？掌握地表、大氣和地氣系統(tǒng)的熱量平衡方程及其表達的物理意義？地表和大氣年平均輻射平衡的基本特征？為什么？地-氣系統(tǒng)輻射平衡年平均緯度分布特征？輻射源、過渡區(qū)、輻射匯？全球陸地和海洋與大氣的感熱輸送、潛熱輸送、水平輸送的基本特征？有何不同？理