地球大气系统的能量平衡.ppt

现代气候学原理,内容简介太阳辐射是地气系统中一切物理过程和现象形成的基本能量来源，当太阳辐射穿过大气到达地球表面时将产生一系列的能量再分配；任何物体能量的收支都遵循能量守恒定律，地球、大气和整个地气系统的能量守恒可以用各自的能量平衡方程表达。,第三章地球-大气系统的能量平衡（6）,3.1能量平衡基本方程3.2辐射平衡的变化特征3.3全球热量平衡3.4能量经向调整3.5辐射加热率和辐射冷却率3.6温室效应,3.1能量平衡基本方程,B:正值表示地面是热源；负值表示地面是热汇（冷源）。,辐射平衡方程,.地表面辐射平衡项B：,夜间或冬季,.大气辐射平衡BA：,整层大气的净辐射通量=大气层吸收的短波辐射净通量q+地面向上长波辐射净通量u+地面和大气层向宇宙空间逸出的长波辐射净通量F。,地表长波被大气吸收部分,大气向宇宙空间逸出的长波辐射,大气逆辐射,逸出宇宙空间的大气辐射,地-气系统辐射平衡Bs：,考虑到地球截获阳光的面积与发射长波辐射的全球表面积之比，,全球多年平均而言，地气系统的辐射应保持平衡，,大气上界的天文辐射,地气系统向宇宙空间的长波放射辐射,能量守恒定律具有不同表现形式：动量守恒、质量守恒、热能守恒。热量平衡方程描述地气系统内的热能守恒与转换关系。辐射能向热能的转换是地气系统中一切气象过程的基础。对于地气系统的的能量收支看，包括地球和大气界面上的过量收支，大气本身的能量收支。,热量平衡方程,热量平衡方程,净辐射=地表和大气间感热交换+潜热交换+地表与下层能量交换+地表下能量水平输送,陆地表面：,年平均：,沙漠地区：,海洋表面：,大气:,年平均:,地气系统:,考虑实际大气中水汽的潜热输送：大气中水汽的储存和释放LA；大气中水汽的水平输送Cv。,地气系统：,年平均：,陆地：,全球长期平均：,3.2辐射平衡变化规律,地表辐射平衡时气候形成主要因子之一，它在很大程度上决定着土壤上层和近地层的温度分布，在计算蒸发速度、冰雪消融，以及辐射雾、辐射霜冻和低温预报等问题上具有重要意义；,在解决气团的形成与变性等天气学上的问题也具有很大的意义；,在研究流域的水分状况和水域的水文气象特征具有参考价值。,地表辐射平衡变化规律,夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线,那曲,辐射平衡具有明显的日变化，通常正值辐射平衡的最大值出现在正午附近，负值出现在夜间，夜间辐射平衡的变化比白天小得多；,午后辐射平衡值比午前相应时间稍小一些（午后地表温度增高，有效辐射大于午前有效辐射，午后湍流活动增强，大气混浊度增加，致使入射太阳辐射比午前减小）；,图不同地区夏季晴天辐射平衡平均日变化的比较,观测资料表明:辐射平衡正负值交替时间通常出现在太阳高度角等于10-15之间。,G,白天，云存在和云量增加，将引起总辐射and有效辐射减少；夜间，云的存在将使有效辐射出现减小趋势。,各分量日变化振幅比晴天要小，阴天直接太阳辐射为零，总辐射完全由天空散射辐射构成，阴天大气逆辐射增大，地面射出辐射减小。,白天正值辐射平衡随云量增加而减小，但在少云的白天,辐射平衡都比晴天要大?,辐射平衡有明显的年变化，夏季极大值，冬季极小值；由冬到夏，辐射平衡增加是由于地表吸收辐射的增大超过有效辐射的增大。,辐射平衡有明显的年变化,图不同纬度带辐射平衡的年变化,在北半球不同地区，辐射平衡最大值出现在6、7月份，最小值在冬季；,随纬度增加，辐射平衡年变化振幅逐渐减小，正辐射平衡持续时间减少；,洋面的辐射平衡大于陆面辐射平衡?,南半球各纬度带的辐射平衡值均比北半球相应纬度带要大一些?。,大气辐射平衡变化规律,大气辐射平衡由三个分量组成：,大气吸收的短波辐射、地面有效辐射、以及长波逸出辐射,北半球：,大气辐射平衡年总量随纬度的增加，从赤道（-2345MJ.M-2）到25N（-2093MJ.M-2）绝对值略有减少。然后又开始增加，直到60N附近绝对值达到最大，在北极地区又减小。,就整个北半球而言，大气层辐射平衡值总是负值，其辐射净亏损2512MJ.M-2,大气辐射收支净通量总是负值。,南半球：,大气辐射净亏损由赤道-南极圈附近呈增加，再向南直到南极又开始减小。,与北半球相比，南半球（104W.m-2)大气辐射年平均净亏损大于北半球（80W.m-2)。,全球各纬度带大气辐射平衡均为负值，其绝对值在两极最小，在南北极圈纬度附近达到最大。,经向非对称性绝对值,地-气系统系统辐射平衡变化规律,地气系统辐射平衡由两部分组成：,地气系统上边界所吸收的入射太阳辐射和地气系统通过上边界逸出的长波射出辐射。,地气系统辐射平衡有正有负：就年平均而言，中、低纬度一般为正值，其它纬度为负值，,就月平均而言，夏季为负值，冬季月份为正值,年变化：12月份到3月份，辐射平衡为正值；4月份到8月份辐射平衡为负值。就全球平均而言：指向地气系统的入射太阳辐射与指向宇宙空间的射出长波辐射基本上相等。,辐射源,过渡带,辐射汇,由赤道到南北纬10-15的近赤道带内由于大的净辐射平衡成为辐射的净收入区（辐射源）；由近赤道带至南北纬35附近的热带和副热带地区，辐射平衡值不大，为辐射平衡的过渡带；随纬度增加，辐射平衡均为负值，且绝对值迅速增大，成为向极区逐渐加深的辐射汇；由于高、低纬之间巨大的净辐射分布的不均匀性，驱动地球上热量分布通过大气和海洋的大规模环流发生调整。,3.3全球热量平衡,地表面热量平衡的纬圈分布热量平衡的地理分布地表面与大气间的感热输送洋面与下层水体间的能量交换,地表面热量平衡各分量之间的关系,陆地表面,陆地表面净辐射的年盈余可由地表和大气之间的感热和潜热交换来调整。,海洋表面,海洋表面净辐射的年盈余除由洋面和大气之间的感热和潜热交换来调整外，还通过大规模的洋流进行能量的水平输送。,陆地和海洋的感热输送：同纬度陆地感热输送大于海洋，海洋在各个纬度带上的感热输送均很小，但随纬度增加略有增加。,无论大陆和海洋，辐射平衡仅在中纬度地区随纬度减小而迅速增加，在热带地区辐射平衡和纬度的关系比较小。,陆地和海洋上的潜热输送随纬度不同：陆地的最大潜热输送在赤道附近；在副热带地区，潜热输送急剧减小，但在海洋上，潜热输送出现极大值。赤道附近海洋上，潜热输送比副热带海洋上小。,（1）地表面热量平衡的纬圈年平均分布,洋面和较深层之间由于海流作用出现热量水平输送，20oS-10oN附近的大洋上，有热量储存；在中高纬度海洋上，有热量释放。,全球平均而言，海洋上的净辐射比陆地大80%，比全球平均值大15%；洋面的潜热输送是陆面的3倍，而感热输送不及陆面的40%；,从海陆表面的平均看，地表和大气间的感热和潜热输送方向，在70oN-60oS间都是从地表面指向大气，即在能量的收入盈余和亏损中，地球绝大部分表面总是通过感热和潜热形式向大气输送能量，而大气通过这种形式获得能量。,1从大陆到海洋，辐射平衡等值线在沿海出现中断:洋面平均反射率小于陆面，洋面上辐射平衡年总量比同纬度陆地表面要大得多。陆地上：2陆地表面年辐射平衡最大值出现在潮湿的热带地区，年辐射平衡值随纬度略呈带状分布，但是在许多地区由于湿润条件不同，使带状特征破坏了。3在热带、副热带沙漠和干旱气候条件下，由于地面温度高，云量少，空气干燥，地表反照率大，致使吸收辐射减少而长波辐射增加，年辐射平衡值较小。,（2）热量平衡的地理分布,4海洋上：辐射平衡呈带状分布，在所有无冰的海洋上辐射平衡年总量都是正值；在冷暖海流影响的海域，辐射平衡的带状分布有偏差；在热带海洋上，年辐射平衡变化比较小，从低纬度到高纬度辐射平衡急剧减小。,5零值辐射平衡等值线的南北界限：陆地上一月份零值等值线与北纬40平行；海洋上一月份零值等值线与南北纬45平行。7月份最大值在热带大陆上和热带的阿拉伯海的北部。,（3）地表面与大气间的潜热输送,1潜热输送发生在：土壤表面，自由水面，冰雪表面等不断有蒸发过程向大气输送能量；植物根系向上通过蒸腾向大气释放能量。,决定陆面蒸散的主要因子是：到达地表的辐射，同时环境因子，如地表湿度，空气饱和差，土壤湿度和风速等气象因子影响潜热输送。,3地理分布：在海陆分布处，潜热输送相差很大；陆面上：潜热输送和气候条件有关，在充分湿润区潜热输送主要决定于辐射平衡大小；在不充分湿润区，因土壤水分供应不足，潜热输送与气候干旱程度成正比。,干旱区，潜热输送较小。在全球范围内，海洋上潜热输送的变化很大，在赤道附近，由于云量增加和温度升高，潜热输送比热带海面略有减少。海洋上，潜热输送的带状分布被破坏的主要原因在于：冷暖海流的分布引起的。海洋上辐射净收入除潜热输送外，同时也消耗于海流的水平输送，海洋上潜热输送年总量大小决定于秋、冬季节；陆地上冷季的潜热输送小于暖季。,（3）地表面与大气间的潜热输送,潜热年总量输送：大陆表面潜热年总量输送占陆地辐射平衡的54%；洋面潜热年总量输送占洋面辐射平衡的90%，洋面上潜热年总量输送比陆面大3倍。全球表面年平均潜热输送占辐射平衡的84%，因此，地-气系统间的能量交换主要是通过潜热来完成的。,（4）地表面与大气间的感热输送,1陆地和海洋表面温度与低层大气的温度不相等，两者之间产生感热交换进行能量输送。,2地理分布：陆地上，感热输送由高纬度向低纬度增加，最大值出现在热带沙漠地区，随气候湿润度的增加而减小。在大于南、北纬40o地区，感热输送在一年中改变方向：冬季地表面通过感热交换从大气获热量。,3.4地球-大气系统能量平衡模式,地球能量平衡模式基本由三个部分组成：,入射太阳辐射在地球、大气内部的分布及转换；地-气系统长波辐射及其转换；非辐射过程的能量输送。,表3.11地气系统、大气层和地表面能量收支,太阳常数行星发照率30%全球地表反照率30%地表温度288k大气温度250K,表3.12模式中各能量收支的比较,到达大气上界的太阳辐射100，其中，空气反射6，地表反射4，云反射20，空气吸收16，云吸收3，地表吸收51。地表向上的长波辐射114，其中宇宙空间红外6，大气吸收108。大气向外长波157，其中宇宙空间64，地表93，大气因吸收和放射长波亏损30=108+19-157.大气因吸收和放射长波亏损30，由地表面向上输送的感热和潜热来平衡。,3.5能量的经向调整,辐射源：赤道附近年平均净辐射过剩；吸收辐射赤道大，两极小；长波射出辐射随纬度变化小；辐射汇：中纬度地区、两极地区净辐射不足。,中纬度地区能量输送最大，为了与这种能量输送相适应，就要求在中纬度地区大气达到最大。中纬度地区平均看，风速最大，风暴最多，是地球上气候最活跃的地区。,大气中暖气团由低纬度向高纬度的大气感热输送是能量输送中最大分量；副热带海洋地区向赤道和极地都有潜热输送，和感热比，潜热经向输送量小；20o-30o副热带海洋感热净通量大；在全球辐射收支的经向调整中，大气的感热输送占总能量输送的一半，大气的极向输送占重要作用。,大气感热输送,总能量净输送,海洋感热输送,潜热输送,3.6辐射加热率和辐射冷却率,指某一高度大气太阳辐射加热率和长波辐射冷却率的代数和。,长波辐射,对流层的冷却主要是水汽的作用冷却率可达2d-1；在18-27km之间由于臭氧的作用大气略有增温。在30以上，由于CO2的放射作用，冷却率随高度急剧增大，朝向宇宙空间的冷却也变得有效。,强，在冬半年的高纬地区上空，CO2的冷却作用明显。在2-6高度处，由于水汽对太阳那个辐射的强烈吸收作用，存在一个冷却率很小甚至接近于0的间隔层。,3.7温室效应,大气吸收地面向上的长波辐射的主要气体是水汽和CO2等，它们既是吸收体，又是辐射体；水汽的吸收带较宽，但大气中水汽含量的增加并不能明显的增强对长波辐射的吸收，（水汽-温室效应-地面温度的负反馈作用）负反馈作用使地球气候趋于稳定。CO2在水汽吸收的窗口具有若干较强的吸收带，其增加对空气的辐射加热作用大（CO2温室效应-地面温度的正反馈）。,作业思考题,掌握地表、大气和地气系统的能量平衡方程及