地球大气系统能量平衡

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。
地球大气系统能量平衡
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
地球大气系统能量平衡
图2、6 地气系统辐射平衡的平均经向分布
地球大气系统能量平衡 Vonder Hear, 1968 p158
B: 正值表示地面是热源； 负值表示地面是热汇（冷源）。
地球大气系统能量平衡
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.大气辐射平衡BA：
BA q' u' G U
u 地表长波被大气吸收部分 ' (1 )U
F U U
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F + 地面和大气层向宇宙空间逸出的长波 辐射净通量F。地球大气系统能量平衡
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）；
地球大气系统能量平衡
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 地球大气系统能量平衡
• 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?。
地球大气系统能量平衡
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。
北半球：
• 大气辐射平衡年总量随纬度的增加，从赤道
地球大气系统能量平衡
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地球波大气辐系统射能量基平衡本上相等。
地球大气系统能量平衡
辐射源
过渡带
地球大气系统能量平衡
辐射汇
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。
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。
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
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 地球s大气系统能量平衡 r ) C A C 0
现代气候学原理
地球大气系统能量平衡
第三章 地球大气系统的能量平衡
主要内容
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
地球大气系统能量平衡
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
（-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，其地球辐大气系射统能净量平亏衡 损2512MJ.M-2
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 射年平均净亏地损球大大气系于统能北量平半衡 球（80W.m-2)。
地球大气系统能量平衡
那曲
夏季晴天辐射平衡各分量的平均日变化曲线
地球大气系统能量平衡
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）；
。地---气系统辐射平衡Bs：
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
全球多年平均而言，地气系 统的蝮蛇平衡应保持平衡，
Bs
Ss 4
(1
As )
Fs
Bs 0
Ss 4
(1
As )
Fs
地球大气系统能量平衡
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
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， 地面地球射大气出系统辐能量射平衡减小。
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?
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
全球长期平均：Bs 0
地球大气系统能量平衡
3.2 辐射平衡变化规律
地球大气系统能量平衡
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地的球大增气系大统能。量平衡
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；
图 不同纬度带辐射地球平大气系衡统能的量平年衡 变化