第三章地球大气系统能量平衡剖析
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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 收辐射的增大超第过三章有地球效大气辐系统射能量的平衡增剖析大。
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ห้องสมุดไป่ตู้平衡持续时 间减少；
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， 第地三章面地球射大气出系统辐能量射平衡减剖析小。
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?
第三章地球大气系统能量平衡剖析
辐 射 平 衡 有 明 显 的 年 变 化
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，其第三辐章地射球大净气系亏统能损量平2衡剖5析12MJ.M-2
全球长期平均：Bs 0
第三章地球大气系统能量平衡剖析
3.2 辐射平衡变化规律
地表辐射平衡变化规律
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；
图 不同纬度带辐第三射章地球平大气衡系统的能量平年衡剖变析 化
• 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?。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
大气辐射收支净通量 总是负值。
B•A 地 q-' --u气' 系G 统 U辐 射平衡Bs：
uB' S(1' D )UGRs Rl U
FB Q(U1A)UF BBA qF' F F
Bs Q(1A)q' F Bs Qs(1As)Fs
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，
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
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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。
图 不同地区夏季晴天辐射平衡平均日变化的比较 第三章地球大气系统能量平衡剖析
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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
第三章地球大气系统能量平衡剖析
3.1 能量平衡基本方程
辐射平衡方程
. 地表面辐射平衡项B：
BS' DGRs Rl U BQ(1A)F BF 夜间或冬季
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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
那曲
夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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）；
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 射年平均净第三亏章地损球大大气系于统能北量平半衡剖球析 （80W.m-2)。
Bs
Ss 4
(1
As )
Fs
B 0 全球多年平均而言，地气系统的辐射
应保持平衡，
s
Ss 4
(1
As )
Fs
第三章地球大气系统能量平衡剖析
热量平衡方程
• 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。
大气: B A H A C A L r P 年平均: B A C A L r P 地气系统: B s H L ( E 第三章地球s 大气系统能量平衡剖析 r ) C A C 0
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：Bs H s LA Cv CA C0 年平均：Bs L(E r) CA C0 陆地：Bs L(E r) CA
现代气候学原理
第三章地球大气系统能量平衡剖析
第三章 地球-大气系统的能量平衡（6）
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。
B: 正值表示地面是热源； 负值表示地面是热汇（冷源）。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
.大气辐射平衡BA：
逸出宇宙空间的 大气逆辐射 大气辐射
BA q' u' G U
地表长波被大气吸收部分 u ' (1 )U
F U U 大气向宇宙空间逸出的长波辐射
B A q ' F F
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。 第三章地球大气系统能量平衡剖析
• 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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
B P LE H C0 陆地表面： B P L E H
年平均：B P L E 沙漠地区： B P 海洋表面： B P L E C 0
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ห้องสมุดไป่ตู้平衡持续时 间减少；
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， 第地三章面地球射大气出系统辐能量射平衡减剖析小。
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?
第三章地球大气系统能量平衡剖析
辐 射 平 衡 有 明 显 的 年 变 化
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，其第三辐章地射球大净气系亏统能损量平2衡剖5析12MJ.M-2
全球长期平均：Bs 0
第三章地球大气系统能量平衡剖析
3.2 辐射平衡变化规律
地表辐射平衡变化规律
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；
图 不同纬度带辐第三射章地球平大气衡系统的能量平年衡剖变析 化
• 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?。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
大气辐射收支净通量 总是负值。
B•A 地 q-' --u气' 系G 统 U辐 射平衡Bs：
uB' S(1' D )UGRs Rl U
FB Q(U1A)UF BBA qF' F F
Bs Q(1A)q' F Bs Qs(1As)Fs
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，
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
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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。
图 不同地区夏季晴天辐射平衡平均日变化的比较 第三章地球大气系统能量平衡剖析
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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
第三章地球大气系统能量平衡剖析
3.1 能量平衡基本方程
辐射平衡方程
. 地表面辐射平衡项B：
BS' DGRs Rl U BQ(1A)F BF 夜间或冬季
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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
那曲
夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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）；
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 射年平均净第三亏章地损球大大气系于统能北量平半衡剖球析 （80W.m-2)。
Bs
Ss 4
(1
As )
Fs
B 0 全球多年平均而言，地气系统的辐射
应保持平衡，
s
Ss 4
(1
As )
Fs
第三章地球大气系统能量平衡剖析
热量平衡方程
• 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。
大气: B A H A C A L r P 年平均: B A C A L r P 地气系统: B s H L ( E 第三章地球s 大气系统能量平衡剖析 r ) C A C 0
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：Bs H s LA Cv CA C0 年平均：Bs L(E r) CA C0 陆地：Bs L(E r) CA
现代气候学原理
第三章地球大气系统能量平衡剖析
第三章 地球-大气系统的能量平衡（6）
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。
B: 正值表示地面是热源； 负值表示地面是热汇（冷源）。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
.大气辐射平衡BA：
逸出宇宙空间的 大气逆辐射 大气辐射
BA q' u' G U
地表长波被大气吸收部分 u ' (1 )U
F U U 大气向宇宙空间逸出的长波辐射
B A q ' F F
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。 第三章地球大气系统能量平衡剖析
• 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。
第三章地球大气系统能量平衡剖析
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
B P LE H C0 陆地表面： B P L E H
年平均：B P L E 沙漠地区： B P 海洋表面： B P L E C 0