海表面热通量3

1、海气热通量 驱动海洋的主要能量来自太阳的 太阳辐射。 海洋如何吸收来自太阳的能量? 海洋中热量收支平衡状态能达到吗？ 问题: a) 辐射谱 105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12 Long-wave radio Standard AM radio Short-wave radio Microwaves Infrared Ultraviolet X-rays Gamma rays Red Range Yellow Green Blue Violet 49% 7% 43%

2、 Wavelength (m) 太阳波的波长: 0.2-4 m（微米，106m） b) 太阳常数 定义: 太阳常数S 是地球平均半径处接受到的来自太阳的平均能通量 223 m/kW376. 1m/10376. 1WS R Earth Sun 问题: 单位时间内地球表面单位面积接受到多少太阳能 量的平均值？ 1)断面面积: 2 R 断面上接受到来自太阳总能量: SR 2 2) 地球表面面积: 2 4 R 单位时间内地球表面单位面积接受到多少太阳能量的平均值: 44 surface searth theof area The energy totalThe 2 2 S R SR Q s 考虑到地球

3、表面位置， poles at the0 equatorat / :/cos 2 S SQs 3) 地球的反射率 定义: 反射率 是太阳辐射的反射或散射率. 考虑入射的太阳辐射是S/4 ，它以的比率反射, 那么被地球实际接 受的平均能通量等于 4 )1 ( 44 SSS 随云量、冰和雪的覆盖率而变: 阴天（完全被云覆盖） 晴天 一般 0.6 0.15 3 . 0 注意: 冰和雪的覆盖率的作用与云相似 在实际的海洋上: N S NS 0 0 00 40largeror 4 . 0 40larger or 4 . 0 4040-4 . 02 . 0 January (clear sky albedo

4、) January albedo (with cloud) August albedo (with cloud) 温室效应 223 m/kW376. 1m/10376. 1WS 如果我们考虑30% 的反射率, 单位时间内内平方米面积仍能接受到1 kW 的能量! 当入射太阳能与反射和辐射出去的能量平衡时，加的热过程必须被终止： 达到一个平衡态. 如生活在微波炉内! 问题: 地球上太阳能如何被平衡? 例 1: 赤裸的地球 (无云覆盖) Earth )1 ( 4 S 4 T 设 T是地球表面温度 ， E是单位时间内从地球辐射出去的能量值, 那么 4 TE 其中 是 Stenfan-Boltman 常

5、数, 它等于 5.710-8 W/m2 K4 平衡态: 4 )1 ( 4 T S 4 )1 ( 4 1 ST 设 4282 Km/W107 . 5, 3 . 0,m/kW376. 1 S T 225K = -18o C 如果我们考虑纬度的变化，我们得到 在北极 在南极 在赤道 CK CK CK T o o o 103150 123170 3270 太冷了太冷了! 例 2: 被云覆盖地球 Earth T cloud Tc 4 T 4 )1 (Te 4 c T 4 c T 4 S 4 )1 ( S 4 S 设e 是被云吸收的辐射部分, 我们可得到云层内侧和外侧能量平衡方程 a) 外侧: 44 )1

6、 ( 44 TeT SS c b) 内侧: 44 4 1 TTS c (a) 加 (b) 得到: 4 )2() 4 1 (2TeS 4 )2/1/() 4 1 (eST 当 e = 1 (来自地球的长波辐射完全被云吸收), C 30 K 303 o o T 因此,云的作用象一个温室，保持地球的能量! 海洋的热平衡海洋的热平衡 Qs Qb Qh Qe Qv Qs: 来自太阳辐射的短波能量 (短波辐射) Qb: 净的海洋长波回辐射能量 (长波辐射); Qe: 由蒸发引起的能量损失 (潜热通量); Qh: 由传导产生的感热损失; Qv: 海洋热量输送 (对流和平流) 设 Q 为海洋净的热通量, vh

7、ebs QQQQQQ 假设没有全球变暖趋势,对长期平均, vheb QQQQQ S Q 0 对短期，海洋净热通量日变化随太阳辐射日变化而变化,等等, etc. 问题: 控制热通量的物理过程是什么? Qs: 短波辐射 (单位: W/m2) 观测结果: 只有 51% 的太阳短波辐射能量能到达海洋表面: 波辐射来自天空辐射和大气长 太阳在云的减弱后直接来自 :23% :%28 51% Cloud layer 4/S 4 )1 ( S 4 S 4 c T 4 c T Tc Sea surface 海表面吸收的总能量： 4 4 )1 ()indirect()direct( 21 csSS T S QQQ

8、 影响 Qs的因素： 白天长短: 随季节和地理纬度变化; 大气的吸收 (气体分子, 尘土, 水汽); 云的作用: 通过云的辐射和散射，减少了到达海表面的平均能量 例 1: a) b) Qs 短的路径 最小的吸收 长的路径 大的吸收 Qs 例 2: 经验方程: )09. 01 ( 4 c S Q C S c:天空中云的比例,由八分制估算. 如果天空完全被云覆盖, c=8, 4 28. 0)809. 01 ( 4 )09. 01 ( 4 SS c S Q C S 在实际海洋, Qs 的分布随纬度而变化. 年平均值为: S NS N Q o S o2 o2 02 -20 W/m200 2020- W

9、/m255200 20 W/m200150 Annually averaged Qs(W/m2) 问题: 为什么大陆上的Qs比海洋上的大？ 晴朗天空 进入的太阳辐射 (100 单位) 散射回太空 (-7 单位) 被水汽和CO2 在低层大气吸收 (-13 单位) 被云反射回太空 (-45 单位) 云中吸收 (-10 单位) 80 单位 25 单位 Qb: 净的长波辐射 所有绝对温度大于0的物体都能发射辐射。辐射的强度依赖于物体的温度：物 体的温度高辐射强。当物体的温度变高时，辐射谱趋向短波. 在实际海洋中, 海表面能量的发射由海表面温度Ts黑体估算。净向上的长 波通量 Qb海洋和大气长波辐射制差

10、，即: )( 44 asb TTQ Ts: 海表面水体温度 Ta: 海表面大气温度 : Stenfans constant Ta TsSea Air Sea surface 一般证据: Qb 50 W /m2; 当云层覆盖变大时, Qb增大。然后, 对冰Qb 变化不大; Qb 日变化和季节变化都不大，因为在这个时间尺度上海温和海 洋上相对比湿均变化不大。 latitude highlatitude lowicewater )()(,)()( bsbsbsbS QQQQQQQQ 赤道 bs QQQ white white black bs QQQ 大 小 Qs 在高纬度小、低纬度大 Qb: 随纬

11、度变化不大 BS QQ Qh: 感热损失 1) 水比大气密度大得多 33 water sea 3 kg/m10025. 1,kg/m3 . 12 . 1air 因此, 3 air water sea 10 如果仅考虑密度交界面，海气界面 非常稳定 然后，大的温差会引起高温一方向低温一方能量传输。这样一个从海洋的 热通量叫感热损失，或由传导产生的热量损失。 两个传导过程: 1) 分子热量传导; 2) 涡动（湍流）扩散 对分子情形: z T kcQ ph k: 热量的分子传导率; cp:恒定压力下大气比热 T/z: 海表面气温梯度 对涡动情况: )( z T AcTwcQ zpapaah . ,

12、a 垂向涡动粘滞系数 干空气比热大气密度 流波动大气垂向速度和温度湍和 z pa A c Tw 例: Ta (high) (low) 0,0 h Q z T 海洋获得热量 sea surface Ta (low) high 海洋失去热量 sea surface 0,0 h Q z T a) b) Qe: 由蒸发产生的热量损失（感热通量) 感热通量可由下式估算 qwLQ eae 可表示为为海水的蒸发潜热， 水气混合率动、空气垂向速度的湍流波为和 . e L q w J/kg 10)00237. 0501. 2( 6 se TL 在实际海洋中, *q uLQ eae . , Obukhov-Mon

13、in * 大气波动摩擦速度参数 相似尺度的为和Tu 控制控制 Qe的两个主要因子：的两个主要因子： 1) 海气温差海气温差; 2) 风速风速. 为了精确计算Qe 和 Qh必须强调几个关键问题： 1)在靠近海面大气边界层中不同的稳定和不稳定条件下，正确确定u*； 2)正确计算海表面出的海气温差； 3)计算降水对海表面冷却的贡献 问题 1):u* 依赖于海表面粗粗度和风速。如何计算粗糙度和考虑对流速度？ 问题 2):大气温度是在气象浮标和船上某个高于海面的高度上测量，如何确定真实的海气界 面温差？ 问题 3): 真实的海气界面温差受易受降水影响。强降水经常伴随大气锋面过境，如何确定海 表面冷却的贡献？ 观测依据: a) 因为西边界暖流的存在和冬季大的温度梯度，最大的Qe 发生在大洋的西部和冬季。 b) 在西北太平洋中纬度，Qe 大约为145 W/m2。在西大西洋, Qe 大约为195 W/m2; c) Qe 和 Qh 一般在风暴经过期间比较大. The Pacific Ocean Qh Qe Large Qe Small Q