大氣的熱力學(xué)過(guò)程課件

第四章大氣的熱力學(xué)過(guò)程4.1大氣垂直運(yùn)動(dòng)中的熱力學(xué)過(guò)程4.2大氣靜力穩(wěn)定度4.3空氣溫度的局地變化4.4氣溫的時(shí)間變化第四章大氣的熱力學(xué)過(guò)程4.1大氣垂直運(yùn)動(dòng)中的熱力第四章大氣的熱力學(xué)過(guò)程大氣內(nèi)部始終存在著冷與暖、干與濕、高氣壓與低氣壓三對(duì)基本矛盾。其中冷與暖所表現(xiàn)的地球及大氣的熱狀況、溫度的分布和變化，制約著大氣運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，影響著云和降水的形成。溫度是天氣變化的基本因素之一，也是氣候系統(tǒng)狀態(tài)的一個(gè)主要因子?？諝獾睦錈岢潭仁强諝鈨?nèi)能大小的表現(xiàn)。空氣內(nèi)能的變化既可因其與外界的熱量交換而引起，也可因外界壓力變化對(duì)空氣作功而使空氣膨脹或壓縮引起。在前一種情況下，空氣與外界有熱量交換，稱為氣溫的非絕熱變化；后一種情況，空氣和外界沒(méi)有熱量交換，稱為氣溫的絕熱變化。第四章大氣的熱力學(xué)過(guò)程大氣內(nèi)部始終存在著冷與暖、干與濕、4.1大氣垂直運(yùn)動(dòng)中的熱力學(xué)過(guò)程大氣的垂直運(yùn)動(dòng)、水汽的蒸發(fā)、凝結(jié)以及云霧降水等天氣現(xiàn)象的形成有非常密切的關(guān)系，這是因?yàn)榭諝庠诖怪边\(yùn)動(dòng)過(guò)程中，溫度要發(fā)生變化，從而影響空氣的飽和程度4.1大氣垂直運(yùn)動(dòng)中的熱力學(xué)過(guò)程大氣的垂直運(yùn)動(dòng)、水汽的蒸4.1.1熱力學(xué)第一定律在大氣中的表達(dá)式熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在理想氣體中的應(yīng)用。處于孤立系統(tǒng)中的理想氣體，如有dQ熱量加到理想氣體中，該熱量的用途有兩個(gè)，即增加該系統(tǒng)的內(nèi)能（dE）以提高系統(tǒng)的溫度及對(duì)外作的功（dW）。因此對(duì)于空氣，熱力學(xué)第一定律可以寫成對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，氣體的內(nèi)能就是其分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。對(duì)單位質(zhì)量的氣體而言，它等于（T為氣體溫度，Cv為定容比熱）。當(dāng)氣溫變化dT時(shí)，其值為：

4.1.1熱力學(xué)第一定律在大氣中的表達(dá)式熱力學(xué)第一定律是能量如果以p表示壓力，V表示氣體比容，在定壓狀況下氣體膨脹時(shí)所作的功為：熱力學(xué)方程可寫成：將狀態(tài)方程進(jìn)行微分，則有代入消去，并用表示氣體的定壓比熱，得

如果以p表示壓力，V表示氣體比容，在定壓狀況下氣體膨脹這是氣象學(xué)中熱力學(xué)第一定律的常用形式。式中dQ為單位質(zhì)量空氣由于輻射、湍流等引起的熱量變化；Cp是空氣的定壓比熱，對(duì)于單位質(zhì)量的干空氣，實(shí)測(cè)Cp＝1.005J/(gk)；R為比氣體常數(shù)，對(duì)干空氣來(lái)說(shuō)，比氣體常數(shù)R=Rd=0.287J/(gk)由上式可以看出，空氣溫度的變化dT，不僅與空氣的熱量交換dQ

有關(guān)，而且和本身的氣壓變化dp

有關(guān)第四章大氣的熱力學(xué)過(guò)程課件4.1.2干絕熱過(guò)程1、絕熱過(guò)程大氣中進(jìn)行的物理過(guò)程，通常伴有不同形式的能量轉(zhuǎn)換。在能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無(wú)熱量交換，即時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，叫做絕熱過(guò)程。將升、降的氣塊內(nèi)部既沒(méi)有發(fā)生水相變化，又沒(méi)有與外界交換熱量的過(guò)程，稱作干絕熱過(guò)程。一塊空氣在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，通常與其周圍有熱量交換，并不完全符合絕熱條件。但在較短的時(shí)間內(nèi)，空氣的非絕熱變化的影響常比空氣因升降運(yùn)動(dòng)引起的氣壓變化造成的影響要小得多，因此，大氣的垂直運(yùn)動(dòng)過(guò)程可近似看作是絕熱的

4.1.2干絕熱過(guò)程1、絕熱過(guò)程2、干絕熱方程對(duì)于干空氣和未飽和濕空氣，當(dāng)系統(tǒng)是絕熱變化時(shí)，其狀態(tài)的變化即向外作功是要靠系統(tǒng)內(nèi)能轉(zhuǎn)化，溫度的改變完全由環(huán)境氣壓的改變決定：即：將氣體的壓力變化和溫度變化聯(lián)系起來(lái)在大氣中，氣壓變化主要由空氣塊的位移引起。在絕熱條件下，當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)上升時(shí)，壓力減小，，這時(shí)，因而溫度降低；當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)下沉?xí)r，壓力增加，這時(shí)，因而溫度升高

2、干絕熱方程對(duì)上式在（）及（）的范圍內(nèi)積分因?yàn)閯t上式是干絕熱方程，亦稱泊松（Poisson）方程

對(duì)上式在（）及（）的范圍內(nèi)積分泊松（Poisson）方程

從方程中可以看出，在干絕熱過(guò)程中，氣塊溫度的變化唯一地決定于氣壓的變化，當(dāng)氣壓降低時(shí)，溫度也下降，反之亦然。利用干絕熱方程，可以了解氣塊在上升和下降過(guò)程中狀態(tài)的改變情況。例如初態(tài)為P0=1000hPa,T0=273K，就可以算出它下降到1050hPa時(shí)，溫度將變?yōu)?76.7K；當(dāng)上升到900hPa時(shí)，溫度將變?yōu)?65K。泊松（Poisson）方程3、干絕熱直減率氣塊絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值，稱絕熱垂直減溫率，簡(jiǎn)稱絕熱直減率。對(duì)于干空氣和未飽和的濕空氣來(lái)說(shuō)，則稱干絕熱直減率，以表示，即假設(shè)大氣處于流體靜力平衡狀態(tài)，由準(zhǔn)靜力條件將氣塊內(nèi)外氣壓相聯(lián)系：于是3、干絕熱直減率實(shí)際工作中取，這就是說(shuō)，在干絕熱過(guò)程中，氣塊每上升100m，溫度約下降1℃。必須注意：與（氣溫直減率）的含義是完全不同的。是干空氣在絕熱上升過(guò)程中氣塊本身的降溫率，它近似于常數(shù)；而是表示周圍大氣的溫度隨高度的分布情況?？梢杂胁煌瑪?shù)值，即可以大于、小于或者等于。如果氣塊的起始溫度為，干絕熱上升高度后，其溫度為：實(shí)際工作中取，這就是說(shuō)，在干絕熱過(guò)4.1.3濕空氣的絕熱過(guò)程

1、濕空氣的絕熱方程飽和濕空氣的上升過(guò)程中，與外界沒(méi)有熱量交換，該過(guò)程稱為濕絕熱過(guò)程。飽和濕空氣絕熱上升時(shí)，如果只是膨脹降溫，亦應(yīng)每上升100m降溫1℃。但是，水汽既已飽和了，就要因冷卻而發(fā)生凝結(jié)，同時(shí)釋放凝結(jié)潛熱，加熱氣塊。這是與干絕熱過(guò)程不同的。設(shè)單位質(zhì)量飽和濕空氣中含有水汽qs(g)，絕熱上升，凝結(jié)了dqs(g)水汽，所釋放出的潛熱為式中L表示水汽的凝結(jié)潛熱。上式右邊的負(fù)號(hào)表示當(dāng)有水汽凝結(jié)時(shí)得到熱量，因?yàn)檫@時(shí)水汽減少,即：；。4.1.3濕空氣的絕熱過(guò)程1、濕空氣的絕熱方程應(yīng)用于飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律的形式由于這個(gè)方程中只包含濕空氣的相變所產(chǎn)生的熱量，而沒(méi)有考慮其他的熱量，所以上式又稱為濕絕熱方程。飽和濕空氣上升時(shí)，方程變形為應(yīng)用于飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律的形式簡(jiǎn)單討論上式說(shuō)明，飽和濕空氣上升時(shí)，溫度隨高度的變化是由兩種作用引起的：一種是由氣壓變化引起的，例如上升時(shí)氣壓減小，

，這使得溫度降低；另一種作用是由水汽凝結(jié)時(shí)釋放潛熱引起的，上升時(shí)水汽凝結(jié)，

，造成溫度升高。因此，凝結(jié)作用可抵消一部分由于氣壓降低而引起的溫度降低。有水汽凝結(jié)時(shí)，空氣上升所引起的降溫比沒(méi)有水汽凝結(jié)時(shí)要緩慢簡(jiǎn)單討論2、濕絕熱直減率飽和濕空氣絕熱上升的減溫率，稱為濕絕熱直減率，以表示。濕絕熱直減率的表達(dá)式可寫成當(dāng)飽和濕空氣上升時(shí)，，則；下降時(shí)，，則，所以總小于。2、濕絕熱直減率由于是氣壓和溫度的函數(shù)，所以不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù),下表給出在不同溫度和氣壓下的值

濕絕熱直減率（℃/100m）由于是氣壓和溫度的函數(shù)，所以不是常數(shù)，濕由表可見(jiàn)，隨溫度升高和氣壓減小而減小。這是因?yàn)闅鉁馗邥r(shí)，飽和空氣的水汽含量大，每降溫1℃，水汽的凝結(jié)量比氣溫低時(shí)多。例如，溫度從20℃降低到19℃時(shí)，每立方米的飽和空氣中有1g的水汽凝結(jié)；而溫度從0℃降到-1℃時(shí)，每立方米的飽和空氣中只有0.33g的水汽凝結(jié)。這就是說(shuō)飽和空氣每上升同樣的高度，在溫度高時(shí)比溫度低時(shí)能釋放出更多的潛熱。因此，在氣壓一定的條件下，高溫時(shí)空氣濕絕熱直減率比低溫時(shí)小一些。由表可見(jiàn)，隨溫度升高和氣壓減小而減小。右圖所示為干絕熱線與濕絕熱線的比較，干絕熱直減率近于常數(shù)，故成一直線；而濕絕熱線，因，故在干絕熱線的右方，并且下部因?yàn)闇囟雀撸?，上部溫度低，大，這樣形成上陡下緩的一條曲線。到高層水汽凝結(jié)愈來(lái)愈多，空氣中的水汽含量便愈來(lái)愈少，愈來(lái)愈和值相近，使干、濕絕熱線近于平行。干絕熱及濕絕熱線右圖所示為干絕熱線與濕絕熱線的比較，干絕熱直減率近于常數(shù)，故4.1.4位溫和假相當(dāng)位溫1、位溫空氣塊在干絕熱過(guò)程中，其溫度是變化的，同一氣塊處于不同的氣壓時(shí)，其溫度值常常是不同的，這就給處在不同高度上的兩氣塊進(jìn)行熱狀態(tài)的比較帶來(lái)一定的困難。為此定義了位溫。位溫：就是把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)應(yīng)有的溫度。標(biāo)準(zhǔn)氣壓一般為1000hPa。以表示4.1.4位溫和假相當(dāng)位溫1、位溫根據(jù)泊松方程，即可得到位溫的表達(dá)式下面對(duì)它作一些討論：（1）位溫與熱力學(xué)第一定律：對(duì)位溫公式取對(duì)數(shù)微分：上式還可寫成下面形式：根據(jù)泊松方程，對(duì)照熱力學(xué)第一定律表達(dá)式，則用位溫表示的熱力學(xué)方程：由上式可以得出結(jié)論：空氣塊收入熱量時(shí)位溫增加；放出熱量時(shí)位溫降低；干絕熱過(guò)程位溫保持不變。位溫在干絕熱過(guò)程中保持不變，稱為在干絕熱過(guò)程中具有保守性。

由于它們不隨氣塊高度（或壓強(qiáng)）的改變而改變，好象是一種性質(zhì)穩(wěn)定的示蹤物，便于我們追溯氣塊或氣流的源地以及研究它們以后的演變。對(duì)照熱力學(xué)第一定律表達(dá)式，則用位溫表示的熱力學(xué)方程：（2）位溫垂直分布與大氣垂直減溫率

對(duì)位溫公式取對(duì)數(shù)，再對(duì)高度求偏導(dǎo)數(shù)，有

可以得到：或

位溫的垂直變化率是和(d)成正比的。如果某一層大氣的減溫率

=d，則整層大氣位溫必然相等。在對(duì)流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率

<d，所以有即位溫是隨高度增加而增加的。這些在討論大氣穩(wěn)定度時(shí)是重要的關(guān)系式

（2）位溫垂直分布與大氣垂直減溫率2、假相當(dāng)位溫

位溫只是把氣塊的氣壓，溫度考慮進(jìn)去的特征量，并且只有在干絕熱過(guò)程中才具有保守性。在濕絕熱過(guò)程中由于有潛熱的釋放或消耗，位溫是變化的。為此，需根據(jù)濕絕熱過(guò)程的特點(diǎn)另找特征量。大氣中的水汽凝結(jié)時(shí)，一般是一部分凝結(jié)物脫離氣塊而降落，另一部分隨氣塊而運(yùn)動(dòng)。為了理解潛熱對(duì)氣塊的作用，可假設(shè)一種極端的情況，即水汽一經(jīng)凝結(jié)，其凝結(jié)物即脫離原上升的氣塊而降落，而把潛熱留在氣塊中來(lái)加熱氣團(tuán)，這種過(guò)程稱假絕熱過(guò)程。2、假相當(dāng)位溫當(dāng)氣塊中含有的水汽全部凝結(jié)降落時(shí)，所釋放的潛熱，就使原氣塊的位溫提高到了極值，這個(gè)數(shù)值稱為假相當(dāng)位溫，用來(lái)表示。即濕空氣塊絕熱上升到水汽全部凝結(jié)降落后,再沿干絕熱過(guò)程下降到1000hPa時(shí)所具有的溫度稱為假相當(dāng)位溫。假相當(dāng)位溫可表示為：式中，q是1g是空氣所含水汽量，L為凝結(jié)潛熱?？梢钥闯?，是氣壓、溫度和濕度的函數(shù)

當(dāng)氣塊中含有的水汽全部凝結(jié)降落時(shí)，所釋放的潛熱，就使原氣塊的如圖所示，設(shè)有一氣塊，其溫、壓、濕分別為T，p，q。在絕熱圖表上溫度、壓力始于A點(diǎn)，因未達(dá)到飽和，循干絕熱線上升；達(dá)到B點(diǎn)時(shí)，氣塊達(dá)到飽和；假相當(dāng)位溫的確定當(dāng)氣塊再繼續(xù)上升時(shí)，就不斷的有水汽凝結(jié)，這時(shí)它將沿濕絕熱線上升降溫。當(dāng)氣塊內(nèi)氣汽全部凝結(jié)降落后，再令其沿干絕熱線下沉到1000hPa，此時(shí)氣塊的溫度就是假相當(dāng)位溫。它不僅考慮了氣壓對(duì)溫度的影響，而且也考慮了水汽對(duì)溫度的影響，實(shí)際上是關(guān)于溫度、壓力、濕度的綜合特征量，對(duì)于干絕熱、假絕熱和濕絕熱過(guò)程都具有保守性。如圖所示，設(shè)有一氣塊，其溫、壓、濕分別為T，p，q。假相當(dāng)位平均溫度、平均位溫和平均相當(dāng)位溫的全球全年緯向平均剖面圖

平均溫度、平均位溫和平均相當(dāng)位溫的全球全年緯向平均剖面圖由圖a可看出，溫度在對(duì)流層中隨高度增加而迅速減小，直到對(duì)流層頂。在對(duì)流層的中、上層，隨著海拔高度增加，陸地和海洋的影響逐漸減小，平均溫度在緯圈方向的分布趨向均勻。由圖b可看出，在平均狀態(tài)下位溫是高度的單調(diào)遞增函數(shù)，極小值位于極地地面。平均位溫分布相對(duì)于赤道是近似對(duì)稱的。在對(duì)流層頂及平流層內(nèi)，因是等溫或逆溫，所以等

線非常密集。而在圖c中，相當(dāng)位溫也是以赤道為對(duì)稱分布，它的地面極大值在熱帶，但是在垂直方向呈雙峰分布，這是因?yàn)樵跓釒У闹械蛯铀扛?，濕度大的緣故。相?dāng)位溫的這種分布表明此處大氣有利于垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，局地的對(duì)流可能達(dá)到對(duì)流層頂。由圖a可看出，溫度在對(duì)流層中隨高度增加而迅速減小，直到對(duì)流層3、焚風(fēng)（foehn）焚風(fēng)是指氣流過(guò)山以后形成的干而暖的地方性風(fēng)。最初專指阿爾卑斯山區(qū)的焚風(fēng)。從地中海吹來(lái)的濕潤(rùn)氣流到達(dá)阿爾卑斯山南坡，受到山脈的阻擋而逐漸爬升，水汽凝結(jié)且部分降落，氣流過(guò)山后下沉增溫，形成焚風(fēng)。山脈北麓的氣溫比南麓同高度處平均約高10－12C，相對(duì)濕度平均下降40－50%。焚風(fēng)干而暖的氣流在寒冷季節(jié)能促使冰雪溶化，在溫暖季節(jié)能促使作物早熟。但是若焚風(fēng)過(guò)強(qiáng)，也可使植物干枯而死，并且容易引發(fā)森林火災(zāi)。

3、焚風(fēng)（foehn）可以用假絕熱過(guò)程說(shuō)明焚風(fēng)形成的原理圖。潮濕的氣流經(jīng)過(guò)山脈時(shí)被強(qiáng)迫抬升，達(dá)到凝結(jié)高度后水汽就凝結(jié)而形成云。氣流繼續(xù)上升后其溫度將按假絕熱減溫率變化，凝結(jié)出的水分部分或甚至全部降落。氣流越過(guò)山頂以后，由于水分已全部降落或部分降落，將干絕熱下沉或先濕絕熱下沉待剩余水分蒸發(fā)完后再干絕熱下沉。因此，在山前山后的同一高度上，氣流的溫度、濕度都不同，背風(fēng)面出現(xiàn)了溫度高、濕度小的干熱風(fēng)?？梢杂眉俳^熱過(guò)程說(shuō)明焚風(fēng)形成的原理圖。因此，在山前山后的同一現(xiàn)在，凡是氣流過(guò)山形成的干熱風(fēng)都已泛稱為焚風(fēng)。例如北美落基山東坡，我國(guó)天山南麓烏魯木齊等地、大興安嶺和太行山的東麓都有明顯的焚風(fēng)。在不同地區(qū)和不同的地形條件下，焚風(fēng)形成的主要原因有所不同。除了上述的由山脈迎風(fēng)坡水汽凝結(jié)的假絕熱過(guò)程以外，大多數(shù)焚風(fēng)可能是由于過(guò)山氣流的干絕熱下沉造成的。

據(jù)研究，大興安嶺東部陡坡上有強(qiáng)下坡風(fēng)，氣流的絕熱下沉增溫是焚風(fēng)產(chǎn)生的主要原因。現(xiàn)在，凡是氣流過(guò)山形成的干熱風(fēng)都已泛稱為焚風(fēng)。例如北美落基山4.2大氣靜力穩(wěn)定度4.2.1大氣穩(wěn)定度

1、大氣穩(wěn)定度的概念

大氣穩(wěn)定度是指氣塊受任意方向擾動(dòng)后，返回或遠(yuǎn)離平衡位置的趨勢(shì)和程度。它表示在大氣層中的個(gè)別空氣塊中否安于原在的層次，是否易于發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng)，即是否易于發(fā)生對(duì)流。假如有一團(tuán)空氣受到對(duì)流沖擊力的作用，產(chǎn)生了向上或向下的運(yùn)動(dòng)，那么就可能出現(xiàn)三種情況；如果空氣團(tuán)受力移動(dòng)后，逐漸減速，并有返回原來(lái)高度的趨勢(shì)，這時(shí)氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)是穩(wěn)定的；如果空氣團(tuán)一離開(kāi)原位就逐漸加速運(yùn)動(dòng)，并有遠(yuǎn)離起始高度的趨勢(shì)，這時(shí)的氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是不穩(wěn)定的；如空氣團(tuán)被推到某一高度后既不加速也不減速，這時(shí)的氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是中性氣層。4.2大氣靜力穩(wěn)定度4.2.1大氣穩(wěn)定度一般情況下，氣塊的運(yùn)動(dòng)在垂直方向受到氣壓梯度力和重力的合力作用，垂直運(yùn)動(dòng)方程可寫成式中w為垂直速度,

i

為氣塊密度。假設(shè)環(huán)境空氣密度為，壓強(qiáng)為p，由于處于靜力平衡，有下列關(guān)系式成立氣塊的垂直加速度與其內(nèi)外密度差的關(guān)系：

單位質(zhì)量空氣所受的浮力與重力之合力即為。以B表示。當(dāng)氣塊上升到新位置后，若氣塊密度比環(huán)境空氣的密度?。ㄒ驕囟雀呋驖穸却螅?，則B>0，加速度為正，氣塊將繼續(xù)上升；反之，B<0，加速度為負(fù)；若B=0，加速度也等于零。一般情況下，氣塊的運(yùn)動(dòng)在垂直方向受到氣壓梯度力和重力的合力作空氣密度和溫度高低以及所含的水汽多少有關(guān)，因此常用氣塊內(nèi)外虛溫差來(lái)討論靜力穩(wěn)定度。利用狀態(tài)方程,有下列關(guān)系空氣塊受到?jīng)_擊力作用上升時(shí)，如空氣塊的溫度比周圍空氣溫度高，即，則它將受到一向上的加速而上升；反之，當(dāng)時(shí)，將受到向下的加速度；而，垂直運(yùn)動(dòng)將不會(huì)發(fā)展。某一氣層是否穩(wěn)定，實(shí)際上就是某一運(yùn)動(dòng)的空氣塊比周圍空氣是輕還是重的問(wèn)題。比周圍空氣重，傾向于下降；比周圍空氣輕，傾向于上升；和周圍空氣一樣重，既不傾向于下降也不傾向于上升空氣密度和溫度高低以及所含的水汽多少有關(guān)，因此常用氣塊內(nèi)外虛空氣的輕重，決定于氣壓和氣溫。在氣壓相同的情況下，兩團(tuán)空氣的相對(duì)輕重問(wèn)題，實(shí)際上就是氣溫的問(wèn)題。在一般情形之下，在同一高度，一團(tuán)空氣和它周圍的空氣大體有相同的溫度。如果這樣一團(tuán)空氣上升時(shí)，變得比周圍空氣冷一些，它就重一些。那末，這一氣層是穩(wěn)定的。反之，這團(tuán)空氣變得比周圍空氣暖一些，因而輕一些，那么，這一氣層是不穩(wěn)定的。至于中性平衡的氣層，是這團(tuán)空氣上升到任何高度和周圍空氣都具有相同的溫度，因而有相同的輕重?？諝獾妮p重，決定于氣壓和氣溫。2、判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法

大氣是否穩(wěn)定，通常用周圍空氣的氣溫直減率（）與上升空氣塊的干絕熱直減率（）或濕絕熱直減率（）的對(duì)比來(lái)判斷?？紤]干絕熱的情況：當(dāng)起始溫度為的干空氣或未飽和的濕空氣塊上升高度時(shí)，其溫度變?yōu)?而周圍的空氣溫度變?yōu)?。因?yàn)槠鹗紲囟认嗟?即。則得判斷穩(wěn)定度的公式2、判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法

（）的符號(hào)，決定了加速度a與擾動(dòng)位移的方向是否一致，即決定了大氣是否穩(wěn)定。當(dāng)，若，則，加速度與位移方向相反，層結(jié)是穩(wěn)定的；當(dāng)，若，則，加速度與位移方向一致，層結(jié)是不穩(wěn)定的；當(dāng)，若，層結(jié)是中性的。

(a)穩(wěn)定層結(jié)(b)不穩(wěn)定層結(jié)

舉例說(shuō)明：設(shè)有A，B，C三團(tuán)空氣，均未飽和，其位置都在離地200m

的高度上，在作升降運(yùn)動(dòng)時(shí)其溫度均按干絕熱直減率變化，即1℃/100m。而周圍空氣的溫度直減率分別為0.8℃/100m、1℃/100m和1.2℃/100m，則可以有三種不同的穩(wěn)定度，如圖所示

某空氣團(tuán)未飽和時(shí)大氣的穩(wěn)定度

舉例說(shuō)明：設(shè)有A，B，C三團(tuán)空氣，均未飽和，其位置都在離地A團(tuán)空氣受到外力作用以后，如果上升到300m高度，則本身的溫度（11℃）低于周圍空氣的溫度（11.2℃），它向上的速度就要降低，并有返回原來(lái)高度的趨勢(shì)（虛矢線所示）；如果它下降到100m的高度，其本身溫度（13℃）高于周圍的溫度（12.8℃），它向下的速度就要減緩，也有返回原來(lái)高度的趨勢(shì)。因此，當(dāng)，大氣處于穩(wěn)定狀態(tài)。B團(tuán)空氣受到外力作用以后，不管上升或睛降，其本身溫度均與周圍空氣溫度相等，它的加速度等于零。因此，當(dāng)時(shí)，大氣處于中性平衡狀態(tài)。A團(tuán)空氣受到外力作用以后，如果上升到300m高度，則本身的溫C團(tuán)空氣受到外力作用后，如果上升到300m高度，其本身溫度（11℃）高于周圍空氣的溫度（10.8℃），則要加速上升；如果下降到100m高度，其本身溫度（13℃）低于周圍空氣的溫度（13.2℃），則要加速下降。因此，當(dāng)時(shí)，大氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)。如將以上結(jié)論用層結(jié)曲線（即大氣溫度隨高度變化曲線）和狀態(tài)曲線（即上升空氣塊的溫度隨高度變化曲線）表示出來(lái)，則如圖所示（為空氣團(tuán)溫度；為周圍空氣溫度）。

C團(tuán)空氣受到外力作用后，如果上升到300m高度，其本身溫度（同理，飽和濕空氣作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度按濕絕熱直減率（）遞減，有；而周圍空氣的溫度為。得結(jié)論：當(dāng)時(shí)，層結(jié)穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)，層結(jié)不穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)，層結(jié)中性同理，飽和濕空氣作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度按濕絕熱直減率（）遞減綜上所述可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

①愈大，大氣愈不穩(wěn)定；愈小，大氣愈穩(wěn)定。如果很小，甚至等于0（等溫）或小于0（逆溫），將會(huì)抑制對(duì)流發(fā)展。②當(dāng)時(shí)，不論空氣是否達(dá)飽和，大氣總是處于穩(wěn)定狀態(tài)，因而稱為絕對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)時(shí)則相反，因而稱為絕對(duì)不穩(wěn)定。③當(dāng)時(shí)，對(duì)于作垂直運(yùn)動(dòng)的飽和空氣來(lái)說(shuō)，大氣是處于不穩(wěn)定狀態(tài)的；而對(duì)于作垂直運(yùn)動(dòng)的未飽和的空氣來(lái)說(shuō)，大氣是處于穩(wěn)定狀態(tài)的。這種情況稱為條件不穩(wěn)定狀態(tài)。如果知道了某地氣層的值，就可以利用上述判據(jù)，分析當(dāng)時(shí)的大氣穩(wěn)定度。

綜上所述可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：“絕對(duì)不穩(wěn)定”一詞是指對(duì)于未飽和氣塊和飽和氣塊都適用。實(shí)際上，除了近地面的氣層有可能達(dá)到超絕熱（）外，上層大氣中絕對(duì)不穩(wěn)定情況是很少的?！皸l件性不穩(wěn)定”是指，大氣層結(jié)對(duì)飽和氣塊是不穩(wěn)定的，而對(duì)未飽和氣塊是穩(wěn)定的。如果存在局地的強(qiáng)對(duì)流或其它動(dòng)力因子的強(qiáng)烈抬升作用，使空氣上升達(dá)到凝結(jié)高度以上，則條件性不穩(wěn)定就可能實(shí)現(xiàn)，往往會(huì)造成局地性的雷雨天氣。“絕對(duì)不穩(wěn)定”一詞是指對(duì)于未飽和氣塊和飽和氣塊都適用。干絕熱線和假絕熱線同時(shí)又是等位溫線和等相當(dāng)位溫線,所以也有以下判據(jù)：

靜力穩(wěn)定度類型

干絕熱線和假絕熱線同時(shí)又是等位溫線和等相當(dāng)位溫線,所以也有4.2.2逆溫層對(duì)流層大氣的溫度一般隨高度而降低，但在有些條件下，某些氣層的溫度會(huì)隨高度而增加，即，這些氣層稱為逆溫層。逆溫層是絕對(duì)穩(wěn)定的層結(jié)，它對(duì)上下空氣的對(duì)流起著削弱抑制作用。特別是低空的逆溫層，它象一個(gè)“蓋子”，使懸浮在大氣中的煙塵、雜質(zhì)及有害氣體都難以穿過(guò)它向上空擴(kuò)散，使空氣質(zhì)量下降，能見(jiàn)度惡化，因此也稱為阻塞層。世界上一些嚴(yán)重的大氣污染事件（如洛杉磯光化學(xué)煙霧）多和逆溫層的存在有關(guān)。在研究大氣的污染擴(kuò)散問(wèn)題時(shí)，常需測(cè)定逆溫層的高度、厚度以及出現(xiàn)和消失的時(shí)間。4.2.2逆溫層對(duì)流層大氣的溫度一般隨高度而降低，但在有些條1、輻射逆溫

下圖是晴朗天氣下低層大氣和土壤表層溫度廓線的典型日變化狀況。白天由于地表吸收太陽(yáng)輻射而迅速增溫，導(dǎo)致低層大氣溫度升高；夜晚由于地面長(zhǎng)波輻射降溫使近地氣層形成逆溫層。逆溫層的厚度從幾米到幾百米，凌晨日出前最強(qiáng)，日出后逐漸消失。最有利于形成逆溫層的是晴朗無(wú)風(fēng)的夜晚，因?yàn)闊o(wú)云有利于地面輻射能向上空發(fā)散；無(wú)風(fēng)使上層空氣的熱量難以通過(guò)湍流作用下傳，這些條件都使地面氣溫很快下降而形成逆溫。

1、輻射逆溫晴天低層大氣和土壤溫度廓線日變化

晴天低層大氣和土壤溫度廓線日變化2、湍流逆溫

由于低層空氣的湍流混合而形成的逆溫，稱為湍流逆溫。其形成過(guò)程可用圖來(lái)說(shuō)明。圖中AB為氣層原來(lái)的氣溫分布，氣溫直減率（）比干絕熱直減率（）小。經(jīng)過(guò)湍流混合以后，氣層的溫度分布將逐漸接近于干絕熱直減率。這是因?yàn)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)中，上升空氣的溫度是按干絕熱直減率變化的?？諝馍仙交旌蠈由喜繒r(shí)，它的溫度比周圍的空氣溫度低，混合的結(jié)果，使上層空氣降溫。空氣下沉?xí)r，情況相反，會(huì)使下層空氣增溫。所以，空氣經(jīng)過(guò)充分的湍流混合，氣層的溫度直減率就逐漸趨近干絕熱直減率。圖中CD是經(jīng)過(guò)湍流混合后的氣溫分布。這樣，在湍流減弱層（湍流混合層與未發(fā)生湍流的上層空氣之間的過(guò)渡層）就出現(xiàn)了逆溫層DE。2、湍流逆溫湍流逆溫湍流逆溫3、平流逆溫

暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上，會(huì)發(fā)生接觸冷卻作用，愈近地表的空氣降溫愈多，而上層空氣受冷地表面的影響小，降溫較少，于是產(chǎn)生逆溫現(xiàn)象。這種因空氣平流產(chǎn)生的逆溫，稱平流逆溫。但是平流逆溫的形成仍和湍流及輻射作用分不開(kāi)。因?yàn)榧仁瞧搅?，就具有一定的風(fēng)速，這就產(chǎn)生了空氣的湍流，較強(qiáng)的湍流作用常使平流逆溫的近地面部分遭到破壞，使逆溫層不能與地面相聯(lián)，而且湍流的垂直混合作用使逆溫層底部氣溫降得理會(huì)低，逆溫也愈加明顯。另外，夜間地面輻射冷卻作用，可使平流逆溫加強(qiáng)，而白天地面輻射增溫作用，則使平流逆溫減弱，從而使平流逆溫的強(qiáng)度變化。3、平流逆溫但是平流逆溫的形成仍和湍流及輻射作用分不開(kāi)。因4、下沉逆溫

如圖，當(dāng)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，因氣壓逐漸增大，以及因空氣向水平方向的輻散，使其厚度減小。如果氣層下沉過(guò)程是絕熱的，而且氣層內(nèi)各部分空氣的相對(duì)位置不發(fā)生改變，這樣空氣層頂部下沉的距離要比底部下沉的距離大，其頂部空氣的絕熱增溫要比底部多。于是可能出現(xiàn)這樣的情況：當(dāng)氣層下沉到某一高度時(shí)，空氣層頂部的溫度高于底部的溫度高于底部的溫度而形成逆溫。4、下沉逆溫如果氣層下沉過(guò)程是絕熱的，而且氣層內(nèi)各部分空氣因整層空氣下沉而造成的逆溫，稱為下沉逆溫。下沉逆溫多出現(xiàn)在高氣壓區(qū)內(nèi)，范圍很廣，厚度也較大，在離地?cái)?shù)百米或數(shù)千米的高空都可能出現(xiàn)。冬季下沉逆溫常與輻射逆溫結(jié)合在一起，形成一個(gè)從地面開(kāi)始有著數(shù)百米深厚的逆溫層。由于下沉的空氣層常來(lái)自高空，水汽含量本來(lái)就不多，加上在下沉以后溫度升高，相對(duì)濕度顯著減小，空氣顯得很干燥，不利于云的形成，原來(lái)有云也會(huì)趨于消散，因此在有下沉逆溫的時(shí)候，天氣總是晴好的。因整層空氣下沉而造成的逆溫，稱為下沉逆溫。5、鋒面逆溫

鋒面是冷暖空氣的交界面，暖空氣因其比重小而位于冷空氣之上，受地球自轉(zhuǎn)作用的結(jié)果，使鋒面在空間平衡時(shí)的幾何形狀呈一斜面，如圖。在這種情況下，同一數(shù)值的等溫線的位置在暖空氣中要比在冷空氣中高，當(dāng)它穿過(guò)鋒面時(shí)，便發(fā)生轉(zhuǎn)折，當(dāng)冷暖空氣的溫度差別很大時(shí)，就可以出現(xiàn)逆溫5、鋒面逆溫如圖。在這種情況下，同一數(shù)值的等溫線的位置在暖6、地形逆溫

由于局部特殊的地形條件形成的。例如盆地和谷地的逆溫，山脈背風(fēng)側(cè)的逆溫等。夜間山坡附近的空氣因輻射冷卻而向谷地下沉，暖空氣被擠上升浮在冷空氣上面，形成谷地逆溫

6、地形逆溫上面分別討論了各種逆溫的形成過(guò)程。實(shí)際上，大氣中出現(xiàn)的逆溫常常是由幾種原因共同形成的。因此，在分析逆溫的成因時(shí)，必須注意到當(dāng)時(shí)的具體條件。上面分別討論了各種逆溫的形成過(guò)程。4.3空氣溫度的局地變化4.3.1空氣溫度的個(gè)別變化和局地變化單位時(shí)間內(nèi)個(gè)別空氣質(zhì)點(diǎn)溫度的變化稱作空氣溫度的個(gè)別變化，也就是空氣塊在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨時(shí)間的變化，包括絕熱變化和非絕熱變化。因?yàn)閭€(gè)別空氣質(zhì)點(diǎn)在大氣中不斷地改變位置，所以個(gè)別空氣質(zhì)點(diǎn)溫度的變化不容易直接觀測(cè)。在實(shí)際問(wèn)題中，我們更關(guān)心固定地點(diǎn)大氣溫度隨時(shí)間的變化。氣象站在不同時(shí)間所觀測(cè)的，或是自記儀器所記錄的氣溫變化都是某一固定地點(diǎn)的空氣溫度隨時(shí)間的變化。4.3空氣溫度的局地變化4.3.1空氣溫度的個(gè)別變化和局地變某一固定地點(diǎn)的空氣溫度隨時(shí)間的變化稱作空氣溫度的局地變化。如何理解溫度的個(gè)別是變化與局地變化的聯(lián)系呢？舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)預(yù)報(bào)北京的溫度時(shí)，發(fā)現(xiàn)在蒙古人民共和國(guó)地區(qū)近地層氣溫為-20℃，高空為西北氣流，當(dāng)時(shí)北京近地層氣溫為0℃，作溫度預(yù)報(bào)時(shí)，要考慮兩方面的作用：一是根據(jù)空氣的移動(dòng)，預(yù)計(jì)36小時(shí)后，蒙古的冷空氣將移到北京，根據(jù)這種作用，36小時(shí)后，北京溫度應(yīng)下降20℃。這種由于空氣的移動(dòng)所造成的某地溫度的變化稱為溫度的平流變化。我國(guó)北京和蒙古之間的溫差愈大，西北風(fēng)愈強(qiáng)，由于平流所造成的單位時(shí)間內(nèi)的降溫就愈大；某一固定地點(diǎn)的空氣溫度隨時(shí)間的變化稱作空氣溫度的局地變化。另一方面，還要考慮當(dāng)冷空氣由蒙古移到北京的過(guò)程中空氣本身溫度的變化。這部分變化實(shí)際上就是溫度的個(gè)別變化。例如，當(dāng)冷空氣南下時(shí)南部地表面溫度較高，下墊面將把熱量傳遞給冷空氣，這種作用將使氣溫升高。預(yù)計(jì)空氣溫度的這一個(gè)另變化將使其溫度升高10℃。考慮了上述兩方面因子的共同影響后，就可以預(yù)報(bào)北京溫度在36小時(shí)后要降溫10℃。也就是說(shuō)某地區(qū)溫度的局地變化是平流變化與個(gè)別變化之和

另一方面，還要考慮當(dāng)冷空氣由蒙古移到北京的過(guò)程中空氣本身溫度4.3.2影響空氣溫度局地變化的因素

熱力學(xué)第一定律兩邊除以dt，就得到反映溫度隨時(shí)間變化規(guī)律的熱流量方程其中和分別表示單位時(shí)間內(nèi)，單位質(zhì)量的空氣溫度和氣壓的變化，表示單位質(zhì)量的空氣在單位時(shí)間內(nèi)的熱流量在氣象學(xué)中，常選用x,y,p坐標(biāo)系，即x,y坐標(biāo)在水平面內(nèi)，垂直方向上以p作為坐標(biāo)建立溫度變化方程4.3.2影響空氣溫度局地變化的因素?zé)崃W(xué)第一定律在p坐標(biāo)系中，天氣、氣候中常用的熱流量方程的形式為：式中表示垂直運(yùn)動(dòng)，上升時(shí)氣壓減小，；下沉?xí)r氣壓增大，。的單位為hPa/s；為水平風(fēng)速矢量，。是單位質(zhì)量的空氣在單位時(shí)間內(nèi)的熱流量。在p坐標(biāo)系中，天氣、氣候中常用的熱流量方程的形式為：常用的熱流量方程也可寫為：式中，為氣溫的局地變化。表示溫度的平流變化是空氣垂直運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)熱過(guò)程引起的局地變化

代表熱流入量的影響常用的熱流量方程也可寫為：討論：1、空氣平流運(yùn)動(dòng)引起的局地氣溫變化（）為溫度的水平平流變化，它能從天氣圖上加以確定，可簡(jiǎn)稱為溫度平流。是水平溫度梯度，為垂直于等溫線的單位距離內(nèi)的溫度差值，并由低溫指向高溫。表示水平風(fēng)速。

式中為垂直于等溫線方向上的單位向量。和分別為x和y方向的單位向量。溫度平流可寫成式中為風(fēng)向和水平溫度梯度的夾角討論：1、空氣平流運(yùn)動(dòng)引起的局地氣溫變化由圖可以看出，當(dāng)時(shí)，，有，表示溫度的平流變化使局地空氣溫度降低，這種冷空氣向暖空氣方面流動(dòng)的情形，稱為冷平流。當(dāng)時(shí)，有，表示溫度平流變化使局地空氣溫度升高，這種暖空氣向冷空氣方面流動(dòng)的情形，稱為暖平流。冷暖平流的強(qiáng)弱由水平溫度梯度及風(fēng)速在其方向上的分量所決定。溫度梯度越大，在溫度梯度方向上的風(fēng)速分量越大，冷、暖平流越強(qiáng)由圖可以看出，當(dāng)時(shí)，，有2、空氣鉛直運(yùn)動(dòng)引起的局地氣溫變化鉛直運(yùn)動(dòng)項(xiàng)：式中，，，因此空氣垂直運(yùn)動(dòng)引起的氣溫變化由和兩者決定。在一般情況下，，因而。當(dāng)出現(xiàn)上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，溫度降低；當(dāng)出現(xiàn)下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，，溫度升高；如，則空氣的垂直運(yùn)動(dòng)不引起局地氣溫的變化。2、空氣鉛直運(yùn)動(dòng)引起的局地氣溫變化3、非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化代表空氣非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化，即大氣的熱流入量引起的氣溫的改變，該項(xiàng)的作用為：熱量收入使溫度升高，熱量支出使溫度降低。對(duì)流層大氣吸收太陽(yáng)輻射的能力很弱，大氣要靠吸收地面向上傳播的熱量增溫。空氣與空氣之間也在不斷的進(jìn)行熱量交換。傳熱的方式有如下幾種：傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流、湍流和蒸發(fā)凝結(jié)（包括升華、凝華）。通過(guò)這些方式，空氣與地面、空氣與空氣之間交換熱量，空氣的溫度發(fā)生變化。3、非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化(1)傳導(dǎo)傳導(dǎo)是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)將能量從一個(gè)分子傳遞給另一個(gè)分子，從而達(dá)到熱量平衡的傳熱方式?？諝馀c地面之間，空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間，當(dāng)有溫度差異時(shí)，就會(huì)以傳導(dǎo)方式交換熱量。但是地面和大氣都是熱的不良導(dǎo)體，所以通過(guò)這種方式交換的熱量很少，其作用僅在貼近氣層中，因?yàn)榭諝饷芏却?，單位距離內(nèi)的溫度差異也較大。對(duì)于較大規(guī)模的熱量傳遞來(lái)說(shuō)，可以忽略不計(jì)。(2)輻射是物體之間依各自的溫度以輻射方式交換熱量的傳熱方式。大氣主要依靠吸收地面的長(zhǎng)波輻射而增熱，同時(shí)，地面也吸收大氣放出的長(zhǎng)波輻射，這樣它們之間就可以通過(guò)長(zhǎng)波輻射的方式不停的交換著熱量?？諝鈭F(tuán)之間，也可以通過(guò)長(zhǎng)波輻射而交換熱量。(1)傳導(dǎo)(3)對(duì)流當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí)，周圍的冷空氣便下來(lái)補(bǔ)充，這種升降運(yùn)動(dòng)，稱為對(duì)流。通過(guò)對(duì)流，上下層空氣相互混合，熱量也就隨之交換，使低層的熱量傳遞到較高的層次。這是對(duì)流層中熱量交換的重要方式。(4)湍流空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱亂流。湍流是由于空氣粘滯力產(chǎn)生的。當(dāng)近地層空氣在地面上流動(dòng)時(shí)，空氣的運(yùn)動(dòng)速度產(chǎn)生脈動(dòng)現(xiàn)象，即在總的按平均速度的氣流中，產(chǎn)生許多不規(guī)則的渦漩，它們方向不定，有時(shí)向上，有時(shí)向下，有時(shí)甚至和總的氣流方向相反。這些不規(guī)則運(yùn)動(dòng)的小渦漩在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，把它在原始位置的屬性的熱量、水分等帶到新的位置上，相鄰的空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，從而引起熱量交換，同時(shí)也可引起水分等其它屬性的交換。(3)對(duì)流湍流熱交換比分子熱交換大得多，通常比分子熱傳導(dǎo)大幾千倍到幾萬(wàn)倍，是摩擦層中熱量交換的重要方式，對(duì)大氣中其它屬性如水分等的交換也起著很重要的作用。湍流熱交換也稱為顯熱交換，因?yàn)樗鼈鬟f的熱量直接導(dǎo)致空氣溫度的升高。湍流流動(dòng)在晴日白天強(qiáng)，夜間弱；夏季強(qiáng)，冬季弱，低緯比高緯地區(qū)湍流活動(dòng)強(qiáng)，大氣不穩(wěn)定時(shí)湍流活動(dòng)強(qiáng)。夏季晴日干燥地區(qū)近地層的湍流活動(dòng)強(qiáng)。夏季晴日干燥地區(qū)近地層的湍流活動(dòng)非常劇烈。湍流熱交換比分子熱交換大得多，通常比分子熱傳導(dǎo)大幾千倍到幾萬(wàn)(5)蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華）水在蒸發(fā)（或冰在升華）時(shí)要吸收熱量；相反，水汽在凝結(jié)（或凝華）時(shí)，又會(huì)放出潛熱。如果蒸發(fā)（升華）的水汽，不是在原處凝結(jié)（凝華），而是被帶到別處去凝結(jié)（凝華），就會(huì)使熱量得到傳遞。例如，從地面蒸發(fā)的水汽，在空中發(fā)生凝結(jié)時(shí)，就把地面的熱量傳給了空氣。因此，通過(guò)蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華），也就能使地面和大氣之間、空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間發(fā)生潛熱交換。水的蒸發(fā)和凝結(jié)進(jìn)行的熱量交換稱為潛熱交換，因?yàn)橹挥性谒职l(fā)生相變時(shí)，才能吸收或釋放熱量，使空氣加熱。由于大氣中的水汽要集中在5km以下的氣層中，所以這種熱量交換主要在對(duì)流層下半層起作用。(5)蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華）以上分別討論了空氣與外界交換熱量的方式，事實(shí)上，同一時(shí)間對(duì)同一團(tuán)空氣而言，溫度的變化常常是幾種作用共同引起的。哪個(gè)為主，哪個(gè)為次，要看具體情況。在地面與空氣之間，最主要的是輻射。在氣層（氣團(tuán)）之間，主要依靠對(duì)流和湍流，其次通過(guò)蒸發(fā)、凝結(jié)過(guò)程的潛熱出入，進(jìn)行熱量交換。在日常分析某地點(diǎn)氣溫變化時(shí)主要考慮溫度平流、空氣的垂直運(yùn)動(dòng)和空氣與外界的熱量交換這三方面的因子。在近地面范圍內(nèi)，垂直運(yùn)動(dòng)較小，由此引起的氣溫變化通?？梢院雎圆挥?jì)。地面和大氣間熱交換是引起局地氣溫日變化和年變化的主要因子。冷暖氣團(tuán)運(yùn)動(dòng)引起的溫度平流是氣溫非周期變化的主要因子。在分析高層大氣溫度的局地變化時(shí)，除有凝結(jié)現(xiàn)象出現(xiàn)時(shí)，非絕熱因子通常起的作用比較小。以上分別討論了空氣與外界交換熱量的方式，事實(shí)上，同一時(shí)間對(duì)同4.4氣溫的時(shí)間變化地表從太陽(yáng)輻射得到大量熱量，同時(shí)又以長(zhǎng)波輻射、顯熱和潛熱的形式將部分熱量傳輸給大氣，從而失去熱量。從長(zhǎng)時(shí)間平均來(lái)看，熱量得失相當(dāng)，所以地面平均溫度保持不變。但在某一段時(shí)間里，熱量收入可能比支出得多，地面因有熱量累積而升溫；而當(dāng)熱量支出大于收入時(shí)，地面將出現(xiàn)降溫過(guò)程。地面溫度的變化會(huì)通過(guò)非絕熱過(guò)程傳遞給大氣，大氣溫度也會(huì)相應(yīng)變化。由于在熱量收支平衡中，太陽(yáng)輻射處于主導(dǎo)地位，因此，隨著日夜、冬夏的交替，地面溫度、氣溫也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的日變化和年變化，這是周期性變化。氣溫還會(huì)因大氣的運(yùn)動(dòng)而有非周期變化。4.4氣溫的時(shí)間變化地表從太陽(yáng)輻射得到大量熱量，同時(shí)又以長(zhǎng)4.4.1氣溫的日變化和年變化1、氣溫的日變化由于地球自轉(zhuǎn)，太陽(yáng)輻射、輻射差額都有一個(gè)日變化的周期。這種周期性的變化又造成氣溫在一日中有升有降的循環(huán)1）日變化：近地層氣溫日變化的特征是：在一日內(nèi)有一個(gè)最高值，一般出現(xiàn)在14時(shí)左右；一個(gè)最低值，一般出現(xiàn)在日出前后上海7月份氣溫日變化的平均情況一天中正午太陽(yáng)輻射最強(qiáng)，但最高氣溫卻出現(xiàn)在午后兩點(diǎn)鐘左右，這是因?yàn)榇髿獾臒崃恐饕獊?lái)源于地面。地面一方面吸收太陽(yáng)的短波輻射而得熱，一方面又向大氣輸送熱量而失熱。若凈得熱量則溫度升高，若凈失熱量則溫度降低。這就是說(shuō)，地面溫度的高低并不直接決定于地面上當(dāng)時(shí)吸收太陽(yáng)輻射的多少，而決定于地面儲(chǔ)存熱量的多少。4.4.1氣溫的日變化和年變化1、氣溫的日變化上海7月份氣溫早晨日出以后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地面凈得熱量，溫度升高。此時(shí)地面放出的熱量隨著溫度升高而增強(qiáng)，大氣吸收了地面放出的熱量，也跟著升溫。到了正午太陽(yáng)輻射達(dá)到最強(qiáng)。正午以后，地面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度雖然開(kāi)始減弱，但得到的熱量還比失去的熱量還多，地面儲(chǔ)存的熱量仍在增加，所以地溫繼續(xù)升高，長(zhǎng)波輻射繼續(xù)增強(qiáng)，氣溫也隨著不斷升高。到午后一定時(shí)間，地面得到的熱量因太陽(yáng)輻射的進(jìn)一步減弱而少于失去的熱量，這時(shí)地溫開(kāi)始下降。地溫的最高值就出現(xiàn)在地面熱量由儲(chǔ)存轉(zhuǎn)為損失，地溫由上升轉(zhuǎn)為下降的時(shí)刻，這個(gè)時(shí)刻通常在13時(shí)左右。由于地面的熱量傳遞給空氣需要一定的時(shí)間，所以最高氣溫出現(xiàn)在14時(shí)左右。隨后氣溫便逐漸下降，一直下降到清晨日出之前地面儲(chǔ)存的熱量減至最少為止。所以最低氣溫出現(xiàn)在清晨日出前后，而不是在半夜。早晨日出以后隨著太陽(yáng)輻射的增強(qiáng)，地面凈得熱量，溫度升高。此時(shí)2）氣溫日較差一天中氣溫的最高值與最低值之差，稱之氣溫日較差，其大小反映氣溫日變化的程度。氣溫日較差的大小與緯度、季節(jié)和其它自然地理?xiàng)l件有關(guān)。緯度：正午太陽(yáng)高度角隨緯度的增加而減小，因此氣溫的日較差也隨緯度的增加而減小。由于赤道地區(qū)降水多，因此地球上實(shí)際氣溫日較差最大的地