一、熱量平衡過程
假設射入大氣圈的能量為100個單位
雲層反射20個單位，大氣散射返回宇宙空間6個單位，地面反射4個單位，地氣系統共反射30個單位。
被大氣吸收了16個，雲滴吸收了3個，二者共吸收了19個單位。
地面吸收總輻射51個單位。
地面因吸收總輻射而增溫。根據全球年平均地面溫度，其射出長波輻射能量相當於117個單位，其中進入大氣圈的有111個單位被大氣吸收，只有6個單位透過大氣視窗進入宇宙空間。
大氣吸收了19個單位的太陽輻射和111個地面長波輻射而增溫。然後進行長波輻射，射向地面的輻射(稱為大氣逆輻射)為96個單位，射向宇宙空間為64個單位。
大氣總共吸收（太陽19＋地面長波輻射111）130個單位。
大氣總共支出（射向地面96＋射向宇宙空間64）160個單位
全球大氣的年平均輻射差額為負--30個單位虧損的能量，由地面向大氣輸送的潛熱23個單位和顯熱7個單位來補充，以維持大氣的能量平衡。
大氣收：太陽19＋地面長波輻射111＋潛熱23＋顯熱7＝160
支：射向地面96＋射向宇宙空間64＝160
地面收：太陽輻射51個＋大氣逆輻射96個＝147
支：進入大氣111＋進入宇宙6＋潛熱23＋顯熱7 ＝147
宇宙空間(大氣上界) 進：100
出：雲反射20＋大氣散射6＋地面反射4＋地面長波輻射6＋大氣(和雲)長波輻射64＝100
大氣圈頂太陽輻射時空分布的特點
全年日輻射總量低緯大於高緯, 季節變化低緯小於高緯。
日輻射總量夏季大於冬季，其緯向梯度冬季大於夏季。
春分日和秋分日赤道日輻射總量最大，向兩極遞減，極點為零。
夏至日的日輻射總量從北回歸線向南遞減，南極圈內為零；向北遞增，北半球高緯最大。
冬至日的日輻射總量從南回歸線向北遞減，北極圈內為零；向南遞增，南半球高緯最大。
輻射差額(又稱淨輻射或輻射平衡)
地面輻射差額：地面吸收的輻射與放出的輻射之差
=地面太陽總輻射-地面有效輻射
大氣輻射差額：大氣吸收的輻射與放出的輻射之差
=大氣吸收的太陽輻射和地面輻射-（大氣逆輻射+大氣逸出輻射）
地氣系統輻射差額：地面和大氣系統吸收與放出輻射之差
=地面與大氣吸收的太陽輻射-地面和大氣逸出輻射
地面輻射差額的分布特徵
地面輻射差額隨緯度的增加而減少，在全球大部分地區為正值；
相同的緯度，海洋上地面輻射差額大於陸地，最大值出現在熱帶的海洋；
陸地上極大值出現在近赤道的南美、非洲和印度尼西亞的熱帶雨林區；
極小值出現在副熱帶的沙漠地區。
地氣系統輻射差額分布特徵
南北緯35°大體處於能量輸入和輸出的平衡點，淨輻射為零；
在赤道附近的低緯地區，能量的輸入大於輸出，年平均淨輻射為正，為熱源；
在極地附近的高緯地區，能量的輸入小於輸出，年平均淨輻射為負，為熱匯；
海洋區域吸收的能量比陸地多，海洋是熱源，陸地是熱匯。
地面與大氣熱量平衡
地面輻射差額和大氣輻射差額與潛熱、顯熱等的熱量傳輸相平衡。
潛熱：地面與大氣之間由於水的相變而進行的熱量交換，主要決定於兩個因素：一是地面風速，二是地氣水汽壓差。
顯熱：地面與大氣溫度不同而進行的熱量交換，也主要決定於兩個因素：一是地面風速，二是溫度差。
海陸與大氣熱量交換的差異
海洋提供給大氣的年平均潛熱為293.08×10j/cma
年平均顯熱為50.24×10j/cma
大陸提供給大氣的年平均潛熱為104.67×10j/cma
年平均顯熱為104.67×10j/cma
總體上來講，
海洋提供給大氣的熱量更多，且以潛熱為主
輻射差額無論冬夏都是海洋上最大--傳給大氣的熱量也多
1月份顯熱（直接提供給空氣增溫的熱量）海洋也是最大的
1月份潛熱（因蒸發提供給大氣增溫的熱量）海洋也是最大的
說明1月份海洋是大氣的熱源，陸地是冷源。
7月份顯熱、潛熱最小（但是此時海洋輻射差額最大），這時 ，7月海洋是大氣的冷源，大陸是熱源。
二、溫度
溫度是描述物體冷熱程度的物理量。實質上是分子平均動能的表現。物體獲得熱量時，氣溫公升高，失去熱量時氣溫降低。
有三種溫標用於度量物體溫度的高低:
絕對溫度(kelvin)，攝氏溫度(celsius)和華氏溫度(fahrenheit)。
華氏溫度早在2023年由 fahrenheit 提出，他把當時用冰和鹽水混合所得到的最低溫度定為 0 度，水結冰的溫度為 32 度，水沸騰的溫度為 212 度。這樣，從水的冰點到沸點均勻地劃分180份。
溫度的換算
攝氏溫度是18世紀提出來的，它把水的冰點定為0度，沸點定為100度。
絕對溫度是從熱力學的研究中匯出來的，kelvin 提出在分子熱運動完全停止時物體的溫度應該是 –273.150 c , 這應該是絕對的0度。
乙個最簡單的地球表面溫度模型
地球圍繞太陽執行，它一面吸收太陽輻射，一面以它自身的溫度向宇宙空間發射輻射。其熱量平衡關係應當有
其中s0 為太陽常數，t 為輻射平衡溫度， 為地球大氣系統對太陽輻射的反射率
s0 = 1376 w/m2 , = 0.3
可得t=255k（ -180c）它遠低於地球表面的實際平均溫度 150c
問題出在那裡呢？
= 0? 此時t=279k（ 60c）,仍然偏低。
大氣的溫室效應必不可少！
大氣的垂直溫度分布
為什麼大氣溫度隨高度會有現在這樣的變化？這是乙個需要想清楚的問題。
如果沒有特殊原因，大氣溫度也應該隨高度單調遞減。但現在有些層次溫度是上公升的，必須有熱源。在平流層溫度公升高是臭氧的吸收，在熱層是氧分子的吸收。
地表溫度的區域和季節變化
以上所講的主要是全球的年平均溫度。由於地球自轉軸的傾斜、各個緯度太陽光入射角和日照時間的不同，地球各緯度的地面溫度不同，並有季節變化。
1月氣溫分布
等溫線大致呈緯向分布，南半球比北半球規則，氣溫從赤道向高緯遞減；
海陸分布影響氣溫分布：北半球洋面氣溫高於同緯度陸地，南半球洋面氣溫低於同緯度陸地；
暖、冷洋流影響沿岸的氣溫分布；
極端低溫中心：西伯利亞和格陵蘭島；
極端高溫中心：澳大利亞中西部沙漠。
7月氣溫分布
等溫線大致呈緯向分布，南半球較為規則；北半球南北溫差減小；
海陸分布影響顯著：北半球陸地氣溫高於同緯度洋面，南半球陸地氣溫低於同緯度的洋面；
北半球暖洋流的影響減弱，南半球冷洋流的影響明顯；
極端低溫中心：南極洲；
極端高溫中心：撒哈拉沙漠。
地面溫度變化與地面熱量收支
地面溫度變化與地面熱量收支示意圖
1．地面溫度日變化曲線；
2．地面熱量支出日變化曲線；
3．地面熱量收入日變化曲線。
tm：地面最低溫度；tm：地面最高溫度
一天中地面最高溫度、地面最低溫度出現在地面熱量收支相抵（平衡）的時刻。
對於北半球而言,一年中地面最熱月溫度，一般出現在７月或８月，地面最冷月溫度一般出現在１月或２月。
夜間冷卻
輻射降溫
輻射逆溫層靜風晴空長夜可達100m
空氣的溫度高低實質是空氣分子運動快慢（內能）的表現，所以空氣既可以通過與外部的能量交換而公升高或降低溫度-氣溫的非絕熱變化，也可以通過做功而變化--氣溫的絕熱變化。
山地氣候分布
一座高山從下到上擁有不同的氣候,山下濕潤溫暖,山上乾燥寒冷,就象從熱帶到極地的氣候分布一樣。所以,有人把喜馬拉雅山成為地球的第三極。
外界強迫導致輻射收支不平衡
如果收支不平衡，事情會怎樣呢？
就地球大氣系統整體而言，如果大氣上界進入的能量增加了，地球大氣系統要增溫，反之要降溫。
近來，很多討論集中於人類活動對氣候的影響。也即討論由於人類活動引起某種因子有變化，例如co2的濃度增加了，或氣溶膠的濃度增加了，它會對全球氣候產生什麼影響。這時，常常引用輻射強迫這個名詞。
溫室氣體增加
討論輻射強迫時先要確定乙個參考時間，常用工業革命之前（2023年），假定這時候人類活動對自然界的影響不大，大氣能量收支處於平衡狀態。而現在co2增加了，它增加了對地面發射的長波輻射的吸收，從而減少了大氣頂部向外輻射的長波輻射，因此使地面要增溫。這是乙個正的輻射強迫。
氣候模式計算表明，由於co2濃度倍增，即比工業革命之前的濃度增加一倍（280 – 560ppm），大氣頂出射的長波輻射要減少4w/m2，即輻射強迫為正的4w/m2。
從1750 – 2023年，co2變化從280 – 365ppm，輻射強迫約1.5w/m2。
現在我們已經知道，許多溫室氣體的增加（co2, h2o, ch4, n2o等）都有正的輻射強迫。
雲對輻射的制約
地氣系統的輻射通量在很大程度上受到雲的制約。雲反射短波輻射，吸收長波輻射，在地球系統中可以產生正、負兩種反饋，淨效果難以預料。
通常認為，低雲量（暖的水雲）增加，有助於抵銷溫室效應的增強；高雲量（冰雲）增加，則進一步加強溫室效應。
氣候模式中云的引數化問題是溫室效應模擬不準確性的重要原因。
氣溶膠的直接和間接輻射強迫
氣溶膠的增加引起的輻射強迫就比較複雜，它有直接的輻射強迫和間接的輻射強迫。
氣溶膠的直接輻射強迫：指氣溶膠濃度增加後，它對太陽輻射的散射和吸收會增加，但散射作用會使地球大氣系統反射太陽輻射增加，是一種負的輻射強迫；而吸收則使入射的太陽輻射增加，是一種正的輻射強迫。因此單就氣溶膠的直接的輻射強迫而言，它到底是增溫還是降溫，還要看氣溶膠的特性（還要看地表反射率）。
總體而言，氣溶膠增加導致地氣系統接收的短波輻射減少和地球表面溫度降低。
氣溶膠的間接輻射強迫：氣溶膠還是一種雲凝結核。氣溶膠的增加有可能使雲量增加，雲滴有效半徑減小、降水難以產生、雲的生命期加長等。
這就使雲對太陽入射輻射的反射增加，因此是一種負的輻射強迫。
「幾種效應」
co2等含量增加造成的「溫室效應」，大氣中塵埃增加造成的「陽傘效應」，海洋油汙染造成氣候的「沙漠化效應」，城市發展造成氣候的「熱島效應」，建造水庫造成的「湖泊效應」等正在影響著氣候。
三、溫度與環流
大氣環流和洋流對氣候系統中熱量的重新分配起著重要作用。它一方面將低緯度的熱量傳輸到高緯度，調節了赤道與兩極間的溫度差異，另一方面又因大氣環流的方向有由海向陸與由陸向海的差異和洋流冷暖的不同，使同一緯度帶上大陸東西岸氣溫產生明顯的差別，破壞了天文氣候的地帶性分布。
溫度 熱量 內能的區別於聯絡
一.內能與機械能的區別 機械能是物體整體運動所具有的能量,其大小與巨集觀物體運動的速度 物體相對高度和形變的大小有關。內能是構成物體的分子無規則運動所具有的一種能量，其大小與所有分子運動的平均速度和分子之間的距離有關。乙個物體可以沒有機械能，但一定具有內能。二 溫度 熱量和內能的區別 溫度表示物體冷...
2019熱力環流和大氣運動教案
熱力環流及大氣水平運動 出題人 徐蒙審核人 李建芝 教學重點與難點 重點 熱力環流的形成過程及應用 難點 運用熱力環流原理分析繪製海陸風 城市風形 課前知識預習補充資料 1 氣壓 指單位面積上所承受的大氣柱的重量。百帕 注意 越向高空氣壓越小。通常說的高氣壓 低氣壓是指同一高度上的氣壓高低狀況。2 ...
地理大氣的受熱過程 熱力環流
讀下圖，完成1 2題。1 低層大氣主要的直接熱源是 a 地面 b 太陽 c 大氣輻射 d 大氣逆輻射 2 下列對應錯誤的是 a 到達地面的太陽輻射 a b 大氣的反射作用 d c 大氣的吸收作用 b d 大氣逆輻射 c 3 地球表面的溫度變化 溫差 較月球表面要小得多，主要原因是 白天地球大氣對太陽...