第三章地球大气系统的能量平衡

第三章地球大气系统的能量平衡第1页，课件共62页，创作于2023年2月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温室效应主要内容第三章地球大气系统的能量平衡第2页，课件共62页，创作于2023年2月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：夜间或冬季第3页，课件共62页，创作于2023年2月.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F+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第4页，课件共62页，创作于2023年2月。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，地气系统的蝮蛇平衡应保持平衡，第5页，课件共62页，创作于2023年2月二、热量平衡方程净辐射=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:第6页，课件共62页，创作于2023年2月

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：第7页，课件共62页，创作于2023年2月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第8页，课件共62页，创作于2023年2月夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线那曲第9页，课件共62页，创作于2023年2月

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）；在夏季晴天辐射平衡的形成中，直接太阳辐射具有决定性的作用；辐射平衡正值和负值转变时间与日出何日没时间不一致（短波吸收辐射、有效辐射）；第10页，课件共62页，创作于2023年2月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。第11页，课件共62页，创作于2023年2月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。

第12页，课件共62页，创作于2023年2月

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?

第13页，课件共62页，创作于2023年2月由冬到夏，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。第14页，课件共62页，创作于2023年2月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；第15页，课件共62页，创作于2023年2月

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?。第16页，课件共62页，创作于2023年2月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25°N（-2093MJ.M-2）绝对值略有减少。然后又开始增加，直到60°N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。第17页，课件共62页，创作于2023年2月南半球：

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)。第18页，课件共62页，创作于2023年2月

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第19页，课件共62页，创作于2023年2月地-气系统系统辐射平衡变化规律（1）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。

就年平均而言，中、低纬度一般为正值，其余纬度为负值，

就月平均而言，夏季为负值，冬季月份为正值第20页，课件共62页，创作于2023年2月

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。第21页，课件共62页，创作于2023年2月第22页，课件共62页，创作于2023年2月辐射源过渡带辐射汇第23页，课件共62页，创作于2023年2月

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。第24页，课件共62页，创作于2023年2月图2、6地气系统辐射平衡的平均经向分布VonderHear,1968p158第25页，课件共62页，创作于2023年2月3.4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第26页，课件共62页，创作于2023年2月（1）地表面热量平衡的纬圈年平均分布第27页，课件共62页，创作于2023年2月无论大陆和海洋，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。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。第28页，课件共62页，创作于2023年2月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%；洋面的潜热输送使陆面的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。第29页，课件共62页，创作于2023年2月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第30页，课件共62页，创作于2023年2月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；在热带纬度海洋上，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。

第31页，课件共62页，创作于2023年2月（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，潜热输送与气候的干旱程度成正比。

第32页，课件共62页，创作于2023年2月干旱区，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第33页，课件共62页，创作于2023年2月潜热年总量输送：大陆表面占陆地辐射平衡的54%；洋面占洋面辐射平衡的90%，洋面上比陆面大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。第34页，课件共62页，创作于2023年2月（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。

第35页，课件共62页，创作于2023年2月

3.3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。第36页，课件共62页，创作于2023年2月第37页，课件共62页，创作于2023年2月表3.11地气系统、大气层和地表面能量收支93157138第38页，课件共62页，创作于2023年2月表3.12模式中各能量收支的比较第39页，课件共62页，创作于2023年2月3.4能量的经向调整辐射源：吸收辐射赤道大，两极小；长波射出辐射随纬度变化小；赤道附近年平均辐射过剩；辐射汇：两极地区辐射不足。第40页，课件共62页，创作于2023年2月感热输送是主要的分量；潜热经向输送量小；20o-30o副热带感热净通量大；在全球辐射收支的经向调整中，大气的极向输送占重要作用第41页，课件共62页，创作于2023年2月3.5辐射加热率和辐射冷却率

第42页，课件共62页，创作于2023年2月第43页，课件共62页，创作于2023年2月第44页，课件共62页，创作于2023年2月第45页，课件共62页，创作于2023年2月第46页，课件共62页，创作于2023年2月第47页，课件共62页，创作于2023年2月3.6温室效应第48页，课件共62页，创作于2023年2月第49页，课件共62页，创作于2023年2月作业思考题掌握地表、大气和地气系统的能量平衡方程及其表达的物理意义？掌握地表、大气和地气系统的热量平衡方程及其表达的物理意义？地表和大气年平均辐射平衡的基本特征？为什么？地-气系统辐射平衡年平均纬度分布特征？辐射源、过渡区、辐射汇？全球陆地和海洋与大气的感热输送、潜热输送、水平输送的基本特征？有何不同？理