2.2 地面和大气的辐射(2)
地面和大气因辐射进行热量的交换，其能量的收支状况，是由短波和长波辐收支作用的总和来决定的。
我们把物体收入辐射能与支出辐射能的差值称为净辐射或辐射差额。即
辐射差额=收入辐射-支出辐射
在没有其它方式进行热交换时，辐射差额决定物体的升温或降温。辐射差额不为零，表明物体收支的辐射能不平衡，会有升温或降温产生。辐射差额为零时，物体的温度保持不变。
（一）地面的辐射差额
地面由于吸收太阳总辐射和大气逆辐射而获得能量，同时又以其本身的温度不断向外放出辐射而失去能量。某段时间内单位面积地表面所吸收的总辐射和其有效辐射之差值，称为地面的辐射差额。若以Rg表示单位水平面积、单位时间的辐射差额，则得
Rg=（Q+q）（1-a）-F0 （2·21）
式中（Q+q）是到达地面的太阳总辐射，即太阳直接辐射和散射辐射之和；a为地面对总辐射的反射率；F0为地面的有效辐射。
显然，地面辐射能量的收支，决定于地面的辐射差额。当Rg＞0时，即地面所吸收的太阳总辐射大于地面的有效辐射，地面将有热量的积累；当Rg＜0时，则地面因辐射而有热量的亏损。
影响地面辐射差额的因子很多，除考虑到影响总辐射和有效辐射的因子外，还应考虑地面反射率的影响。反射率是由不同的地面性质决定的，所以不同的地理环境、不同的气候条件下，地面辐射差额值有显著的差异。
地面辐射差额具有日变化和年变化。一般夜间为负，白天为正，由负值转到正值的时刻一般在日出后1h，由正值转到负值的时刻一般在日落前1—1.5h。在一年中，一般夏季辐射差额为正，冬季为负值，最大值出现在较暖的月份，最小值出现在较冷的月份。图2·13表示无云情况下，辐射差额各分量的日变化。其中地面辐射和有效辐射曲线对正午来说是不对称的，其绝对最大值发生在12时以后，这是由于地表最高温度出现在13时左右造成的，因而也导致辐射差额曲线对正午的不对称。图2·14是上海7月份晴天辐射差额日变化的情况。图2·15给出了我国不同地区辐射差额年变化的情况。由图2·15可以看出，赣州代表我国南部地区，地面辐射差额月最大值出现在7月，而北部地区以北京为例，沙漠地区以敦煌为例，地面辐射差额月最大值都出现在6月。地面辐射差额的最小值出现在12月。
辐射差额的年振幅随地理纬度的增加而增大。对同一地理纬度来说，陆地的年振幅大于海洋的年振幅。全球各纬度绝大部分地区地面辐射差额的年平均值都是正值，只有在高纬度和某些高山终年积雪区才是负值。就整个地球表面平均来说是收入大于支出的，也就是说地球表面通过辐射方式获得能量。
（二）大气的辐射差额
大气的辐射差额可分为整个大气层的辐射差额和某一层大气的辐射差额。这也是考虑某气层降温率的最重要因子。由于大气中各层所含吸收物质的成分、含量的不同，以及其本身温度的不同，所以辐射差额的差别还是很大的。
若Ra表示整个大气层的辐射差额，qg表示整个大气层所吸收的太阳辐射，F0，F∞分别表示地面及大气上界的有效辐射，则整个大气层辐射差额的表达式为
Ra=qa+F0-F∞ （2·22）
式中F∞总是大于F0的，并qa一般是小于F∞—F0，所以整个大气层的辐射差额是负值，大气要维持热平衡，还要靠地面以其它的方式，例如对流及潜热释放等来输送一部分热量给大气。图2·16描绘了大气辐射差额随纬度的分布情况。
（三）地-气系统的辐射差额
如果把地面和大气看作为一个整体，其辐射能的净收入为
R5=（Q+q）（1-a）+qa-F∞ （2·23）
式中qa和F∞分别为大气所吸收的太阳辐射和大气上界的有效辐射。
就个别地区来说，地气系统的辐射差额既可以为正，也可以为负。但就整个地气系统来说，这种辐射差额的多年平均应为零。因观测表明，整个地球和大气的平均温度多年来是没有什么变化的。也就说明了整个地-气系统所吸收的辐射能量和放射出的辐射能量是相等的，从而使全球达到辐射平衡。
图2·17描绘了南北半球各纬度辐射收支情况，以及各纬圈行星反射率。由图可以看出，无论南、北半球，地-气系统的辐射差额在纬度30°处是一转折点。北纬35°以南的差额是正值，以北是负值。这样，会不会造成低纬地区的不断增温和高纬地区的不断降温。多年的观测事实表明，不会如此。从长期的平均情况来看，高纬及低纬地区的温度变化是很微小的。这说明必定有另外一些过程将低纬地区盈余的热量输送至高纬地区。这种热量的输送主要是由大气及海水的流动来完成的。（详见第六章）
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