Наблюдения за составляющими теплового баланса предназначены для получения данных о расходе солнечной радиации, поступающей на деятельную поверхность, поэтому они тесно связаны с актинометрическими наблюдениями, составляя с ними единое целое.

Под деятельной поверхностью понимается тонкий верхний слой почвы, воды, растительного или снежного покрова, в котором происходят поглощение приходящей солнечной и атмосферной радиации, преобразование ее в тепло и формирование собственного излучения.

Тепловой баланс деятельной поверхности записывается в виде уравнения теплового баланса, которое является частным случаем уравнения сохранения энергии:

B + P + L + V = 0,

где B – радиационный баланс деятельной поверхности; P – поток тепла в почве; L – турбулентный приток тепла в приземном слое атмосферы; V – затрата тепла на испарение с деятельной поверхности или его выделение при конденсации водяного пара с этой поверхности.

Радиационный баланс деятельной поверхности В (остаточная радиация) представляет сбой разность между приходом и расходом лучистой энергии:

B = Q + Ea – (Rk +Rд +Eз),

где приход лучистой энергии: Q – суммарная радиация (сумма прямой и рассеянной солнечной радиации), Ea – длинноволновое излучение атмосферы; расход лучистой энергии: Rk – коротковолновая отраженная радиация, Rд – отраженная длинноволновая радиация, Eз – длинноволновое излучение земной поверхности. Если приходная часть больше расходной, то есть поверхность поглощает больше лучистой энергии, чем отражает и излучает, то В положителен: избыток полученной энергии расходуется на испарение с земной поверхности и прогрев почвы и воздуха. В случае отрицательного баланса потеря тепла поверхностью почвы компенсируется теплом, отнимаемым ею от почвы и воздуха и выделяющимся при конденсации водяного пара. В умеренных широтах днем В положителен, ночью – отрицателен (летом).

Поток тепла в почве Р характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и нижележащими слоями. Поток тепла положительный, если температура деятельной поверхности больше температуры нижележащих слоев. В этом случае поток тепла направлен от поверхности почвы вглубь и почва прогревается. Поток отрицателен, если температура деятельной поверхности меньше температуры нижележащих слоев: поток тепла направлен из глубины к поверхности и почва охлаждается.

Турбулентный поток тепла L характеризует теплообмен между деятельной поверхностью и приземным слоем атмосферы. Этот теплообмен осуществляется благодаря турбулентному перемешиванию атмосферы и прекращается при его отсутствии. Турбулентный поток тепла зависит от разности температур поверхности и прилегающего к ней слоя атмосферы, а также от интенсивности турбулентного перемешивания в слое. Если температура деятельной поверхности выше температуры воздуха, то L направлен от поверхности почвы в воздух и поток считается положительным. Воздух в этом случае получает тепло и нагревается. Если поток отрицателен, то есть в случае, когда температура деятельной поверхности ниже температуры воздуха, воздух охлаждается, отдавая тепло поверхности.

Затрата тепла на испарение V также связана с турбулентным перемешиванием в приземном слое атмосферы и с переносом водяного пара в этом слое. Поток водяного пара, направленный от деятельной поверхности к атмосфере, принято считать положительным. Такой поток возможен лишь при наличии испарения с поверхности. На испарение затрачивается тепло. Следовательно, при положительном потоке водяного пара деятельная поверхность расходует тепло на испарение. Поток тепла, направленный от атмосферы к земной поверхности, принято считать отрицательным. Такой поток связан с конденсацией или сублимацией водяного пара на поверхности. При этих процессах выделяется тепло, которое получает деятельная поверхность.

В настоящее время на сети гидрометеорологических станций непосредственно измеряется только радиационный баланс. Остальные составляющие уравнения теплового баланса рассчитываются по данным градиентных наблюдений за температурой и влажностью воздуха, почвы на различных глубинах, скоростью ветра.