高中地理中常見的三種物質(zhì)和能量收支平衡分析

段生才

（湛江市第二中學(xué), 廣東 湛江 524022）

高中地理中常見的三種物質(zhì)和能量收支平衡分析

段生才

（湛江市第二中學(xué), 廣東 湛江 524022）

地球上的各種物質(zhì)和能量是處在不斷的運(yùn)動(dòng)和流動(dòng)中的，這種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和能量的流動(dòng)是地球表層系統(tǒng)發(fā)展演化的原因與動(dòng)力，也是圈層間相互聯(lián)系的紐帶、相互作用的橋梁。地球經(jīng)歷了幾十億年漫長的發(fā)展和演化，形成了如今地球上相對(duì)穩(wěn)定的物質(zhì)及能量的流動(dòng)和收支平衡。

一、能量的收支分析

圖1反映的是地球每年全球平均能量平衡估算的示意圖。從長期來看，地表和大氣吸收的太陽輻射的能量與其釋放的長波輻射的能量是平衡的。如圖1，假設(shè)我們規(guī)定到達(dá)大氣上界的太陽輻射能量為100。其中地面輻射、大氣逆輻射等數(shù)值大于100，這是因?yàn)榇髿夂偷孛嬷g的熱量經(jīng)過多次交換疊加而成；潛熱輸送是指地球表面的水分在蒸發(fā)（升華）過程中，吸收下墊面的熱量，并把這部分熱量潛藏在蒸發(fā)（升華）出的水汽中的過程。

圖1

1.大氣的熱量收支

太陽輻射是大氣和地面最主要的熱量來源，其中大氣的熱量收入主要包括：大氣吸收的太陽輻射（主要包括太陽輻射中的紫外輻射和紅外輻射部分）、地面長波輻射、湍流輸送和潛熱輸送的能量，如圖，依次分別為19、114、10和23，共計(jì)166。而大氣支出的熱量為大氣輻射，包括：大氣逆輻射106、射向宇宙的大氣輻射60，共計(jì)166。大氣熱量收支總體平衡。

短期內(nèi)，如溫室氣體的排放，使得全球大氣吸收的地面輻射相對(duì)增多，導(dǎo)致收大于支，從而打破了大氣的熱量收支平衡，出現(xiàn)了全球變暖的現(xiàn)象。

局部地區(qū)，如城市中，工業(yè)、汽車、家庭生活等燃燒礦物能源向大氣排放了大量的熱量，加之市區(qū)建筑對(duì)風(fēng)的阻擋作用，熱量不易擴(kuò)散，使城市氣溫高于郊區(qū)，出現(xiàn)熱島效應(yīng)。

2.地表的熱量收支

地表的熱量收入來自于到達(dá)地面并被地面吸收的太陽輻射約47，大氣逆輻射約106，共計(jì)153。而支出包括地面輻射120，湍流輸送和潛熱輸送分別為10和23，共計(jì)153。地面熱量收支總體平衡。

隨著人類對(duì)地表的改變，如破壞植被，地表覆蓋磚石、水泥、瀝青等，使得地表對(duì)太陽輻射的吸收率增加，反射率減少，導(dǎo)致地表增溫快。因此在晴朗夏季的白天，城市下墊層強(qiáng)烈吸收太陽輻射，使表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣溫，同時(shí)下墊層又通過湍流、輻射等形式將熱量傳遞給近地表大氣，并使城區(qū)氣溫升高。

局部地區(qū)大氣和地表熱量的收支不僅包括以上內(nèi)容，還通過大氣運(yùn)動(dòng)、洋流、水循環(huán)等形式對(duì)熱量進(jìn)行輸入或者輸出，這使海陸間、高低緯之間的熱量得到了交換，從而調(diào)整了全球熱量分布。

3.最高溫和最低溫

(1)日最低氣溫和最高氣溫

地面在吸收太陽熱量的同時(shí)，自身也在不斷釋放著熱量。地面熱量收入大于支出時(shí)，地面溫度會(huì)升高；收入小于支出時(shí)，地面溫度會(huì)降低。太陽輻射到達(dá)最大值（一般是正午）時(shí)地面被加熱到最高值，隨著太陽輻射的減少，地面熱量收入減少，但仍然大于支出，仍然在加熱空氣，使氣溫升高。大約在午后2:00，地面熱量收入才小于支出，氣溫慢慢降低。而在日出前，地面溫度達(dá)到最低，氣溫也達(dá)到一日最低。

(2)年最低氣溫和最高氣溫

與日最低溫度/最高溫度同理，地面的熱量收支在全年也呈現(xiàn)這樣的趨勢(shì)：夏至日（6月22日）北半球中高緯度各地正午太陽高度達(dá)到一年的最大值，晝長達(dá)最長值，地面的熱量收入最高；之后正午太陽高度降低、晝漸短，地面熱量收入減少，但仍然大于支出，所以溫度繼續(xù)升高，大約在7月氣溫達(dá)最高。這就是為什么我國大多數(shù)地區(qū)最熱的不是太陽輻射最強(qiáng)的6月而是7月。相應(yīng)的，太陽輻射最弱月為12月，但氣溫最低月為1月，也就是中國傳統(tǒng)中所說的“三九”時(shí)期。

【典型案例1】

下圖2為某日大氣熱量收支狀況和太陽高度變化圖。圖中數(shù)值分別表示北京時(shí)間和太陽高度，熱量值從外圓到圓心由小到大。讀圖完成以下兩題。

圖2

（1）據(jù)圖判斷下列說法正確的是

A．該地這一天大氣熱量虧損時(shí)間比熱量盈余時(shí)間短

B．乙時(shí)刻到甲時(shí)刻大氣熱量收入小于支出，氣溫下降

C．甲時(shí)刻大氣熱量收支相等，大氣輻射最強(qiáng)

D．乙時(shí)刻大氣熱量收支相等，逆溫層可能最厚

（2）該地位于

A．東北平原 B．長江中下游平原

C．青藏高原 D．準(zhǔn)噶爾盆地

【答案】（1）B （2）D

【解析】第（1）小題，根據(jù)圖2中信息，可知該地從16時(shí)到次日8時(shí)，大氣熱量虧損（支大于收），氣溫逐漸下降，到次日8時(shí)，氣溫達(dá)到一天中最低；從8時(shí)到16時(shí)，該地大氣熱量盈余（收大于支），氣溫升高，到16時(shí)時(shí)氣溫達(dá)一天中最高，因此B項(xiàng)正確；甲時(shí)刻氣溫為一天中最低，大氣輻射最弱；乙時(shí)刻氣溫為一天中最高，一般不會(huì)出現(xiàn)逆溫現(xiàn)象。第（2）小題，根據(jù)圖中太陽高度變化曲線，北京時(shí)間8時(shí)開始日出，到20時(shí)日落，可知正午時(shí)間為北京時(shí)間14時(shí)，因此該地位于120°E以西30°的地方，故答案D項(xiàng)符合。

二、水量的收支分析

1.水循環(huán)中的水量平衡

海上內(nèi)循環(huán)約占水循環(huán)水量的90%，即海上蒸發(fā)的水量中，降在海上的水大約占90%，海上蒸發(fā)大于海上降水，收支不平衡。其中10%的水量通過水汽輸送到達(dá)陸地，最終又通過地表徑流和地下徑流流入大海，從而實(shí)現(xiàn)了最終的水量平衡。如圖3，海上蒸發(fā)A-海上降水B=水汽輸送C=徑流量E+F。

圖3

海陸間大循環(huán)和陸地內(nèi)循環(huán)這兩個(gè)循環(huán)包括了蒸發(fā)、水汽輸送、降水、地表徑流、下滲、地下徑流等環(huán)節(jié)。其中陸地上空水汽收入有水汽輸送、蒸發(fā)和蒸騰；支出有陸地降水。陸地水收入有陸地降水，支出為徑流（包括地表和地下徑流）、陸地蒸發(fā)和蒸騰。同樣如圖3，降水D=下滲G+地表徑流E+蒸發(fā)H+蒸騰I。

人類在開發(fā)利用水資源過程中，主要通過對(duì)徑流部分的影響來影響水循環(huán)，如修建水庫、跨流域調(diào)水等。同時(shí)人類通過改變下墊面，又間接影響局部地區(qū)和一定時(shí)間水循環(huán)各環(huán)節(jié)中的水量。如破壞植被，導(dǎo)致在局部地區(qū)下滲的水量減少，增加地表徑流；同時(shí)破壞植被又致使截留雨水、滯納地表徑流的能力減弱，導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)地表徑流量增大，因此加劇了洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

同樣的原理，在城市中，植被覆蓋率低再加上地表大量被水泥、磚石和瀝青等覆蓋，這使城市中蒸發(fā)和蒸騰的水量減少，同時(shí)又減少了地表水下滲，使得短期內(nèi)地表徑流增加。在規(guī)劃不合理的城市中，如遇到強(qiáng)降水則很可能會(huì)導(dǎo)致城市內(nèi)澇。因此在城市中增加綠地，鋪設(shè)透水磚有利于各環(huán)節(jié)水量平衡，減少內(nèi)澇的發(fā)生。

【典型案例2】

（2012天津文綜）讀城市水循環(huán)示意圖，回答下題。

圖4

（3）在城鎮(zhèn)建設(shè)中，提倡用透水材料鋪設(shè)“可呼吸地面”代替不透水的硬質(zhì)地面。采用“可呼吸地面”之后，圖4中四個(gè)環(huán)節(jié)的變化符合實(shí)際的是

A．a(chǎn)增加 B．b增加 C．c減少 D．d減少

【答案】（3）B

【解析】城鎮(zhèn)建設(shè)中，鋪設(shè)“可呼吸地面”代替不透水的硬質(zhì)地面，增加了地表水的下滲（b環(huán)節(jié)），從而能導(dǎo)致地面徑流（a環(huán)節(jié)）減少，地下徑流（c環(huán)節(jié)）增多，同時(shí)由于鋪設(shè)“可呼吸地面”代替不透水的硬質(zhì)地面，使城市的蒸發(fā)量增加。

2.水庫水量收支

就全年來看，不考慮庫區(qū)水分蒸發(fā)，水庫的入庫和出庫水量相等。在個(gè)別月份，水庫收支不平衡，如圖5：從5月起至10月，水庫入庫水量大于出庫流量，水庫蓄水量增加，10月份水庫蓄水量達(dá)最大；從10月至第二年5月，出庫水量大于入庫水量，水庫蓄水減少，5月水庫蓄水最小。水庫起到了在豐水期削減洪峰，而在枯水期增加下游水量的作用，從而有效防止下游地區(qū)旱澇災(zāi)害的發(fā)生。

【典型案例3】

讀圖5某水庫入庫流量和出庫流量變化示意圖，回答以下兩題。

圖5

（4）該地修建水庫后

①河流徑流量增加

②河流徑流量季節(jié)變化減小

③降水量季節(jié)變化增加

④旱澇災(zāi)害的發(fā)生機(jī)率減小

A．①② B．③④ C．①③ D．②④

（5）可調(diào)節(jié)河流徑流量季節(jié)變化以降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的措施還有

①植樹造林 ②人工降雨

③疏浚河道 ④退耕還湖

A．①④ B．①③ C．②③ D．②④

【答案】（4）B （5）A

【解析】(4) 水庫具有調(diào)節(jié)河流徑流量的作用，修建水庫后，徑流量季節(jié)變化會(huì)減小；旱澇災(zāi)害發(fā)生幾率也會(huì)降低。(5)可調(diào)節(jié)河流徑流量季節(jié)變化以降低洪澇災(zāi)害發(fā)生的措施除了修建水庫外，還有植樹造林(涵養(yǎng)水源)、退耕還湖（調(diào)蓄徑流）等，疏浚河道不能調(diào)節(jié)徑流，但可降低洪澇災(zāi)害的發(fā)生。

三、碳平衡分析

碳是地球上最重要的元素之一，它廣泛存在于地球的各個(gè)圈層之中，其中絕大部分演化為碳酸鹽和化石燃料并存在于巖石圈中，占了碳總量的99．9%，余下的碳則分別存在于大氣、生物體和海水中。

大氣中，碳主要以二氧化碳的形式存在，大約有7．2×1011噸；生物圈的碳則以有機(jī)物的形式存在，其中森林又是生物圈中碳的主要貯存者，貯存了大約4．82×1011噸碳；海洋中的則以CO2、HCO31-、CO32-等多種形式存在，約有3．84×1013噸重。在碳循環(huán)中，大氣和生物圈的碳循環(huán)很活躍，而地殼和海水中碳的存在比較穩(wěn)定。

植物通過光合作用將大氣中的CO2轉(zhuǎn)換到生物體中，并向大氣釋放氧氣，同時(shí)生物體內(nèi)的碳又通過呼吸、腐爛分解、燃燒等形式轉(zhuǎn)化為CO2進(jìn)入到大氣中，這樣就形成了大氣和生物體之間的碳循環(huán)和碳平衡。但隨著人類活動(dòng)的加劇，人類逐漸影響并破壞著地球經(jīng)過漫長歷史而形成的碳循環(huán)和碳平衡：如人類破壞森林等使得生物吸收大氣中碳的能力減弱；同時(shí)人類又大量燃燒煤、石油、天然氣等礦物燃料，將埋藏于地殼中的碳排放到大氣中，從而導(dǎo)致全球大氣中CO2含量不斷升高。工業(yè)革命之后的200多年來，人類活動(dòng)已大大改變了地球上碳的循環(huán)。全球變暖又進(jìn)一步使海洋、土壤中的碳以CO2的形式加劇釋放。

正是由于全球變暖及其所帶來的各種問題，使得人類對(duì)當(dāng)前的生產(chǎn)和生活方式進(jìn)行深刻的反思。從世界范圍看，這種全球氣候變化正推動(dòng)著世界向低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展，朝節(jié)能減排方向轉(zhuǎn)變，使低碳成為人們?nèi)粘Ｉ畹囊环N習(xí)慣。

【典型案例4】

（6）“低碳經(jīng)濟(jì)”理念產(chǎn)生的背景是

A． 經(jīng)濟(jì)危機(jī) B． 氣候變化

C． 全球合作 D． 知識(shí)經(jīng)濟(jì)

（7）“低碳經(jīng)濟(jì)”不僅要求改變傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式，還需要公眾改變消費(fèi)模式和生活方式，下列符合“低碳經(jīng)濟(jì)”的是

①選購帶有綠色節(jié)能標(biāo)示的電器②改變膳食，多吃肉類③減少使用私家車，多選擇公共交通工具出行④多采購本地生產(chǎn)商品

A． ①②③④ B． ①②③

C． ①③④ D． ②③④

【答案】（6）B （7）C

【解析】(6)“低碳經(jīng)濟(jì)”是因?yàn)槿祟惒缓侠淼纳a(chǎn)和生活方式從而使大氣中二氧化碳含量增多，引起全球變暖而提出的。(7)“低碳經(jīng)濟(jì)”的最基本要求是盡可能減少二氧化碳等溫室氣體的排放，選購帶有綠色節(jié)能標(biāo)識(shí)的電器能節(jié)約用電，間接減少二氧化碳的排放。多吃肉類意味著要畜養(yǎng)更多牲畜，而牲畜的呼吸則向大氣釋放二氧化碳。多采購本地生產(chǎn)商品，可減少商品在流通環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的能耗和二氧化碳排放。

[1] 朱仕清.如何理解“全球熱量平衡圖”[J].地理教育,2002,(4):22-23.

[2] 周廣勝.全球碳循環(huán)[M].北京:氣象出版社,2009.