第二章 地球表层的能量收支(三)
第3节辐射平衡
一、到达地表的太阳辐射
（一）太阳总辐射（global radiation）
1. 太阳直接辐射:通过大气圈直接到达地面的太阳辐射。它随太阳高度的增大而增强；在太阳高度一定时，随大气透明度的增大而增强。其日变化、年变化和随纬度的变化主要由太阳高度角决定。
2. 太阳散射辐射：由大气中的空气分子和悬浮物所散射的、来自天穹各个方向的太阳辐射。它随太阳高度的增大而增强；随大气透明度的增大而减弱。其日变化、年变化和随纬度的变化也主要由太阳高度角决定。
3. 太阳总辐射的分布是地面温度分布的能量背景
（二）地面反射率（albedo ）
1. 概念：地面反射辐射量与入射辐射量之比。 反射率越大，地面吸收太阳辐射越少； 反射率越小，地面吸收太阳辐射越多。
2. 影响因素
（1）下垫面性质：颜色、干湿状况、粗糙程度原理：在可见光波段，黑体反射率近于零；
白体反射率近于1 。
不同下垫面的反射率
地面总反射率的分布
3. 城市热岛效应（urban heat island）
（1）概念：城区气温高于郊区，类似高温孤岛。
（2）成因：
城市地表粗糙和柏油地面，反射率低，吸热和导热性高。
2000.6.4，14时，紫竹院：
百叶箱37.9℃，沥青路面61.5℃，5cm 草地47.4℃ 水面和植被少，地表湿度低，类似荒漠 高耗能工业、汽车、取暖设备排出废热 建筑物稠密，减弱通风和散热
空气污染物含量高，阻碍地面与高空的热交换 人口密度大
城市环境中的辐射、反射、尘罩与空气运动
（3）北京的热岛效应
热岛区：市中心、石景山、门头沟、昌平 热岛强度（市区与郊区温度差）
1999.7.23，20点：2.17℃
2001.7.1，20点：3.0℃
1997年最大热岛强度：9.0℃
（4）缓解措施
减少黑色、暗色地面（提高反射辐射）； 疏散工业企业，减少汽车流量（减少排热）； 增加植被和水面面积（降温）；
科学地规划城市建设（优化布局）；
改变能源结构（减少化石燃料使用）。
1998.6.29，下午1点，Sacramento , 2000m 高空
二、地球表层的长波辐射
（一）地面辐射
1. 概念：地面以红外辐射的形式发射的热能。
2. 方向：由地表返回太空。
3. 大小：由于地面对于长波辐射的吸收率接近于1，所以，可以将其近似地视为黑体。黑体的辐射能力与其绝对温度的四次方成正比。
E =σT 4
4. 连续发射——充分开放系统
（二）大气辐射
1. 以长波辐射的形式发射辐射。
2. 方向
向太空方向：大气对外辐射；
向地球方向：大气逆辐射。
2. 大气对地面辐射的吸收谱
对地面辐射的吸收能力大于对太阳辐射的吸收能力，因此，大气主要是由地面加热的。 主要温室气体为对流层水汽、二氧化碳、一氧化二氮、甲烷和臭氧，它们对长波辐射具有拦截作用，且在地面比高空的吸收率大许多。 大气之窗：8∼12μm
温室效应（greenhouse effect）：由于温室气体和大气逆辐射的存在，使低层大气保温的效应。
（三）有效辐射
1. 概念：地面辐射与地面吸收的大气逆辐射之差。
2. 内涵：地面通过与大气的长波辐射交换而实际损失的能量。
有效辐射为正，地面净损失能量；
有效辐射为负，地面净获得能量。
3. 影响因素
地面温度（空气湿度和云量等条件不变）：正相关作用。
大气温度、湿度、云量和温室气体含量（地面温度条件不变）：负相关作用。
三、地球表层的辐射平衡
净辐射（n et radiation）R ：在某段时间内，物体单位面积上能量收支的差值。
R =0：物体收支的辐射能量相等，温度保持不变； R ≠0：物体收支的辐射能量不平衡，温度将上升（R>0）或下降(R
（一）地面辐射平衡
1. 方程
R e =(S +D +G a ) −(A +U e )
R e =Q e (1−α) −E
2. 地面净辐射的日变化和年变化 在白昼净辐射为正值，夜晚为负值； 在中、高纬地区，夏季净辐射增大，冬季减小； 从全球多年平均来看，地面处于能量收入与支出的大致平衡状态
3. 影响地面净辐射的因素 影响Q e ：太阳高度、大气中云、水汽、微粒； 影响α：冰雪覆盖、植被、土壤水分； 影响E ：地面和大气温度、大气湿度、云量，
温室气体含量。
4. 地面净辐射的分布特征
净辐射随纬度的增加而减少，在全球大部分地 区，净辐射为正值，冬季的极区为负值（总辐 射小，反射率大）； 相同的纬度，海洋上净辐射大于陆地，最大值 出现在热带的海洋（收入辐射多，反射率小， 有效辐射小）； 近赤道地区陆地上的极大值出现在南美、非洲 和印度尼西亚的热带雨林区（收入辐射多，反 射率小，有效辐射小），副热带的极小值位于 沙漠地区（收入辐射多，反射率大，有效辐射 大）。
（二）大气辐射平衡 1.方程
Ra = (Q a + U a ) − (Ga + U ∞ )
大气吸收的地面辐射能量：Ua=（1-P）Ue 地面的有效辐射：E=Ue-Ga， Ga= Ue-E 地-气逸出的辐射：E∞=PUe＋U∞，U∞=E∞-PUe 代入方程，得
Ra = Qa + Ue − PUe − [(Ue − E ) + ( E∞ − PUe )] = Qa + E − E∞ = Qa − ( E∞ − E )
2.影响大气净辐射的因素 大气吸收的太阳辐射 地面有效辐射 地面与大气向宇宙空间逸出的辐射 因为：大气吸收的太阳辐射量（Qa）较小， 所以：大气净辐射量（Ra）主要由（E∞－E）决 定； 因为：E∞>E； 所以：Ra
地球－大气系统长波辐射输出：1985.4（W/m2）
（三）地—气系统辐射平衡 1.方程
Rs = Qs (1 − αs ) − E∞
2.分布 南、北纬36°大体处于能量输入和输出的平衡 点，净辐射为零； 在赤道附近的低纬地区，能量的输入大于输出， 年平均净辐射为正，为热源； 在极地附近的高纬地区，能量的输入小于输出， 年平均净辐射为负，为热汇； 海洋区域吸收的能量比陆地多，海洋是热源， 陆地是热汇； 北非沙漠地区有很强的负值。
大气上界的辐射收支
（四）辐射平衡的总体特征 1.太阳辐射输入： 大气上界：100 大气吸收：20 大气反射：26 地面反射：4 到达地表：50
2.地面 Re = Qe (1 − α ) − E = 50 − 20 = 30
能量输入 50 能量输出（ I） 长波辐射 20 进入宇宙空间 6 大气吸收 14 能量输出 (II) 湍流和对流（感热） 6 能量输出 (III) 蒸发（潜热） 24
全球地面年感热输送
全球地面年潜热输送
5. 小结
地面能量收支相等，辐射达到平衡； 大气能量收支相等，辐射达到平衡；
地-气系统能量收支相等，辐射达到平衡。
辐射平衡实际过程
问题：
如果考虑大气圈的存在，不考虑大气对于太阳辐射的反射和吸收，且地球和大气均为黑体，当地面处于辐射平衡状态时，地面能量平衡方程是怎样的形式？地面和大气温度的估计值是多少？（设云量为c =0.77)地面辐射平衡方程为
R e =Q e (1−α) −(U e −G a ) 令R e =0，则有
Q e (1−α) +G a =U
e
设地面温度为T 1，大气圈温度为T 2，则有
πR (1−α) S 0+c 4πR σT 2=4πR σT 1
2
2
2
44
c 4πR σT 1=2⋅c 4πR σT 2
2
2
44
T 1=+14. 8°C T 2=−31. 0°C