热量温度环流 大气科学导论

一、热量平衡过程

假设射入大气圈的能量为100个单位

云层反射20个单位，大气散射返回宇宙空间6个单位，地面反射4个单位，地气系统共反射30个单位。

被大气吸收了16个，云滴吸收了3个，二者共吸收了19个单位。

地面吸收总辐射51个单位。

⏹地面因吸收总辐射而增温。根据全球年平均地面温度，其射出长波辐射能量相当于117个单位，其

中进入大气圈的有111个单位被大气吸收，只有6个单位透过大气窗口进入宇宙空间。

⏹大气吸收了19个单位的太阳辐射和111个地面长波辐射而增温。然后进行长波辐射，射向地面的辐

射(称为大气逆辐射)为96个单位，射向宇宙空间为64个单位。

⏹大气总共吸收（太阳19＋地面长波辐射111）130个单位。

⏹大气总共支出（射向地面96＋射向宇宙空间64）160个单位

⏹全球大气的年平均辐射差额为负--30个单位亏损的能量，由地面向大气输送的潜热23个单位和显热

7个单位来补充，以维持大气的能量平衡。

大气收：太阳19＋地面长波辐射111＋潜热23＋显热7＝160

支：射向地面96＋射向宇宙空间64＝160

地面收：太阳辐射51个＋大气逆辐射96个＝147

支：进入大气111＋进入宇宙6＋潜热23＋显热7 ＝147

宇宙空间(大气上界)进：100

出：云反射20＋大气散射6＋地面反射4＋地面长波辐射6＋大气(和云)长波辐射64＝100

大气圈顶太阳辐射时空分布的特点

⏹全年日辐射总量低纬大于高纬, 季节变化低纬小于高纬。

⏹日辐射总量夏季大于冬季，其纬向梯度冬季大于夏季。

⏹春分日和秋分日赤道日辐射总量最大，向两极递减，极点为零。

⏹夏至日的日辐射总量从北回归线向南递减，南极圈内为零；向北递增，北半球高纬最大。

⏹冬至日的日辐射总量从南回归线向北递减，北极圈内为零；向南递增，南半球高纬最大。

辐射差额(又称净辐射或辐射平衡)

⏹地面辐射差额：地面吸收的辐射与放出的辐射之差

=地面太阳总辐射-地面有效辐射

⏹大气辐射差额：大气吸收的辐射与放出的辐射之差

=大气吸收的太阳辐射和地面辐射-（大气逆辐射+大气逸出辐射）

⏹地气系统辐射差额：地面和大气系统吸收与放出辐射之差

=地面与大气吸收的太阳辐射-地面和大气逸出辐射

地面辐射差额的分布特征

⏹地面辐射差额随纬度的增加而减少，在全球大部分地区为正值；

⏹相同的纬度，海洋上地面辐射差额大于陆地，最大值出现在热带的海洋；

⏹陆地上极大值出现在近赤道的南美、非洲和印度尼西亚的热带雨林区；

⏹极小值出现在副热带的沙漠地区。

地气系统辐射差额分布特征

⏹南北纬35°大体处于能量输入和输出的平衡点，净辐射为零；

⏹在赤道附近的低纬地区，能量的输入大于输出，年平均净辐射为正，为热源；

⏹在极地附近的高纬地区，能量的输入小于输出，年平均净辐射为负，为热汇；

⏹海洋区域吸收的能量比陆地多，海洋是热源，陆地是热汇。

地面与大气热量平衡

⏹地面辐射差额和大气辐射差额与潜热、显热等的热量传输相平衡。

⏹潜热：地面与大气之间由于水的相变而进行的热量交换，主要决定于两个因素：一是地面风速，二

是地气水汽压差。

⏹显热：地面与大气温度不同而进行的热量交换，也主要决定于两个因素：一是地面风速，二是温度

差。

海陆与大气热量交换的差异

海洋提供给大气的 年平均潜热为293.08×10³J/cm²a

年平均显热为50.24×10³J/cm²a

大陆提供给大气的 年平均潜热为104.67×10³J/cm²a

年平均显热为104.67×10³J/cm²a

总体上来讲，

海洋提供给大气的热量更多，且以潜热为主

辐射差额无论冬夏都是海洋上最大--传给大气的热量也多

1月份显热（直接提供给空气增温的热量）海洋也是最大的

1月份潜热（因蒸发提供给大气增温的热量）海洋也是最大的

说明1月份海洋是大气的热源，陆地是冷源。

7月份显热、潜热最小（但是此时海洋辐射差额最大），这时 ，7月海洋是大气的冷源，大陆是热源。

二、温度

⏹ 温度是描述物体冷热程度的物理量。实质上是分子平均动能的表现。物体获得热量时，气温升高，

失去热量时气温降低。

⏹ 有三种温标用于度量物体温度的高低:

绝对温度(Kelvin)，摄氏温度(Celsius)和华氏温度(Fahrenheit)。

⏹ 华氏温度早在1700年由G.Daniel Fahrenheit 提出，他把当时用冰和盐水混合所得到的最低温度定为

0 度，水结冰的温度为 32 度，水沸腾的温度为 212 度。这样，从水的冰点到沸点均匀地划分180份。

温度的换算

⏹ 摄氏温度是18世纪提出来的，它把水的冰点定为0度，沸点定为100度。

⏹ 绝对温度是从热力学的研究中导出来的，Kelvin 提出在分子热运动完全停止时物体的温度应该是

–273.150 C , 这应该是绝对的0度。

一个最简单的地球表面温度模型

⏹ 地球围绕太阳运行，它一面吸收太阳辐射，一面以它自身的温度向宇宙空间发射辐射。其热量平衡

关系应当有

其中S 0 为太阳常数，T 为辐射平衡温度，α 为地球大气系统对太阳辐射的反射率

S 0 = 1376 w/m 2 , α= 0.3

可得T=255K （ -180C ）它远低于地球表面的实际平均温度 150C

问题出在那里呢？

α= 0? 此时T=279K （ 60C ）,仍然偏低。

大气的温室效应必不可少！

大气的垂直温度分布

⏹ 为什么大气温度随高度会有现在这样的变化？这是一个需要想清楚的问题。

⏹ 如果没有特殊原因，大气温度也应该随高度单调递减。但现在有些层次温度是上升的，必须有热源。

在平流层温度升高是臭氧的吸收，在热层是氧分子的吸收。

地表温度的区域和季节变化

以上所讲的主要是全球的年平均温度。由于地球自转轴的倾斜、各个纬度太阳光入射角和日照时间的不同，地球各纬度的地面温度不同，并有季节变化。

()

15.2733295000+=-=C K F C ()41

041⎥⎦⎤⎢⎣

⎡-=σαS T