11地面、大氣輻射與大氣的增溫、冷卻～結(jié)合相關(guān)高考真題

地面、大氣輻射與大氣的增溫、冷卻～結(jié)合相關(guān)高考真題太陽(yáng)輻射雖然是地球上的主要能源，但因?yàn)榇髿獗旧韺?duì)太陽(yáng)輻射直接吸收很少，而水、陸、植被等地球表面（又稱(chēng)下墊面）卻能大量吸收太陽(yáng)輻射，并經(jīng)轉(zhuǎn)化供給大氣，從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，下墊面是大氣的直接熱源。為此，在研究大氣熱狀況時(shí)，必須了解地面和大氣之間交換熱量的方式及地-氣系統(tǒng)的輻射差額。一、地面、大氣的輻射和地面有效輻射地面能吸收太陽(yáng)短波輻射，同時(shí)按其本身的溫度不斷地向外放射長(zhǎng)波輻射。大氣對(duì)太陽(yáng)短波輻射幾乎是透明的，吸收很少，但對(duì)地面的長(zhǎng)波輻射卻能強(qiáng)烈吸收。大氣也按其本身的溫度，向外放射長(zhǎng)波輻射。通過(guò)長(zhǎng)波輻射，地面和大氣之間，以及大氣中氣層和氣層之間，相互交換熱量，并也將熱量向宇宙空間散發(fā)。(一)地面和大氣輻射的表示地面和大氣都按其本身的溫度向外放出輻射能。由于它們不是絕對(duì)黑體，運(yùn)用斯蒂芬-波耳茲曼定律，可寫(xiě)成如下形式Eg=δσT?(2·18)Ea=δ'σT?(2·19)式中Eg和Ea分別表示地面和大氣的輻射能力，T表示地面和大氣的溫度，δ和δ'分別稱(chēng)地面和大氣的相對(duì)輻射率，又稱(chēng)比輻射率。其大小為地面或大氣的輻射能力與同一溫度下黑體輻射能力的比值，在數(shù)值上等于吸收率。σ為斯—波常數(shù)，即5.67×10??W/(m2·K?)。表示總放射能力與其溫度的四次方成正比。如地面溫度為15℃，以δ=0.9，則可算Eg=0.9×5.67×10??×(288)?=346.7W/m2同樣，當(dāng)?shù)孛鏈囟葹?5℃，根據(jù)維恩定律可算得。λm=維恩定律：溫度越高，輻射極大值波長(zhǎng)越短。C/T維恩定律：溫度越高，輻射極大值波長(zhǎng)越短。地面平均溫度約為300K，對(duì)流層大氣的平均溫度約為250K，故其熱輻射中95%以上的能量集中在3—120μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)(屬于肉眼不能直接看見(jiàn)的紅外輻射)。其輻射能最大段波長(zhǎng)在10—15μm范圍內(nèi)，所以我們把地面和大氣的輻射稱(chēng)為長(zhǎng)波輻射。(二)地面和大氣長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)1.大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收非常強(qiáng)烈，吸收作用不僅與吸收物質(zhì)及其分布有關(guān)，而且還與大氣的溫度、壓強(qiáng)等有關(guān)。大氣中對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收起重要作用的成分有水汽、液態(tài)水、二氧化碳和臭氧等。它們對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收同樣具有選擇性。圖2·12描繪了整個(gè)大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的放射與透射光譜。由圖看出，大氣在整個(gè)長(zhǎng)波段，除8—12μm一臭氧可吸收遠(yuǎn)紅外，水汽和CO?可吸收遠(yuǎn)紅外、超遠(yuǎn)紅外。段外，其余的透射率近于零，即吸收率為1.8—12μm處吸收率最小，透明度最大，稱(chēng)為“大氣窗口”。臭氧可吸收遠(yuǎn)紅外，水汽和CO?可吸收遠(yuǎn)紅外、超遠(yuǎn)紅外。這個(gè)波段的輻射，正好位于地面輻射能力最強(qiáng)處，所以地面輻射有20%的能量透過(guò)這一窗口射向宇宙空間。在這一窗口中9.6μm附近有一狹窄的臭氧吸收帶，對(duì)于地面放射的14μm以上的遠(yuǎn)紅外輻射，幾乎能全部吸收，故此帶可以看成近于黑體。水汽對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收最為顯著，除8—12μm波段的輻射外，其它波段都能吸收。并以6μm附近和24μm以上波段的吸收能力最強(qiáng)。液態(tài)水對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收性質(zhì)與水汽相仿，只是作用更強(qiáng)一些，厚度大的云層表面可當(dāng)作黑體表面。二氧化碳有兩個(gè)吸收帶，中心分別位于4.3μm和14.7μm。第一個(gè)吸收帶位于溫度為200—300K絕對(duì)黑體的放射能量曲線(xiàn)的末端，其作用不大，第二個(gè)吸收帶從12.9—17.1μm，比較重要。典例（2020浙江卷)氧化亞氮(N?O)在百年尺度內(nèi)的增溫效應(yīng)是等量二氧化碳的近300倍。農(nóng)田是氧化亞氮的第一大排放源。完成10、11題。10.氧化亞氮具有增溫效應(yīng),主要是因?yàn)锳.大氣輻射總量增加B.大氣吸收作用增強(qiáng)C.地面輻射總量增加D.地面反射作用增強(qiáng)11.農(nóng)田排放的氧化亞氮,主要來(lái)源于A(yíng).作物生長(zhǎng)時(shí)的排放B.大氣中氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化C.秸稈燃燒時(shí)的產(chǎn)生D.生產(chǎn)中氮肥的施用答案：10.B【解析】本題主要考查大氣的受熱原理、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)地理環(huán)境的影響。大氣中的溫室氣體可以強(qiáng)烈吸收地面長(zhǎng)波輻射，減少地面長(zhǎng)波輻射的散失，從而具有增溫效應(yīng)。閱讀材料可知，氧化亞氮和二氧化碳一樣，都屬于溫室氣體，故B選項(xiàng)正確，ACD選項(xiàng)錯(cuò)誤。11.D【解析】作為植物而言，農(nóng)作物和其他植被沒(méi)有本質(zhì)的區(qū)別，因此作物生長(zhǎng)時(shí)的排放、大氣中氮?dú)獾霓D(zhuǎn)化不足以體現(xiàn)農(nóng)田是氧化亞氮的第一大排放源；秸稈燃燒不會(huì)產(chǎn)生氧化亞氮，產(chǎn)生的主要是二氧化碳；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中氮肥如果沒(méi)有被農(nóng)作物充分吸收，就會(huì)產(chǎn)生氧化亞氮。故D選項(xiàng)正確，ABC選項(xiàng)錯(cuò)誤。2.大氣中長(zhǎng)波輻射的特點(diǎn)長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳輸過(guò)程與太陽(yáng)輻射的傳輸有很大不同。第一，太陽(yáng)輻射中的直接輻射是作為定向的平行輻射進(jìn)入大氣的，而地面和大氣輻射是漫射輻射。第二，太陽(yáng)輻射在大氣中傳播時(shí)，僅考慮大氣對(duì)太陽(yáng)輻射的削弱作用，而未考慮大氣本身的輻射的影響。這是因?yàn)榇髿獾臏囟容^低，所產(chǎn)生的短波輻射是極其微弱的。但考慮長(zhǎng)波輻射在大氣中的傳播時(shí)，不僅要考慮大氣對(duì)長(zhǎng)波輻射的吸收，而且還要考慮大氣本身的長(zhǎng)波輻射。干冷、晴朗、靜風(fēng)、空氣潔凈的高海拔、粗糙裸地干冷、晴朗、靜風(fēng)、空氣潔凈的高海拔、粗糙裸地，通過(guò)地面輻射失去熱量最快。第三，長(zhǎng)波輻射在大氣中傳播時(shí)，可以不考慮散射作用。這是由于大氣中氣體分子和塵粒的尺度比長(zhǎng)波輻射的波長(zhǎng)要小得多，散射作用非常微弱。(三)大氣逆輻射和地面有效輻射1.大氣逆輻射和大氣保溫效應(yīng)大氣輻射指向地面的部分稱(chēng)為大氣逆輻射。大氣逆輻射使地面因放射輻射而損耗的能量得到一定的補(bǔ)償，由此可看出大氣對(duì)地面有一種保暖作用，這種作用稱(chēng)為大氣的保溫效應(yīng)。據(jù)計(jì)算，如果沒(méi)有大氣，近地面的平均溫度應(yīng)為—23℃，但實(shí)際上近地面的均溫是15℃，也就是說(shuō)大氣的存在使近地面的溫度提高了38℃。2.地面有效輻射地面放射的輻射(Eg)與地面吸收的大氣逆輻射(δEa)之差，稱(chēng)為地面有效輻射，以F?表示。則F?=Eg—δEa(2·20)通常情況下，地面溫度高于大氣溫度，地面有效輻射為正值。這意味著通過(guò)長(zhǎng)波輻射的放射和吸收，地表面經(jīng)常失去熱量。只有在近地層有很強(qiáng)的逆溫及空氣濕度很大的情況下，有效輻射才可能為負(fù)值，這時(shí)地面才能通過(guò)長(zhǎng)波輻射的交換而獲得熱量。影響有效輻射的主要因子有：地面溫度，空氣溫度，空氣濕度和云況。一般情況下，在濕熱的天氣條件下，有效輻射比干冷時(shí)小，有云覆蓋時(shí)比晴朗天空條件下有效輻射??；空氣混濁度大時(shí)比空氣干潔時(shí)有效輻射?。辉谝归g風(fēng)大時(shí)有效輻射??；有逆溫時(shí)有效輻射小，甚至可出現(xiàn)負(fù)值；而海拔高度高的地方有效輻射大；當(dāng)近地層氣溫隨高度顯著降低時(shí)，有效輻射大。此外，有效輻射還與地表面的性質(zhì)有關(guān)，平滑地表面的有效輻射比粗糙地表面有效輻射?。挥兄参锔采w時(shí)的有效輻射比裸地的有效輻射小。有效輻射具有明顯的日變化和年變化。其日變化具有與溫度日變化相似的特征。在白天，由于低層大氣中垂直溫度梯度增大，所以有效輻射值也增大，中午12—14時(shí)達(dá)最大；而在夜間由于地面輻射冷卻的緣故，有效輻射值也逐漸減小，在清晨達(dá)到最小。當(dāng)天空有云時(shí)，可以破壞有效輻射的日變化規(guī)律。有效輻射的年變化也與氣溫的年變化相似，夏季最大，冬季最小。但由于水汽和云的影響使有效輻射的最大值不一定出現(xiàn)在盛夏。我國(guó)秦嶺、淮河以南地區(qū)有效輻射秋季最大，春季最??；華北、東北等地區(qū)有效輻射則春季最大，夏季最小，這是由于水汽和云況的影響。不考慮云雨天氣，則夏季午后的地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射失去熱量最多不考慮云雨天氣，則夏季午后的地面通過(guò)長(zhǎng)波輻射失去熱量最多。二、地面及地-氣系統(tǒng)的輻射差額地面和大氣因輻射進(jìn)行熱量的交換，其能量的收支狀況，是由短波和長(zhǎng)波輻收支作用的總和來(lái)決定的。我們把物體收入輻射能與支出輻射能的差值稱(chēng)為凈輻射或輻射差額。即輻射差額=收入輻射一支出輻射。在沒(méi)有其它方式進(jìn)行熱交換時(shí)，輻射差額決定物體的升溫或降溫。輻射差額不為零，表明物體收支的輻射能不平衡，會(huì)有升溫或降溫產(chǎn)生。輻射差額為零時(shí)，物體的溫度保持不變。(一)地面的輻射差額地面由于吸收太陽(yáng)總輻射和大氣逆輻射而獲得能量，同時(shí)又以其本身的溫度不斷向外放出輻射而失去能量。某段時(shí)間內(nèi)單位面積地表面所吸收的總輻射和其有效輻射之差值，稱(chēng)為地面的輻射差額。若以Rg表示單位水平面積、單位時(shí)間的輻射差額，則得Rg=(Q+q)(1-a)-F?式中(Q+q)是到達(dá)地面的太陽(yáng)總輻射，即太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和；a為地面對(duì)總輻射的反射率；F?為地面的有效輻射。顯然，地面輻射能量的收支，決定于地面的輻射差額。當(dāng)Rg>0時(shí)，即地面所吸收的太陽(yáng)總輻射大于地面的有效輻射，地面將有熱量的積累；當(dāng)Rg<0時(shí)，則地面因輻射而有熱量的虧損。影響地面輻射差額的因子很多，除考慮到影響總輻射和有效輻射的因子外，還應(yīng)考慮地面反射率的影響。反射率是由不同的地面性質(zhì)決定的，所以不同的地理環(huán)境、不同的氣候條件下，地面輻射差額值有顯著的差異。地面輻射差額具有日變化和年變化。一般夜間為負(fù)，白天為正，由負(fù)值轉(zhuǎn)到正值的時(shí)刻一般在日出后1h，由正值轉(zhuǎn)到負(fù)值的時(shí)刻一般在日落前1—1.5h。在一年中，一般夏季輻射差額為正，冬季為負(fù)值，最大值出現(xiàn)在較暖的月份，最小值出現(xiàn)在較冷的月份。圖2·13表示無(wú)云情況下，輻射差額各分量的日變化。其中地面輻射和有效輻射曲線(xiàn)對(duì)正午來(lái)說(shuō)是不對(duì)稱(chēng)的，其絕對(duì)最大值發(fā)生在12時(shí)以后，這是由于地表最高溫度出現(xiàn)在13時(shí)左右造成的，因而也導(dǎo)致輻射差額曲線(xiàn)對(duì)正午的不對(duì)稱(chēng)。圖2·14是上海7月份晴天輻射差額日變化的情況。圖2·15給出了我國(guó)不同地區(qū)輻射差額年變化的情況。由圖2·15可以看出，贛州代表我國(guó)南部地區(qū)，地面輻射差額月最大值出現(xiàn)在7月，而北部地區(qū)以北京為例，沙漠地區(qū)以白天和夏季，地面積累熱量，夜晚、冬季失去熱量。中國(guó)北方得、失熱量都更快。敦煌為例，地面輻射差額月最大值都出現(xiàn)在6月。地面輻射差額的最小值出現(xiàn)在白天和夏季，地面積累熱量，夜晚、冬季失去熱量。中國(guó)北方得、失熱量都更快。輻射差額的年振幅隨一般大氣上界輻射損失的熱量多于它吸收的太陽(yáng)輻射和地面輻射，有熱量虧損。地理緯度的增加而增大。對(duì)同一地理緯度來(lái)說(shuō)，一般大氣上界輻射損失的熱量多于它吸收的太陽(yáng)輻射和地面輻射，有熱量虧損。全球各緯度絕大部分地區(qū)地面輻射差額的年平均值都是正值，只有在高緯度和某些高山終年積雪區(qū)才是負(fù)值。就整個(gè)地球表面平均來(lái)說(shuō)是收入大于支出的，也就是說(shuō)地球表面通過(guò)輻射方式獲得能量。(二)大氣的輻射差額大氣的輻射差額可分為整個(gè)大氣層的輻射差額和某一層大氣的輻射差額。這也是考慮某氣層降溫率的最重要因子。由于大氣中各層所含吸收物質(zhì)的成分、含量的不同，以及其本身溫度的不同，所以輻射差額的差別還是很大的。若Ra表示整個(gè)大氣層的輻射差額，qa表示整個(gè)大氣層所吸收的太陽(yáng)輻射，F(xiàn)?、F∞分別表示地面及大氣上界的有效輻射，則整個(gè)大氣層輻射差額的表達(dá)式為Ra=qa十F?—F∞(2·22)式中F∞總是大于F?的，并qa一般是小于F∞一F?，所以整個(gè)大氣層的輻射差額是負(fù)值，大氣要維持熱平衡，還要靠地面以其它的方式，例如對(duì)流及潛熱釋放等來(lái)輸送一部分熱量給大氣。(三)地-氣系統(tǒng)的輻射差額如果把地面和大氣看作為一個(gè)整體，其輻射能的凈收入為Rs=(Q+q)(1-a)+qa—F∞式中qa和F∞分別為大氣所吸收的太陽(yáng)輻射和大氣上界的有效輻射。就個(gè)別地區(qū)來(lái)說(shuō)，地氣系統(tǒng)的輻射差額既可以為正，也可以為負(fù)。但就整個(gè)地氣系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這種輻射差額的多年平均應(yīng)為零。因觀(guān)測(cè)表明，整個(gè)地球和大氣的平均溫度多年來(lái)是沒(méi)有什么變化的。也就說(shuō)明了整個(gè)地-氣系統(tǒng)所吸收的輻射能量和放射出的輻射能量是相等的，從而使全球達(dá)到輻射平衡。圖2·17描繪了南北半球各緯度輻射收支情況，以及各緯圈行星反射率。由圖可以看出，無(wú)論南、北半球，地-氣系統(tǒng)的輻射差額在緯度30°處是一轉(zhuǎn)折點(diǎn)。北緯35°以南的差額是正值，以北是負(fù)值。這樣，會(huì)不會(huì)造成低緯地區(qū)的不斷增溫和高緯地區(qū)的不斷降溫。多年的觀(guān)測(cè)事實(shí)表明，不會(huì)如此。從長(zhǎng)期的平均情況來(lái)看，高緯及低緯地區(qū)的溫度變化是很微小的。這說(shuō)明必定有另外一些過(guò)程將低緯地區(qū)盈余的熱量輸送至高緯地區(qū)。地球收入的太陽(yáng)直接、散射輻射，或被地面反射，或被大氣上界輻射散失，多年平均的熱量收支相抵。這種熱量的輸送主要是由地球收入的太陽(yáng)直接、散射輻射，或被地面反射，或被大氣上界輻射散失，多年平均的熱量收支相抵。三、海陸的增溫和冷卻的差異大氣的熱能主要來(lái)自地面，而地面情況有很大的差別。海洋和陸地、高山和深谷、高原和平原、林地和草地、濕區(qū)和干區(qū)等對(duì)大氣的增溫和冷卻有不同的影響，其中海洋和陸地的差異最大。首先，在同樣的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度下，海洋所吸收的太陽(yáng)能多于陸地所吸收的太陽(yáng)能，這是因?yàn)殛懨鎸?duì)太陽(yáng)光的反射率大于水面。就平均狀況而論，陸面和水面的反射率之差約為10%一20%。換句話(huà)說(shuō)，同樣條件下的水面吸收的太陽(yáng)能比陸面吸收的太陽(yáng)能多10%一20%。其次，陸地所吸收的太陽(yáng)能分布在很薄的地表面上，而海水所吸收的太陽(yáng)能分布在較厚的水層中。這是因?yàn)殛懙乇砻娴膸r石和土壤對(duì)于各種波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射都是不透明的，而水除了對(duì)紅色光和紅外線(xiàn)不透明外，對(duì)于紫外線(xiàn)和波長(zhǎng)較短的可見(jiàn)光是相當(dāng)透明的。同時(shí)，陸地所獲的太陽(yáng)能主要依靠傳導(dǎo)向地下傳播，而水還有其它更有效的方式，如波浪、洋流和對(duì)流作用。這些作用使得水的熱能發(fā)生垂直和水平的交換。因此，陸面所得太陽(yáng)輻射集中于表面一薄層，以致地表急劇增溫，這也就加強(qiáng)了陸面和大氣之間的顯熱交換；反之，水面所得太陽(yáng)輻射分布在較厚的一個(gè)層次，以致水溫不易增高，也就相對(duì)地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。據(jù)測(cè)陸面所得的太陽(yáng)輻射傳給大氣的約占半數(shù)，而水體所得的太陽(yáng)輻射傳給空氣的不過(guò)0.5%。此外，海面有充分水源供應(yīng)，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，這也使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發(fā)而有較多的水汽，以致空氣本身有較大的吸收熱量的能力，也就使得氣溫不易降低。陸地上的情況則正好相反。最后，巖石和土壤的比熱小于水的比熱。一般常見(jiàn)的巖石比熱大約0.8374J/g·K,而水的比熱是4.1868J/g·K。因此對(duì)等量熱能的接受，如果使1g水的溫度變化1℃，則使1g巖石的溫度變化大約是5℃。常見(jiàn)巖石（例如花崗巖）的密度約2.5g/cm3。因此，如果等量熱能使一定體積水的溫度發(fā)生1℃的變化，那么該熱能可使同體積巖石發(fā)生2℃的變化。由于上述差異，海陸熱力過(guò)程的特點(diǎn)是互不相同的。大陸受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大。而海洋上則溫度變化緩慢。如大洋中，年最高及最低氣溫的出現(xiàn)要比大陸延遲一兩個(gè)月。典例（2020年浙江卷)海洋熱力性質(zhì)：吸收太陽(yáng)能多，反射少；分布厚，對(duì)流深海洋熱力性質(zhì)：吸收太陽(yáng)能多，反射少；分布厚，對(duì)流深；傳給空氣少，比熱容大。下圖為兩極地區(qū)多年平均海冰面積年內(nèi)變化圖。完成第23題。23.對(duì)比兩極地區(qū)年內(nèi)海冰消融速度差異,原因可能是A.南極地區(qū)受西風(fēng)漂流影響，海冰消融慢B.北極地區(qū)受北大西洋暖流影響,海冰消融快C.南極地區(qū)下墊面比熱小,吸熱升溫快,海冰消融快D.北極地區(qū)臭氧空洞小,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度大,海冰消融慢答案：23.C【命題意圖】本題主要考查影響氣溫的因素，以及區(qū)域認(rèn)知、綜合思維核心素養(yǎng)?！菊_項(xiàng)分析】南極地區(qū)以南極洲（陸地）為主，下墊面比熱小，吸熱升溫快，海冰消融速度較快，C正確。【錯(cuò)誤項(xiàng)分析】讀圖可知，左圖2一3月海冰面積最大，8一9月海冰面積最小，為北極地區(qū)；右圖9月海冰面積最大，2月海冰面積最小，為南極地區(qū)。北極地區(qū)海冰面積從約1300萬(wàn)km2消融縮小到約500萬(wàn)km2用了約5個(gè)月，南極地區(qū)海冰面積從約1600萬(wàn)km2消融縮小到約200萬(wàn)km也用了約5個(gè)月，說(shuō)明南極地區(qū)海冰的消融速度較快，故A、B錯(cuò)誤。臭氧能夠吸收太陽(yáng)輻射中的紫外線(xiàn)，削弱到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射，與南極地區(qū)相比，北極地區(qū)臭氧空洞小，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較小，加之北極地區(qū)以海洋為主，下墊面比熱大，吸熱升溫慢，從而導(dǎo)致北極地區(qū)海冰消融速度較慢，C正確、D錯(cuò)誤。四、空氣的增溫和冷卻根據(jù)分子運(yùn)動(dòng)理論，空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，它實(shí)質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)。當(dāng)空氣獲得熱量時(shí)，其內(nèi)能增加，氣溫也就升高；反之，空氣失去熱量時(shí)，內(nèi)能減小，氣溫也就隨之降低?？諝鈨?nèi)能變化既可由空氣與外界有熱量交換而引起；也可由外界壓力的變化對(duì)空氣作功，使空氣膨脹或壓縮而引起。在前一種情況下，空氣與外界有熱量交換，稱(chēng)為非絕熱變化；在后一種情況下，空氣與外界沒(méi)有熱量交換，稱(chēng)為絕熱變化。改變氣溫的方式：得失熱量—非絕熱變化改變氣溫的方式：得失熱量—非絕熱變化；外力作功，膨脹、收縮改變內(nèi)能—絕熱變化。(一）氣溫的非絕熱變化空氣與外界交換熱量有如下幾種方式，即傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流、湍流和蒸發(fā)凝結(jié)（包括升華、凝華)。1.傳導(dǎo)空氣是依靠分子的熱運(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，其作用僅在貼地氣層中較為明顯。因在貼地氣層中，空氣密度大，單位距離內(nèi)的溫度差異也較大。2.輻射是物體之間依各自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，這樣它們之間就通過(guò)長(zhǎng)波輻射的方式不停地交換著熱量。空氣團(tuán)之間，也可以通過(guò)長(zhǎng)波輻射而交換熱量。3.對(duì)流當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí)，周?chē)涠氐目諝獗阆陆祦?lái)補(bǔ)充（圖2·18），這種升降運(yùn)動(dòng)，稱(chēng)為對(duì)流。通過(guò)對(duì)流，上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交換，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(chēng)為湍流，又稱(chēng)亂流（圖2·19）。湍流是在空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過(guò)粗糙不平的地面時(shí)產(chǎn)生的。有湍流時(shí)，相鄰空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，熱量也就得到了交換。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。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)熱量傳遞方式：地面—大氣間靠輻射；大氣內(nèi)部—對(duì)流、湍流；海面—大氣間靠潛熱輸送。（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)使熱量傳遞方式：地面—大氣間靠輻射；大氣內(nèi)部—對(duì)流、湍流；海面—大氣間靠潛熱輸送。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。由于大氣中的水汽主要集中在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。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。(二)氣溫的絕熱變化1.絕熱過(guò)程與泊松方程大氣中進(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)熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過(guò)程，叫做絕熱過(guò)程。在大氣中，作垂直運(yùn)動(dòng)的氣塊，其狀態(tài)變化通常接近于絕熱過(guò)程。當(dāng)升、降氣塊內(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(chēng)作干絕熱過(guò)程。要求出在絕熱過(guò)程中氣溫的變化，必須應(yīng)用熱力學(xué)第一定律。如有Q熱量加到一個(gè)孤立的氣體系統(tǒng)中，該熱量可分為兩部分，即增加該系統(tǒng)的內(nèi)能(dE)及對(duì)外所作的功(dW)。因此，對(duì)于空氣，熱力學(xué)第一定律可以寫(xiě)成dQ=dE+dW(2·24)對(duì)于理想氣體來(lái)說(shuō)，氣體內(nèi)能就是其分子運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。對(duì)1g氣體而言，它等于Cv×T(T為氣體溫度，Cv為定容比熱)。當(dāng)氣溫變化為dT時(shí)，其值為dE=Cv×dT(2·25)(2·24)式右邊第二項(xiàng)為在定壓狀況下氣體膨脹時(shí)所作的功。如以P表示壓力，V表示氣體比容，則dW=PdV(2.26)將(2·25)、(2·26)式代入(2·24)式，得dQ=Cv×dT+P×dV(2·27)利用狀態(tài)方程PV=RT，對(duì)它進(jìn)行微分，則有P×dV+V×dP=R×dT(2·28)將(2·28)式代入(2·27)式，消去PdV,并用Cp=Cv+R表示氣體的定壓比熱，得dQ=Cp×dT—(RT×dP)÷P(2·29)氣團(tuán)膨脹上升，排開(kāi)周?chē)諝?，做功損失內(nèi)能，溫度降低氣團(tuán)膨脹上升，排開(kāi)周?chē)諝?，做功損失內(nèi)能，溫度降低。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)量空氣由于熱傳導(dǎo)、輻射引起的熱量變化；Cp是空氣的定壓比熱。如果討論的對(duì)象是單位質(zhì)量的干空氣，實(shí)測(cè)Cp=1.005J/(g·K)；R為比氣體常數(shù)，對(duì)干空氣來(lái)說(shuō)，比氣體常數(shù)Rd=0.287J/(g·K)。當(dāng)系統(tǒng)是絕熱變化時(shí)，即dQ=0時(shí)，其狀態(tài)的變化，即向外作功是要靠系統(tǒng)內(nèi)能負(fù)擔(dān)，(2·29)式可寫(xiě)為Cp×dT—(RT×dP)/P=0(2.30)上式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)，壓力減少，dP<0，這時(shí)Cp×dT<0，因而溫度要降低；當(dāng)空氣質(zhì)點(diǎn)下沉?xí)r，壓力增加，dP>0，這時(shí)Cp×dT>0，因而溫度要升高。對(duì)(2·30)式在(P?，P)及(T?，T)范圍內(nèi)積分可得終態(tài)溫度/初態(tài)溫度=(終態(tài)氣壓/初態(tài)氣壓)的(比氣體常數(shù)/定壓比熱)次方(2·31)因?yàn)楸葰怏w常數(shù)/定壓比熱=0.287J/(g·K)÷1.005J/(g·K)≈0.286，則終態(tài)溫度/初態(tài)溫度=(終態(tài)氣壓/初態(tài)氣壓)的0.286次方(2·32)(2·32)式是干絕熱方程，亦稱(chēng)泊松方程。它給出了干絕熱過(guò)程氣塊初態(tài)(P?，T?)和終態(tài)(P，T)之間的內(nèi)在聯(lián)系，即絕熱變化時(shí)溫度隨氣壓變化的具體規(guī)律。例如初態(tài)為P?=1000hPa，T?=273K，就可以算出氣壓變?yōu)?050hPa時(shí)，溫度將變?yōu)?76.7K；當(dāng)氣壓變?yōu)?00hPa時(shí)，溫度將變?yōu)?65K。2.干絕熱直減率和濕絕熱直減率氣塊絕熱上升單位距離時(shí)的溫度降低值，稱(chēng)絕熱垂直減溫率（簡(jiǎn)稱(chēng)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(chēng)干絕熱直減率，以γd表示，即γd=一(dTi)/(dZ)d其中i表示某一氣塊。將(2·30)式等號(hào)兩邊同除以dZ并整理，則干絕熱垂直遞減率=—比氣體常數(shù)×氣團(tuán)溫度×(氣壓的積分/高度的積分)(2·33)對(duì)于所討論的大多數(shù)大氣過(guò)程而言，能夠滿(mǎn)足準(zhǔn)靜力條件，即氣塊的氣壓Pi，時(shí)時(shí)都與四周大氣的氣壓P處于平衡，即Pi=P及Pi+dPi=P+dP。氣溫隨高度呈層結(jié)分布，一般海拔每高出100米氣溫隨高度呈層結(jié)分布，一般海拔每高出100米，氣溫約低0.65℃。又因?yàn)?氣壓的積分/高度的積分)=一大氣的密度×重力加速度此為靜力學(xué)基本方程。再運(yùn)用狀態(tài)方程(2·33)式則為γd=(g/Cp)×(Ti/T)在實(shí)際大氣中，T與Ti之差通常不超過(guò)10度，以絕對(duì)溫標(biāo)表示的比值于接近于1，所以常取干絕熱垂直遞減率=重力加速度/空氣的定壓比熱(2·34)若忽略g隨高度和緯度的微小變化及Cp隨溫度的微小變化，取g=9.81m/s2，Cp=1005m2/(s2·K)，以度/100m為γd的單位，則γd≈0.98K/100m(或0.98℃/10m)實(shí)際工作中取γd=1℃/100m，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：γd與γ(氣溫直減率)的含義是完全不同的。γd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γ是表示周?chē)髿獾臏囟入S高度的分布情況。大氣中隨地—?dú)庀到y(tǒng)之間熱量交換的變化，γ可有不同數(shù)值，即可以大于、小于或等于Yd。如果氣塊的起始溫度為T(mén)0，干絕熱上升△Z高度后，其溫度T為T(mén)=T0—γd×△Z(2·35)下面來(lái)討論飽和空氣絕熱變化的情況：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減溫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。所以飽和濕空氣絕熱上升時(shí)因膨脹而引起的減溫率恒比干絕熱減溫率小。飽和濕空氣絕熱上升的減溫率，稱(chēng)為濕絕熱直減率，以γm表示。設(shè)1g飽和濕空氣中含有水汽qsg，絕熱上升，凝結(jié)了dqsg水汽，所釋放出的潛熱為dQ=—Ldqs(2·36)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，dqs<0，則dQ>0；當(dāng)水分蒸發(fā)時(shí)消耗熱量，這時(shí)dqs>0，則dQ<0。應(yīng)用飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律的形式，則為—Ldqs=Cp×dT—(RT×dP)/P(2·37)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)有考慮其它的熱量，所以(2·37)式又稱(chēng)為濕絕熱方程。干氣團(tuán)每上升100米，氣溫降低1℃干氣團(tuán)每上升100米，氣溫降低1℃；濕氣團(tuán)冷凝放熱，故溫度降低得慢一些。飽和濕空氣上升時(shí)，方程(2·37)可寫(xiě)成dT=RT×dP/(Cp×P)—L×dqs/Cp(2·38)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，dP<0，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)，dqs<0，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將比沒(méi)有水汽凝結(jié)時(shí)要緩慢。類(lèi)似于求干絕熱直減率γd的推導(dǎo)，可得dTi/dZ=—g×Ti/(Cp×T)—L×dqs/(dZ×Cp)(2.39)或近似地：溫度變化量/高度變化量=—重力加速度/定壓比熱—水的凝結(jié)潛熱×水汽變化量/(空氣的定壓比熱×高度變化量)=—干絕熱直減率—水的凝結(jié)潛熱×水汽變化量/(空氣的定壓比熱×高度變化量)(2·40)由此，濕絕直減率γm的表達(dá)式可寫(xiě)成：干絕熱直減率+水的凝結(jié)潛熱×水汽變化量/(空氣的定壓比熱×高度變化量)(2·41)當(dāng)飽和濕空氣上升時(shí)，高度變化量>0，水汽變化量<0，則二者之比<0；下降時(shí)，高度變化量<0，水汽變化量>0，則二者之比<0，所以γm總小于Yd。此外，由于(水汽變化量/溫度變化量)是氣壓和溫度的函數(shù)，所以濕絕熱直減率不是常數(shù)，而是氣壓和溫度的函數(shù)，表2·4給出不同溫度和氣壓下γm的值。由表可見(jiàn)，Ym隨溫度升高和氣壓減小而減小。設(shè)問(wèn)：解釋隨著濕空氣升高設(shè)問(wèn)：解釋隨著濕空氣升高，其溫度下降的速度遞減的原因？這是因?yàn)闅鉁馗邥r(shí)，空氣的飽和水汽含量大，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。圖2·20為干、濕絕熱線(xiàn)的比較，干絕熱線(xiàn)直減率近于常數(shù)，故呈一直線(xiàn)；而濕絕熱線(xiàn)，因γm<Yd，故在干絕熱線(xiàn)的右方，并且下部因?yàn)闇囟雀?，γm小，上部溫度低，γm大，這樣形成上陡下緩的一條曲線(xiàn)。到高層水汽凝結(jié)愈來(lái)愈多，空氣中水汽含量便愈來(lái)愈少，γm愈來(lái)愈和γd值相接近，使干、濕絕熱線(xiàn)近于平行。3.位溫和假相當(dāng)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（高度）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)一定困難。為此，假設(shè)把氣塊都按絕熱過(guò)程移到同一高度（或等壓面上），就可以進(jìn)行比較了。把各層中的氣塊循著干絕熱的程序訂正到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)高度：1000hPa處，這時(shí)所具有的溫度稱(chēng)為位溫，以θ表示。根據(jù)泊松方程，即可得到位溫的表達(dá)式θ=T×(1000/P)o·2??(2·42)式中，T、P分別為干絕熱過(guò)程起始時(shí)刻的溫度和氣壓。從(2·42)式可以看出，位溫θ是溫度T和氣壓P的函數(shù)。在氣象學(xué)中，一般常用的熱力圖表以溫度T為橫坐標(biāo)，以壓力對(duì)數(shù)lnP為縱坐標(biāo)，稱(chēng)為溫度對(duì)數(shù)壓力圖解。該圖上的干絕熱線(xiàn)即為等位溫線(xiàn)，是根據(jù)(2·42)式繪制的。當(dāng)已知空氣的溫度和壓力時(shí)，我們可由熱力圖表直接讀出位溫θ來(lái)。顯然，氣塊在循干絕熱升降時(shí)，其位溫是恒定不變的。這是位溫的重要性質(zhì)。必須指出，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，又可導(dǎo)引出把潛熱影響考慮進(jìn)去的溫濕特征量。大氣中的水汽達(dá)到凝結(jié)時(shí)，一般是部分凝結(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)物便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(chēng)假絕熱過(guò)程。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(chēng)為假相當(dāng)位溫，用θse表示，根據(jù)高度不同的干濕兩氣團(tuán)比較熱狀態(tài)：先讓濕氣團(tuán)按濕絕熱升高降溫，使水汽耗盡，再按干絕熱下沉增溫，與干空氣到同一海拔比較。高度不同的干濕兩氣團(tuán)比較熱狀態(tài)：先讓濕氣團(tuán)按濕絕熱升高降溫，使水汽耗盡，再按干絕熱下沉增溫，與干空氣到同一海拔比較。θse=θ+Lq/Cp(2·43)式中，Lq是氣塊在1000hPa處，1g濕空氣所含水汽量的凝結(jié)潛熱，Cp是空氣的定壓比熱。由(2·43)式可以看出，