高中地理中常見(jiàn)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(jiàn)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(zhǎng)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(zhǎng)期來(lái)看，地表和大氣吸收的太陽(yáng)輻射的能量與其釋放的長(zhǎng)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(yáng)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(guò)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(guò)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(guò)程。

圖1

1.大氣的熱量收支

太陽(yáng)輻射是大氣和地面最主要的熱量來(lái)源，其中大氣的熱量收入主要包括：大氣吸收的太陽(yáng)輻射（主要包括太陽(yáng)輻射中的紫外輻射和紅外輻射部分）、地面長(zhǎng)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(chē)、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(lái)自于到達(dá)地面并被地面吸收的太陽(yáng)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(lèi)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(yáng)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(yáng)輻射，使表面溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于氣溫，同時(shí)下墊層又通過(guò)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(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)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(yáng)高度達(dá)到一年的最大值，晝長(zhǎng)達(dá)最長(zhǎng)值，地面的熱量收入最高；之后正午太陽(yáng)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(guó)大多數(shù)地區(qū)最熱的不是太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的6月而是7月。相應(yīng)的，太陽(yáng)輻射最弱月為12月，但氣溫最低月為1月，也就是中國(guó)傳統(tǒng)中所說(shuō)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(yáng)高度變化圖。圖中數(shù)值分別表示北京時(shí)間和太陽(yáng)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(shuō)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(zhǎng)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(yáng)高度變化曲線(xiàn)，北京時(shí)間8時(shí)開(kāi)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(guò)水汽輸送到達(dá)陸地，最終又通過(guò)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(lèi)在開(kāi)發(fā)利用水資源過(guò)程中，主要通過(guò)對(duì)徑流部分的影響來(lái)影響水循環(huán)，如修建水庫(kù)、跨流域調(diào)水等。同時(shí)人類(lèi)通過(guò)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(kù)水量收支

就全年來(lái)看，不考慮庫(kù)區(qū)水分蒸發(fā)，水庫(kù)的入庫(kù)和出庫(kù)水量相等。在個(gè)別月份，水庫(kù)收支不平衡，如圖5：從5月起至10月，水庫(kù)入庫(kù)水量大于出庫(kù)流量，水庫(kù)蓄水量增加，10月份水庫(kù)蓄水量達(dá)最大；從10月至第二年5月，出庫(kù)水量大于入庫(kù)水量，水庫(kù)蓄水減少，5月水庫(kù)蓄水最小。水庫(kù)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(kù)入庫(kù)流量和出庫(kù)流量變化示意圖，回答以下兩題。

圖5

（4）該地修建水庫(kù)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(shù)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(kù)具有調(diào)節(jié)河流徑流量的作用，修建水庫(kù)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(kù)外，還有植樹(shù)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(guò)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(guò)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(lèi)活動(dòng)的加劇，人類(lèi)逐漸影響并破壞著地球經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)歷史而形成的碳循環(huán)和碳平衡：如人類(lèi)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(lèi)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(lái)，人類(lèi)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(lái)的各種問(wèn)題，使得人類(lèi)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(gòu)帶有綠色節(jié)能標(biāo)示的電器②改變膳食，多吃肉類(lèi)③減少使用私家車(chē)，多選擇公共交通工具出行④多采購(gòu)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?lèi)不合理的生產(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(gòu)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(lèi)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(gòu)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.