第三章地球大气系统的能量平衡102

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
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。
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；
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)。
经向非对称性
绝对值
• 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。
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：
能量平衡基本方程 辐射平衡的变化特征 全球热量平衡
3.4
3.5 3.6
能量经向调整
辐射加热率和辐射冷却率 温室效应
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：
B S D G Rs Rl U
'
B Q(1 A) F B F 夜间或冬季
B: 正值表示地面是热源； 负值表示地面是热汇（冷源）。
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：B
年平均：B 陆地：B
s s s s
H s LA Cv C A C0 L( E r ) C A C0 L( E r ) C A 0
全球长期平均： B
3.2 辐射平衡变化规律
大气辐射收支净通量 总是负值。
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
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。
3.1 3.2 3.3
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；
图 不同纬度带辐射平衡的年变化
• 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?。
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
那曲
夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线
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Biblioteka Baidu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）；
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。
• 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
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 LE H 年平均： B P LE 沙漠地区： B P
海洋表面： B P LE C0
大气: 年平均:
BA H A C A Lr P BA C A Lr P
地气系统: Bs H s L ( E r ) C A C0
' ' S D G Rs Rl U B u (1 )U
' ' • A地 --气系统辐射平衡 Bs： B q u G U
B Q(1 A) F F U U B F'
BA q F F
Bs Q(1 A) q F
'
Bs Qs (1 As ) Fs
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
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，
Bs
Ss 4
Ss 4
(1 As ) Fs
Bs 0 (1 As ) Fs
.大气辐射平衡B
地表长波被大气吸收部分
A：
大气逆辐射
逸出宇宙空间的 大气辐射
BA q u G U
' '
u (1 )U 大气向宇宙空间逸出的长波辐射 F U U
'
BA 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。
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
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。
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； 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。