4．4 若干专题
4．4．1 气侯的年变化与日变化
众所周知，气候存在日变化和年变化，这种变化引起了地理景观的周期节律性变化，气候日变化和年变化根本上是由于太阳辐射的周期性变化的结果．下垫面的不同反照率，不同含热特性和湿度特性，影响着不同尺度的环流，在地球自转和各种地形作用之下显现出复杂的气候日、年变化现象．在这方面GCM模式已有成功的模拟结果，读者可参阅有关文献．本书限于用零维能量平衡方程来解释海陆之间气温的日、年较差和位相的显著不同．不考虑热量的水平和垂直输送，且假定长波逸出辐射、感热交换或蒸发都是与温度呈线性关系，太阳辐射呈周期变化，由热量平衡方程可得：
其中
蒸发率，Sm是地-气系统接受太阳辐射的振幅，ω为振动频率(日变化：
解(4．4．1)得
(4．4．2)
这表明地面温度亦随太阳辐射而周期振动，其振幅为
与太阳辐射之间的位相差为：
如果假定地-气系统的热量变化是先由地表吸(放)热再分别向上、向下传导，则可算得热惯性
从(4．4．3)-(4．4．5)可得到：
多，位相落后得也更多．其主要原因不是因海水比热大，而是海水的热传导率(Ks)比陆地要大3个量级．
(2)当下垫面相同时(B，C相同)，则日变化(ω大)的位相落后比年变化要多，当Sm亦相同时，年振幅要大于日振幅．
(3)若不考虑地面蒸发和湍流交换(B变小)，则温度振幅增大，位相落后更多(汤懋苍，1989)．
汤懋苍等(1989)具体估算沙漠和海洋两种下垫面的温度日变化和年
＝5×104cm2/s，Csd＝1，ρsd＝2，Ksd＝2×10-3，Csw＝4.2，
意：λw/λd＝26)；再取Sm＝400W/m2，对中纬沙漠Sm年≈200W/m2，对低纬海洋Sm年≈100W/m2，BR＝2W/(m2·K)，Hs＝12W/(m2·K)；E难于确定，暂取E＝H≈12W/(m2·K)，对沙漠，命E＝0，在海洋，
4．4．1．可见计算结果基本能反映观测事实的基本特征．
4
．4．2 城市热岛
在晴朗无风的夏日，海岛上的地面气温高于周围海上气温，结果，在热力作用下形成海风环流以及海岛上空的积云对流．如果有盛行风的影响，在岛的下风方出现积云对流，它伸展相当长的距离，并间隔排成云列，该云列是背风波作用下的产物．
近几十年来，由于城市大气污染日益严重和人类活动对气候的影响．人们更加关注城市对气候的作用，其作用同海洋热岛效应十分类似，因此称为城市热岛效应．
这里介绍Vukovich(1971)用简单线性模式研究城市热岛效应的理论结果，其所提供的方法也为中尺度气候研究常用．我们仅把问题限制在x、z 轴上．由观察事实我们可以取加热分布为均匀变化温度场，最高气温在城市中心，最低气温在郊区，最大温度梯度出现在城郊之间．并由于城市热岛环流的尺度小，还忽略科氏力的影响．记P′为气压扰动，在无基本风场的条件下，大气运动的线性化扰动方程可写成
这里K是摩擦系数，并设与时间和空间无关．以上两式对z，x交叉求导并相减后可得扰动涡度方程为
这里β为-ρ′g/ρ0＝θ′g/θ0，θ′是扰动位温，θ0是平均位温，
可以看出，这种简化相当于大气是准静力平衡运动的假定．大量的城郊区的地面气温日变化曲线表明，在午后的最高气温时间以后，城郊区的气温均下降，郊区比城区有更大的冷却率，两地区之间的温差加大．为描写这种情形，加热函数形式取为
Q＝(Q0＋Q′coskx)H(h-z)
这里Q是单位时间对单位空气质量的加热率r，Q0是平均加热率，与x，t无关，Q′是扰动加热率的振幅，加热扰动与时间无关，它在x方向呈简谐分布，k是加热扰动的空间波数，H(k-z)是Heaviside单位函数．平均加热和扰动加热出现在从地面至z＝h的行星边界层内，在z＝h层以上，加热率为0．由于Q0＜0，|Q0|＞|Q′|，以上加热函数基本上可以描写由气温日变化资料表明的冷却分布．
在以上条件下的线性化热力学方程为
去β，得
(4．4．12)式是描写运动的控制方程，方程可以通过分离变量求解．边界条件取为
这里D是城市热岛影响的顶高，取的是刚盖边界．令
和
以上Ap为级数中的振幅项，它表示为
fp和ξp分别是(x，t)和z的函数．
将(4．4．14)和(4．4．15)代入(4．4．12)式中，即得
和
这里Cp是分离常数和波速．
取方程(4．4．18)的解的形式为
fp＝g(t)sinkx＋r(t)coskx (4．4．19)
则有
和
由边界条件(4．4．13)可得
r(t)＝0 (4．4．22)
和
这个解相当于与加热分布有关的强迫响应，以及与加热引起的重力波有关的阻尼响应．现我们来求解ξp(z)．(4．4．17)式中的ω是高度的函数，简单起见，对稳定度取两层模式，令
ω＝ω1 0≤z≤h (边界层) (4．4．25)
和 ω＝ω2 h≤z≤D
13)和连续条件
时，有解
和
并且
从(4．4．29)式的解可得本征值Cp，将(4．4．27)式和(4．4．16)式结合起来求得振幅项．
(4．4．30)
这样，方程(4．4．12)的完全解为
上式是通过由(4．4．29)式决定的所有本征值来求和．由于随着Cp的变小级数迅速收敛，实际只需有限的计算．在一定的层结垂直分布，扰动位温和摩擦系数的情况下求得的这一无基本气流的模式解表明，城市热岛形成以城市为中心的双环流圈，在城市为上升运动，低层水平辐合，高层水平辐散，郊区为下沉运动，低层水平辐散，高层水平辐合．
如果有盛行气流，城市热岛环流则与上述环流有差异，Vukovich得出了另一种模式解：
设平均风为U，忽略摩擦影响，这时的扰动运动方程为
同样可以导得涡度方程为
热力学方程为
通过(4．4．34)和(4．4．35)两式消去β后得
用解方程(4．4．11)的方法解(4．4．36)式，边界条件仍为(4．4．13)得
和
前面在无基本气流条件，r(t)＝0，因而气流型的空间相角始终不变．现在的情况下r(t)≠0，即由于平均气流带来的热量和动量平流，使得气流型在空间发生了位移，并且这种位移是随时间而变的．总之，无平均风情况下的热岛环流系统，是以热源为中心的双环型环流．在大的气流场影响下，城市环境受平均风速作用，城市热源中心上方气流被下沉气流所替代，任何大量的垂直交换受到抑制，降水和对流天气也主要出现在城市的下风方．环流系统是随时间逐渐向下风方向移动的，它的移速受着加热分布、平均风速和瞬变的重力波速的影响．加热分布将促使环流系统回到热源，而平均风和重力波向下游输送热量、动量的作用，使系统继续向下游位移．
4．4．3 CO
2倍增增温的简单模型分析
借助全球能量平衡模型，我们可能分析CO2倍增引起的全球气候变暖问题．地球的气温是吸收太阳辐射能量与行星长波辐射能量平衡的结果，这时有
式中，S是太阳常数，α为行星反射率，σ为斯蒂芬-波尔兹曼(Stafan-Boltzman)常数，5.67×10-8Wm-2K-4．如果取S为1367±2Wm-2，α为0.3，我们可以得到地球对应的黑体温度为Te＝255K(-18℃)，它显著地低于地球表面平均气温Ts＝288K(15℃)．这种差异起因于“大气层温室效应”(atmospheric greenhouse effect)．事实上地球的黑体温度应为大气层平均温度TA，设大气层覆盖地球它对太阳辐射透明而对地球辐射(长波)不透明，其能量一半被大气吸收一半被反射回地面．则有
将Te等效于TA，容易求得Te =255K时，Ts＝303K这一表面温度值又显著高于真实的288K，这是因假定了地面长波辐射不穿透大气．总之，大气产生了温室效应．
现在说的温室效应主要是强调2×CO2的增温效应．地气系统之间，净辐射应平衡为零值，考虑到地球表层系统的灰体效应，大气对长波辐射不能完全吸收与反射，记F(Ts)为地面气温为Ts时的气候系统辐射功率，注意到气候系统反射率α与Ts有关，可得
对于原始平衡的气候系统来说，得到一个能量扰动Q，这个扰动Q由大气CO2加倍引起．容易从(42)式得
由此得到
(4．4．44)
这就得到全球气温对外力强迫的响应
△Ts＝λ△Q (4．4．45)
由前面的推导我们知道地球的等效黑体温度Te小于Ts，设Te-Ts＝常数．那么我们可以得到出射的长波辐射(OLR，Outgoing Long-wave Radiation)反馈参数
这里忽视了反射系数的变化．(47)由Manabe和Strickler于1964年导出(见Manabe等，1967)．
一般估计2×CO2大约引起4Wm-2的△Q，由此得到2×CO2的直接效应为增温1K．然而气候系统有大量的反馈因子存在，考虑水汽因增温而增多，叠加上水汽增温效应后，λ＝0.50K(Wm-2)-1(Manabe，Wetheral，1967)．再考虑冰盖，Budyko(1969)得到λ＝1.42Wm-2K-1．其它一些效应可能使λ降低，λ的估计值为0.59-1.42Wm-2K-1，如此得到，2×CO2将引起全球平均增温2—5℃．
关于2×CO2的温室效应，利用GCM模式，从动力学角度作了大量工作，得到了各种在区域细节上有差异的丰富的结果，有兴趣读者可参阅Horghton等(1990)和Schlesinger，Mitchell(1987)．
本文标题：若干专题-气候过程
手机页面：http://m.dljs.net/dlsk/lidi/21130.html
本文地址：http://www.dljs.net/dlsk/lidi/21130.html
