式中Q为入射的平均太阳辐射;αs为地—气系统的反射率;Is为向外发射的有效红外辐射,它可以写成经验公式的形式:
式中m为一个削弱因子,可用来调整模型以适应水汽、CO2、尘埃和云等在红外发射中的有效性。
对于每一个带,以下各项分别为:
上式中,L为蒸发潜热;v为经向风速;q为平均饱和比湿;△y为每一个带的宽度;△P为对流层的等压深度;T0为海平面温度;g为重力加速度;Cp为定压比热;△z为平均海洋深度;I′/I1为被海洋覆盖的比例;Kw,Kh和K0分别为水汽、大气显热和海洋显热的湍流扩散系数或交换系数。通过下边一个简化形式的应用,即
以此求取平均饱和比湿的纬向改变△q等于:
式5.36和5.37中,∈为水分子与干燥空气分子的比率(=0.622);e为平均海平面的饱和水汽压;P为平均海平面的气压;Rd为干空气的气体常数。
大气环流由表面风的经向风速v等参数刻划。赛勒斯曾用统计的方法确定了一种“方程对”,并以此使v和纬向温度梯度相关联。关于行星边界层的水平动力方程,也可以使用本模式模拟大气循环系统。这些动力方程表达了科氏效应、摩擦力效应和气压梯度这3个要素之间的平衡。假如在每一个纬度带内,有一个均匀的东—西压力场存在,那么行星边界层的水平动力方程则为:
以上两个方程中的第一项,表达了科氏效应,其中f为科氏参数,u和v分别为纬向的和经向的表面风速;第二项表示了摩擦力为a*的阻尼效应,并且规定了
此处K为卡曼常数;ρ为行星边界层的大气密度;z0为u=0时表示成高度的粗糙度;z是计算的风高度(10米);△P′为行星边界层的压力厚度。这个a*项可以理解为一个粘滞参数,它模拟了取决于表面条件的摩擦效应。
至于上述方程中的第三项,则代表着北—南压力梯度力;而b为比容改变和表面温度改变之间的比例常数,此二者又都联系到y。
经过一定的推理之后,可以分别得出在非热带纬度和热带纬度中的确切解。
其一,在非热带纬度中,具有代表性的数值是:
a*≈10-7/cm
Rd≈105J/cm
b≈1.0
△T≈10°K
△y≈108cm
u≈100cm/s
v≈10cm/s
v的数值仅为实际风速的10%,但是已可允许我们充分地刻划出,在纬向能量传输上的大气循环总效应。上述尺度分析所建议的这些近似值,使我们明显地感觉到,摩擦力效应要比动力方程中其他各项小2~3个数量级。这样,就使在应用方程时删除掉该项,具有了比较坚实的依据:
作为对于经向风速的一个解,上述表达式只适用于非热带纬度地带,因为那里的科氏效应比较显著。
其二,对于热带纬度地区,由于具备强烈的经向表面环流,增加了摩擦项a*|v|的重要性,因此得出经向风速v为: