Полякова Л.С., Кашарин Д.В. Метеорология и климатология

Уравнения радиационного и теплового балансов для поверхности Земли

Разность между приходящими к деятельному слою Земли и уходящими от него потоками лучистой энергии называют радиационным балансом деятельного слоя.

Радиационный баланс состоит из коротковолновой и длинноволновой радиации. Он включает в себя следующие элементы, называемые составляющими радиационного баланса:

  • прямая радиация S’;
  • рассеянная радиация D;
  • отраженная радиация Rk;
  • излучение земной поверхности Ез;
  • встречное излучение атмосферы Еа.

Уравнение радиационного баланса имеет вид

В = S' + D - Rk - Ез + Еа, (3.8)

где В – радиационный баланс.

Уравнение радиационного баланса может быть записано в другом виде

B = Q - Rk - Eэф, (3.9)

где Q – суммарная радиация;
Еэф – эффективное излучение.

В пасмурную погоду при отсутствии прямой радиации

B = D - Rk - Eз + Ea (3.10)

или

B = D - Rk - Eэф (3.11)

ночью

В = Еа - Ез = - Eэф. (3.12)

Если приход радиации больше расхода, то радиационный баланс положителен и деятельный слой Земли нагревается. При отрицательном радиационном балансе этот слой охлаждается.

Радиационный баланс днем обычно положителен, а ночью отрицателен. Примерно за 1-2 часа до захода Солнца он становится отрицательным, а утром в среднем за 1 час после восхода Солнца снова делается положительным. Ход радиационного баланса днем при ясном небе близок к ходу прямой радиации.

В годовом ходе радиационный баланс имеет в холодное время года отрицательные значения, в теплое – положительные.

Годовой ход радиационного баланса и его составляющих в условиях Харькова приведен на рисунке 3.2.

Элементы радиационного баланса и его составляющих для Харькова по месяцам
Рисунок 3.2. Элементы радиационного баланса и его составляющих для Харькова по месяцам

1- поглощенная радиация; 2 – радиационный баланс; 3 – эффективное излучение

Пример 1

Определить альбедо подстилающей поверхности, если прямая радиация на горизонтальную поверхность составляет S' = 0,6 кал/(см2·мин), рассеянная – D = 0,2 кал/(см2·мин), а отраженная радиация равна Rk = 0,16 кал/(см2·мин).

Суммарная радиация равна

Q = S' + D = 0,6 + 0,2 = 0,8 кал/(см2·мин).

Альбедо поверхности определяем как

Альбедо поверхности

Пример 2

Вычислить радиационный баланс деятельного слоя, если поглощенная часть прямой радиации на горизонтальную поверхность составляет S' - Rk = 0,57 кал/(см2·мин), рассеянная – D = 0,15 кал/(см2·мин), собственное излучение деятельного слоя 0,42 кал/(см2·мин), встречное излучение атмосферы Еа – 0,34 кал/(см2·мин). Запишем уравнение радиационного баланса в виде

В = S' - Rk + D - Eз + Еа.

Разность S' - Rk представляет поглощенную часть прямой радиации, тогда

В = 0,57 + 0,15 – 0,42 + 0,34 = 0,64 кал/(см2·мин).

Положительный радиационный баланс свидетельствует о нагреве деятельной поверхности.

Пример 3

Найти радиационный баланс деятельного слоя, если поглощенная часть коротковолновой радиации равна 0,07 кал/(см2·мин), а эффективное излучение 0,15 кал/(см2·мин). Запишем уравнение радиационного баланса в виде

B = (Q - Rk) - Eэф

Величина Q - Rk представляет поглощенную деятельным слоем часть коротковолновой радиации. Следовательно, В = 0,07 - 0,15 = -0,08 кал/(см2·мин) отрицательный радиационный баланс говорит об охлаждении деятельного слоя.