現(xiàn)代自然地理第3講：熱量平衡

1、陸地表層過程的能量基礎(chǔ)地-氣系統(tǒng)的輻射平衡地球表面的輻射平衡地球表面的熱量平衡大氣和地氣系統(tǒng)的熱量平衡地-氣系統(tǒng)的能量交換（；）1一、地-氣系統(tǒng)的輻射平衡 Q（1）Q0QfQ ：輻射平衡、凈輻射：地-氣系統(tǒng)的反射率 Q0：到達(dá)大氣上界的太陽輻射量，天文太陽輻射 Qf：逸散輻射，即通過大氣上界向太空放出的 長波輻射地-氣系統(tǒng)的輻射差額是指以地面為下底以大氣頂為上底的整個鉛直氣柱內(nèi)接收到的短波太陽輻射與大氣上界向太空放出的長波輻射之差，凈輻射吸收的短波輻射長波凈輻射2天文太陽輻射總量某緯度上每日的天文太陽輻射總量（ Q）可用下式表示：T為一晝夜時間；0為日沒時的時角，為太陽時角I0為太陽常數(shù)1.9

2、6(0.01)卡/(厘米2分)或1367(7)瓦/米2；為某時刻日地距離與平均日地距離的比值； 為地理緯度；為太陽赤緯任一緯度和任一時刻的天文太陽輻射強(qiáng)度（I）可用下式表示:返回3各月份天文輻射總量隨緯度的變化MJ/m24地-氣系統(tǒng)的反射率反射率：從非發(fā)光體表面反射的輻射與入射到該表面的總輻射之比，它是表征物體表面反射能力的物理量。絕對黑體的反射率為0，純白物體的反射率為1，實際物體的反射率介于0與1之間，可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示 整個地-氣系統(tǒng)的反射率約為30，即約有30的太陽輻射能被反射回太空：其中三分之二是云反射的，其余部分則被地面反射和被各種大氣成分所散射。5太陽輻射在地球和大氣的分布平均

3、而言，每年入射地球的太陽輻射約30%由地球和大氣反射和散射回太空，19%被大氣選擇性吸收，51%被地表吸收。6地氣系統(tǒng)的有效輻射大氣和地表產(chǎn)生的長波輻射，取決于地表和大氣溫度：U = T04 = 地面或大氣的相對輻射系數(shù)，一般取值0.95 = 斯蒂芬-布爾茲曼常數(shù)，等于5.16 W cm-2度-4T0 = 地面或大氣溫度（絕對溫度）Qf = 大氣長波輻射-大氣逆輻射+逸散到 大氣外的地表長波輻射7地-氣系統(tǒng)釋放到空間的長波輻射量（1月份）8343 W m-2地-氣系統(tǒng)的輻射平衡大氣外層：大氣層：地表層：問題：各層收支平衡嗎？9地面：46+100=115+7+24大氣層吸收：19+ 4+106+

4、7+24 =160釋放：40+20+100 =160343 W m-210輻射平衡隨緯度的變化年平均太陽輻射和長波輻射隨緯度的變化。低緯度地區(qū)吸收的短波輻射大于損失的長波輻射（凈輻射為正），高緯度地區(qū)相反。北半球中緯度地區(qū)因太陽位置隨季節(jié)的改變對于局部地區(qū)生活的影響。例如冬季向南的房子有較多的日照。11地-氣系統(tǒng)的輻射差額，隨季節(jié)、緯度、地面狀況、云量和大氣成分等因素而變化。平均而言在地球的兩極和高緯度地區(qū)的輻射差額為負(fù)值而赤道和熱帶地區(qū)為正值。12地-氣系統(tǒng)輻射差額的空間差異，決定了地球溫度場、大氣與海洋環(huán)流最基本的特征13幾點(diǎn)結(jié)論就整體（整個地球）來說，地-氣系統(tǒng)的熱狀況隨時間并沒有明顯變

5、化，整個系統(tǒng)輻射能的收入和支出，處于一種準(zhǔn)平衡狀態(tài)對于不同緯度帶而言，輻射收支情況不同。例如，北半球在北緯35以南范圍內(nèi)的全年輻射差額為正，35 以北范圍內(nèi)為負(fù)。要使各緯度帶呈能量平衡，則低緯度地帶所凈得的輻射能量必須通過大氣環(huán)流和大洋環(huán)流以各種形式輸送到高緯度地帶和極地去。 14二、地球表面的輻射平衡是指下墊面通過輻射交換，支出部分和收入部分的差額，主要受：到達(dá)地面的太陽輻射總量下墊面的反射率下墊面的有效輻射的影響15到達(dá)地表的太陽輻射總量Qd = Q + D ：大氣透過率Q：某緯度上每日的天文太陽輻射總量（見）D：散射輻射16不同太陽光譜在大氣中被吸收情況17到達(dá)地表的太陽輻射年總量18各

6、種下墊面的反射率受下墊面的物理性質(zhì)，即顏色、粗糙度、土壤濕度等影響19反射率還受太陽高度角的影響，隨時間發(fā)生變化20下墊面的有效輻射等于地面輻射（U）與大氣逆輻射（G）的差值，即： F = U - G; U = T04 = 下墊面對大氣長波輻射的吸收系數(shù)（灰體系數(shù)） = 地面的相對輻射系數(shù)，其值與相同，一般取值0.95 = 斯蒂芬-布爾茲曼常數(shù)，等于5.16 W cm-2度-4T0 = 地面溫度（絕對溫度）21地球表面的輻射平衡下墊面輻射收入和支出部分的差額（B）：收入項有：太陽直接輻射S（ Q ）、天空散射輻射D、大氣逆輻射G支出項有：短波反射輻射Rk 、長波反射輻射Rg 、地面輻射U平衡方

7、程： B = S + D + G Rk Rg - U設(shè)短波、長波的反射率為、，則： B = (S + D)(1- ) + G (1- ) - U(S + D)為到達(dá)地面的總輻射（Q)， G (1- ) 是地面吸收的大氣逆輻射設(shè)F = G (1- ) U，方程可簡化為： 白天：B = Q(1- ) F 夜間： B = - F （因為夜間直接輻射和天空散射輻射為0）22地面輻射平衡：幾點(diǎn)結(jié)論輻射平衡日變化特征：輻射平衡最大值出現(xiàn)在正午以前，最小值出現(xiàn)在傍晚，一天有兩次通過零點(diǎn)，一次在日出后，一次在日落前（太陽高度角約1015度）輻射平衡年變化特征：輻射平衡夏季為正，最大為6月，最小值在12月輻射平

8、衡隨緯度變化特征：緯度39為零，超過39小于零，小于39大于零23三、地球表面的熱量平衡指地球表面的熱量收支相等時的狀況。熱量平衡最重要的四項為：地面輻射差額地面與大氣之間的亂流熱交換蒸發(fā)水分所消耗的熱量地表面與土壤或水體內(nèi)的熱交換地表因輻射差額而產(chǎn)生的熱量盈余或虧損，主要由下述形式平衡：水分蒸發(fā)消耗潛熱或凝結(jié)放出潛熱空氣湍流運(yùn)動帶來或帶走熱量土壤或水體傳導(dǎo)向下或向上輸送熱量24地球表面的熱量平衡方程 Qd = LE + P + AQd：地表輻射差額（熱量）L：蒸發(fā)潛熱；E：蒸發(fā)或凝結(jié)量P：地面與大氣之間的湍流熱通量（顯熱通量）A：地面與其下層（土壤或水）之間 的熱通量，包括垂直交換量H 和水

9、平輸送量F蒸發(fā)潛熱：在溫度（t）保持不變的情況下，使單位質(zhì)量的液態(tài)水全部蒸發(fā)，變?yōu)樗柘牡臒崃浚?L=(2500-2.4 t)103（焦耳/千克） HA = F + H25在方程中未考慮：地面上冰雪融解時消耗的熱量或者水凍結(jié)時放出的熱量；就長年平均情況看，與方程中主要項目比都是相當(dāng)小的，但在中高緯度地區(qū)的春季融雪期，則必須考慮所消耗的融解熱對該地區(qū)熱量平衡的影響因降水（水滴的溫度不等于下墊面的溫度）而引起的熱量交換和植物光合作用所消耗的熱量等。該項通常比熱量平衡的主要項目小得多，可以不考慮它們的作用。26地表熱量差額的解釋當(dāng)Qd為：正值時，地面通過湍流熱交換、蒸發(fā)耗熱和土壤熱交換等方式把

10、熱量傳遞給周圍大氣和土壤內(nèi)部負(fù)值時，地面從大氣和土壤內(nèi)部獲得熱量以達(dá)到本身的熱量平衡根據(jù)不同下墊面，LE 和A可作相應(yīng)的修改，例如：在陸地土壤中的平均水平溫度梯度很小，水平輸送量F 接近于0，A 等于垂直交換量H 在海洋水平和垂直熱交換量都很明顯，因此，A = F + H對于蒸發(fā)接近于零的沙漠地區(qū)來說，潛熱LE = 0。對全年平均來說不論那種下墊面，垂直交換H 都等于027湍流交換產(chǎn)生的熱通量（sensible heat flux）a：空氣密度（1大氣壓下：1290g/m3）Cp：空氣定壓比熱（ 1大氣壓下：1.0048J/g）KH：熱量湍流系數(shù)，受距離地面高度、下墊面 粗糙度和大氣層節(jié)等因素

11、影響 ：近地層氣溫的垂直梯度28近地層（50-100m）氣溫的垂直梯度垂直梯度 0，即溫度隨高度增加，近地層大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)，湍流熱通量方向由大氣指向下墊面，P 0垂直梯度 0垂直梯度 0，濕度隨高度增加，下墊面因水汽凝結(jié)而獲得熱量，LE 0垂直梯度 0垂直梯度= 0，下墊面無蒸發(fā)也無凝結(jié)， LE = 031用Penman-Monteith公式計算植物蒸騰產(chǎn)生的潛熱其中 ：飽和水汽壓溫度曲線的斜率； ：干濕球常數(shù)；：空氣密度； es: 飽和水汽壓；ea：實際水汽壓； ra：空氣動力學(xué)阻力；rs：氣孔阻力。32下墊面與土壤間的熱量交換：土壤導(dǎo)熱率 ：土壤溫度（T）隨深度（Z）的變化：當(dāng)土壤溫度梯

12、度為1/cm時，單位時間內(nèi)在橫截面為1cm2面積上通過厚度1cm均勻土層的熱量，單位為：W/(cm)。受土壤物質(zhì)組成、質(zhì)地、含水量等影響。33地球表面熱量平衡各分量的日變化 白天：地面獲得正值輻射，通過蒸發(fā)、湍流交換、土壤熱交換等方式將熱量傳遞給大氣和土壤深層。各分量在中午前后達(dá)到極大值，以后逐漸減小。夜間：各分量均為負(fù)值，絕對值都比較小，LE接近于零。地面因輻射失去的熱量通過亂流熱交換與土壤熱交換的熱流入量而得到補(bǔ)償QdQdHHPPLELE34顯熱（P）和潛熱（LE）通量隨時間的變化P35地表熱量平衡各分量的特點(diǎn) 蒸發(fā)耗熱量和亂流熱通量的年變化與當(dāng)?shù)氐臐駶櫁l件有緊密的關(guān)系：在經(jīng)常保持潮濕的條

13、件下，蒸發(fā)耗熱量接近于輻射平衡值，亂流熱通量較?。駶櫟貐^(qū)），即輻射熱量主要通過蒸發(fā)消耗掉在土壤變干時蒸發(fā)耗熱量減小，亂流熱通量增大（比如干旱地區(qū)）36地球表面熱量平衡隨緯度分布情況不管陸地或海洋，輻射差額都是隨緯度的增高而減小的，其最大值出現(xiàn)在赤道附近地區(qū)。大陸和海洋上的蒸發(fā)耗熱量隨緯度的分布情況是不同的。大陸上最大蒸發(fā)出現(xiàn)在赤道附近，這是由于這個地區(qū)降水量很大，土壤濕潤之故；而在副熱帶高壓帶上，因常年在高壓控制下，氣候干燥，蒸發(fā)量急劇減少。海洋上蒸發(fā)最大值出現(xiàn)在太陽能流入量特別大的副熱帶緯度，赤道地區(qū)蒸發(fā)量顯著減少（云量大、輻射低）。從洋面指向大氣的湍流熱交換量在所有緯度上都比較小，它的數(shù)

14、值隨著緯度的增高略有增加，這與冷季使空氣增溫的暖流作用有聯(lián)系（海氣溫差大）。大陸上湍流熱交換值顯著地比洋面上大，其最大值出現(xiàn)在氣候干燥的副熱帶高壓帶。洋面與其較深層之間由于洋流作用而引起的熱通量：緯度平均值從20S到10N 之間為正值，即大洋要吸收熱量，在較高緯度為負(fù)值，大洋要放出熱量，這就是中高緯度冷季氣候溫和的重要因素37四、大氣和地氣系統(tǒng)的熱量平衡 大氣的熱量平衡：指由地面伸展到大氣上界的單位截面積鉛直氣柱體的熱量收支相等時的狀況 地氣系統(tǒng)的熱量平衡：指單位面積下墊面活動層（即沒有明顯溫度季節(jié)變化深度以上）起向上直到大氣上界整個氣柱的熱量收支相等時的狀況38大氣的熱量平衡方程Qda：大氣

15、的輻射差額Fa：大氣的水平熱通量Lr：凝結(jié)釋放熱量（r 為水汽凝結(jié)量）Ha：大氣單位時間熱焓量的變化量；在年平均情況下，Ha接近于0。39大氣熱量平衡隨緯度的分布赤道附近地區(qū)：降水量多凝結(jié)熱量值大，大氣平流熱輸送量為負(fù)值（向高緯度地區(qū)輸出熱量），主要由凝結(jié)熱量來補(bǔ)償。中緯度地區(qū)：水平熱通量值稍大些，為正值。高緯度地區(qū)：水平熱通量為正值不論冬夏，氣旋和反氣旋活動大都將冷空氣向赤道地區(qū)輸送，暖空氣向兩極輸送。40Qds：地-氣系統(tǒng)的輻射差額Fs：水平熱通量（包括大氣的水平熱通量Fa和水圈的水平熱通量F ）L (E -r )：蒸發(fā)熱量與凝結(jié)熱量之差Hs：地-氣系統(tǒng)的單位時間熱焓量的變化量式中右側(cè)各項

16、以表示輸出熱量為正，輸入熱量為負(fù)。Qds則以輸入熱量為正，輸出熱量為負(fù)。在陸地上，F(xiàn) =0；全年平均，Hs = 0 。對于整個地球來說，E = r ，而且Fa = 0，所以整個地-氣系統(tǒng)的熱量平衡具有非常簡單的形式，即，Qds=0 地氣系統(tǒng)的熱量平衡方程41能量失衡氣溶膠增加的反射不及溫室氣體吸納熱輻射的抵消作用，其結(jié)果是造成了眾所周知的毯子變厚效應(yīng)（大氣熱焓量增加），它們使更多的熱量返回到地面，而不是讓其逸入太空，因此地球輻射到太空中的能量較之于從太陽吸收的能量要少。其多余的能量，大約為每平方米1瓦使地球逐漸變暖，讓冰融化。來源： 科學(xué)雜志（科學(xué)美國人中文版） 42五、地-氣系統(tǒng)的能量交換模式43地-氣系統(tǒng)中的大氣能量交換概念模型44氣壓差導(dǎo)致大氣環(huán)流和能量交換45大氣環(huán)流模式46能量隨氣流的垂直交換47海（湖）陸氣流（微風(fēng)）能量交換48山谷風(fēng)產(chǎn)生能量交換49通過水循環(huán)進(jìn)行能量交換50一個簡單的