海表面熱通量3

1、海氣熱通量驅(qū)動(dòng)海洋的主要能量來(lái)自太陽(yáng)的太陽(yáng)輻射。海洋如何吸收來(lái)自太陽(yáng)的能量?海洋中熱量收支平衡狀態(tài)能達(dá)到嗎？問(wèn)題:a) 輻射譜105 104 103 102 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 10-8 10-9 10-10 10-11 10-12Long-wave radioStandard AM radio Short-wave radioMicrowavesInfraredUltravioletX-raysGamma raysRed RangeYellowGreenBlueViolet49%7%43%Wavelength (m)太陽(yáng)波的波長(zhǎng):

2、0.2-4 m（微米，106m）b) 太陽(yáng)常數(shù)定義: 太陽(yáng)常數(shù)S 是地球平均半徑處接受到的來(lái)自太陽(yáng)的平均能通量223m/kW376. 1m/10376. 1WSREarthSun問(wèn)題: 單位時(shí)間內(nèi)地球表面單位面積接受到多少太陽(yáng)能量的平均值？斷面面積: 2R斷面上接受到來(lái)自太陽(yáng)總能量:SR22) 地球表面面積:24 R單位時(shí)間內(nèi)地球表面單位面積接受到多少太陽(yáng)能量的平均值:44 surface searth theof area Theenergy totalThe22SRSRQs考慮到地球表面位置，poles at the0equatorat /:/cos2SSQs3) 地球的反射率定義: 反射

3、率 是太陽(yáng)輻射的反射或散射率.考慮入射的太陽(yáng)輻射是S/4 ，它以的比率反射, 那么被地球?qū)嶋H接受的平均能通量等于4)1 (44SSS 隨云量、冰和雪的覆蓋率而變:陰天（完全被云覆蓋）晴天一般 0.6 0.153 . 0注意: 冰和雪的覆蓋率的作用與云相似在實(shí)際的海洋上: NSNS000040largeror 4 . 040larger or 4 . 04040-4 . 02 . 0 January (clear sky albedo)January albedo (with cloud) August albedo (with cloud)溫室效應(yīng)223m/kW376. 1m/10376. 1

4、WS如果我們考慮30% 的反射率, 單位時(shí)間內(nèi)內(nèi)平方米面積仍能接受到1 kW的能量!當(dāng)入射太陽(yáng)能與反射和輻射出去的能量平衡時(shí)，加的熱過(guò)程必須被終止：達(dá)到一個(gè)平衡態(tài).如生活在微波爐內(nèi)!問(wèn)題:地球上太陽(yáng)能如何被平衡?例 1: 赤裸的地球 (無(wú)云覆蓋)Earth)1 (4S4T設(shè) T是地球表面溫度 ， E是單位時(shí)間內(nèi)從地球輻射出去的能量值, 那么4TE其中 是 Stenfan-Boltman 常數(shù), 它等于 5.710-8 W/m2 K4平衡態(tài):4)1 (4TS4)1 (41ST設(shè)4282Km/W107 . 5, 3 . 0,m/kW376. 1ST 225K = -18o C如果我們考慮緯度的變化

5、，我們得到在北極在南極在赤道CKCKCKTooo1031501231703270太冷了太冷了!例 2: 被云覆蓋地球EarthTcloudTc4T4)1 (Te4cT4cT4S4)1 (S4S設(shè)e 是被云吸收的輻射部分, 我們可得到云層內(nèi)側(cè)和外側(cè)能量平衡方程a) 外側(cè): 44)1 (44TeTSScb) 內(nèi)側(cè):4441TTSc (a) 加 (b) 得到:4)2()41(2TeS4)2/1/()41(eST當(dāng) e = 1 (來(lái)自地球的長(zhǎng)波輻射完全被云吸收), C 30 K 303ooT因此,云的作用象一個(gè)溫室，保持地球的能量!海洋的熱平衡海洋的熱平衡Qs Qb Qh QeQvQs: 來(lái)自太陽(yáng)輻射

6、的短波能量 (短波輻射)Qb: 凈的海洋長(zhǎng)波回輻射能量 (長(zhǎng)波輻射);Qe: 由蒸發(fā)引起的能量損失 (潛熱通量);Qh: 由傳導(dǎo)產(chǎn)生的感熱損失;Qv: 海洋熱量輸送 (對(duì)流和平流) 設(shè) Q 為海洋凈的熱通量, vhebsQQQQQQ假設(shè)沒(méi)有全球變暖趨勢(shì),對(duì)長(zhǎng)期平均, vhebQQQQQSQ 0對(duì)短期，海洋凈熱通量日變化隨太陽(yáng)輻射日變化而變化,等等, etc.問(wèn)題: 控制熱通量的物理過(guò)程是什么?Qs: 短波輻射 (單位: W/m2)觀測(cè)結(jié)果:只有 51% 的太陽(yáng)短波輻射能量能到達(dá)海洋表面:波輻射來(lái)自天空輻射和大氣長(zhǎng)太陽(yáng)在云的減弱后直接來(lái)自 :23% :%2851%Cloud layer4/S4)

7、1 (S4S4cT4cTTcSea surface海表面吸收的總能量：44)1 ()indirect()direct(21csSSTSQQQ影響 Qs的因素： 白天長(zhǎng)短: 隨季節(jié)和地理緯度變化; 大氣的吸收 (氣體分子, 塵土, 水汽); 云的作用: 通過(guò)云的輻射和散射，減少了到達(dá)海表面的平均能量例 1: a)b)Qs短的路徑最小的吸收長(zhǎng)的路徑大的吸收Qs例 2: 經(jīng)驗(yàn)方程: )09. 01 (4cSQCSc:天空中云的比例,由八分制估算.如果天空完全被云覆蓋, c=8,428. 0)809. 01 (4)09. 01 (4SScSQCS在實(shí)際海洋, Qs 的分布隨緯度而變化. 年平均值為:S

8、NSNQoSo2o202-20 W/m2002020- W/m25520020 W/m200150Annually averaged Qs(W/m2)問(wèn)題: 為什么大陸上的Qs比海洋上的大？晴朗天空進(jìn)入的太陽(yáng)輻射 (100 單位)散射回太空 (-7 單位)被水汽和CO2 在低層大氣吸收 (-13 單位) 被云反射回太空 (-45 單位)云中吸收 (-10 單位)80 單位25 單位Qb: 凈的長(zhǎng)波輻射所有絕對(duì)溫度大于0的物體都能發(fā)射輻射。輻射的強(qiáng)度依賴于物體的溫度：物體的溫度高輻射強(qiáng)。當(dāng)物體的溫度變高時(shí)，輻射譜趨向短波.在實(shí)際海洋中, 海表面能量的發(fā)射由海表面溫度Ts黑體估算。凈向上的長(zhǎng)波通量

9、 Qb海洋和大氣長(zhǎng)波輻射制差，即:)(44asbTTQTs: 海表面水體溫度Ta: 海表面大氣溫度: Stenfans constantTaTsSeaAirSea surface一般證據(jù):Qb 50 W /m2;當(dāng)云層覆蓋變大時(shí), Qb增大。然后, 對(duì)冰Qb 變化不大;Qb 日變化和季節(jié)變化都不大，因?yàn)樵谶@個(gè)時(shí)間尺度上海溫和海洋上相對(duì)比濕均變化不大。 latitude highlatitude lowicewater)()(,)()(bsbsbsbSQQQQQQQQ赤道bsQQQwhitewhiteblackbsQQQ大小Qs 在高緯度小、低緯度大 Qb: 隨緯度變化不大BSQQQh: 感熱損

10、失1) 水比大氣密度大得多33 water sea3kg/m10025. 1,kg/m3 . 12 . 1air因此, 3airwater sea10如果僅考慮密度交界面，海氣界面非常穩(wěn)定然后，大的溫差會(huì)引起高溫一方向低溫一方能量傳輸。這樣一個(gè)從海洋的熱通量叫感熱損失，或由傳導(dǎo)產(chǎn)生的熱量損失。兩個(gè)傳導(dǎo)過(guò)程:1) 分子熱量傳導(dǎo); 2) 渦動(dòng)（湍流）擴(kuò)散對(duì)分子情形:zTkcQphk: 熱量的分子傳導(dǎo)率;cp:恒定壓力下大氣比熱T/z: 海表面氣溫梯度對(duì)渦動(dòng)情況:)(zTAcTwcQzpapaah. , a垂向渦動(dòng)粘滯系數(shù)干空氣比熱大氣密度流波動(dòng)大氣垂向速度和溫度湍和zpaAcTw例: Ta(hig

11、h)(low)0,0hQzT海洋獲得熱量sea surfaceTa (low)high海洋失去熱量sea surface0,0hQzTa)b)Qe: 由蒸發(fā)產(chǎn)生的熱量損失（感熱通量)感熱通量可由下式估算qwLQeae可表示為為海水的蒸發(fā)潛熱，水氣混合率動(dòng)、空氣垂向速度的湍流波為和 . eLqwJ/kg 10)00237. 0501. 2(6seTL在實(shí)際海洋中, *quLQeae. , Obukhov-Monin *大氣波動(dòng)摩擦速度參數(shù)相似尺度的為和Tu控制控制 Qe的兩個(gè)主要因子：的兩個(gè)主要因子： 1) 海氣溫差海氣溫差; 2) 風(fēng)速風(fēng)速.為了精確計(jì)算Qe 和 Qh必須強(qiáng)調(diào)幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題：在靠

12、近海面大氣邊界層中不同的穩(wěn)定和不穩(wěn)定條件下，正確確定u*；正確計(jì)算海表面出的海氣溫差；計(jì)算降水對(duì)海表面冷卻的貢獻(xiàn)問(wèn)題 1):u* 依賴于海表面粗粗度和風(fēng)速。如何計(jì)算粗糙度和考慮對(duì)流速度？問(wèn)題 2):大氣溫度是在氣象浮標(biāo)和船上某個(gè)高于海面的高度上測(cè)量，如何確定真實(shí)的海氣界面溫差？問(wèn)題 3): 真實(shí)的海氣界面溫差受易受降水影響。強(qiáng)降水經(jīng)常伴隨大氣鋒面過(guò)境，如何確定海表面冷卻的貢獻(xiàn)？觀測(cè)依據(jù): 因?yàn)槲鬟吔缗鞯拇嬖诤投敬蟮臏囟忍荻?，最大的Qe 發(fā)生在大洋的西部和冬季。在西北太平洋中緯度，Qe 大約為145 W/m2。在西大西洋, Qe 大約為195 W/m2;a) c) Qe 和 Qh 一般在風(fēng)暴經(jīng)過(guò)期間比較大.The Pacific OceanQhQeLarge QeSmall Qelo