地球能量收支

地球能量收支是对进入、离开以及在地球气候系统内部流动的能量进行核算。其主要外部收支项包括来自太阳的入射辐射、被反射的太阳光，以及向太空发射的热辐射。地表、地球大气层和海洋之间的能量交换，决定了所吸收能量的重新分配和储存方式。输入与输出能量之间若持续存在差额，就会改变系统的热含量；这一点是理解气候变化的基础。(ceres.larc.nasa.gov)

入射太阳光与行星能量平衡

太阳能以电磁辐射的形式到达地球，主要集中在可见光和近红外波段。在地球与太阳的平均距离处，垂直于太阳光的表面所接收的功率约为每平方米1,360瓦。若对整个球形地球表面取平均，这一数值约为340 W/m²：地球以圆盘状的截面截获太阳光，而其总表面积是该圆盘面积的四倍。(science.nasa.gov)

约29%—30%的入射太阳光经云、大气颗粒物和地表反射后返回太空。这一被反射的比例称为行星反照率。其余约240 W/m²的能量被大气和地表吸收。这些数值是经过取整的全球平均值，并非适用于所有地点或所有时刻。(science.nasa.gov)

全球大气顶的辐射平衡可写为：

其中，$N$为净向下能量通量，$S_0$为太阳总辐照度，$\alpha$为行星反照率，OLR为向外长波辐射。$N$为正表示能量积累，为负则表示能量损失。辐射平衡对应于$N=0$，但各个区域和系统组成部分不一定都处于平衡状态。(ipcc.ch)

热辐射与温室效应

由于地球的温度远低于太阳，其发射的辐射主要位于热红外波段。温室效应的成因是水蒸气、二氧化碳等温室气体会在特定波长吸收和发射红外辐射。大气既向上朝太空发射辐射，也向下朝地表发射辐射。这种向下辐射有助于维持较高的地表温度，使其高于仅靠太阳直接加热所能达到的温度。(gml.noaa.gov)

部分地表辐射通过相对透明的波长范围逸出，这些波长范围称为大气窗口。大量地表辐射被大气吸收，因此离开地球的辐射既来自地表，也来自大气各层。由此，不能将地表发射的辐射等同于在大气层上方测得的向外辐射。(prod-01-alb-www-noaa.woc.noaa.gov)

云会影响这一平衡的两个方面：它们反射太阳光，产生冷却作用；同时阻碍红外辐射向外逸出，产生增暖作用。其净效应取决于云的性质和分布。利用卫星观测比较有云与晴空条件，有助于量化这种云辐射效应。(gfdl.noaa.gov)

地表与大气之间的能量交换

地表吸收了约一半的入射太阳辐射。它还接收大气红外辐射，并通过热辐射发射和非辐射传递损失能量。从全球平均来看，地表的辐射收支为净收入，而大气的辐射收支为净损失；二者之间的能量传递有助于抵消这些差额。(ceres.larc.nasa.gov)

水蒸发时会从地表带走能量，从而发生潜热传递。随后，凝结过程将这些能量释放到大气中。显热传递则通过空气与地表的接触及湍流输送使空气升温。这些交换将能量收支与水循环及大气运动联系起来。因此，地表能量收支不能只考虑辐射。(ceres.larc.nasa.gov)

大气与地表之间方向相反、数值很大的红外通量，并不构成额外的外部能量。它们属于系统内部的能量交换；二者的差额与太阳辐射吸收、非辐射传递共同决定地表的净增热或净冷却。(prod-01-alb-www-noaa.woc.noaa.gov)

能量的地理再分配

全球平均值掩盖了显著的地理差异。按年平均计算，热带地区吸收的太阳能通常多于其向太空发射的能量，而极地地区则存在辐射亏损。大气环流和海洋环流在这些区域之间输送能量，将局地能量平衡与全球气候联系起来。(ceres.larc.nasa.gov)

因此，区域能量收支不仅包括辐射和储能，还包括水平方向的能量输送。即使某一区域持续存在辐射盈余，只要环流将多余能量输送出去，该区域仍可保持近似稳定。全球平衡并不要求局地也处于平衡，更不意味着不存在环流。(ceres.larc.nasa.gov)

能量不平衡与热量储存

政府间气候变化专门委员会评估认为，2006—2018年地球平均能量不平衡为0.79 W/m²，评估范围为0.52—1.06 W/m²。这是针对特定时期的估计值，而非固定不变的行星常数。随着系统演变，辐射强迫和气候反馈的变化会改变能量平衡。(ipcc.ch)

1971—2018年间，地球系统获得的能量约有91%储存在海洋中。其余能量使陆地和大气升温，或用于冰的融化。因此，海洋热量储存是理解地球能量不平衡的关键：仅凭地表气温无法衡量积累的总能量。海洋变暖还会通过热膨胀促成海平面上升。(ipcc.ch)

观测与不确定性

卫星辐射计，尤其是云与地球辐射能量系统仪器，用于测量反射的太阳辐射和发射的热辐射。将这些观测与反映云、大气颗粒物和地表状况的影像相结合，可以推算辐射通量。地球静止轨道观测有助于填补卫星过境之间的观测空白，并反映一天内的变化。(ceres.larc.nasa.gov)

独立估算则利用海洋热含量及其他能量储库的变化；Argo计划提供了大量海洋温度观测资料。由于净能量不平衡相对于输入和输出通量而言很小，因此结合卫星观测与热量储存证据十分重要。校准、采样和观测覆盖不完整都会带来不确定性。能量收支观测还可用于检验气候模型，并约束模型对辐射、云和能量输送的表征。(ipcc.ch)