第三章地球大气系统能量平衡剖析
地-气能量平衡与全球气候变化
地-气能量平衡与全球气候变化摘要:地球表面与大气之间存在着各种形式的运动过程,太阳辐射是维持平衡的主要源泉,太阳辐射在到达地球以前要经过大气的削弱作用,最后吸收约太阳辐射的47%,天气和气候就决定于接受太阳辐射和散失热量之间的平衡, 气候系统能量收支的全球长期平均应该是平衡的。
因为驱动气候系统的所有能量均来自于太阳，能量平衡意味着进入的全球太阳辐射总量必须等于被反射的太阳辐射与气候系统射出的红外辐射之和。
全球辐射平衡的扰动被称为辐射强迫，它是由自然或人为因素引起的。
大气中的水蒸气、二氧化碳和其他微量气体，如甲烷、臭氧、氟利昂等，可以使太阳的短波辐射几乎无衰减地通过，但却可以吸收地球的长波辐射。
因此，这类气体有类似温室的效应，被称为“温室气体”。
温室气体吸收长波辐射并再反射回地球，从而减少向外层空间的能量净排放，其过量排放导致全球性的气候变化，给生态环境以及人类生存带来了极大的挑战。
关键词：能量平衡太阳辐射温室效应气候变化1引言地球的温度是由太阳辐射照到地球表面的速率和吸热后的地球将红外辐射线散发到空间的速率决定的。
从长期来看，地球从太阳吸收的能量必须同地球及大气层向外散发的辐射能相平衡。
太阳辐射被大气削弱后到达地面的辐射分为两部分：一是太阳直接投射到地面的部分，称为直接辐射；而是经过散射后到达地面的部分，称为散射辐射。
两者之间之和，即为总辐射。
投射到地面的太阳辐射一部分被地面吸收一部分被地面所反射。
地球表面的平均温度完全决定于辐射平衡。
由于人类活动导致的地气能量平衡系统的破坏，全球变暖已经成为不可逆转的趋势，而且将日趋严重。
正如美国著名的气候科学家杰里·马尔曼说，“确凿的证据是明摆着的。
”如果仅就人类自身目前的感受而言，气候变暖的感觉似乎并不坏：油价降下来了，天寒地冻的感觉没了……不过，科学家理性而严谨的分析会让你透过眼前的表象看得更远：在不太远的未来，人类将不得不承受气候变暖所带来的灾难性后果，比如说数十亿人缺水、南北两极冰盖将迅速消融，海平面升高将导致一些岛国的消失，暴雨、干旱、热浪等极端天气将频繁出现，生物链被打乱以及传染疾病肆虐等。
第3讲：热量平衡
地表热量差额的解释
• 当Qd为：
– 正值时，地面通过湍流热交换、蒸发耗热和土壤热交换等方式把 热量传递给周围大气和土壤内部
– 负值时，地面从大气和土壤内部获得热量以达到本身的热量平衡
• 根据不同下垫面，LE 和A可作相应的修改，例如：
– 在陆地土壤中的平均水平温度梯度很小，水平输送量F 接近于0， A 等于垂直交换量H – 在海洋水平和垂直热交换量都很明显，因此，A = F + H – 对于蒸发接近于零的沙漠地区来说，潜热LE = 0。 – 对全年平均来说﹐不论那种下垫面，垂直交换H 都等于0
– = 地面或大气的相对辐射系数，一般取值0.95 – = 斯蒂芬-布尔兹曼常数，等于5.16 W cm-2度-4
–T0 = 地面或大气温度（绝对温度K）
地气系统释放到空间的长波辐射量（1月份）
全球辐射差额随纬度的变化
年平均太阳辐射和长波辐射随 纬度的变化。低纬度地区吸收 的短波辐射大于损失的长波辐 射（净辐射为正），高纬度地 区相反。
IPCC，2007
1955-2005年全球海洋热容量变化
• 在1961年到2003年期间 ，0-3000米海洋层已吸收 约14.1×1022J的热量，等 于地球表面平均每平米加 热0.2W • 1993-2003年，0-700米海 洋层的相应变暖速度要高 一些，约为 0.5±0.18Wm–2 • 相对于1961-2003年， 1993-2003年的变暖速度 较高，但是在2004-2005 年，与2003年相比，出现 了一些冷却情况
• 方程： B = S + D + G – Rk – Rg - U
• 设短波、长波的反射率为、’，则：
B = (S + D)(1- ) + G (1- ’) - U (S + D)为到达地面的总辐射 (Qd)， G (1- ’) 是地面吸收的大气逆辐射
王建现代自然地理学考研笔记(第三章：地球寰层环境与地球表层系统)
一、地球表层系统的组成1. 大气层：- 对流层：位于地球表面上方约10-15公里的大气层，其中包含了大部分的气候现象和天气变化。
对流层中的空气循环形成了风和气候系统。
- 平流层：位于对流层之上，高度约15-50公里，大气层中的气流基本上是水平流动的。
平流层中的臭氧层起到了屏蔽紫外线辐射的作用。
- 臭氧层：位于平流层之上，高度约20-50公里，含有大量的臭氧分子，起到过滤紫外线的作用，保护地球上的生物免受紫外线辐射的伤害。
2. 水体：- 海洋：地球表层的海洋占据了地球表面的约71%，是地球上最大的水体。
海洋对调节气候、吸收二氧化碳、提供食物资源等起着重要作用。
海洋中的洋流和海洋生物多样性也对地球生态系统具有重要影响。
- 湖泊：地球表层的湖泊是由淡水组成的水体，对于维持地区的水循环、生物多样性和人类生活等具有重要意义。
湖泊中的水质和湖泊生态系统的健康状况对周围环境和生物群落有着重要影响。
- 河流：地球表层的河流是水体在陆地上流动的一部分，它们对于水循环、土壤侵蚀和提供淡水资源等起着重要作用。
河流的水量和水质对周围生态系统和人类社会有着重要影响。
- 冰川：地球表层的冰川是由积雪和冰形成的，它们对于地球的水循环、气候调节和海平面的变化等有重要影响。
冰川的融化速度和冰川水资源的变化对地球气候和水资源分配有着重要影响。
3. 陆地：- 大陆：地球表层的大陆是由地壳构成的陆地部分，包括七大洲和一些岛屿。
大陆上的地形地貌多样，包括山脉、高原、平原、盆地等。
大陆地壳的构造和地质活动对地球的地震、火山活动和地壳演化有着重要影响。
- 植被：地球表层的植被是陆地上的植物群落，包括森林、草原、沙漠等。
植被对于土壤保持、气候调节和生物多样性维持等起着重要作用。
植被的分布和类型受到气候、土壤和人类活动等因素的影响。
- 土壤：地球表层的土壤是由岩石风化和有机物分解形成的，它们是植物生长的基础，同时也是水分和养分的储存和传递介质。
地球气候系统能量收支平衡
地球气候系统能量收支平衡地球气候系统能量收支平衡地球气候系统能量收支平衡是指地球上能量的输入和输出之间的平衡。
这个平衡对于地球的气候和生态系统的稳定起着至关重要的作用。
地球气候系统主要接收来自太阳的能量。
太阳辐射的能量以电磁波的形式通过太空传递到地球上。
其中大部分能量以可见光的形式照射到地球表面，被陆地、海洋和大气层吸收。
地球上的植物通过光合作用将太阳能转化为化学能，进而支持整个生态系统的运转。
另外，地球上的陆地和海洋还吸收和储存了大量的太阳能量。
然而，地球也向宇宙传递能量。
这主要通过地球的辐射来实现。
地球吸收太阳辐射后，会以辐射的形式向外界释放热量。
地球表面的辐射主要是以红外线的形式释放，一部分由大气层吸收，一部分则逃逸到太空中。
地球气候系统能量的输入和输出需要保持平衡，否则会对地球的气候产生重大影响。
如果输入的能量多于输出的能量，地球会变热，导致全球气温上升。
这就是我们所说的全球变暖。
全球变暖会引发一系列问题，如冰川融化、海平面上升、极端天气事件增多等。
相反，如果输出的能量多于输入的能量，地球会变冷，导致全球气温下降。
这种情况下，地球可能会进入一个寒冷的气候阶段，也就是我们所说的冰河时期。
为了维持地球气候系统能量的平衡，我们需要注意能源的使用和保护。
通过减少化石燃料的使用，转向可再生能源，如太阳能和风能，可以减少温室气体的排放，降低全球变暖的风险。
此外，保护森林和海洋也能够帮助吸收和储存更多的能量，维持地球气候系统的平衡。
总而言之，地球气候系统能量收支平衡是地球气候稳定的基础。
只有保持能量的平衡，我们才能够维持一个适宜的气候环境，保护地球的生态系统和人类的生存。
因此，我们每个人都应该意识到能源的重要性，采取行动减少能源消耗，保护我们共同的家园。
气候系统的能量平衡
dl
A
地面
大阳高度 （h） 大气质量 数（m）
90 1
60
1.15
30
2.0
10
5.6
5
10.4
3
15.4
1
27.0
0
35.4
• 大气透明度
描述大气对太阳辐射衰减的程度,常用透明系数表示 如果介质的光学性质是均匀的,
第 一 节
太阳常数: 大气上界、日地平均距离处、垂直于太阳光线方向、单位时间、单位 面积接收到的所有波长的太阳辐射能。 数值及单位：
I 0 1367 7WM 2
日地平均距离： r0=1.496×108km 近日点日地距离：1.471×108km 远日点日地距离：1.521×108km
地球的赤道平面与黄道平面并不重合，而是有一个交角（二面角），就是黄赤交角。 在公元2000年，这个交角为23°26′21″。
k 为常数
I I 0 e 0
令:
k dl
l
I 0 e
k
0 dl I ek m0 H 0 0
l
P e k 0 H0
P
即为大气对单波 的透明系数
到达地面的单色辐射强度为:
I I P
m 0
I0 I0 I 2 sinh 2 (sin sin cos cos cos ) D D
赤道
23 27 N
0
热带 南温带 南寒带
南回归线
南极圈
2327 S
6633S
地球的五带
第 一 节
地球公转示意图 为什么南北回归线都是23.5 °？ 如果地球的黄道面与赤道面夹角为0°或者90 ° ，会怎么样？
大气辐射传输与能量平衡
大气辐射传输与能量平衡大气辐射传输和能量平衡是地球气候系统中的重要组成部分，它们对大气、海洋和陆地的热力平衡起着至关重要的作用。
本文将从辐射传输的基本原理开始，逐步探讨大气辐射传输与能量平衡的关系。
1. 大气辐射传输的基本原理大气辐射传输是指太阳辐射穿过大气层并到达地球表面的过程，以及地球表面反射、散射和向大气层发出的辐射传播的过程。
在这个过程中，太阳辐射经过大气层时会被散射、吸收和反射，地球表面则会反射、辐射和传导能量。
大气辐射传输的理论基础主要建立在辐射传输方程上，该方程描述了辐射传输过程中能量的变化。
2. 大气辐射传输与能量平衡的关系大气辐射传输的特点决定了能量平衡在地球气候系统中的重要性。
通过大气辐射传输，太阳能量从太阳辐射源传至地球，其中一部分被大气层吸收，一部分被散射和反射，最后到达地球表面。
地球表面吸收来自太阳辐射的能量，然后通过辐射、传导和对流的方式向大气层释放能量。
大气辐射传输和能量平衡之间的关系在维持地球气候系统的热力平衡方面起着至关重要的作用。
3. 大气辐射传输的影响因素大气辐射传输受多种因素影响，包括大气成分、云层、大气湍流等。
大气成分（如水蒸气、二氧化碳、氧气等）对辐射传输的影响主要体现在吸收和散射方面。
云层对辐射传输有较强的遮挡作用，既会散射太阳辐射，还会吸收和反射来自地面的辐射。
大气湍流则通过对流和辐射的相互作用来影响辐射传输的过程。
了解这些影响因素对于研究大气辐射传输和能量平衡的机制至关重要。
4. 气候变化对大气辐射传输与能量平衡的影响气候变化引起的温度变化和大气成分的变化对大气辐射传输和能量平衡产生了重要影响。
温度的升高会导致大气层的膨胀，从而改变大气的透明度和散射特性。
此外，由人类活动引起的增加的温室气体排放导致大气中温室效应的增强，加剧了大气辐射传输和能量平衡的变化。
因此，理解气候变化对大气辐射传输与能量平衡的影响对于应对气候变化具有重要意义。
总结：大气辐射传输与能量平衡是地球气候系统中的重要组成部分，对维持地球的热力平衡起着至关重要的作用。
69现代气候学 第3章 气候系统的能量平衡PPT课件
纬度在本地经线上度量，南北纬各分90度。共180度 （-90°，90 ° ）
： 经度
本地子午面的东西方向和角距离
经度是两面角，本初子午面为起始面， 本地子午面为终面；
经度通常在赤道上度量，东西经各分180度。 共360度 （-180 °,180 ° ），或者（0,360 ° ）
22
经度和纬度 纬度是线面角，即本地法线与赤道平面的交角； 经度是两面角，即本地子午面与本初子午面的交角。
23
经线的间隔随纬度增大而减小
East China Normal University
24
地球的赤道平面与黄道平面并不重合，而是有一个交角（二面角），就是黄赤交角。 在公元2000年，这个交角为23°26′21″。
黄道平面：地球绕太阳公转的轨道平面
25
四季的形成
26
北极圈 北回归线 赤道 南回归线
南极圈
北寒带 北温带
6633N 2327N
热带
南温带 南寒带
0
2327S
6633Sຫໍສະໝຸດ 地球的五带27第 一
太阳辐射
节
地球围绕太阳的公转导致了地球出现了，季 节变化、日辐射总量的变化（日出、日 落时间的变化）
太阳常数
11
二、辐射的基本定律
基尔荷夫(kirchoff)定律(选择吸收定律)
定律
在一定温度下，任何物体对于某一波长的放射能力(eλ,T) 与物体对该波长的吸收率(aλ,T)的比值，只是温度和波长的 函数，而与物体的其它性质无关。即:
e ,T a ,T
E ,T
Eλ,T只是波长和温度的函数。
12
推论 对不同性质的物体，放射能力较强的物体，吸收能力 也较强；反之，放射能力弱者，吸收能力也弱，黑体 的吸收能力最强，所以它也是放射能力最强的物体。 对同一物体，如果在温度T时它放射某一波长的辐射， 那么，在同一温度下它也吸收这一波长的辐射。
earth's energy cycle解析
地球能量循环解析地球能量循环是指太阳能在地球大气、地表和海洋中的循环过程。
这一循环过程涉及到太阳辐射、大气吸收、地表和海洋的物理过程以及生态系统的能量转换。
地球能量循环对于地球的气候、生态平衡和人类生活都具有重要的影响。
1. 太阳辐射太阳辐射是地球能量循环的起源。
太阳辐射主要包括可见光、紫外线和红外线。
这些辐射穿过大气层直接照射到地表和海洋表面，并且是地球上所有生命活动的直接能源。
2. 大气吸收地球大气对太阳辐射的吸收和反射是地球能量循环的重要环节。
大气中的各种气体和气溶胶对太阳辐射有不同的吸收和反射特性，其中以水蒸气和二氧化碳的吸收能力最强。
大气吸收太阳辐射后会产生大气加热和辐射能量，成为地表和海洋的次生能源。
3. 地表和海洋物理过程地表和海洋表面的太阳辐射主要表现为热量的吸收和反射。
其中，地表的岩石、土壤和水体会吸收太阳辐射并将其转化为热能，随后释放到大气中。
而海洋则会吸收和贮存大量的太阳辐射能量，导致海洋表面温度升高、产生海洋环流和气候变化。
4. 生态系统能量转换生态系统中的植物通过光合作用将太阳能转化为生物能量，植物的生长和呼吸过程释放出氧气和二氧化碳。
动物和微生物通过食物链和食物网获取能量，并释放出二氧化碳和热能。
这些能量转化过程对地球能量循环起着至关重要的作用。
5. 地球能量平衡地球能量循环通过各种物理和生态过程实现能量的平衡。
太阳辐射提供能量输入，大气和地表的物理过程实现热量的转移和平衡，生态系统能量转换维持了生物圈内的生命活动。
这种平衡对地球的气候和生态系统的稳定具有重要的意义。
总结起来，地球能量循环是一个复杂而又精密的系统，由太阳辐射、大气吸收、地表和海洋的物理过程以及生态系统的能量转换共同完成。
这一循环过程对于维持地球的气候、生态平衡和生命活动具有至关重要的作用。
深入研究地球能量循环，不仅有助于我们更好地理解地球的运行机制，也有助于我们更好地预测和应对地球气候和环境变化。
地球能量循环的复杂性地球能量循环是一个包含多种要素和相互作用的复杂系统。
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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）；
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；
• 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
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。
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)。
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
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。
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
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。
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
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 辐射平衡持续时 间减少；
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。
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
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
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