大气温度
一、三种温标
一般说,温度表示物体冷热的程度,这只是从现象上说。从科学意义上讲,温度实际上是表示物体分子运动的速度,它反映物体内能的大小。当物体获得热量时内能增加,温度就升高;当物体失去热量时,内能减少,温度就降低。所以,物体温度的升降取决于外来热量的多少。物体的温度条件,还取决于该物体的比热大小。以同样多的热量给予比热大的物体,它的温度升高得少;而给予比热小的物体,它的温度升高就大。
用来测量温度的单位是度。经常使用的有三种温标,一是摄氏温标。它把在标准压力下纯水溶解和纯水沸腾的温度作为基点,把两个基点之间的距离分成100等份。纯水溶解的温度定为0℃,而纯水沸腾的温度定为100℃,它们之间每一等份称1℃。
二是华氏温标,在标准大气压下,冰的熔点为32℉,水的沸点为212℉,中间有180等份,每等份为华氏1度。水的溶解点相当于32F,而沸腾点相当于212F。所以华氏温标基点间的距离分成为180等份。
三是开氏温标,又称为绝对温标。在这个温标上,把干空气体积变成零的温度取为0K,它相当于-273℃,水的溶解点相当于273K,而沸腾相当于373K。
在气象学和人们的生活中,常用摄氏温标。但是在说英语的国家,如英国、美国、加拿大、澳大利亚和印度等国,多采用华氏温标。而在科学研究中,最好使用恺氏温标。
二、气温、地温和水温
人们通常用大气温度来表示大气的冷热程度,称为大气温度或气温。这是为了区别于土壤温度(土温)和水体温度(水温)来说的。如果不是为了这种区别,我们说温度,就是指气温,也不会造成人们误解。
因为大气的热量主要要来自地面,地面的性质和状况又有很大差别,海洋和陆地,高山和平原,沙漠和森林,潮湿地区和干燥地区等等,不同的地面情况对大气温度的影响也不相同。
海洋和陆地的差别最有代表意义。例如,在某一纬度上到达地面的太阳辐射能量相同,可是结果并不一样。陆地上剧烈升温,海洋上升温却十分和缓,为什么呢?仔细分析,至少有以下原因:
第一,陆地的反射率大于海洋水面。导致陆地实际吸收的太阳辐射比海洋少10%~20%,由于这个原因,陆地升温应比海洋大,而冷却则比海洋快。
第二,陆地对各种波长的太阳辐射都不透明,吸收的太阳辐射都用在加热很薄的陆地表面。水面虽然对红色光和红外线不透明,但对可见光其余部分和达到水面的紫外线都是透明的,这一部分辐射能量可以达到海洋的深层。
第三,岩石和土壤都是不良导体,传导到土壤下层的热量很少。水却相反,有很高的传导本领,得到的太阳辐射能很快地向下层传导。
第四,岩石和土壤不能上下左右流动,海洋上却有波浪、洋流和对流进行热量的水平输送和垂直交换。
第五,岩石和土壤的比热,小于水体的比热。岩石的比热约为0.8368焦/克·度;水比热是4.184焦/克·度。如果将4.184焦热量给1克水,温度可升高1℃;如果将4.184焦热量给1克岩石,温度可升高5℃。
第二到第五个原因,使陆地得到的太阳辐射只集中于表层,导致地面迅速而剧烈地升温,从而加强了地面和大气的感热交换。而水面则将太阳辐射的一部分向下层传播,使水温不断升高,传给大气的感热自然减少。
第六,海面有充足的水源供应,蒸发强烈,消耗了水面很多热量,使水温升不高,减少了空气的感热交换,但是热量多以潜热形式被带到大气中。感热是可以感觉到的热量,能立即使气温升高;潜热暂时不能升温,只有当水汽凝结时,才能释放潜热,加热大气。
由此可见,即使在同样太阳辐射条件下,地温和水温之间仍有很大差别。它们的大气热量交换方式(是感热还是游热)和数量都不相同,从而产生天气和气候的差异。
地球上天气和气候的差异,并不仅仅发生在海洋和陆地之间,即使都在陆地上,沙漠和森林,荒地和农田,干燥地区和潮湿地区,山脉的向风坡和背风坡,阳坡和阴坡等等,天气和气候也不相同。但是,在一定程度上都与地面干燥或潮湿情况有关。相对干燥的地面更接近一般陆地表面情况,相对潮湿的地面更接近水面的情况,只是差别没有陆地和海洋对比那样突出罢了。
三、温度的横向变化
由于太阳辐射是随纬度增加而减少的,所以,就整个地球来说,气温是从赤道向两极递减的。不过这个规律往往受到其他因素干扰,在同一纬度上,温度并不一定相等。特别是在高纬度地区,海陆间的温度相差很大。为了说明单纯的纬度对温度的影响,人们就以纬度平均气温来比较,办法是从各月与年等温线图上,求取每隔10°纬度圈上等距36点的温度,然后加以平均,就可以得到各纬度的纬度平均气温。通常是计算0°、10°、20°、30°直到80°的纬度平均气温。这样做的好处就是把纬度以外的影响互相抵消掉了,只剩下纬度的影响。从纬度平均气温看,气温随纬度增加而降低的规律就十分明显。无论在南北半球,都是从赤道向两极逐渐降低的。赤道是26.2℃,到纬度55°附近变成负值,到极地都在-20℃以下。不过有趣的是,地球最热的纬度并不是赤道,而是在北半球纬度10°的地方,这个纬度被称为“热赤道”。赤道只有在北半球冬季才是最热的纬度,到7月份,最热的平均气温已经移到北纬20°。在南半球,因为海洋面积大,纬度平均气温随纬度增加而降低的规律更加明显。
气温的年较差是一年中最热月平均气温与最冷月平均气温的差值。从热赤道向两极年较差是增加的。西沙(北纬16°50′)年较差只有6.0℃,漠河(北纬53°28′)却高达50.0℃。这个特点与冬夏季太阳辐射的差值向极地增加有直接关系。不过南半球各纬度的年较差都比北半球小,这与南半球海洋面积远远大于陆地面积的情况有很大关系。
四、冬暖夏凉与冬冷夏热
我们已经知道海洋和陆地温度有很大差别。海洋对温度有很大的调节功能,当太阳辐射强的时候,海洋能吸收大部分辐射热。并通过海水内部的热量交换,将大量热量储存起来。当太阳辐射减弱的时候,海洋又能将储存的热量释放出来。所以,海洋与陆地相比,有冬暖夏凉的特点,陆地则是冬冷夏热,地球表面海陆分布很不均匀,北半球陆地面积比南半球约大一倍,海洋面积则比南半球小,所以,北半球夏季比南半球热,冬季比南半球冷。北半球夏季平均温度22.4℃,南半球只有17.1℃,北半球冬季平均温度8.1℃,南半球却有9.7℃。
在高纬度,大陆的影响冬季比夏季显著,冬季大陆降温剧烈,而夏季升温却不很大。例如,在北纬40°附近,沿海的天津1月为-4.0℃,而内陆到呼和浩特降到-8.1℃,共降低了4.1℃,而在7月天津是26.4℃,到呼和浩特升到27.9℃,只升高1.5℃。在低纬度,大陆的影响夏季比冬季显著,夏季大陆升温剧烈,而冬季降温却不大。例如,在北纬30°附近,7月杭州气温28.4℃,武汉28.8℃,共升高了0.4℃,而1月都是4.1℃。海陆影响在各个纬度之间有不同效果,说明海洋对气温的调节作用,在不同纬度不同季节都不相同。
五、温度的纵向变化
大气的主要热源是在地球表面,距离地面越远,气温就越低,气温随着高度增加而降低。难怪,宋朝苏东坡也发出感叹“高处不胜寒”。在山地,不同海拔高度地点的气温也是随海拔高度降低的,不过在山地的测点与低处平原的测点都接近地面热原。为什么也会有这种温度差别呢?原因是山地凸出于自由大气中,高山上的温度除了受本身的地面热源影响外,还受到自由大气温度的调节作用。山越高,山地地面温度与自由大气温度的差值就越大,自由大气对山地气温的调节作用就越明显。例如,庐山比九江高出1132米,冬季1月平均温度却从4.2℃降到-0.2℃;夏季7月从29.4℃降到22.5℃。冬季降低了4.4℃,夏季降低6.9℃。我们把两个地点的温度差除以它们的高度差(以100米为单位),就得到它们之间气温的温度梯度,九江与庐山的温度梯度1月是-0.39℃/100米,7月是-0.61℃/100米。
温度梯度不仅随季节变化,而且随地形具体情况也有很大差异,例如,在秦岭北坡就小于南坡,北坡年平均温度梯度-0.45℃/100米,南坡却有0.54℃/100米。主要原因是在冬季,北坡有冷空气经常聚集,减少了盆地与高山的温度差值。北坡冬季1月温度梯度只有-0.34℃/100米,而南坡处在冷气流的北风位置,1月仍有-0.54℃/100米,但在夏季这种情况并不存在,南北坡温度梯度都是-0.55℃/100米。另外,由于自由大气的调节作用,高山上的温度年变化和日变化也是随高度的增加而减少的,用最热月温度减去最冷月的温度的差值表示年变化,称为年较差。九江的年较差为25.2℃,到庐山就降到22.7℃,年较差不仅随高度减少也可因坡向不同而有差别。秦岭以北的西安年较差达27.6℃,到华山降到24.2℃,可是在秦岭以南的安康年较差只有24.2℃,与华山几乎没有差别。当然,这与安康纬度偏南,云、雾及降水较多也有很大关系。
六、气温的周期性变化
气温的日变化与年变化,是与太阳辐射日变化与年变化相联系的,是一种周期性变化。
从一天来说,气温一天中有一个最高值和最低值。日出后,随着太阳辐射增强,温度升高,由于地面热量传递给空气需要一定时间,所以气温的最高值出现在午后两点钟左右,随后气温逐渐下降,一直下降到清晨,在日出之前达到最低温度。最高温度与最低温度的差值,称为日较差,日较差也随纬度和季节有很大变化。这主要与正午太阳高度有关。在低纬度正午太阳高度大,太阳辐射日变化大,所以气温日较差也大,平均在12℃左右,而在高纬度只有3℃~4℃,夏季正午太阳高度比冬季大,所以夏季气温日较差也大于冬季。例如,长沙7月日较差为9.0℃,冬季1月只有5.7℃。地表性质对温度日变化影响很大,在热带,海洋上的气温日较差1℃~2℃,而在内陆常可达15℃以上,沙漠上常可达25℃~30℃,山谷的气温日较差大于山峰,凹地的日较差大于高山,干燥地区大于潮湿地区。雨天和阴天气温日较差明显小于晴天,而且很不规则。
从一年来说、气温的年变化也有一个最高值和最低值,但出现时间并不与太阳高度最高和最低值的时间(夏至与冬至)对应,而是要落后1~2个月。陆地落后较少,海洋落后较多。在内陆地区,7月最热,1月最冷;在海洋上或沿海地区,最热月是8月,最冷月是2月。最热月与最冷月的差值称为年较差。气温年较差是随纬度而增大的。海洋上冬暖夏凉,年较差比内陆小。沿海的天津年较差30℃,到内陆的呼和浩特增加到35℃。
七、气温的非周期性变化
气温的非周期性变化是指日与日之间的不规则变化,主要是由于天气变化引起的。寒潮暴发、冷空气活动、锋面移动、气旋活动等等,都可以引起气温的非周期性变化。“二、八月乱穿衣”,就是因为春、秋过渡季节,气温非周期性变化大的缘故。
八、气温的地理分布
气温在地球上的分布,以纬度、海陆分布和高度的影响最为突出。在纬度的影响下,气温随纬度升高而降低,同一纬度上的气温基本上是相同的。在海陆分布影响下,海洋性强的地方,冬天比同纬度温暖,夏天比同纬度凉爽;大陆影响强的地方,冬天可以把寒冷扩展到较低的纬度,夏天可以使炎热向较高的纬度延伸。大陆面积的大小,距海远近,盛行气流是离岸风还是向岸风,海洋洋流的性质,都可以决定海陆分布影响的程度。例如,欧洲处于大西洋的东岸,沿岸有墨西哥暖流经过,又处在西风位置,所以冬季很温暖,夏季温度也不高。随着深入内陆,海洋影响逐渐减弱,而大陆影响逐渐增强。世界上的绝对最高温度(63℃)出现在索马里境内;北半球最冷的地方出现在西伯利亚奥伊尔米亚康(-73℃),虽然距海都不远,但是不利的气流条件,使这些地方得不到海洋的调节,导致温度十分极端。世界最低温度-90℃,出现在南极大陆内部。我国漠河冬季最低温度-52.3℃,吐鲁番夏季最高温度49.8℃,都是在大陆内部地区。
在高度的影响下,山地和高原温度低于四周平原地区。例如,青藏高原冬季显得特别寒冷,1月温度都在-10.0℃以下,所以人们都称青藏高原为仅次于南极和北极的世界第三极。即使在夏季,青藏高原内部7月温度仍在10.0℃以下。
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