海表面熱通量3

1、海氣熱通量驅(qū)動海洋的主要能量來自太陽的太陽輻射。海洋如何吸收來自太陽的能量?海洋中熱量收支平衡狀態(tài)能達到嗎？問題: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)太陽波的波長:

2、0.2-4 m（微米，106m）b) 太陽常數(shù)定義: 太陽常數(shù)S 是地球平均半徑處接受到的來自太陽的平均能通量223m/kW376. 1m/10376. 1WSREarthSun問題: 單位時間內(nèi)地球表面單位面積接受到多少太陽能量的平均值？斷面面積: 2R斷面上接受到來自太陽總能量:SR22) 地球表面面積:24 R單位時間內(nèi)地球表面單位面積接受到多少太陽能量的平均值: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 是太陽輻射的反射或散射率.考慮入射的太陽輻射是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, 單位時間內(nèi)內(nèi)平方米面積仍能接受到1 kW的能量!當入射太陽能與反射和輻射出去的能量平衡時，加的熱過程必須被終止：達到一個平衡態(tài).如生活在微波爐內(nèi)!問題:地球上太陽能如何被平衡?例 1: 赤裸的地球 (無云覆蓋)Earth)1 (4S4T設(shè) T是地球表面溫度 ， E是單位時間內(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 e = 1 (來自地球的長波輻射完全被云吸收), C 30 K 303ooT因此,云的作用象一個溫室，保持地球的能量!海洋的熱平衡海洋的熱平衡Qs Qb Qh QeQvQs: 來自太陽輻射

6、的短波能量 (短波輻射)Qb: 凈的海洋長波回輻射能量 (長波輻射);Qe: 由蒸發(fā)引起的能量損失 (潛熱通量);Qh: 由傳導產(chǎn)生的感熱損失;Qv: 海洋熱量輸送 (對流和平流) 設(shè) Q 為海洋凈的熱通量, vhebsQQQQQQ假設(shè)沒有全球變暖趨勢,對長期平均, vhebQQQQQSQ 0對短期，海洋凈熱通量日變化隨太陽輻射日變化而變化,等等, etc.問題: 控制熱通量的物理過程是什么?Qs: 短波輻射 (單位: W/m2)觀測結(jié)果:只有 51% 的太陽短波輻射能量能到達海洋表面:波輻射來自天空輻射和大氣長太陽在云的減弱后直接來自 :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: 通過云的輻射和散射，減少了到達海表面的平均能量例 1: a)b)Qs短的路徑最小的吸收長的路徑大的吸收Qs例 2: 經(jīng)驗方程: )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)問題: 為什么大陸上的Qs比海洋上的大？晴朗天空進入的太陽輻射 (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: 凈的長波輻射所有絕對溫度大于0的物體都能發(fā)射輻射。輻射的強度依賴于物體的溫度：物體的溫度高輻射強。當物體的溫度變高時，輻射譜趨向短波.在實際海洋中, 海表面能量的發(fā)射由海表面溫度Ts黑體估算。凈向上的長波通量

9、 Qb海洋和大氣長波輻射制差，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;當云層覆蓋變大時, Qb增大。然后, 對冰Qb 變化不大;Qb 日變化和季節(jié)變化都不大，因為在這個時間尺度上海溫和海洋上相對比濕均變化不大。 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，大的溫差會引起高溫一方向低溫一方能量傳輸。這樣一個從海洋的熱通量叫感熱損失，或由傳導產(chǎn)生的熱量損失。兩個傳導過程:1) 分子熱量傳導; 2) 渦動（湍流）擴散對分子情形:zTkcQphk: 熱量的分子傳導率;cp:恒定壓力下大氣比熱T/z: 海表面氣溫梯度對渦動情況:)(zTAcTwcQzpapaah. , a垂向渦動粘滯系數(shù)干空氣比熱大氣密度流波動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、空氣垂向速度的湍流波為和 . eLqwJ/kg 10)00237. 0501. 2(6seTL在實際海洋中, *quLQeae. , Obukhov-Monin *大氣波動摩擦速度參數(shù)相似尺度的為和Tu控制控制 Qe的兩個主要因子：的兩個主要因子： 1) 海氣溫差海氣溫差; 2) 風速風速.為了精確計算Qe 和 Qh必須強調(diào)幾個關(guān)鍵問題：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*；正確計算海表面出的海氣溫差；計算降水對海表面冷卻的貢獻問題 1):u* 依賴于海表面粗粗度和風速。如何計算粗糙度和考慮對流速度？問題 2):大氣溫度是在氣象浮標和船上某個高于海面的高度上測量，如何確定真實的海氣界面溫差？問題 3): 真實的海氣界面溫差受易受降水影響。強降水經(jīng)常伴隨大氣鋒面過境，如何確定海表面冷卻的貢獻？觀測依據(jù): 因為西邊界暖流的存在和冬季大的溫度梯度，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 一般在風暴經(jīng)過期間比較大.The Pacific OceanQhQeLarge QeSmall Qelo