地球能量收支

地球能量收支（Earth's energy budget，也可写为Earth's energy balance）指的是地球从太阳接收的能量与地球辐射回外太空的之间的平衡关系。较小的能量来源（例如地球的内部热量）也被列入考虑，但与来自太阳的能量比较，相形见绌。能量收支也将能源如何在气候系统中移动列入考虑。由于太阳对位于地球赤道热带地区的加热程度高于对极地地区的，各地收到的太阳辐射并不均匀。当能量在地球上进行平衡作用时，就会驱动各气候系统，包括水圈、冰冻圈、大气层、岩石圈及生物圈,之间交互作用。而形成地球的气候。

地球能量收支取决于许多因素，例如大气中气胶、温室气体、地球表面反照率、云、植被、土地利用模式等。当能量的输入和输出通量达到平衡之时，地球就处于辐射平衡状态，气候系统将会相对稳定。当地球接收到的能量多于向太空输出之时，就会发生全球暖化。而当输出的能量多于输入之时，就会发生全球变冷。

经过多种测量和观测，显示地球至少自1970年开始有气候变暖的失衡现象。这一人为活动所造成的升温速度是史无前例。此次地球能量变化的主要根源是人为引起的大气成分变化。于2005年至2019年期间，地球能量失衡 (Earth's energy imbalance，EEI) 平均约为460太瓦（tera （1012）watts，简称TW），即达全球0.90 ± 0.15瓦/平方米（W/m2）。

地球能量收支发生变化时，全球表面气温于发生显著变化之前会出现一段延迟。这是由于海洋、陆地和冰冻圈所具有的热惯性所导致。大多数气候模型都要求将这些能量流和储存量准确量化。

## 定义

地球能量收支包含"所有与气候系统相关的主要能源流"。其中有"大气层顶部能量收支、地表能量收支，及全球能源库存的变化与气候系统内部的能量流动"。

## 地球能量流动

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虽然地球有大量能量输入和输出，但它通常仍保持相对恒定的温度，地球整体上几乎没净增加或是损失：地球通过大气和地面辐射（将能量转移为更长的电磁波波长）向太空发射，大约与由太阳辐射而输入的能量相同。而人类造成的大气成分变化成为地球能量发生变化的主要原因。

### 太阳能输入（短波辐射）

地球大气层顶部 （TOA）每秒接收到的总能量以瓦特为单位，由太阳常数乘以与辐射对应的地球横截面积而得。由于地球球体的表面积是球体横截面积（即圆面积）的四倍，因此全球和年平均TOA通量是太阳常数的四分之一，约为340瓦/平方米。由于吸收量随所在位置，以及日夜、季节和年度变化而变化，因此引用的数字是从多个人造卫星测量而得的多年平均值。

地球接收到约340瓦/平方米太阳辐射中，有平均约77瓦/平方米被云层和大气反射回太空，约23瓦/平方米被地表反照率所反射，表示地球的平均净反照率约为十分之三（0.3），也称为球面反照率 (A)，剩下约240瓦/平方米太阳能进入地球的能量收支，此数量称为吸收的太阳辐射（ASR）：

$$ASR = (1-A) \times 340~\mathrm{W}~\mathrm{m}^{-2} \simeq 240~\mathrm{W}~\mathrm{m}^{-2}.$$

### 地球长波辐射输出

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热能以地球长波辐射输出（OLR）的形式离开地球。长波辐射是地球表面和大气层发出的电磁热辐射。长波辐射位于红外线波段。但此两者并不具有相同意义，因为红外线辐射可以是短波或是长波。阳光中含有大量的短波红外线辐射。有时会使用4微米的波长作为区分长波和短波辐射间的阀值。

一般而言，地球吸收的太阳能会转换成不同形式的热能。表面吸收的部分太阳能会转化为被称为"大气窗口"的特定波长热辐射，这种辐射能畅通无阻穿过大气层，直接散逸进入太空，导致地球长波辐射输出。剩余被吸收的太阳能透过各种传热机制透过大气层向上传输，直到大气层将这些能量以热能的形式释放进入太空，再次促进地球长波辐射输出。例如热量透过蒸发散和潜热通量、或热传导/对流过程及透过辐射热传输而进入大气。最终所有输出的能量都以长波辐射的形式辐射进入太空。

长波辐射从地球表面通过多层次大气的传输，受到辐射传输公式的规范，例如史瓦西辐射传输公式（如果有散射，则需用到更复杂的公式），及克希荷夫热辐射定律。

#### 温室效应作用

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由地球周围空间来看，温室气体会影响地球的大气发射率 (ε)。因此当大气成分发生变化时，就会改变整体辐射平衡。例如温室气体浓度增加（即温室效应增强）导致热量捕获增加，迫使地球长波辐射输出减少和蓄积能量，而致失衡。最终是当温室气体量增加或减少时，原位测得的表面温度会上升或下降，直到再次达到吸收的太阳辐射（ASR） = 地球长波辐射输出（OLR），而达到平衡。

本节摘自温室效应。

当行星大气中的温室气体将行星表面电磁辐射的部分热量捕获，而提高行星的气温时，就发生所谓的温室效应（Greenhouse effect）。此过程发生的原因是因为恒星发射的短波辐射穿过温室气体，而行星所反射的长波辐射有部分被温室气体吸收，当行星大气中温室气体增加后，更进一步降低行星向太空排放辐射的速度，结果是行星的平均表面温度会因而升高。

如果地球没有温室效应，其平均表面温度会变成约−18°C (−0.4 °F)，但由于有温室效应存在，而导致20世纪的平均气温约为14°C (57°F)，或是近来的平均气温约为15°C (59°F)。地球除有自然存在的温室气体之外，人类开采及燃烧化石燃料后，还增加大气中二氧化碳和甲烷的浓度。

由于此缘故，全球自第一次工业革命以来的气温已经升高约1.2°C (2.2°F)，全球平均地表气温自1981年以来以每十年升高0.18°C （0.32°F）的速度进行中。

### 地球内部热源及其他轻微影响

来自地球内部的地热流估计有47太瓦，源自放射性热和地球形成时余留的热量，两者大致各占一半。对应的的平均通量为0.087瓦/平方米，仅占地球表面总能量收支的0.027%，与太阳辐射输入的173,000太瓦比较，差异悬殊。

人类于2019年的全年能源产量平均每秒为18太瓦，估计相当于整年为160,000太瓦时。然而人类消费能源数量快速增长，对应的化石燃料生产也导致大气中温室气体浓度增加，导致源自太阳辐射的输入/输出流量之间的失衡，扩大达20倍以上。

光合作用也有显著影响：估计有140太瓦（或约占0.08%）的输入能量被光合作用捕获，为植物提供能量以生产生物质。当植物被用作食物或是燃料时，一年中会释放类似数量的热能流。

在计算中通常会忽略一些次要能源，如行星际尘云和太阳风的吸积、来自太阳以外恒星的光以及来自太空的热辐射。法国数学家约瑟夫·傅立叶在早期一篇经常被引述为第一篇关于温室效应的论文中，声称深空辐射具有重要作用。

## 收支分析

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简而言之，当输入量与输出量相等时，地球的能量收支就达到平衡。由于一部分输入能量会受到直接反射，因此所谓平衡也可以吸收太阳（短波）辐射等于输出的长波辐射：

$$ASR = OLR.$$

来表达。

### 内部热流分析

为描述收支内包含的一些内部流量，假设大气层顶部接收的日照量为100单位 (=340瓦/平方米)，如右边桑基图所示。在此例中，有大约35个单位经地球反照被直接反射回太空（包含27个经云层顶部，2个经由雪和冰覆盖的区域，6个经由大气层的其他部分反射）。其余65个单位 (ASR=220瓦/平方米) 被吸收（14个存留在大气中，51个被地球表面吸收）。

被地表吸收的51个单位通过各种形式的地面能量发射回太空 - 17个直接辐射到太空，34个被大气吸收（包含19个通过汽化热潜热，9个通过对流和湍流，6个以红外线形式被温室气体吸收）。大气所吸收的48个单位（包含34个单位来自地面能量，14个单位来自日照）最终辐射回太空。这个简化的例子并未谈及再循环、储存机制的一些细节，整个过程结果是地球表面附近热量进一步累积。

最终有65个单位（包含17个来自地面，48个来自大气）作为地球长波辐射输出（OLR）。这些输出大约将由太阳吸收的65个单位（ASR）平衡，维持地球能量的净零增加。

### 储热库

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陆地、冰和海洋与大气一样，是地球气候系统中的活跃物质。它们具有更大的质量和热容量，具有更大的热惯性。当辐射被直接吸收或表面温度发生变化时，热能将透过传导/对流的热传播过程，以显热形式从这些质量流入或是流出。水在固态/液态/气态之间转变也可作为潜热形式位能的"源"或是"汇"。这些过程可作为大气中某些快速辐射变化的缓冲，而导致白天与夜间的表面温度差异相对较小。同样的，地球气候系统整体对大气辐射平衡变化的反应也较为缓慢。

地球海水上层几米处所蕴藏的热能比整个大气层还要多。液态海水在地球表面输送大量此类能量，与大气的作用相似。在有利于海水发生下沉流或上升流的条件下，显热也会进出海洋深层。

自从1970年起持续进行的全球暖化在地球上累积的额外能量，其中90%以上都储存在海洋中。大约三分之一已传播到700米以下的深度。近几十年来整体热含量成长率也有所上升，截至2020年达到接近500太瓦 (等于1瓦/平方米)，而导致全年热量增加约14泽焦耳 (ZJ，即1021焦耳)，超过人类消耗的一次能源总量570艾焦耳 (即1018焦耳，等于160,000太瓦时) 至少20倍。

### 变暖/冷却速率分析

一般而言，地球能量通量平衡的变化可被认为是外来强迫（自然和人为、辐射和非辐射）、气候变化反馈和气候变异性的结果。这些变化主要表现为温度（T）、云（C）、水蒸气（W）、气胶（A）、微量温室气体（G）、陆地/海洋/冰面反射率（S）等方面的可观察变化，以及其他可能的因素，如日晒 (I) 的微小变化。然后地球的变暖/冷却速率可通过分析选定时间段 (Δt) 内与这些属性相关的净能量变化 (ΔE) 来计算。

$$\begin{align} \Delta E / \Delta t &= ( \ \Delta E_T + \Delta E_C + \Delta E_W + \Delta E_A + \Delta E_G + \Delta E_S + \Delta E_I +... \ ) / \Delta t \\ \\ &= ASR - OLR. \end{align}$$

此处的ΔET代表普朗克回应（Planck response），当温度上升时，由于其对地球长波辐射输出强烈的直接影响，因此为负值。

最近大气中微量温室气体增加，增强温室效应，因此产生正的ΔEG强迫。相较之下，大型火山爆发（例如菲律宾1991年皮纳图博火山爆发、1982年墨西哥埃尔奇琼火山爆发）可将含硫化合物注入高层大气。高浓度的硫气胶可在平流层持续数年，对ΔEA产生负强迫影响。各种其他类型的人为气胶排放对ΔEA有正面和负面的影响。太阳周期产生的ΔEI的幅度小于近期人类活动所产生的ΔEG趋势的幅度。

气候强迫很复杂，因为它们可产生直接和间接的反馈，而将原始强迫增强（正反馈）或是削弱（负反馈）。这些通常随着温度变化而发生。由于水蒸发变化和克劳修斯-克拉伯龙方程，水蒸气趋向对温度变化呈现正反馈。由于温室效应进一步增强，水蒸气增加会导致ΔEW为正值。冰反照率变动会造成较慢的反馈。例如由于气温上升，导致极地海冰减少，使得该区域的反射率降低，而吸收更多能量，继而冰融化速度更快，而对ΔES产生正影响。整体而言，反馈往往会将全球暖化或变冷的作用放大。

地球反照率中云的作用约占一半，是气候系统内部变化中一种重要表现形式。它们既可充当强迫的反馈，本身也可成为一种强迫，例如人工降雨导致云层变化。对ΔEE的影响因地区和云类型而异。透过将卫星测量数据与模型模拟结果结合，可增进对此的理解，并将不确定性降低。

## 地球能量失衡（EEI）

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地球能量失衡（EEI）的定义是"与气候系统中温室气体强迫相关的大气层顶部能量通量，持续净输入（或净输出）"。

如果输入地球能量通量大于或小于输出的，根据能量守恒定律，地球将获得（变暖）或损失（变冷）净热能：

$$EEI \equiv ASR - OLR$$

当地球的能量失衡（EEI）到足够大的程度时，可经轨道卫星辐射度量学仪器测得。这种失衡历经长期又无法逆转时，会导致地球大气、海洋、陆地和冰层发生温度变化。因此，原位测得的温度变化及其影响也显示出EEI的数据。在2005年中期到2019年中期经由人造卫星和海洋于所做的温度观测，显示地球能源收支中的暖化失衡大约已增加一倍。

导致EEI的最大因素是人类活动造成大气成分发生变化，并干扰气候系统中能量的自然流动。主要变化是大气中二氧化碳和其他温室气体增加，而产生变暖作用和污染。污染指的是各种大气气胶，其中一些会吸收能量，而另一些则会反射能量并造成冷却。

虽然经人造卫星观测到随时间变化的数据被认为准确，但目前仍无法直接衡量大气层顶部EEI的绝对值。估计EEI绝对值的唯一实用法是透过气候系统中能量变化作核算。地球上最大的热库是海洋。

### 于大气层顶部（TOA）测量

目前有几颗人造卫星测量地球吸收和辐射的能量，以推断EEI。卫星位于大气层顶部（TOA）运作，可将全球覆盖。NASA地球辐射收支实验计划 (ERBE) 拥有三颗为此目的的卫星： 1984年10月发射的地球辐射收支卫星 (ERBS)、1984年12月发射的NOAA-9卫星及1986年9月发射的NOAA-10卫星。

NASA于2000年3月发射的云和地球辐射能系统 （CERES）卫星属于其地球观测系统 (EOS) 中的一部分。CERES用于测量反射来自太阳（短波长）和由地球发射（长波长）的辐射。根据CERES数据，EEI从2005年的+0.42±0.48瓦/平方米增加到2019年的+1.12±0.48瓦/平方米。影响因素有：更多的水蒸气、更少的云、增加的温室气体和减少的冰。随后使用地球物理流体动力学实验室（GFDL）的CM4/AM4气候模型进行演算，结论是仅由地球内部气候变异对此趋势产生的影响，其可能性少于1%。

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有其他研究人员使用CERES、大气红外线探测仪（AIRS）、云封卫星和其他EOS仪器的数据来寻找包含于EEI数据中的辐射强迫趋势。他们的分析显示从2003年到2018年，强迫增加+0.53±0.11瓦/平方米。大约80%的增加与温室气体浓度上升有关，温室气体浓度增加将长波辐射输出降低。

包括热带降雨测量卫星任务（TRMM）和云与气胶激光雷达和红外路径卫星观测在内取得的数据，显示全球降水量有所增加（由离开地表潜热通量增加而达成），将到达地表的长波温室通量的部分增加抵销掉。

值得注意的是辐射校准具有不确定性，而限制当前一代人造卫星仪器的能力，这些仪器所产生的其它数据仍然稳定且精确。因此EEI的相对变化可被量化，于绝对不平衡的测量，卫星测量法的精度度远超过其他任何测量方式。

### 原位测量

可将气候系统中每个组成部分的热容量、密度和温度分布汇整成地球气候系统中的热含量。如今大多数区域均有相当好的采样和监测，但在深海的探测是个主要例外。

而EEI绝对值估计值同样是用最近数十年时间间隔内测得的温度变化来计算。在2006年至2020年期间的EEI约为+0.76±0.2瓦/平方米，显著高于1971年至2020年期间的平均值。

自1958年起的海洋热含量趋势图。

由于全球各地于过去50多年来的气温几乎都在上升，导致EEI持续呈现正值。全球表面温度 （GST)）是透过测量海面温度与陆地地表附近的气温，平均后而得。追溯自1880年起所取得的可靠数据显示，GST自1970年左右起每十年会稳步上升约0.18 °C。

海水于吸收太阳能方面特别有效，因而具有比大气高甚多的总热含量。科学界的研究船和观测站自1960年之前就开始对全球各地的海水温度进行采样。此外于2000年之后，有由3,000多个Argo计划浮标组成的网络（且数量规模持续扩大）开始测量海洋热含量变化(ΔOHC)。ΔOHC至少自1990年起一直以稳定或加速方式成长。ΔOHC占EEI中的最大部分，海洋迄今已吸收净输入剩能量的90%以上：

$$EEI \gtrsim \Delta OHC / \Delta t$$

地球外层地壳和由厚冰层覆盖的区域吸收相对较少的多余能量。由于表面的多余热量仅透过热传导方式向内流动，日循环仅能渗透数十厘米，年循环仅能渗透数十米。大部分热量吸收是透过融化冰和永久冻土的方式，或是将土壤中更多的水蒸发来达成。

### 大地与水文测量

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自1994年开始的观测，显示全球各地的冰覆盖已加速退缩。由于冰融化和海洋整体温度上升，也导致地球海平面上升。这些变化对地球的几何形状和重力产生可测量的变化。

利用重力回溯及气候实验卫星（GRACE）的重力观测推断出地球水圈和冰冻圈内水质量分布的变化。使用热膨胀、盐度变化和其他因素的计算模型，将此类数据与海面地形和进一步的海道测量进行比较，由此获得的ΔOHC和EEI估计值与其他（大部分）独立评估比较，显示在可接受的不确定范围下有一致的结果。

### 作为气候变化指标的重要性

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气候科学家凯文·特伦伯斯、詹姆斯·汉森及其同事已将监测地球EEI视为一项重要指标，可帮助政策制定者用于指导气候变化缓解和调适措施的步伐。由于气候系统本身的惯性，使用EEI的长期趋势可预测出"正在酝酿中"的变化。

科学家发现EEI是与气候变化相关因素中最重要的指标。它是气候系统所有过程和反馈的最终结果。了解有多少额外能量会影响天气系统和降雨量，对于了解日益严重的极端天气发生原因极为重要。

NASA科学家于2012年提出报告说，假设所有其他气候强迫都固定，要阻止全球变暖，必须将大气中二氧化碳浓度降至350ppm或是更低。由于人为二氧化碳排放量持续增长，大气中的浓度迄2020年已达到415ppm，加计其他长寿命温室气体在内，所有二氧化碳当量的浓度已超过500ppm。

## 外部链接

- NASA: The Atmosphere's Energy Budget
- Clouds and Earth's Radiant Energy System (CERES)
- NASA/GEWEX Surface Radiation Budget (SRB) Project