熱量平衡

　　一個物體或系統的熱量收支相等時的狀況。對地球表面、大氣和地－氣系統的熱量收支關係的研究是物理氣候學的重要課題之一。輻射差額及其轉變的其他熱量消耗或熱量補償對地球表面、大氣和地-氣系統的熱量狀況有巨大的影響。

　　地球表面的熱量平衡　指地球表面的熱量收支相等時的狀況。地球表面因輻射差額而產生的熱量盈餘或虧損，主要由水分蒸發消耗潛熱或凝結放出潛熱，空氣湍流運動帶來或帶走熱量量，土壤或水體傳導向下或向上輸送熱量等形式來平衡。表示式可寫成：

　　 Q_d=LE+P+A

式中Q_d為輻射差額；L為潛熱；E為蒸發或凝結量；P為地面與大氣之間的湍流熱通量；A為地面與其下層（土壤或水）之間的熱通量（包括垂直交換量W和水平輸送量F）。式中右側各項凡輸入熱量的為負，輸出熱量的為正。Q_d則以輸入熱量為正，輸出熱量為負（圖1）。

圖1　地球表面熱量平衡示意圖

根據不同下墊面的特性，上式中 LE和 A兩項可作相應的修改。例如，在陸地土壤中的平均水平溫度梯度很小， F接近於0， A就等於 W，在海洋則 A= W+ F。對於蒸發接近於零的沙漠地區來說， LE=0。對全年平均來說，不論哪種下墊面， W都等於0。

　　大氣的熱量平衡　指由地面伸展到大氣上界的單位截面積鉛直氣柱體的熱量收支相等時的狀況。表示式可寫成：

式中Q_da為大氣的輻射差額；F_a為大氣的水平熱通量；Lr為凝結釋放熱量（r為水汽凝結量）；H_a為大氣單位時間熱焓量的變化量。式中各項表示氣柱輸出熱量為負，輸入熱量為正（圖2）。在年平均情況下，H_a接近於0。

圖2　大氣熱量平衡示意圖

　　地－氣系統的熱量平衡　指單位面積下墊面活動層（即沒有明顯溫度季節變化深度以上）起向上直到大氣上界整個氣柱的熱量收支相等時的狀況。表示式可寫成：

式中Q_ds為地-氣系統的輻射差額；F_s為水平熱通量（包括大氣的水平熱通量F_a和水圈的水平熱通量F）；L(E-r)為蒸發熱量與凝結熱量之差；H_s為地-氣系統的單位時間熱焓量的變化量。式中右側各項以表示輸出熱量為正，輸入熱量為負。Q_ds則以輸入熱量為正，輸出熱量為負（圖3）。在陸地上，F=0。對全年平均來說，H_s=0。對於整個地球來說，E=r，而且F_a=0，所以整個地-氣系統的熱量平衡具有非常簡單的形式，即Q_ds=0。

圖3　地-氣系統熱量平衡示意圖

　　不同緯度、不同下墊面上熱量平衡各分量不同。例如，陸地最大蒸發量出現在赤道附近，而在副熱帶高壓帶緯度上，由於氣候幹燥，蒸發急劇減少。與此相反，大洋的最大蒸發量出現在副熱帶高壓帶緯度上，而在赤道附近蒸發量顯著減少。研究表明，在北半球熱量從低緯地區輸向高緯地區，南半球熱量向北半球輸送。熱量平衡的各個分量可以直接從觀測中得到，也可以由氣象資料算出。對一個地區熱量平衡的研究有助於對該地區氣候的形成和變化進行定量分析研究。