現(xiàn)代科技綜述知識文庫：熱量平衡

1、現(xiàn)代科技綜述系列熱量平衡科技是人類區(qū)別于動(dòng)物的重要文明之一，是人類對自然規(guī)律研究和利用的學(xué)科。本文提供對科技基本概念“熱量平衡”的解讀，以供大家了解。熱量平衡是現(xiàn)代氣候?qū)W的重要分支之一。研究活動(dòng)面(層)在輻射和熱量交換過程中的收支對等狀況。在氣候研究中，可根據(jù)需要建立地面、大氣以及地氣系統(tǒng)的熱平衡方程。地表熱平衡方程的形式有： R=LE+P+Hs 式中R是地表凈輻射；LE是蒸發(fā)耗熱(潛熱)；P是湍流熱交換量(感熱)；Hs是土中熱交換量。它表明，地面在獲得(失去)輻射熱能后，以何種途徑與大氣層及地中進(jìn)行熱量交換。地表熱量平衡是氣候形成的能量因子，分析、研究地表熱狀況，可為研究氣候形成、氣候模擬以

2、及大氣環(huán)流演變提供重要依據(jù)。地表面的熱量和水分狀況直接影響著人類和動(dòng)植物的生存，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要?dú)夂蛸Y源。人類活動(dòng)對氣候的影響也是主要通過改變地表和大氣的熱平衡狀況實(shí)現(xiàn)的。1884年，俄國著名氣候?qū)W家伏耶依科夫(oe)就指出了研究大氣和地面太陽能收支的必要性。后來(1904年)他更進(jìn)一步闡明了土中和水中熱交換對氣候形成的意義。在熱量平衡觀測方面，凈輻射觀測從19世紀(jì)90年代開始出現(xiàn)日射表起，到20世紀(jì)30年代設(shè)計(jì)生產(chǎn)出凈輻射表，經(jīng)不斷改進(jìn)、完善，至今在技術(shù)上已基本解決，只是其中凈輻射和長波輻射觀測儀器尚不夠普及。蒸發(fā)觀測是地表熱平衡觀測的另一重要組成部分。早在19世紀(jì)中葉就開始使用簡易的土壤蒸

3、發(fā)器進(jìn)行測量。20世紀(jì)20年代前蘇聯(lián)波波夫(o)設(shè)計(jì)了波波夫土壤蒸發(fā)器，此后美蘇等國相繼研制出多種新的蒸發(fā)儀器。由于各類土壤蒸發(fā)器都存在不同程度的缺陷，且一般只能觀測一定時(shí)段的蒸發(fā)總量，難以解決蒸發(fā)瞬時(shí)通量的確定。因此，有的就轉(zhuǎn)向研究間接的測定方法，如梯度法和熱量平衡法(包文此法)。根據(jù)這兩種方法，可同時(shí)進(jìn)行地表蒸發(fā)耗熱和湍流熱通量的測定。桑斯威特(CWThornthwaite)和霍爾茲曼(BHolzman)以及布德柯(，1946)等曾進(jìn)行過研究。1954年該法被列入前蘇聯(lián)熱量平衡觀測規(guī)范，并在數(shù)十個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行了系統(tǒng)的梯度觀測。中國從1957年開始也在北京等6站進(jìn)行了熱平衡觀測。在科學(xué)研究中有的

4、還使用渦動(dòng)相關(guān)法對湍流熱通量和蒸發(fā)耗熱量進(jìn)行直接測定。土中熱交換量的確定，在20世紀(jì)60年代以前主要根據(jù)簡化的公式(如采金公式)計(jì)算，現(xiàn)在在野外觀測中還使用土壤熱流板直接測量。在陸面蒸發(fā)(或蒸發(fā)耗熱、潛熱)氣候計(jì)算方法研究方面，較多的方法是針對年總量計(jì)算的。因?yàn)槟暾舭l(fā)量資料可由流域的水量平衡方程余項(xiàng)中得到。20世紀(jì)初奧爾捷柯帕()和斯萊伯(FSchreiber)分別從蒸發(fā)成因上提出各自的年蒸發(fā)量計(jì)算式。1948年布德柯把兩者結(jié)合起來得到新的水熱聯(lián)系方程，該式不僅物理依據(jù)充分，且不包含任何經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，計(jì)算精度較高，深得氣候?qū)W界好評。此外還有一些其它形式的計(jì)算式，如建立在道爾頓公式基礎(chǔ)上的各種擴(kuò)散式

5、，以及巴格洛夫(ap)式等。中國傅抱璞(1981)從分析制約蒸發(fā)的水分和熱量條件入手從理論上得出年蒸發(fā)量計(jì)算式。月蒸發(fā)量的氣候計(jì)算要困難的多。在前蘇聯(lián)和中國較多應(yīng)用布德柯(1950)的迭代法，該法主要建立在月的水量平衡方程基礎(chǔ)上，并對蒸發(fā)和徑流過程作了某些必要的合理假設(shè)。巴格洛夫(1954)的月蒸發(fā)量計(jì)算方法也較實(shí)用。另外，以擴(kuò)散形式表示的經(jīng)驗(yàn)式在計(jì)算海洋蒸發(fā)以及各種氣候模式中使用較廣。水面蒸發(fā)以及充分濕潤陸面的蒸發(fā)力計(jì)算，對揭示各地蒸發(fā)潛勢具有重要意義。著名的彭門(HLPanmen)方法被認(rèn)為是最好的蒸發(fā)力計(jì)算方法之一。在氣候中常以年降水量與年蒸發(fā)力之比作為干旱指數(shù)，并以此衡量各地的干濕氣候

6、條件。干濕指數(shù)常用作氣候區(qū)劃的主要指標(biāo)。湍流熱交換(感熱)的氣候計(jì)算方法研究較少。有的采用類似于計(jì)算蒸發(fā)的擴(kuò)散式，根據(jù)平均風(fēng)速、地面和空氣溫差以及一個(gè)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)(拖曳系數(shù))算出，但問題是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不好確定。布德柯(1956)所提的外擴(kuò)散法實(shí)質(zhì)上與此比較相似。另外，包文比法也較常用。所謂包文比是指感熱與潛熱的比值，氣候計(jì)算時(shí)可利用此比值與潛熱的乘積確定感熱，或反過來。70年代后期中國高國棟等在計(jì)算全國感熱分布時(shí)，簡單的將其作為熱量平衡方程的余項(xiàng)算出。土中熱交換量是地表熱平衡中的小項(xiàng)，通常使用各種簡單的相關(guān)法估算。在熱量平衡氣候分析方面，施密特(WSchmidt，1915)最先完成了對世界大洋各緯度帶

7、熱平衡各分量年平均值的計(jì)算，并把大洋的熱量平衡與水量平衡結(jié)合起來。1920年埃斯川姆(AAngstrm)對瑞典一個(gè)湖泊的熱量平衡作了計(jì)算，并在計(jì)算方法上作了較大改進(jìn)。30年代前蘇聯(lián)學(xué)者舒列依金(BBye)計(jì)算了卡拉海的熱量平衡，證明暖洋流對該海域溫度狀況形成起著巨大作用。從20世紀(jì)40年代開始，前蘇聯(lián)地球物理觀象總臺對全球地表輻射平衡和熱量平衡進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，提出了互相獨(dú)立的熱平衡各分量氣候計(jì)算方法和客觀檢驗(yàn)方法。與此同時(shí)，阿爾勃利希(FAlbrecht，1940)也完成了海陸若干站點(diǎn)的熱平衡計(jì)算，雅各布斯(WCJacobs，1943)和斯維特洛普(HUSverdrup，1945)首次繪制出

8、北太平洋和北大西洋海區(qū)的熱平衡圖。1955年前蘇聯(lián)出版了世界上第1本熱量平衡圖集。布德柯的專著地表面熱量平衡(1956)則對地表熱量平衡的氣候研究作了總結(jié)。60年代前蘇聯(lián)地球物理現(xiàn)象總臺研究人員在布德柯領(lǐng)導(dǎo)下根據(jù)更多的觀測資料繼續(xù)深入研究，并把研究領(lǐng)域擴(kuò)展到全球大氣和地氣系統(tǒng)的熱平衡各分量計(jì)算。1963年、1978年兩次更新出版了地球熱量平衡圖集。迄今上述圖集仍被公認(rèn)為世界上最完整的熱平衡圖集，其中某些圖幅多次被權(quán)威性著作所引用。在熱量平衡理論研究的基礎(chǔ)上布德柯和塞拉斯(WDSellers)在60年代分別提出研究世界氣候變化的能量平衡模式，能較好地模擬出二氧化碳倍增對全球變暖的平均增溫值。中國

9、在70年代完成了對全國熱平衡各分量的初步計(jì)算和分析。1979年58月的青藏高原氣象科學(xué)實(shí)驗(yàn)，首次揭示出高原地表熱源性質(zhì)及其對高原大氣環(huán)流的作用，出版了青藏高原地面輻射平衡和熱量平衡圖集，1979年58月(1984)?，F(xiàn)正在河西黑河地區(qū)進(jìn)行的地氣相互作用試驗(yàn)研究項(xiàng)目，其主要任務(wù)之一也是研究地表對大氣的加熱作用。有的人還作了起伏地形熱量平衡場數(shù)值模擬的嘗試。60年代以來隨著衛(wèi)星輻射探測技術(shù)的迅速發(fā)展，為直接研究地氣系統(tǒng)熱量平衡提供可能。最新的衛(wèi)星探測結(jié)果更新了人們對地球大氣輻射和熱平衡狀況的認(rèn)識主要的結(jié)論如：太陽常數(shù)的變化是很小的，不足以證明是否具有氣候意義；地氣系統(tǒng)年平均反射率為030001，比

10、早期估計(jì)的033038要小得多；地球的行星黑體溫度為2552K，也比以前估計(jì)的要高。另外，南北半球的輻射收支是平衡的，從而認(rèn)為過去關(guān)于存在赤道向北的能量輸送未與事實(shí)相符。熱量平衡研究是當(dāng)代氣候?qū)W研究的熱門課題之一。國內(nèi)外學(xué)界都非常重視研究海洋、陸面與大氣之間的潛熱和感熱交換及其參數(shù)化問題。此外，研究衛(wèi)星資料在熱平衡分析中的應(yīng)用、研究人類活動(dòng)對氣候的影響、人工措施的局地氣候效應(yīng)等，都將是未來的熱門課題；研制精度更高的熱平衡觀測儀器以及熱平衡各分量的氣候計(jì)算方法則是基礎(chǔ)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】： 1 Sellers W DPhysical climatology Univ Chicago Press，Chicago-London，1965 2 o peaa a，-a，1 978 3 高國棟，陸渝蓉中國地