6.1 气候形成的幅射因子(2)

二、辐射收支与能量系统

太阳辐射自大气上界通过大气圈再到达地表，其间辐射能的收支和能量转换十分复杂，因此地球上的实际气候与天文气候有相当大的差距。 

（一）辐射能收支的地理分布

地-气系统的辐射能收支差额（RS），可按第二章（2.23）式计算

Rs（Q＋q）（1—a）＋qa－F            （2.23）

式中Q和q分别为到达地表的太阳直接辐射和散射辐射，合称总辐射Q0，a为地表的反射率，qa为大气所吸收的太阳辐射能，F为包括透过大气的地面辐射和大气本身向宇宙空间放射的长波辐射，又合称长波射出辐射。在（2.23）式中收入部分为短波辐射，支出部分为长波辐射，Rs又称净辐射。

根据实际观测，到达地表的年平均总辐射（W/m2）如图6·4所示。由图可见，年平均总辐射最高值并不出现在赤道，而是位于热带沙漠地区。例如在非洲撒哈拉和阿拉伯沙漠部分地区年平均总辐射高达293W/m2，而处在同纬度的我国华南沿海只有160W/m2左右。再例如美国西部干旱区年平均总辐射高达239—266W/m2，而其附近的太平洋面只有186W/m2左右。空气湿度、云量和降水等的影响，破坏了天文辐射的纬圈分布，只有在广阔的大洋表面，年平均总辐射等值线才大致与纬线平行，其值由低纬向高纬递减，在极地最低，降至80W/m2以下。

根据美国NOAA极轨卫星在1974年6月至1978年2月，共45个月，扫描辐射仪的观测资料，经过处理分析，绘制出在此期间全球地-气系统冬季（12、1、2月）和夏季（6、7、8月）的平均反射率、长波射出辐射（W/m2）和净辐射（W/m2）的分布图，图中反映出，在极地冰雪覆盖区地表反射率最大，可达0.7以上。其次在沙漠地区反射率亦甚高，常在0.4左右。大洋水面反射率较低，特别是在太阳高度角大时反射率最小，小于0.08。但如洋面为白色碎浪覆盖时，反射率会增大。

地-气系统的长波射出辐射F以热带干旱地区为最大，夏季尤为显著。如北非撒哈拉和阿拉伯等地夏季长波射出辐射达300W/m2以上。极地冰雪表面F值最低，冬季北极最低值在175W/m2以下，南极最低值在125W/m2左右。

在地-气系统净辐射的分布图可见，除两极地区全年为负值，赤道附近地带全年为正值外，其余大部分地区是冬季为负值，夏季为正值，季节变化十分明显。

就全球地-气系统全年各纬圈吸收的太阳辐射和向外射出的长波辐射的年平均值而言（图6·5），对太阳辐射的吸收值，低纬度明显多于高纬度。这一方面是因为天文辐射的日辐射量本身有很大的差别，另一方是高纬度冰雪面积广，反射率特别大，所以由热带到极地间太阳辐射的吸收值随纬度的增高而递减的梯度甚大。在赤道附近稍偏北处因云量多，减少其对太阳辐射的吸收率。

就长波射出辐射而言，高低纬度间的差值却小得多。

这是因为赤道与极地间的气温梯度不完全是由各纬度所净得的太阳辐射能所决定的。通过大气环流和洋流的作用，可缓和高、低纬度间的温度差（后详）。长波辐射与温度的4次方成正比，南北气温梯度减小，其长波辐射的差值亦必随之减小。因此在图6·5上所呈出的长波射出辐射的经向差距远比所吸收的太阳辐射为小。

从图6·5中可明显地看出，在低纬度地区太阳辐射能的收入大于其长波辐射的支出，有热量的盈余。而在高纬度地区则相反，辐射能的支出大于收入，热量是亏损的。

这种辐射能收支的差异是形成气候地带性分布，并驱动大气运动，力图使其达到平衡的基本动力。 

（二）地面能量平衡

当地面收入短波辐射能大于其长波支出辐射，辐射差额为正值时，一方面要升高温度，另一方面盈余的热量就以湍流显热和水分蒸发潜热的形式向空气输送热量，以调节空气温度，并供给空气水分。同时还有一部分热量在地表活动层内部交换，改变下垫面（土壤、海水等）温度的分布。当地面辐射差额为负值时，则地面温度降低，所亏损的热量由土壤（或海水等）下层向上层输送，或通过湍流及水汽凝结从空气获得热量，使空气降温。根据能量守恒定律，这些热能是可以转换的，但其收入与支出的量应该是平衡的，这就是地面能量平衡。地面能量平衡决定着活动层以及贴近活动层空气的增温和冷却，影响着蒸发和凝结的水相变化，是气候形成的重要因素。

地面能量平衡方程可写成下列形式

Rg＋LE＋Qp＋A=0    （6·9）

式中Rg为地面辐射差额，LE为地面与大气间的潜热交换（L=蒸发潜热，E=蒸发量或凝结量），Qp为地面与大气间湍流显热交换，A等于地面与下层间的热传输量（B）、平流输送量（D）两者之和。

（6·9）式中，地面得到热量的各项为正值，地面失去热量的各项为负值（图6·6）。在形成地面能量平衡中，这四者是最主要的，其它如大气的湍流摩擦使地面得到的热量，植物光合作用消耗的能量，以及与地面温度不同的降水使地面得到或损失的热量等，数值都很小，一般可以忽略不计。在组成地面能量平衡的四个分量中，由于辐射差额有明显的昼夜变化和季节变化，因此其它分量也发生类似的周期性变比，而这种变化又因纬度和海陆分布而不同。地面净辐射的地理分布形势已经远较天文辐射为复杂，而其它分量如地面蒸发失热的年总量分布及地-气显热交换的分布，则更为复杂。

海洋和大陆表面热量平衡各分量的纬度年平均分布如图6·7和图6·8所示：

（三）全球能量级联

太阳辐射在全年投射到整个地球大气圈上界的总能量，在日地平均距离处，等于在太阳直射下以地球平均半径r为大圆的表面所获得的总能量，即为Ig0πr2，I0=1370W/m2，地球赤道半径为6378.140km，极半径为6356.755km。由此求得此总能量为175000×1012W，进入地球大气圈到达下垫面后，被大气和下垫面直接反射回宇宙空间53000×1012W（占30％），下垫面吸收太阳辐射而增温，再转换成长波红外辐射放射出75000×1012W（占43％）的能量。下垫面通过蒸发将水汽和潜热能输送给大气，在大气中通过一定过程凝云致雨，再下落至地面成为径流，耗去潜热能39000×1012W（占22％）。地-气能量交换中耗于风、波浪、对流、平流等的能量（参见图6·9）为370×1012W。到达下垫面的太阳能还被耗于：①植物光合作用为40×1012W；②有机体腐烂；③潮汐、潮流等，3×1012W；④对流、火山和温泉的能量为0.3×1012W；⑤原子能、热能和重力能等等。在图6·9的下部方框内，表示与地表生命活动密切有关的能量级联。

由图6·9可见，太阳辐射能是整个气候系统的主要能源。在太阳辐射能的驱动下，通过气候系统内部的相互作用，产生能量的交换和转移。这种相互作用在不同时间尺度内进行。例如在暖季晴天的上午，在强烈阳光照射下，水面有大量水汽蒸发，气流上升将水汽输送至上空，在天气条件适合时，下午就可以形成云和降水，从下垫面带去的潜热和位能，很快就释放出来。树木在太阳能供应下，通过光合作用，构成其机体组织。后经死亡腐烂，埋藏在地下，经过漫长的地质时期形成煤，人们用煤燃烧释放出光和热，这是经过漫长时间太阳能转换的实例。虽然太阳能储存和释放的时间尺度不同，它们对气候都产生显著的影响。

（四）全球能量平衡模式

综上所述，可以概括出一年中全球能量平衡模式如图6·10所示。从短波辐射来讲，太阳辐射在地球表面大气上界单位时间、单位面积上的平均值i应为

i=I0πr2/4πr2  （6·10）

式中I0πr2即如前所述太阳到达大气上界的总能量，4πr2为地球表面积。由（6·11）式算出i=342.8W/m2。为了论述简便，将此值算做100个单位，此100个单位进入大气圈时被大气吸收了18个单位（主要是被水汽、臭氧、微尘、CO2等选择吸收），云滴吸收2个单位，二者共吸收20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（又称地球反射率）。地面吸收直接辐射22个单位、散射辐射28个单位（其中来自云层漫射16，大气散射12），合计吸收总辐射50个单位。

图6·9全球能量级联（energy cascade）图

地面因吸收总辐射而增温。根据全球年平均地面温度T，其长波辐射能量Eg=δσT4（见2·12式）相当于115个单位。地面长波辐射进入大气圈时有109个单位为大气（主要为CO2、水汽、云滴等）所吸收，只有6个单位透过“大气窗”逸入宇宙空间。

大气吸收了20个单位的太阳辐射和109个地面长波辐射而增温，它本身也根据其温度进行长波辐射。大气和云长波辐射一部分为射向地面的逆辐射，其值相当于95个单位，另一部分射向宇宙空间为64个单位（其中大气38，云层26个单位）。因此通过辐射过程，大气总共吸收129个单位，而大气长波辐射支出95＋64=159个单位。全球大气的年平均辐射差额为-30个单位。这亏损的能量，由地面向大气输入的潜热23个单位和湍流显热7个单位来补充，以维持大气的能量平衡。

图6·10地球能量平衡模式

整个地球下垫面的能量收支为±145个单位，大气的能量收支为±159个单位，从宇宙空间射入的太阳辐射100个单位，而地球的反射率为30个单位，长波辐射射出70个单位，各部分的能量收支都是平衡的。这些估算的数值是很粗略的，它们仅仅提供一个地-气系统中能量收支的梗概。这里因为是全球全年平均，季节变化和地区间的能量输送都被略去。在这种能量收支下，形成并维持着现阶段的地球气候状态。

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