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[科普知识] 海气能量收支和耦合

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发表于 2009-12-8 15:07 | 显示全部楼层 |阅读模式
夏季白天地面温度为什么会高于近地面气温;冬季晴朗的晚上地面温度怎么会低于近地面气温;近地面气温的变化和地面温度的关系特点,比如近地面气温的升高到底是太阳辐射直接加热还是由于地面受热辐射所致;海水为什么会有冷涌,暖水区是如何形成的等等。这些问题在前一段时间也有不少会员问过。其实这一系列问题都归结为海气对于太阳辐射热量的收支和耦合,这边向大家详细介绍一下,希望能有所帮助。

太阳是万物之源,海气运动的能量主要来自于太阳。一般来说,海气热量收支和耦合主要有以下5个方面:

1.大气和海洋对于太阳辐射能的吸收;

2.--气系统的长波辐射;

3.--气系统的能量收支;

4.--气系统感热和潜热交换;

5.海气温度层结分布。

首先,太阳的体积为地球的130万倍,加上日地之间的距离15000万公里,通过计算以后得出地球接收到的太阳辐射能只占太阳总辐射能的1/20亿左右,并且地球获得的太阳辐射能与日地距离平方成反比。

地球公转轨道存在冬季(1月)近日点和夏季(7月)远日点的变化,因此原则上1月份地球总体接收到太阳的辐射能会大一些;但公转会导致太阳高度角发生变化,当太阳斜射时,地球上单位面积接收到的太阳辐射能会减少,所以低纬度太阳辐射强,向高纬度逐步递减(如下图),故赤道气温高、两极气温低。由于后者的变化比前者要明显的多,因此北半球1月份接收到的热量远不如7月,所以这个就是四季变化的本质原因。可见,北半球冬季其实是地球处于近日点。



年平均太阳辐射图.png


但需要注意的是:太阳辐射能并不是直接完全被地球表面吸收(不然我们居住的环境会热死)。这是因为地球外部存在大气层,它会吸收太阳辐射而削减到达地球表面的太阳辐射能。所以这是地球区别于其他星球成为适宜生物生长的一大因素之一。
 楼主| 发表于 2009-12-8 15:13 | 显示全部楼层
海气吸收太阳辐射

不过大气对太阳辐射的吸收具有选择性,由于太阳辐射的波长范围很大,而大气中成份繁多,大气中不同物质会对于不同的波长进行吸收(如下图和下表格所示),其中表格中为大气中吸收波谱的主要成份。

  
吸收物质

  
  
吸收带

  
  
臭氧

  
  
0.2-0.6微米的紫外和可见光区

  
  
氧分子

  
  
小于0.2微米的远紫外区

  
  
水汽,CO2

  
  
大于0.7微米的红外区

  

注意:下图的虚线间部分为可见光区,其左边为紫外区(波长短,频率高),其右边为红外区(波长比较长,频率低)。

太阳辐射光谱分布.GIF



从上图中可见,CO2吸收辐射量相对比较少而且主要吸收长波辐射,从而大部分太阳辐射可以达到地面,使得地面加热并放出长波辐射。而这些长波辐射正好可以给CO2吸收而不至于损失到太空中去,这就是温室效应。因此这就是现代人类活动使得CO2排放越来越多就可以导致全球变暖的根本性原因。

既然大气可以有选择性吸收太阳辐射能,那么同样具有流体性质的海水当然也存在类似现象。到达海面的太阳辐射会被海平面反射一部分(10%左右),其余基本都被海水吸收转化为海水的热能。

海水对于太阳辐射能的吸收主要由三种物质——纯海水、悬浮物(和大气气溶胶对应)和可溶性有机物(比如生物经海水侵蚀腐败分解)。其中纯海水主要吸收长波(比如红外区),而悬浮物一般以吸收可见光波长为主,至于可溶性有机物就是吸收紫外区的短波部分了。

不过由于水体深厚广大,因此太阳辐射能在海水中的垂直分布很不均匀,据观测随深度以接近指数程度递减。因此一般在深度为300米已经可以忽略太阳辐射能带来的影响。

可见,太阳辐射能的大部分被海水表面吸收,才会形成海水温度上暖下冷,暖水层低纬度厚,高纬度薄的分布特点。所以这是导致海水上下密度不均,存在对流(冷涌)的根本原因。
 楼主| 发表于 2009-12-8 15:22 | 显示全部楼层
海-地-气的长波辐射和热能耦合

地球表面的海--气在吸收太阳辐射的同时,也在向外放出辐射。由于放出的辐射一般以红外线为主,因此也叫长波辐射。这些辐射导致地球表面热量散失,温度下降,从而和吸收的辐射维持着平衡。其中由于大气厚度高,因此大气辐射分为向上和向下2部分。向上成为OLR,这也是成为对流层-平流层能量交换和耦合的一个主要原因;向下称为大气逆辐射,基本被海水吸收。

从上面可以看到,海--地这3者本身物质成分不同,因此接受太阳辐射能的方式不同,其程度也必定存在较大差异。所以海--地受热肯定不同,需要进行热量的耦合交换来维持动态平衡。这种形式的热量交换成为感热交换,一般存在于气-陆和气-海之间。

另外,由于海水蒸发失去热量,这部分热量以水汽形式被带到大气中,当大气中水汽凝结时,这些热量就释放出来,成为大气的一个重要热源。这种交换称为潜热交换。潜热交换的大小取决于海面和其上部的大气湿度差。一般由于海面水汽接近饱和,所以海洋总是通过潜热释放把热量输送给大气,这就是水体比热容大的一种体现,也是冬季海面温度高于陆地的原因之一。

下图为年均热量从地面和海面辐射到大气的图,可见负值越大的地区降水越少,更有利于地面热量向大气辐射。右边标尺单位为:辐射度(瓦每平方米),指的是单位时间内物体单位表面积所发射的总辐射能)

热量从地面辐射到大气的图.png


不过无论辐射如何变化,在较长的一段时间尺度上来说海--气收支还是基本维持动态平衡的。比如从全球范围来说,低于35度的中低纬度地区一般系统收支为正,高于35度中高纬度则为负值(如下图)。不过由于存在行星风系,因此总纬度和低纬度的大气会存在热交换,以致低纬度地区不会过热,而高纬度地区不会过冷。
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 楼主| 发表于 2009-12-8 15:26 | 显示全部楼层
地球表面热量平衡和温度分布

那么地球表面的热量平衡如何进行的呢?请看下图:

地面辐射平衡图.jpg

假定到大气层顶的太阳辐射为100%,大气和地面反射为34%,大气吸收为19%,剩下的47%为被地面吸收。而地面吸收以后又23%10%分别作为潜热和感热辐射到大气。显然可以看出,近地面气温的变化主要因素是地面的辐射而不是太阳对于大气的加热。这就可以解释夏季白天地面温度比气温高(因为地面变成了热源);而冬季晴朗的夜晚地面温度比气温低,(因为它变成了冷源)。而由于水体比热容大,变温慢,由于下垫面的不同就和陆地的温度产生了差异,不同性质的气团由此诞生,从而建立了复杂的全球气候。

因此海气这些能量收支和耦合导致热量分布并不是均匀的,而是一种动态的平衡。温度一方面受到太阳辐射地理分布的影响,因此大体上随纬度变化;另一方面受海陆分布、大气和洋流运动等影响,在经向上分布也不均匀。另外,近地面的大气温度还会受到地形和下垫面因素使然,其分布更为复杂。下面例举全球1月和7月的月平均气温分布来说明(见下图):

1月平均气温.jpg

7月平均气温.JPG

从图中可见:

1.海平面上气温赤道地区最高,向两极逐渐降低。其中北半球等温线夏季远比冬季稀疏,说明北半球南北温差冬季大于夏季(海陆分布使然);

2.等温线并不与纬圈平行,这点在北半球尤其突出。其中冬季北半球大陆上等温线向赤道方向突出,而海上等温线凸向极地,夏季正好相反(海陆热量差异);而南半球相对来说等温线比较平直(洋面宽广所致)

因此这造就了我国独一无二的季风气候,与世界同纬度的地区相比,冬季自南向北偏低5-18度,夏季受到夏季风影响,普遍高温多雨。
 楼主| 发表于 2009-12-8 15:30 | 显示全部楼层
再看看SST(海水表面温度)分布(如下图):

夏季SST.jpg

从图中可见:

1.热带以外地区等温线基本沿纬向分布,波动较少(水体比热大);

2.赤道附近水温较高,向两极逐渐下降(太阳辐射和高度角);

3.热带低纬地区,海表水温在东西方向上差异很大,例如赤道东太一般水温较低,而同纬度西太水温较高,一般称为暖池。但是有时赤道太平洋温度发生异常,比如东太海温变高,西太变低,因此这里也是孕育厄尔尼诺(拉尼娜)大型气候异常的场所。

有关厄尔尼诺(拉尼娜)的理论和相关内容,请看:《厄尔尼诺(拉尼娜)特征以及形成机制》


由此可见,越是稳定的下垫面要发生异常,需要的范围也越大,导致天气异常的程度和范围也越大。

这篇文章融合了天文、地理和大气科学,其中可以看出三者的关系非常巧妙和密切。

第一次写跨属多个学科的科普性分析,不当之处还请不吝指出。

PS:有兴趣的朋友可以去尝试探索和总结一下大气温度的高度、纬度的剖面分布以及海温垂直分布,或者是和海--气有关的内容,并跟帖补充,视其内容深度和广度会酌情加分作为鼓励。

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