现代气候学基础II-第六章 地形对气候的影响

一般而言，从海平面至2500~3000米高度，大气逆辐射随高 度的减小更为显著，因此， • 有效辐射随高度的增高而增强 • 高于3000米，有效辐射略有减弱或不变
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沿阿尔卑斯山横断面南北两侧大气逆辐射和地面射 出辐射随高度分布的剖面图（单位：W∙m-2）
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• •
水平面上直接太阳辐射通量在各个太阳高 度角下均随高度的增高而增强 太阳高度角大，随高度的增强速度较慢
•
•
太阳辐射通量随海拔高度呈指数形式增强
其增加速度在实际大气条件下比干洁大气 条件下快
在实际大气(实线)和 干洁大气(虚线)条件 下直接太阳辐射随海 拔高度的变化
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1.2 散射辐射和总辐射随高度的变化
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二. 地形对气流的绕流作用
水平范围不大的山脊或孤立山峰
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三. 地形造成的局地环流与地方性风 (1) 高原季风 (2) 山谷风 (3) 焚风 气流越过山顶下沉绝热增温造成 (4) 峡谷风 气流通过峡谷地带加速前进造成 (5) 布拉风 从高地沿着坡面向下的暴风
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7月平均 日较差
1月平均 日较差
年较差
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对广阔平坦的高原 日较差大： • 白天因太阳照射地表强烈增温 • 夜间因大气中水汽含量少，有效辐射剧增而导致地表 强烈冷却 • 因此，高原上气温日较差与平原和高山相比显著增大
低纬高原年较差小： • 夏季月份平均太阳高度虽然较高，但因海拔高度较高， 温度并不太高 • 冬季月份平均太阳高度和昼长对温度的降低起到补偿 作用，因此温度并不过低
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2.5 大地形对冷空气的屏障效应 (1) 冷空气在屏障迎风面汇聚的堆积效应 天山北麓常形成冷空气湖
(2) 屏障背风面空气的增温效应 四川盆地的增温效应 (3) 气流越山的焚风效应
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我国一月海平面平均气温
高山雪被反射率的增 大对辐射差额的影响
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地形对辐射的影响
辐射随高度的变化
1) 直接辐射 —— 增强 2) 散射辐射 —— 减弱
3) 总 辐 射 —— 增强
4) 有效辐射 —— 增强 5) 辐射差额 —— 减弱
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2. 地形对温度的影响
(1) 青藏高原季风
在青藏高原，由于它与四周自由大气的热力差异，而 造成冬夏相反的盛行风系称为青藏高原季风。
夏季 冬季
热低压
冷高压
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高原季风的影响 1) 高原季风使我国冬夏对流层底层的季风厚度增大，我 国西南地区正处于青高的东南方，在这个方向上，高原季 风吹东北风，夏季吹西南风，这与底层季风方向完全一致， 两者叠加起来，遂使我国西南地区的季风厚度特别大，到 了夏季可以诱使热带西南季风向印度、缅甸侵袭，同时长 驱深入到达我国东部形成江南雨区。 2) 强劲的季风经圈环流，改变大尺度垂直环流 冬季 哈德莱环流（低纬度环流、正环流） 夏季 反哈德莱环流（逆环流）
2.1 自由大气中温度直减率的变化
• 大气吸收地表红外辐射和湍流热量输送而增温，随高度的增高， 气温逐渐降低，受地表的影响降低。
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温度直减率 • 在自由大气中，平均为0.65℃/100m 影响因子： • 太阳辐射强度 • 空气含水量（是否饱和） • 地表性质（地面辐射冷却，形成逆温）
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总辐射随高度的变化
• 总辐射一般随海拔高度而增强
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1.3 有效辐射和辐射差额随海拔高度的变化 (1) 有效辐射随高度的变化
• 取决于地面辐射和大气逆辐射的相对大小 • 地面辐射 地表温度（随高度而降低） • 大气逆辐射 大气中水汽尘埃含量（随高度减少）
拉萨山谷风特别强烈，一年中80%雨水集中在夜晚
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(3) 焚风
气流越山后从山上吹来的暖热而干燥的风
益：促进春季冰 雪消融，夏季谷 物提早成熟，农 作物向北推进。 害：干旱、火灾、 雪崩
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2.4 地形对土壤温度的影响
• 土壤温度因辐射收支差异，随坡向、坡度、季节和纬度而 发生变化 • 在地形和辐射条件相近的山坡上，土壤温度还与气候湿润 程度、植被、天气状况等因素有关，同时坡地上风速的大 小也是重要影响因子 • 由于太阳辐射通量随海拔高度而增强，山坡上的土壤温度 高于气温，并且土壤-空气的温度差随高度而增加
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2.2 地形对温度直减率的影响
• 山区气温的变化除受地表热量平衡状况的影响，还受与周 围自由大气之间的水平热量交换的影响。 • 在不同山区，由于各种因素的影响，气温随海拔高度的递 减率不同。
• 山区气温随海拔高度升高而降低，逐渐与自由大气接近， 且地形影响随高度减弱，气温递减率随高度增大。
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• 地形影响气候的方式：动力，热力
• 特别的如青藏高原等大地形，其巨大的障碍和热 力作用，以及复杂的地形和下垫面，对区域气候 甚至全球气候都会产生深刻的影响。
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• 地形对气候的影响，主要包括以下方面
不同海拔高度的起伏地形对辐射平衡各分量的影响及 其变化规律
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热高压
热低压
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冷低压
冷高压
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(2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 山谷风
在山区，白天地面风自谷底吹向山坡，夜晚则从山坡吹向谷底的风。
白天，坡上的空气比同高度上的自由大气增温强烈，于是暖空气沿坡上升，成为谷风 谷地上面较冷的自由大气，由于补偿作用从相反方向流向谷地
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(2) 辐射差额随高度的变化 • 自由大气中辐射差额总是负值 • 在起伏地形条件下，辐射差额随高度的变化与反射率 有关 – 对高度较大、起伏较小的高原，反射率的变化与植 被分布和地表形状有关，在积雪期反射率显著增大 – 对高度变化很大的山地条件，从一定高度开始终年 积雪，使反射率显著增大，导致吸收辐射降低，使 辐射差额随高度减小 – 在雪线以下，吸收太阳辐射增大，抵消有效辐射的 增大，使辐射差额随高度变化不大
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冬季低层 变化不大 (多低云)
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在山区， 气温直减率 夏季大、 冬季小
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2.3 地形对温度变化振幅的影响
• 在自由大气中，温度日变化振幅和年变化振幅一般较小， 且随高度而减小。 • 在特殊地形条件下，温度变化振幅增大。 凹陷地形条件下，白天或夏季受太阳照射增热后通风 不畅，热量不易散失，夜间或冬季从邻近高地流下的 冷空气径流使空气强烈冷却 在高原上，白天或夏季入射太阳辐射增加，夜间或冬 季有效辐射增大导致冷却加剧 在山顶等凸出地形条件下，温度变化受同高度自由大 气的影响，温度日振幅和年振幅都比较小 凹凸地形温度变幅规律：凸出地形温度振幅减小，凹 陷地形温度振幅加大
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气流连续越过两个山脊 • 第二个山脊位于第一个山脊背 风波的上升气流区域下前方， 两个背风波叠加，波动增强波 幅变大，背风波传播距离增大 • 第二个山脊位于第一个山脊背 风波的下沉气流区域下前方， 两个背风波位相相反，相互抵 消，背风波减弱
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3.3 局地环流与地方性风
• 晴空条件下，散射辐射到达量随海拔高度增加而减弱，但在起伏地形 条件下，受坡地反射辐射影响，散射辐射到达量随高度的变化变得复 杂，尤其是有雪被存在时更是如此。
散射辐射受云量影响 • 阴天，散射辐射随 高度增高而增强 • 晴天，散射辐射随 高度略有减弱 • 阴天的散射辐射大 于晴空条件下的散 射辐射，二者的差 值随高度有明显的 增大趋势。
起伏地形通过自身的动力和热力过程对气候运行、云 和降水的影响 不同高度的山地与同高度自由大气之间的温度差异以 及由此产生的局地环流
坡地的坡度和方位对各种气候要素的影响
山脉两侧气候的显著差异
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影响气候的地形因子：
1) 几何特征 突出地形：丘陵、山峰、山脊、山脉； 凹陷地形：盆地、谷地、峡谷、（平原）； 凹凸地形：鞍形山脊、隘口、重叠的山峦
•
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47oN处垂直于入射光线表面上的直接太阳辐射随高度的变化 （以占大气上界辐射日总量的百分数表示）
海拔高度(m) 200 1000 2000 大气上界直接太阳辐射日总 量(W· -2) m 3000
日期
12月15日
6月15日
37%
51%
48%
58%
56%
67%
61%
72%
488
谷风
谷风
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夜间，山坡上辐射冷却，使邻近坡面的空气迅速变冷，密度增大，沿坡面下滑 流入谷地，成为山风 谷底的空气因辐合而上升，并在谷地上面向山顶上空分流
山风
山风
拉萨山谷风特别强烈，一年中80%雨水集中在夜晚
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• 特点：山谷风是山区经常出现的现象，明显日变化，午后达到最大 有明显的季节变化，冬季山风强于谷风，夏季则谷风强于山风。 • 谷风以晴天或少云天气最发达 • 山风在阴雨天也会发生
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• 太阳辐射通量随高度而增强， 其垂直梯度随高度而减小 • 低海拔高度上，大气透明度 随高度增加而增大的速率较 大 • 太阳高度角大时比太阳高度 角小时垂直梯度略小
中亚山区垂直于光线表面上直接 太阳辐射通量(W· -2)随太阳高度 m 角和海拔高度的变化
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2) 地理特征 纬度，海拔，山脉的走向和方位，坡地的坡度和坡 向 3) 所处环境 海边，沙漠中，季风区或者是副热带高压区
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1. 地形对辐射的影响
1.1 直接太阳辐射随高度的变化
• 在山地条件下，随着海拔高的 的增加，大气光学路径、水汽 含量和气溶胶粒子的含量也随 之减小，因而大气透明度随海 拔高度的增高而增大。 但由于各地大气透明度的不同， 辐射通量最大值即使在同一高 度也不尽相同。
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3. 地形对气流的影响
3.1 地形的影响机制 地形对气流的影响表现为热力和动力效应 动力作用 地形对气流的机械强迫 热力作用 产生局地环流和地方性风 一. 大地形对气流的阻挡 (1) 迎风坡 (2) 背风坡 (3) 大地形的作用
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3.2 背风坡的流型
决定越山气流的运动特征的因子： • 风的垂直扩线 • 大气层结稳定度 • 山脉的形状
只有在稳定大气条件下，且气流垂直于条形山脉 时，才能在背风面建立起系统的流型
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• 当风速随高度基本不变的微风 条件下，整个山脊上空的气流 呈平滑的浅波越过山脊，垂直 运动微弱，也无气流下滑 • 当风速较强且随高度逐渐增加 时，气流在背风一侧翻转形成 定常涡旋，其上空气平滑流动 • 当风速垂直梯度很大，背风一 侧由扰动而引起波列，形成背 风波，在较低出现转子流，向 下风方传播，在摩擦作用下， 波幅逐渐减小。
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阴天条件下 • 海拔较低处云层较厚， 散射辐射随云量先增 后减 • 海拔较高处云层较薄， 散射辐射随云量增加 而加强，全天布满云 层时达最大。
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• 散射辐射日总量随海拔高 度的增高而增大 • 夏季月份太阳高度角较大， 因此散射辐射日总量随海 拔高度而增加更为明显
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无稳定雪被影响
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高山冰川区，辐射差 额随高度的减小，主 要是由反射率随高度 的急剧增大所引起的
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• 南北坡净辐射差异明显 – 年平均在低海拔处 – 夏季在高海拔处 • 辐射差额随高度减弱 • 高低海拔辐射差额的差别，晴天大于阴天
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Fundamental of Contemporary Climatology
第六章
地形对气候的影响
地形对气候的影响
• 纬度差异 沿着经向的不同气候带 • 海陆分布的影响 在同一气候带上发生显著不同 的大陆气候和海洋气候 • 大陆上地形与高度的差异 在同一气候带及海陆 相对位置一致的条件下，也会产生差别很大的气 候状况。