我们已经了解到，大气环流的形成及维持的最终原动力来自太阳辐射，因此不难理解，大气和海洋中的全球平均水平温度场的分布则是由全球平均太阳辐射差额水平分布所决定的。为了深入地了解地-气系统加热的全球分布，我们不仅要了解太阳辐射收支的纬向分布(如上述图3.8)，还需要了解太阳辐射差额的全球平均分布。
太阳辐射是指由太阳表面以电磁波方式向宇宙空间传递能量。太阳辐射是地球上最重要的能源。尽管地球只截获约20亿分之一的太阳辐射，但却占加热地球大气能源的99.9％，其余微不足道的能量来源于月球和其他星球，以及地球内部的地热。因此可以认为太阳短波射入辐射是地-气系统的唯一能量来源(太阳长波射入辐射数量很少，可以忽略)。按照Stefan定律
F=-σT4
(3.9)
σ＝5.67×10-8W·m-2·K-4是Stefan-Boltzmann常数，T是绝对温度，F是辐射通量。假使考虑太阳是理想黑体，并具有5750K的温度，所以由太阳表面发射的辐射通量Fsun=6.2×107W·m-2。当考虑到日地距离，地-气系统在大气上界(即不考虑空气的吸收、衰减作用)接收到的太阳辐射通量S≈1380W·m-2左右。在天气学中，S被认为是常数，称太阳常数。那么地球作为圆球体，它的球体面积为4a2(a是地球半径)，因此球面平均的在大气上界的太阳辐射通量I＝S/(4πa2)＝344W·m-2。
(1)最简单的全球平均辐射平衡模式
假设地-气系统是一个没有厚度的薄层(如图3.13a)，那么这个理想薄层将吸收、反射太阳短波射入辐射和发射长波辐射。如果整个薄层表面的平均反射率为α≈0.34，反射的太阳辐射通量R＝αI=117W·m-2，因此实际接收到的太阳辐射通量应当为A＝I-R＝(1-α)I＝227W·m-2。考虑到整个薄层处于热平衡，并作为理想黑体射出长波辐射E，即E＝A，整个薄层的平均温度T满足
σT4＝E＝227W·m-2
(3.10)
T＝251K＝-21℃
这远小于平均的实际大气温度(15℃)，显然这是忽略大气层厚度所导致的结果。
(2)全球平均辐射平衡的两层模式
在考虑大气层厚度的全球平均辐射收支模式中，如图3.13b所示，太阳短波射入辐射通量I＝344W·m-2没有改变，假设大气的平均反射率α1≈0.33，由大气反射到外空间的短波辐射通量为R1=α1I=113.5W·m-2；又假设大气的平均衰减率β1≈0.49，那么透射到地面的短波辐射通量为T1=β1I＝168.6W·m-2。因此不难计算，大气实际吸收到的直接来自太阳的短波辐射通量应为I-T1-R1。又有，地球下垫面的平均反射率设为α2＝0.04，R2＝α2T1＝6.8W·m-2是下垫面的反射短波通量，因此地面实际接受到的短波辐射通量应为A2=T1-R2=161.8W·m-2。同时，下垫面的短波反射通量R2的一部分透射过大气层反射到外空间，其数量为T2＝β1R2＝3.4W·m-2，而其余的部分则被大气接收。因此大气间接吸收到的来自地球的短波辐射通量是R2-T2。综上所述，对大气而言，其短波辐射净收支为
A1=(I-T1-R1)＋(R2-T2)=[1-α1-β1+β1α2(1-β1)]I=65.3W·m-2
(3.11)
大气在吸收到短波辐射后，假设大气是理想黑体，因而要射出与接收到的短波净辐射量相等的长波辐射E1，大气的长波辐射E1要同时向外空间和下垫面两个方向辐射。向外空间的辐射部分估计为0.36E1，向下垫面的辐射部分为0.64E1，这两部分不相等是考虑到大气上层温度比大气下层低，所以向外空间的长波辐射量要小一些。再进一步考虑下垫面的长波辐射E2其辐射平衡关系应为
E2＝A2＋0.64E1
(3.12)
长波辐射E2经过大气的衰减，其衰减率β2＝0.05，射向外空间的长波辐射为T3＝β2E2，剩余部分被大气吸收，因此大气吸收的短波和长波辐射的总和为
E1＝A1＋E2-T3=A1＋(1-β2)E2
(3.13)
由(3.12)和(3.13)式的联立，可以求解E1和E2，它们分别为E1＝558.7W·m-2，E2＝519.4W·m-2。再按照Stefan定律，地球的平均温度为T＝(E2/σ)1/4＝309K＝36℃。可见，计算结果与实际平均温度相比太高。值得注意的是，在包括大气层的全球平均辐射收支模式中，大气层的总体效应是使温度升高，这就是所谓的大气温室效应。
(3)全球平均辐射平衡的两层湿模式
在上述模式中，我们没有考虑水汽的影响。事实上，由于太阳辐射的加热作用，在水体和陆面下垫面引起蒸发，蒸发又导致潜热通量从下垫面向上输送，下垫面失去热量。当水汽进入大气，它在凝结成降水落回地面前，又会形成为云，增加了大气的温室效应。由于水汽引起净热量向上的通量输送，在全球平均辐射收支的湿两层模式中(如图3.13c)，应当有
E2＝A2＋0.64E1-Qw
(3.14)
E1＝A1＋E2-T3＋Qw
Qw＝113.6W·m-2为潜热通量的估计数值。联立求解E1＝573.2W·m-2，E2＝415.0W·m-2。则T＝(E2/σ)1/4＝(415.0/σ)1/4＝292K＝19℃，平均温度值降低，与实际平均温度相接近。可见水汽过程的效应减缓了大气的温室效应。
本文标题：大气平均加热场
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