Учебно-методический комплекс дисциплины «Климатология и метрология» для специальности 5М060800 «Экология» учебно-методические материалы
Тепловой баланс системы «Земля – атмосфера»
жүктеу/скачать 8.34 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 4. Географическое распределение отдельных составляющих теплового баланса
3.Тепловой баланс системы «Земля – атмосфера»Тепловой баланс системы «Земля – атмосфера» это алгебраическая сумма тепла, получаемого Землей в целом (вместе с атмосферой) от внешних источников и отдаваемого через атмосферу в космическое пространство. Для вывода теплового баланса системы «Земля – атмосфера» следует рассмотреть приход и расход тепловой энергии в вертикальной колонне, приходящей через всю атмосферу и внешние слои гидро- и литосферы до уровней, где прекращаются заметные сезонные (или суточные) колебания температуры. Теплообмен между выделенной колонной и мировым пространством характеризуется радиационным балансом Rs, равным разности поглощенной солнечной радиации во всем объеме колонны и общего длинноволнового излучения из этого объема (рисунок 22).
Рисунок 22 – Схема энергетического баланса системы «Земля – атмосфера» (Будыко, 1977)
Кроме теплообмена через поверхность колонны на ее тепловой баланс оказывают влияние источники тепла («+»или «-»), расположенные внутри колонны. Среди них основное значение имеет приход и расход тепла в связи с фазовыми превращениями воды (испарение и конденсация). Приход тепла от конденсации в атмосфере равен разности прихода и расхода тепла на конденсацию и испарение капель воды в облаках и туманах. Над значительной поверхностью и для больших периодов осреднения разность величин конденсации и испарения в атмосфере равна сумме осадков r, в этом случае приход тепла будет равен Lr. Расход тепла на испарение с земной поверхности (разность между затратами энергии на испарение и приходом тепла от конденсации на поверхности почвы, водоемов, растительности) равен LE. Общее влияние фазовых переходов воды можно выразить как L×(r–E). Из других членов теплового баланса следует учесть величину изменения теплосодержания внутри колонны за период суммирования Bs. Остальные члены теплового баланса для системы «Земля–атмосфера» не играет значительной роли и могут не учитываться. Уравнение теплового баланса системы «Земля – атмосфера» имеет следующий вид: Rs = L(E – r)+ Fs+ Bs, где Fs= Fa= F0. Все члены правой части этого уравнения считаются положительными, если они характеризуют расход тепла. Для среднего годичного периода величина Bs, очевидно, близка к 0, и уравнение теплового баланса примет вид: Rs = L*(E–r)+ Fs. Для условий суши еще проще: Rs = L*(E–r) + Fa. Т.к. для всего земного шара Е=r за год, а горизонтальный поток тепла в атмосфере и гидросфере, очевидно, равен 0, то для биосферы в целом Rs=0. Таким образом, Земля как планета находится в тепловом равновесии. Тепловой баланс атмосферы складывается из радиационного баланса атмосферы Ra; тепла, поступающего от поверхности Pa; тепла, выделяющегося в атмосфере при конденсации Lr и горизонтального переноса тепла (адвекции) Fa(Аd). Ra всегда отрицателен, Lr и Pa – положительны. Адвекция тепла приводит в среднем к переносу его из низких широт в высокие. Таким образом, она означает расход тепла в низких широтах и приход в высоких. Ra = Lr+Pa. Ra =+30, Lr =+23, Pa =+7. Тепловой баланс атмосферы можно получить не только суммированием, но и путем вычитания членов уравнения теплового баланса системы «Земля – атмосфера» и уравнения теплового баланса земной поверхности. Rs=L*(E–r) + Fs+Bs, R = LE+ F0+ B0+Р, следовательно: Ra= -Lr+ Fa-P+ Ba. Для среднего годичного периода: Ra= Fa – Lr – P. Тепловой баланс земной поверхности в Беларуси В РБ в среднем за год радиационный баланс является положительным и составляет 37–42 ккал/см2, постепенно увеличиваясь с северо-востока на юго-запад. Основная его часть, по данным Е.Н. Успенского, расходуется на испарение (84%) и лишь 16% – отдается турбулентным обменом в атмосферу. За теплый период (с апреля по сентябрь) на испарение расходуется 54% радиационного баланса, 42% отдается нижним слоям воздуха и 4% поступает в почву. Если осадков выпадает мало, то на турбулентный теплообмен расходуется даже больше тепла, чем на испарении. 4. Географическое распределение отдельных составляющих теплового балансаЗатраты тепла на испарение. Величины испарения с поверхности суши и океанов значительно отличаются (Центральная Сахара – 10 ккал/см2 год, Атлантический океан – 80–100 ккал/см2 год). Это связано с различием испаряемости на суше и на океанах, недостатком влаги во многих областях суши. Во внетропических широтах затраты тепла на испарение в среднем уменьшаются по абсолютной величине с ростом широты, но эта закономерность нарушается на суше и в океанах большими незональными изменениями. Основная причина – распределение теплых и холодных течений. Кроме этого, оказывают влияние условия атмосферной циркуляции, определяющие режим ветров и дефицит влажности воздуха над океаном. На суше картина еще сложнее из-за громадного влияния на испарение климатических условий увлажнения. В тропических широтах отмечено некоторое снижение величины LE по направлению из области высокого давления к экватору. При наличии достаточного количества влаги в почве испарение и затраты тепла на испарение регулируются величиной R. Такие условия в высоких широтах и во влажных районах умеренных и тропических широт. При недостаточном увлажнении величина испарения снижается вследствие недостатка влаги в почвах, а в пустынях и полупустынях приближается к годовой сумме осадков. Наибольшие затраты тепла на испарение на суше наблюдаются в экваториальных районах – 60 ккал/см2 год = 1 м воды. На океанах испарение с поверхности может быть гораздо больше – в некоторых районах более 2 м. Годовой ход величины испарения, а значит и затраты тепла на испарение, на суше и на море имеет противоположный характер. На суше во время холодного сезона испарение значительно уменьшается, а максимум испарения приходится на начало или середину теплого сезона. На океанах в холодное время года испарение обычно возрастает по сравнению с теплым полугодием. Непосредственная причина – увеличение разности температуры между водой и воздухом. Кроме этого, во многих районах океанов средние скорости ветров в холодное время года больше, чем в теплое. Турбулентный поток тепла от земной поверхности в атмосферу или в обратном направлении. Количество тепла, отдаваемое земной поверхностью воздуху (положительные значения), или получаемого из воздуха (отрицательные). Поверхность всех континентов (за исключением Антарктиды) отдает тепло в атмосферу (в среднем за год). На большей части океанов величина турбулентного потока тепла невелика по сравнению с другими членами уравнения теплового баланса и обычно не превышает 10-20% от их величин. Больших абсолютных значений достигает в районах действия мощных теплых течений. Пример: Гольфстрим (вода в среднем годовом теплее воздуха). Холодные течения уменьшают турбулентные потоки тепла от поверхности океана в атмосферу и увеличивают потоки обратного направления. На суше самый большой расход тепла турбулентным переносом осуществляется в тропических пустынях (60 ккал/см2 год), во влажных тропических и умеренных районах эти потоки значительно меньше. Горизонтальный обмен теплом имеет большую роль в тепловом балансе океанов. В океанах перераспределение тепла между тропическими и внетропическим широтами осуществляется посредством теплых и холодных течений. Морские течения выносят тепло в основном из зоны 20º с.ш. – 20º ю.ш., причем максимальные поглощения течениями тепловой энергии смещен к северу от экватора. Это тепло передается в высокие широты и в наибольшей степени расходуется между 50º и 70º широты северного полушария. Из шести континентов на трех (Европа, Северная и Южная Америка) большая часть радиационного баланса расходуется на испарение. Три других континента (Азия, Африка, Австралия) характеризуются обратным соотношением (преобладает турбулентный перенос), что соответствует преобладанию сухих климатических условий. Составляющие теплового баланса трех океанов (Атлантический, Индийский и Тихий) очень мало отличаются между собой: 90% тепла радиационного баланса расходуется на испарение и лишь 10% – на турбулентный перенос. На суше эти 2 формы расходования энергии характеризуются почти одинаковыми величинами. Для всей Земли затраты тепла на испарение LE – 83%, турбулентный перенос Р – 17%. Соотношение между составляющими уравнения теплового баланса земной поверхности различны в зависимости от широтных зон.
Величины членов энергетического баланса Земли в целом представлены в виде схемы на рисунке 23. 
Рисунок 23 – Энергетический баланс Земли (составляющие энергетического баланса в ккал/см2·год) (Будыко, 1977)
жүктеу/скачать 8.34 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|
