热量平衡

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第528页（3727字）

是现代气候学的重要分支之一。

研究活动面(层)在辐射和热量交换过程中的收支对等状况。在气候研究中，可根据需要建立地面、大气以及地气系统的热平衡方程。地表热平衡方程的形式有：

R=LE+P+Hs

式中R是地表净辐射；LE是蒸发耗热(潜热)；P是湍流热交换量(感热)；Hs是土中热交换量。

它表明，地面在获得(失去)辐射热能后，以何种途径与大气层及地中进行热量交换。地表热量平衡是气候形成的能量因子，分析、研究地表热状况，可为研究气候形成、气候模拟以及大气环流演变提供重要依据。地表面的热量和水分状况直接影响着人类和动植物的生存，是农业生产的重要气候资源。

人类活动对气候的影响也是主要通过改变地表和大气的热平衡状况实现的。

1884年，俄国着名气候学家伏耶依科夫(А．И．Вoeиков)就指出了研究大气和地面太阳能收支的必要性。

后来(1904年)他更进一步阐明了土中和水中热交换对气候形成的意义。

在热量平衡观测方面，净辐射观测从19世纪90年代开始出现日射表起，到20世纪30年代设计生产出净辐射表，经不断改进、完善，至今在技术上已基本解决，只是其中净辐射和长波辐射观测仪器尚不够普及。

蒸发观测是地表热平衡观测的另一重要组成部分。早在19世纪中叶就开始使用简易的土壤蒸发器进行测量。

20世纪20年代前苏联波波夫(В．П．Пoпов)设计了波波夫土壤蒸发器，此后美苏等国相继研制出多种新的蒸发仪器。由于各类土壤蒸发器都存在不同程度的缺陷，且一般只能观测一定时段的蒸发总量，难以解决蒸发瞬时通量的确定。因此，有的就转向研究间接的测定方法，如梯度法和热量平衡法(包文此法)。根据这两种方法，可同时进行地表蒸发耗热和湍流热通量的测定。

桑斯威特(C．W．Thornthwaite)和霍尔兹曼(B．Holzman)以及布德柯(М．П．вудыко，1946)等曾进行过研究。1954年该法被列入前苏联热量平衡观测规范，并在数十个站点进行了系统的梯度观测。

中国从1957年开始也在北京等6站进行了热平衡观测。在科学研究中有的还使用涡动相关法对湍流热通量和蒸发耗热量进行直接测定。

土中热交换量的确定，在20世纪60年代以前主要根据简化的公式(如采金公式)计算，现在在野外观测中还使用土壤热流板直接测量。

在陆面蒸发(或蒸发耗热、潜热)气候计算方法研究方面，较多的方法是针对年总量计算的。因为年蒸发量资料可由流域的水量平衡方程余项中得到。20世纪初奥尔捷柯帕(З．М．()Аьдекоп)和斯莱伯(F．Schreiber)分别从蒸发成因上提出各自的年蒸发量计算式。

1948年布德柯把两者结合起来得到新的水热联系方程，该式不仅物理依据充分，且不包含任何经验系数，计算精度较高，深得气候学界好评。此外还有一些其它形式的计算式，如建立在道尔顿公式基础上的各种扩散式，以及巴格洛夫(Н．А．ъaгpов)式等。中国傅抱璞(1981)从分析制约蒸发的水分和热量条件入手．从理论上得出年蒸发量计算式。

月蒸发量的气候计算要困难的多。

在前苏联和中国较多应用布德柯(1950)的迭代法，该法主要建立在月的水量平衡方程基础上，并对蒸发和径流过程作了某些必要的合理假设。巴格洛夫(1954)的月蒸发量计算方法也较实用。另外，以扩散形式表示的经验式在计算海洋蒸发以及各种气候模式中使用较广。

水面蒸发以及充分湿润陆面的蒸发力计算，对揭示各地蒸发潜势具有重要意义。

着名的彭门(H．L．Panmen)方法被认为是最好的蒸发力计算方法之一。在气候中常以年降水量与年蒸发力之比作为干旱指数，并以此衡量各地的干湿气候条件。干湿指数常用作气候区划的主要指标。

湍流热交换(感热)的气候计算方法研究较少。

有的采用类似于计算蒸发的扩散式，根据平均风速、地面和空气温差以及一个经验参数(拖曳系数)算出，但问题是经验参数不好确定。布德柯(1956)所提的外扩散法实质上与此比较相似。

另外，包文比法也较常用。

所谓包文比是指感热与潜热的比值，气候计算时可利用此比值与潜热的乘积确定感热，或反过来。

70年代后期中国高国栋等在计算全国感热分布时，简单的将其作为热量平衡方程的余项算出。

土中热交换量是地表热平衡中的小项，通常使用各种简单的相关法估算。

在热量平衡气候分析方面，施密特(W．Schmidt，1915)最先完成了对世界大洋各纬度带热平衡各分量年平均值的计算，并把大洋的热量平衡与水量平衡结合起来。1920年埃斯川姆(A．Angström)对瑞典一个湖泊的热量平衡作了计算，并在计算方法上作了较大改进。

30年代前苏联学者舒列依金(B．B．Шyлeйкин)计算了卡拉海的热量平衡，证明暖洋流对该海域温度状况形成起着巨大作用。

从20世纪40年代开始，前苏联地球物理观象总台对全球地表辐射平衡和热量平衡进行了系统的研究，提出了互相独立的热平衡各分量气候计算方法和客观检验方法。与此同时，阿尔勃利希(F．Albrecht，1940)也完成了海陆若干站点的热平衡计算，雅各布斯(W．C．Jacobs，1943)和斯维特洛普(H．U．Sverdrup，1945)首次绘制出北太平洋和北大西洋海区的热平衡图。1955年前苏联出版了世界上第1本《热量平衡图集》。

布德柯的专着《地表面热量平衡》(1956)则对地表热量平衡的气候研究作了总结。60年代前苏联地球物理现象总台研究人员在布德柯领导下根据更多的观测资料继续深入研究，并把研究领域扩展到全球大气和地气系统的热平衡各分量计算。1963年、1978年两次更新出版了《地球热量平衡图集》。

迄今上述图集仍被公认为世界上最完整的热平衡图集，其中某些图幅多次被权威性着作所引用。在热量平衡理论研究的基础上布德柯和塞拉斯(W．D．Sellers)在60年代分别提出研究世界气候变化的能量平衡模式，能较好地模拟出二氧化碳倍增对全球变暖的平均增温值。

中国在70年代完成了对全国热平衡各分量的初步计算和分析。

1979年5～8月的青藏高原气象科学实验，首次揭示出高原地表热源性质及其对高原大气环流的作用，出版了《青藏高原地面辐射平衡和热量平衡图集，1979年5～8月》(1984)。现正在河西黑河地区进行的地气相互作用试验研究项目，其主要任务之一也是研究地表对大气的加热作用。

有的人还作了起伏地形热量平衡场数值模拟的尝试。

60年代以来随着卫星辐射探测技术的迅速发展，为直接研究地气系统热量平衡提供可能。最新的卫星探测结果更新了人们对地球大气辐射和热平衡状况的认识．主要的结论如：太阳常数的变化是很小的，不足以证明是否具有气候意义；地气系统年平均反射率为0．30±0．01，比早期估计的0．33～0．38要小得多；地球的行星黑体温度为255±2K，也比以前估计的要高。另外，南北半球的辐射收支是平衡的，从而认为过去关于存在赤道向北的能量输送未与事实相符。

热量平衡研究是当代气候学研究的热门课题之一。国内外学界都非常重视研究海洋、陆面与大气之间的潜热和感热交换及其参数化问题。

此外，研究卫星资料在热平衡分析中的应用、研究人类活动对气候的影响、人工措施的局地气候效应等，都将是未来的热门课题；研制精度更高的热平衡观测仪器以及热平衡各分量的气候计算方法则是基础。

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【参考文献】：

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(南京气象学院翁笃鸣教授撰；缪启龙审)