气温变化
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2006-9-30 3
判断大气稳定度的基本方法
气块在受到扰动后上升z高度后自身产生的加 速度取决于气块受到的合力。 气块受到的合力为浮力与重力之差： F= mg-m’g =(－’) V g , P, T 单位质量气块所受的力就是加速度，所以合 力产生的加速度：
’, P’, T’
用状态方程代入：
2006-9-30 15
1变化原因 地 地表面增热与冷却作用的影响 球 冷暖洋流 自 转 大气中的水平运动与垂直运动 2 变化特点 单波变化，一个高值，在14h,一 个低值，在日出前后 3 原因 注意两点：地面活动层，上层逆辐射
2006-9-30 16
• 影响气温日较差的因素： 1) 纬度(latitude) ：日较差随纬度减小。因高纬度 白天气温低、夜间有效辐射少。 2) 季节(season) ：夏季大、冬季小，但最大在春 季，最小在冬季 3) 地形(geographical relief)：凸地变幅小，凹地 变幅大，因为凹地白天散热慢，夜间有效辐射强 4) 下垫面性质(features of underlying surface)： 水面上日较差小，陆地上大 5) 天气(weather)：晴天日较差大于阴天
世界上最不怕冷的花，是出产在中国的雪莲， 即使-50℃，也鲜花盛开。
2006-9-30
30
• 人属于恒温动物，一般说来不会超出 35℃～42℃的范围，41℃时人体器官肝、 肾、脑将发生功能障碍，连续几天42℃的 高烧，足以致使成年人死命。体温降低将 导致血液生成减少 体温降低将直接影响下一代的生长发育2 体温降低造成动脉硬化 体温降低引起癌症高发
z
T 'T a g T
由此可见空气的稳定度取决于 气块与周围空气的温度差。
2006-9-30
0 , P0 , T0
0 , P0 , T0
4
' T ∴ RT ' RT ' => ' T
F1 G ' Vg '
m' T 'T g 1 m ' g ' ' T
2006-9-30 13
• 类似地可引出表示温度变化的特征量： • 平均温度(mean temperature)：日平均温度、年 平均温度 • 振幅(amplitude) — 又叫变幅、较差(range)，即 一个周期中最高值与最低值之差。 • 日较差(diurnal range) ：一天中气温最高值与最 低值之差 。 • 年较差(annual range) ：一年内最热月与最冷月 的月平均温度之差。 • 位相(phase)：温度最高值与最低值出现的时间 。
平展型 扇型
漫烟型 熏烟型
波浪型
锥型
2006-9-30
爬升型 屋脊型
12
大气温度随时间的变化
• 气温随时间的变化有两种周期：年变化和 日变化。 • 气温的周期性变化类似于正弦函数的变化， 因此可用与正弦函数类似的几个特征量来 表示其变化规律。 • 表示正弦函数的特征量有： • 平均值 • 振幅 • 位相
(设透明系数a=0.7，用数值积分法计算)
纬度 0 10
20
30
70 90 80 40 50 60
冬至
春分
2006-9-30
夏至
秋分
冬至
22
•
年较差的影响因素： 1、纬度： 这是对气温年较差影响最大的 因素。一般来说，气温年较差随纬度的升 高而增大。 原因：太阳辐射的年变化幅度随纬度的 增高而增大。因为一年中昼夜长短的变化 幅度随纬度增大。 2、海陆分布 3、海拔 4、气候干 湿 5、雨季
2006-9-30 18
• 原因 公转引起的季节变化 • 白露是全年昼夜温差最大的一个节气，古 代讲种植的《群芳谱》书中说："阴气渐重， 露凝而白也。"可见"白露"是表示天气渐凉， 空气中的水汽在夜晚常在草木等物体上凝 结成白色的露珠。俗语有"白露秋分夜，一 夜冷一夜"的说法。此时，昼夜温差增大， 白天温度还比较高，夜间温度却已较低， 一般昼夜温差在１０摄氏度至１５摄氏度。
2006-9-30 14
• 气温的周期性变化 (1)气温的日变化(diurnal variation) : 近地层气温的变化主要取决于下垫面温度 的变化，变化特点有： 1、位相比地面落后，且随高度的升高而 推迟。1.5m高处日最高温度出现在14~15 时左右，最低气温出现在日出前后。 2、振幅随高度的升高而减小。
2006-9-30 28
• —70℃ 北极最低气温 北极地区年平均气温北极地区年平均气温 在—15℃～—20℃之间，比南极年平均气 温高25℃，冬季时(1月)极夜期为180天， 最低气温在—70℃。低温可预防某些疾病， 生活在北极的爱斯基摩人是先靠吃海豹肉 和海豹油为主，当地人很少有心脏病、心 血管、高血压、关节炎等疾病。
2006-9-30 17
• (2)气温的年变化(annual variation) 特点： 回归线以外的地区为单波型：最高为7月, 最低为1月,海上落后一个月； 回归线之间赤道附近地区为双波型：最高 为4、10月，最低为7，1月。 原因：太阳直射点的季节变化，在赤道附 近地区，一年有两次太阳直射。
∴
T T ' ( d ) dZ
………………………………………③
dZm' g
将③代入②式，得
2006-9-30
d F1 G T
5
讨论： <1> d 0 气块上升时，dZ↗， F1 G 0 a 0 ，符合不稳定条件； 气块下降时，dZ↘。 F1 G 0 a 0 ，符合不稳定条件。 ∴ d 0 无论上升、下降均属于不稳定状态。 <2> d 0 气块上升， dZ↗， 气块下降，dZ↘。
2006-9-30 26
• 一、气温的水平分布 • 等温线及其意义 • 温度分布特点
2006-9-30
27
• —130℃ 地球最低气温 地球上最低温出现在南极最高峰—— 文生峰，这里年平均气温-129℃，夏日平 均气温-117.7℃。而地球上第一高峰珠穆 朗玛峰夏日平均气温也有-45℃，南极地区 的冷烈可见一斑。在南极的内陆，人们已 经测到-88.3℃的低温。
气象学与气候学 第二章 大气的热能和温度
大气温度的时间变化和空间分布
大气稳定度(atmospheric stability)
• 空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快 的过程； • 上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结，这是 大气中云、雾、雨、雪形成的最重要的原因； • 因此，判断大气中是否会产生云雾，主要就是看 大气中是否会产生上升运动； • 判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅 直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度。
2006-9-30
29
• 新中国成立后，新疆北部的一个气象站在1960年 1月20日以-50.7℃的低温首次打破了记录，接着 1月21日又以-51.5℃再创全国新记录。中国最北 的气象站——黑龙江省漠河气象站1968年12月 27日清晨测得了—50.9℃，而在1969年2月13日 漠河终于诞生了中国现有气象资料中的极端最低 气温记录：—52.3℃。
2006-9-30
2
大气稳定度(atmospheric stability)
• 大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平 衡位置的趋势和程度。 • 它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次，是 否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。假如有一团 空气受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动， 那末就可能出现三种情况： 1、如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度 的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是稳定的 (stable) ； 2、如空气团一离开原位就逐渐加速运动，并有远离起始高 度的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是不稳定的 (unstable) ； 3、如空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速，这时 的气层，对于该空气团而言是中性气层(neutral) 。
2006-9-30
8
③用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上 升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。
2006-9-30
9
稳定度的综合判定方法:
综合干空气和未饱和湿空气的判定方法，可归纳如下： <m 绝对稳定 m < <d 对干空气稳定，湿空气不稳定，此为条件性 不稳定； >d 绝对不稳定。 以上判定方法可用如下的数轴表示：
F1 G 0 百度文库 a 0
，稳定状态；
F1 G 0 a 0
，稳定状态。
在此状态下，不易扩散。 γ=0 等温；γ<0 逆温是稳定状态中更稳定的状态。 <3> d 0
F1 G 0 a 0 ，中性状态。 2006-9-30
6
2006-9-30
7
∴ 判断大气是否稳定：
m 条件性不稳定 d
绝对稳定 干稳湿中性
2006-9-30
干中性 湿不稳
绝对不稳定
10
不稳定能量
• 不稳定能量就是气层中可使单位质量空气 块离开初始位置后作加速运动的能量。 • 气层能提供给气块的不稳定能可分为下述 三种情况：
2006-9-30
11
大气稳定度对大气污染的影响
• 大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱 排出的烟羽形状不同。下面是与稳定度有关的五种典型烟流：
2006-9-30 23
由太阳直接辐射日总量的分布可知年较差的变化
2006-9-30
24
• 2.气温的非周期性变化(non-periodic variation of air temperature)
变化原因： 天气突变 大规模冷暖空气的活动
2006-9-30
25
大气温度的空间分布
• 气温垂直梯度： 气温随高度的分布，称为温度层结 (temperature stratification)。大气温度的铅直分 布一般用气温垂直梯度（气温直减率，vertical temperature gradient）来表示。 气温直减率（ ）：实际气层中高度每变化单位 高度时气温的降低值。 在对流层中，气温随高度 的升高而降低， >0 。 但 的值是随时、随地改变的，不是常数！ 请注意与d 、 m的区别！
T T0 dT
m ' g ……②
设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于 T 0，于是：
T ' T0 dT '
将 d
dT ' dT dZ 与 dZ 代入上式有：
T ' T0 d dZ ，T T0 dZ （对于未饱和空气干空气按 γd 变化）
对于未饱和空气、干空气，可利用 d 0 来判断； 而对饱和空气而言，用 m 0 来判别，
一般实验时用此法，但不实用，实际应用中常用另一种方法。 ②用位温梯度判别
d ∵ Z T
Z 0， d 时，气层稳定 ∴ 0， d 时，气层不稳定 Z 0， d 时，气层中性 Z
2006-9-30 20
基多是世界年温差最小的地方
1月 14.2 7月 14.6
2月 14.0 8月 15.0
3月 14.3 9月 14.8
4月 14.3 10月 14.3
5月 14.5 11月 14.3
6月 14.5 12月 14.4
2006-9-30
21
辐射日总量 (J/m2· d)
地面太阳辐射日总量的时空分布
2006-9-30 19
• 厄瓜多尔首都基多，原为古老的印第安人城市，是印加帝 国北部疆土的首都，城市建设与自然环境巧妙地融为一体， 加之拥有众多的名胜古迹，反映了拉美不同时代的发展特 色，1979年被联合国教科文组织列入世界文化与自然遗 产保护名录。 基多紧挨着赤道，是一座山城，海拔高度为2800米，为 世界上海拔高度第二的首都。这里群山环绕，周围绵延不 断的峻岭耸立着许多高峰，山顶上云雾缭绕，终年积雪。 赤道线附近的地方，本来应该象一个大火炉，然而基多夏 季的平均气温比我国的南京还要低许多。这儿经常下雨， 有时候天气晴朗，万里无云，突然间就乌云密布，大雨滂 沱。基多昼夜温差很大，夜间温度较低，需穿外套，而在 阳光明媚的下午却得准备脱下来。
判断大气稳定度的基本方法
气块在受到扰动后上升z高度后自身产生的加 速度取决于气块受到的合力。 气块受到的合力为浮力与重力之差： F= mg-m’g =(－’) V g , P, T 单位质量气块所受的力就是加速度，所以合 力产生的加速度：
’, P’, T’
用状态方程代入：
2006-9-30 15
1变化原因 地 地表面增热与冷却作用的影响 球 冷暖洋流 自 转 大气中的水平运动与垂直运动 2 变化特点 单波变化，一个高值，在14h,一 个低值，在日出前后 3 原因 注意两点：地面活动层，上层逆辐射
2006-9-30 16
• 影响气温日较差的因素： 1) 纬度(latitude) ：日较差随纬度减小。因高纬度 白天气温低、夜间有效辐射少。 2) 季节(season) ：夏季大、冬季小，但最大在春 季，最小在冬季 3) 地形(geographical relief)：凸地变幅小，凹地 变幅大，因为凹地白天散热慢，夜间有效辐射强 4) 下垫面性质(features of underlying surface)： 水面上日较差小，陆地上大 5) 天气(weather)：晴天日较差大于阴天
世界上最不怕冷的花，是出产在中国的雪莲， 即使-50℃，也鲜花盛开。
2006-9-30
30
• 人属于恒温动物，一般说来不会超出 35℃～42℃的范围，41℃时人体器官肝、 肾、脑将发生功能障碍，连续几天42℃的 高烧，足以致使成年人死命。体温降低将 导致血液生成减少 体温降低将直接影响下一代的生长发育2 体温降低造成动脉硬化 体温降低引起癌症高发
z
T 'T a g T
由此可见空气的稳定度取决于 气块与周围空气的温度差。
2006-9-30
0 , P0 , T0
0 , P0 , T0
4
' T ∴ RT ' RT ' => ' T
F1 G ' Vg '
m' T 'T g 1 m ' g ' ' T
2006-9-30 13
• 类似地可引出表示温度变化的特征量： • 平均温度(mean temperature)：日平均温度、年 平均温度 • 振幅(amplitude) — 又叫变幅、较差(range)，即 一个周期中最高值与最低值之差。 • 日较差(diurnal range) ：一天中气温最高值与最 低值之差 。 • 年较差(annual range) ：一年内最热月与最冷月 的月平均温度之差。 • 位相(phase)：温度最高值与最低值出现的时间 。
平展型 扇型
漫烟型 熏烟型
波浪型
锥型
2006-9-30
爬升型 屋脊型
12
大气温度随时间的变化
• 气温随时间的变化有两种周期：年变化和 日变化。 • 气温的周期性变化类似于正弦函数的变化， 因此可用与正弦函数类似的几个特征量来 表示其变化规律。 • 表示正弦函数的特征量有： • 平均值 • 振幅 • 位相
(设透明系数a=0.7，用数值积分法计算)
纬度 0 10
20
30
70 90 80 40 50 60
冬至
春分
2006-9-30
夏至
秋分
冬至
22
•
年较差的影响因素： 1、纬度： 这是对气温年较差影响最大的 因素。一般来说，气温年较差随纬度的升 高而增大。 原因：太阳辐射的年变化幅度随纬度的 增高而增大。因为一年中昼夜长短的变化 幅度随纬度增大。 2、海陆分布 3、海拔 4、气候干 湿 5、雨季
2006-9-30 18
• 原因 公转引起的季节变化 • 白露是全年昼夜温差最大的一个节气，古 代讲种植的《群芳谱》书中说："阴气渐重， 露凝而白也。"可见"白露"是表示天气渐凉， 空气中的水汽在夜晚常在草木等物体上凝 结成白色的露珠。俗语有"白露秋分夜，一 夜冷一夜"的说法。此时，昼夜温差增大， 白天温度还比较高，夜间温度却已较低， 一般昼夜温差在１０摄氏度至１５摄氏度。
2006-9-30 14
• 气温的周期性变化 (1)气温的日变化(diurnal variation) : 近地层气温的变化主要取决于下垫面温度 的变化，变化特点有： 1、位相比地面落后，且随高度的升高而 推迟。1.5m高处日最高温度出现在14~15 时左右，最低气温出现在日出前后。 2、振幅随高度的升高而减小。
2006-9-30 28
• —70℃ 北极最低气温 北极地区年平均气温北极地区年平均气温 在—15℃～—20℃之间，比南极年平均气 温高25℃，冬季时(1月)极夜期为180天， 最低气温在—70℃。低温可预防某些疾病， 生活在北极的爱斯基摩人是先靠吃海豹肉 和海豹油为主，当地人很少有心脏病、心 血管、高血压、关节炎等疾病。
2006-9-30 17
• (2)气温的年变化(annual variation) 特点： 回归线以外的地区为单波型：最高为7月, 最低为1月,海上落后一个月； 回归线之间赤道附近地区为双波型：最高 为4、10月，最低为7，1月。 原因：太阳直射点的季节变化，在赤道附 近地区，一年有两次太阳直射。
∴
T T ' ( d ) dZ
………………………………………③
dZm' g
将③代入②式，得
2006-9-30
d F1 G T
5
讨论： <1> d 0 气块上升时，dZ↗， F1 G 0 a 0 ，符合不稳定条件； 气块下降时，dZ↘。 F1 G 0 a 0 ，符合不稳定条件。 ∴ d 0 无论上升、下降均属于不稳定状态。 <2> d 0 气块上升， dZ↗， 气块下降，dZ↘。
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• 一、气温的水平分布 • 等温线及其意义 • 温度分布特点
2006-9-30
27
• —130℃ 地球最低气温 地球上最低温出现在南极最高峰—— 文生峰，这里年平均气温-129℃，夏日平 均气温-117.7℃。而地球上第一高峰珠穆 朗玛峰夏日平均气温也有-45℃，南极地区 的冷烈可见一斑。在南极的内陆，人们已 经测到-88.3℃的低温。
气象学与气候学 第二章 大气的热能和温度
大气温度的时间变化和空间分布
大气稳定度(atmospheric stability)
• 空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快 的过程； • 上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结，这是 大气中云、雾、雨、雪形成的最重要的原因； • 因此，判断大气中是否会产生云雾，主要就是看 大气中是否会产生上升运动； • 判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅 直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度。
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• 新中国成立后，新疆北部的一个气象站在1960年 1月20日以-50.7℃的低温首次打破了记录，接着 1月21日又以-51.5℃再创全国新记录。中国最北 的气象站——黑龙江省漠河气象站1968年12月 27日清晨测得了—50.9℃，而在1969年2月13日 漠河终于诞生了中国现有气象资料中的极端最低 气温记录：—52.3℃。
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大气稳定度(atmospheric stability)
• 大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平 衡位置的趋势和程度。 • 它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次，是 否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。假如有一团 空气受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动， 那末就可能出现三种情况： 1、如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度 的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是稳定的 (stable) ； 2、如空气团一离开原位就逐渐加速运动，并有远离起始高 度的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是不稳定的 (unstable) ； 3、如空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速，这时 的气层，对于该空气团而言是中性气层(neutral) 。
2006-9-30
8
③用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上 升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。
2006-9-30
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稳定度的综合判定方法:
综合干空气和未饱和湿空气的判定方法，可归纳如下： <m 绝对稳定 m < <d 对干空气稳定，湿空气不稳定，此为条件性 不稳定； >d 绝对不稳定。 以上判定方法可用如下的数轴表示：
F1 G 0 百度文库 a 0
，稳定状态；
F1 G 0 a 0
，稳定状态。
在此状态下，不易扩散。 γ=0 等温；γ<0 逆温是稳定状态中更稳定的状态。 <3> d 0
F1 G 0 a 0 ，中性状态。 2006-9-30
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∴ 判断大气是否稳定：
m 条件性不稳定 d
绝对稳定 干稳湿中性
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干中性 湿不稳
绝对不稳定
10
不稳定能量
• 不稳定能量就是气层中可使单位质量空气 块离开初始位置后作加速运动的能量。 • 气层能提供给气块的不稳定能可分为下述 三种情况：
2006-9-30
11
大气稳定度对大气污染的影响
• 大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱 排出的烟羽形状不同。下面是与稳定度有关的五种典型烟流：
2006-9-30 23
由太阳直接辐射日总量的分布可知年较差的变化
2006-9-30
24
• 2.气温的非周期性变化(non-periodic variation of air temperature)
变化原因： 天气突变 大规模冷暖空气的活动
2006-9-30
25
大气温度的空间分布
• 气温垂直梯度： 气温随高度的分布，称为温度层结 (temperature stratification)。大气温度的铅直分 布一般用气温垂直梯度（气温直减率，vertical temperature gradient）来表示。 气温直减率（ ）：实际气层中高度每变化单位 高度时气温的降低值。 在对流层中，气温随高度 的升高而降低， >0 。 但 的值是随时、随地改变的，不是常数！ 请注意与d 、 m的区别！
T T0 dT
m ' g ……②
设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于 T 0，于是：
T ' T0 dT '
将 d
dT ' dT dZ 与 dZ 代入上式有：
T ' T0 d dZ ，T T0 dZ （对于未饱和空气干空气按 γd 变化）
对于未饱和空气、干空气，可利用 d 0 来判断； 而对饱和空气而言，用 m 0 来判别，
一般实验时用此法，但不实用，实际应用中常用另一种方法。 ②用位温梯度判别
d ∵ Z T
Z 0， d 时，气层稳定 ∴ 0， d 时，气层不稳定 Z 0， d 时，气层中性 Z
2006-9-30 20
基多是世界年温差最小的地方
1月 14.2 7月 14.6
2月 14.0 8月 15.0
3月 14.3 9月 14.8
4月 14.3 10月 14.3
5月 14.5 11月 14.3
6月 14.5 12月 14.4
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21
辐射日总量 (J/m2· d)
地面太阳辐射日总量的时空分布
2006-9-30 19
• 厄瓜多尔首都基多，原为古老的印第安人城市，是印加帝 国北部疆土的首都，城市建设与自然环境巧妙地融为一体， 加之拥有众多的名胜古迹，反映了拉美不同时代的发展特 色，1979年被联合国教科文组织列入世界文化与自然遗 产保护名录。 基多紧挨着赤道，是一座山城，海拔高度为2800米，为 世界上海拔高度第二的首都。这里群山环绕，周围绵延不 断的峻岭耸立着许多高峰，山顶上云雾缭绕，终年积雪。 赤道线附近的地方，本来应该象一个大火炉，然而基多夏 季的平均气温比我国的南京还要低许多。这儿经常下雨， 有时候天气晴朗，万里无云，突然间就乌云密布，大雨滂 沱。基多昼夜温差很大，夜间温度较低，需穿外套，而在 阳光明媚的下午却得准备脱下来。