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天气变化的物理原因:气温

发布时间:2020-05-25

大气的冷暖,是用空气温度(简称气温)来表示的。大气增暖气温升高,大气冷却气温便下降。要预报气温的变化,

首先必须弄清楚气温的变化及其原因。当然我们最关心的是近地面大气层的温度变化,闲为它对人类的生存和活动影响最大。下面所述及的一些问题,仅涉及近地面气层的温度变化及其原因。

1.气温的变化

气温的变化有周期性变化和非周期性变化两种。 一年之中,由春到夏,气温逐渐回升,由秋到冬,逐渐下降;一日之中,日出后气温回升,午后气温下降。年年如此,日日一样。气温的这种有规律的循环往鉍,称为周期性变化。这种变化,是由于地面辐射热收支的周期性变化而引起的。

除了上述周期性变化外,气温还有非周期性变化,这在日常生活中是经常遇到的。例如在春季,气温并不是持续稳 定的回升,而是升降交替螺旋式的上升。在秋季,气温也并不是持续稳定的下降,而是降中有升螺旋式的下降。至于春 季有“倒春寒”,秋季有“秋老虎”,不是罕见的现象。就是在严冬,也并不总是北风呼啸,寒冷剌骨,还是有风和日丽,气 温回升的日子。

气温的非周期性变化,并不表现出有规律的周期往复,这正是我们日常做天气预报时所要关心的问题。春秋季的剧烈降温,会使农作物遭受冻害。夏季的持续高温,会影响人畜 的健康,这更是要特别注意的。

2.气温变化的原因

概括地说,引起气温变化的原因有三个:一个是外界(主要是地面)对大气的加热作用;一个是由空气的水平流动而 引起的空气与空气之间的热交换;再一个就是由空气的垂直 运动而引起的空气本身的内热变化。

(1) 地面加热

有人也许会认为:大气是由太阳直接晒热的。其实不然, 大气吸收太阳光能的本领很小,大气的直接热源不是太阳而 是地面。这是怎么一回事呢?

原来,地球表面一方面吸收太阳光能(气象学上称:太阳辐射能)不断增热,另一方面又不断的向大气和宇宙太空 散逸热量(称地面辐射)。地面得热超过失热时,地面增温; 反之,则地面降温。地面增势后,又通过地面辐射、分子传导和乱流(空气的一种不规则的、紊乱的运动)混合的方式, 将热量传给大气,使空气增温。地面降冷时,则大气也以上述方式将热量传给地面,气温便下降。大气吸收太阳辐射能 的本领虽然不大,但吸收地面辐射的能力却很强,而且通过乱流混合的作用,大气可从地面获得大量的热量。因此大气 的直接热源不是太阳而是地面。这正如火焰严能直接将水烧开,而必须先把锅烤热,然后通过分子热传、对流等方式, 使水温升高,直梦)沸腾一样。

由于太阳辐射有周期性的日、年变化,因此地温和气温也有周期性的日年变化。不过由于温度的升降,决定于热量收支的对比;同时热量的相互传递,也需要一个过程。因此 地温和气温的周期变化落后于太阳光能的周期变化。实际观相指出:一日中最高气温夏季出现在午后2 — 3点钟,冬季 在午后1 一2点钟,并不在正午,最低气温出现在日出前后。 一年中,最热月份,不是太阳光最强的六月,而是7 — 8月 份;最冷月为1 — 2月份。

由此可以看到:地面辐射热收#的变化,是气温变化的重要原因之一。当然我们会很自然地想到:如果有某种原因, 使得地球表面辐射热收支发生改变,那末气温也会跟着变化。 事实确是这样。

天空中的云层,特别是浓厚的低云,对地面辑射热收支的影响最大。白天云层阻止太阳直接照射地面,地面得热少, 气温便不易回升。夜间则相反,云层犹如一床被子,覆盖于地面和飫层大气之上,挡住了它们向宇宙太空失散的热量,气溢不易下降。所以,.晴天时,白天最高气温高,夜晚最低气 温低,日温差大。阴天则相反,日温差小。

地面对大气的加热作用中,近地面层中水汽含量的影响 不可忽视。水汽含量丰富时,可以阻挡地球大气向宇宙太空失散热量,同时水汽在夜间凝结时,还会向低层大气放出一部分热量。因此空气湿度较大时,夜间气温也不易下降,这在霜冻预揮时应予以注意。

地面积雪对于气温的影响是很大的。大家都有“下雪不冷融雪冷”的经验。白天,雪覆盖对太阳辐射有强烈的反射作用,使地面获得的太阳能减少,因而气温不易回升。夜间, 雪面肉宇宙太空散热的本领却很大,地面失热多,使气温急降。此外,由于雪面蒸发加大,需要消耗一部分热量,也使气温降低。因此有积雪时,无论是白天还是夜间,气温都较低。

(2)空气的平流 

空气在不停息的运动着,有水平的流动,也有上下的垂直流动。空气的水平流动,.会引起水平方向上热量的交换,使气温发生变化。例如:一堆冷空气,向着原来温暖的地方流动(称冷平流),将使这个地方变冷,气温下降。一堆暖空气, 向着寒冷的地方流动(称暖平流),将使这个地方变暧,气温上升。这躭是说,对于一个固定的地区来说,受冷平淹的影响,预示未来将有北方冷空气侵入,气温将下降,冷空气越 强,降温越剧烈;受暖平流影响,预示未来将有南方暖空气 到来,气温上升,暖空气越强,升温越甚。

(3)空气内热的改变 

空气内热的改变空气作垂直运动时,会引起空气内热的改变,使气温发生变化。

大家都有这样的经验,一个气球,不断上升,升至一定 高度后,便会爆炸破裂。这是什么原因呢?原来,离开地面越高,空气越稀薄,周围大气对于球皮的压力越来越小,于 是气球不断膨胀其体积,力图凑球内气体施于球皮的压力与 大气雉于球皮的压力相等。当球皮不能忍受日益膨胀的气球体积时,终于爆破。

空气在作垂直上升运动时,体积也会逐渐增大。也就是说,空气块不断膨胀,对外作功。空气块对外作功,必然要消耗能量,这能量从嗛里获得呢?空气块在作上升运动时,与外界的热量交换,仅限于气块外围,对于整个气团来说是微不足道的。这就是说,气团不能从周围大气获得能量。根据热力学第一定律,便可得知:在气块与外界没有热量交换(即绝热)的情况下,空气块体积膨胀,对外作功,所失去的热量,只有由降低自身的温度即释放内能来补充。相反,空气在作垂直下降运动时,体积会变小,即外力对气块作功,使 畤块温度升高。气温的这种变化叫绝热变化。

理论计算指出,一块没有被水汽饱和的干空气,每上升 100米降温1℃,每下降100米, 增温0.5℃;而对于被水汽饱和的湿空气来说,每上升100米 降温0.5℃,每下降100米,增 温0.5℃。这是因为被水汽饱和的湿空气,上升时并有水汽的凝结,水汽凝结时会释放潜热,使气块的温度下降得少些; 下沉时伴有水汽的蒸发,要消耗潜热,使气块的温度升得少些。

当气流作越山运动时,在山的迎风坡,空气作上升运动, 因冷却,将会使水汽凝结,形成云雨;而在山的背风坡,空 气作下沉运动,增温,空气又干又热,在气象学上,山后的这种又干又热的空气叫“焚风”。河北省西、北部是山区,不少地区处于山前地带,在作气温预报时,要考虑到这种“焚 风”对空气的增温作用。

上面分析了气温变化的种种原因。这里需要强调指出, 就日常天气预报而言,在考虑温度预报时,云和平流的影响最为重要。