第一节 温度及其变化规律

一、热量平衡

热量一般有三种传递方式：传导（conduction）、对流（convection）和辐射（radiation）。这三种方式在不同环境下所起的作用不同，地面物体的温度主要取决于辐射差额，传导和对流的热交换也是主要决定因素之一；在陆地环境中，辐射交换更重要；而在水体中温度则主要由传导来决定。太阳辐射是地表面的热源，地面因吸收太阳辐射而增温，同时又不断放出辐射，即地面辐射。地面辐射是近地面层大气的主要热源。大气主要通过接收地面辐射增温，同时又向外辐射，其中射向地面的这部分辐射称为大气逆辐射，它也是地面热量的一个来源（图3-1）。地面辐射与大气逆辐射之差，称为地面有效辐射（γ）。因此，地面的辐射收入主要包括太阳直接辐射（S）和散射辐射（S′）以及大气逆辐射（Ea）；支出部分包括地面辐射（Ee）和地面对太阳辐射的反射［（S+S′）α］（α是地面反射率）。在白天晴朗天气条件下，地面热量平衡（R）公式为：

R=（S+S′+Ea）-［（S+S′）α+Ee］

R=（S+S′）-［（S+S′）α-（Ee-Ea）］

R=（S+S′）（1-α）-γ

夜间，S和S′都为0，R=-γ，γ为正值，因此R为负值，地面失去热量，温度处于下降状态；早晨，当太阳上升时，地表开始接收辐射能，当地表接收的辐射能大于地表有效辐射时，即R为正值时，温度开始上升，直到中午，温度达到最高值，此时R为0。午后，太阳辐射开始变弱，地面有效辐射逐渐超过所获得的太阳辐射能，即R为负值，地面温度开始下降。日落后，由于地面继续进行有效辐射，温度继续下降，直至日出前，温度达1天中最低值。如此周而复始。

由上可知，近地面的温度变化主要取决于太阳总辐射量的大小、地面对其的反射以及地面有效辐射三个因素的结合。当太阳总辐射量大时，温度升高快；地面介质不同，反射率也不同。当地表有植被覆盖时，反射率较小，吸收热量增加，温度增加较快；大气浓度高时，地面有效辐射变小，温度变化相对缓慢，因此多云对近地面日间和夜间温度变化的影响表现为：白天多云，云对太阳辐射的反射作用，造成地面气温不高；夜晚多云，这对地面起保温作用，使地面气温比无云时高。

二、温度的自然变化规律

温度的自然变化表现在空间变化和时间变化两个方面。

（一）温度在空间上的变化

纬度、海拔和大型水体（海洋和大湖泊等）是决定温度空间变化的三个主要因素，同时，地理方位和地形也是决定温度区域性变化的重要因素。地球表面上各地的温度随所处纬度、海拔高度和地形的不同而有很大差异。

1．纬度

纬度通过影响一个地区的太阳入射高度角的大小以及昼夜长短来影响太阳辐射量。纬度越高，太阳入射高度角越小，太阳辐射量越少，因此温度就越低；纬度越低，太阳入射高度角越大，太阳辐射量越多，温度也就相应高些。一般纬度每增高1°（约111 km），年均温约下降0.5℃～0.9℃（1月份为0.7℃，6月份为0.3℃）。我国领土辽阔，最南端为北纬3°59′，最北端为北纬53°32′，南北纬度相差为49°33′，因此，我国南北各地的太阳辐射量和热量相差很大。表3-1列举了我国不同地区温度各要素的变化情况。从表中可以看出，随着纬度增加，年均温、最热月均温、最冷月均温总体均呈降低的趋势，温度年较差值增大，大于20℃、15℃、10℃的月数减少，小于0℃的月数增加。另外，随着纬度增加以及季节不同，昼夜长短变化较大，冬季昼短夜长，夏季昼长夜短，高纬度地区所接收的太阳辐射变化较大，致使温度的变幅增加。

2．海拔

温度也会随海拔高度发生规律性的变化。随着海拔升高，虽然太阳辐射增强，但由于大气层变薄，大气密度下降，导致大气逆辐射下降，地面有效辐射增多，因此温度下降。一般海拔每升高1000m，气温下降5℃～6℃。北京市海拔52.3m，年均温为11.8℃，最冷月均温为-4.7℃；而处于相同纬度的五台山，海拔2894m，年均温为-4.2℃，最冷月均温为-19℃。气温随海拔的递减率在夏季大，冬季小。我国是一个多山的国家，海拔的变化范围为-293m（吐鲁番盆地）至8848m（珠穆朗玛峰），境内地形高低差异很大，对温度的变化产生了很大影响。

3．大型水体

对于地球上的温度而言，辐射并不是唯一的因子，传导和对流也起着非常重要的作用。海洋和湖泊等大型水体在夏季会贮存大量的热量使冬季吹过水面的大气暖化，致使靠近水体的陆地比不靠近水体的陆地温度相应高些；同样，夏季大型水体通过对流影响附近的陆地，使其温度有所下降。如美国 Alaska 海岸和挪威北部海岸1月份的气候比距离南部数千里的大陆中部还要温暖，而加拿大海岸受北方洋面的影响，使Labrador和Newfoundland的夏季气候比其他同纬度地区凉爽得多。

我国位于欧亚大陆的东南部，东面是太平洋，南面靠近印度洋，而西面和北面是广阔的大陆。由于我国气候属季风气候，夏季受热带海洋气团和赤道海洋气团的影响，盛行温暖湿润的海洋性季风气候，运行方向是从东或南向西或北推进；而冬季，受极地大陆气团的影响，盛行寒冷干燥的大陆性气候，运行方向从西或北向东或南推进。因此，我国受大型水体的影响显著，形成从东南到西北大陆性气候逐渐增强的温度变化规律。

4．地理方位和地形

地理方位不同，会有其区域性的气候变化特点，而地形的复杂将导致气候的改变，形成一些特殊的气候类型。

我国山体多，且地形复杂，因此小区域的气候类型较多。东西走向的山脉由于能够阻碍水汽对流，因此南侧温暖多雨，北侧寒冷少雨，造成山脉两侧气候类型极为不同，最直观的表现就是温度的变化。比如说焚风（foehn），指的就是出现在山脉背面，由山地引发的一种局部范围内的空气运动形式——过山气流在背风坡下沉而变得干热的一种地方性风，全年均可发生。这是由于湿润空气越过山脉时，被迫抬升失去水分（一般形成地形雨），并在山脉背风坡一侧下沉时增温，形成高温并且干燥的气流。因而气团所经之地湿度明显下降，气温也会迅速升高。我国不少地区有焚风，比较明显的有天山南坡、太行山东坡、大兴安岭东坡等，形成了独特的局部高温中心。

一些地形凹陷的特殊地带，如盆地、谷地等往往有其独特的温度变化规律。白天由于太阳辐射，地面温度升高的同时向外辐射热量，但封闭的地形使热量滞留其中，造成该区域温度比周围地区高；而夜间由于无太阳辐射，地面向外辐射冷空气，由于冷空气密度较热空气大而沿坡下沉，在凹陷处地表形成一层冷空气层，并将热空气抬升，从而形成一定范围内温度随海拔升高的逆温（temperature inversion）现象，有人将邻近地面温度升高最低地带称为“冷湖”。如河谷城市南京、武汉、重庆为“火炉”城市，在夏季晚上也很炎热，就是因为在夜间地面辐射冷却，近地面处形成一层冷空气。冷空气密度较大，顺山坡向下沉降聚于谷底，而将暖空气抬高至一定高度，形成气温下低上高的逆温现象，尤其是在晴朗无风、空气干燥的夜晚，这种辐射逆温最易形成（图3-2）。在城市地区，混凝土与沥青下垫面冷却较快，常易形成逆温层。由于逆温层的形成，空气交流极弱，热量与水分不易扩散，易形成闷热天气。此外，大气污染物的积累常会加剧大气污染的危害程度。

气温与坡向也密切相关。坡向不同，接受热量不均匀，因此温度变化较大。南坡接受的太阳辐射量最多，平地次之，北坡最少，而相应的温度却以西南坡温度最高，这是因为西南坡接受的辐射量较多而蒸发消耗较少。南坡、平地、北坡的温度依次递减，不同的温度变化以及其他环境因素的影响，使南北坡的小气候差异较大，南坡温暖干燥，北坡温度较低且湿润，这些特点决定了南北坡植物分布的不同，南坡多以喜温耐旱的种类居多，北坡则以耐阴喜湿者为主。另外，坡向所引起的温度差异随海拔升高而减小。所以在园林绿化上，南坡应多栽种阳性喜暖耐旱植物，北坡应多栽种耐阴喜湿植物。

（二）温度在时间上的变化

温度的时间变化可从冰期变化、季节变化和昼夜变化三方面表现出来。

从长时间的变化来看，温度可随冰期的来去发生变化，同时伴随着主要气候带的变迁。1988年，由来自全世界2000名权威气象专家组成的“联合国政府间气候变化专门委员会”（IPCC）对全球气候变化情况进行了评估，认为从上一个冰河时代到现在地球温度升高了9°F。人类从1880年业已开始对地球表面的温度进行网络化监测，20世纪全球温度升高了1°F，1990年以来，全球平均气温升高了0.3°F～0.5°F（Hamburg，1997）。1980年以来，已经出现了11年历史最高温度纪录，其中1995年为最高纪录。能量守恒的原理表明是人类影响了地球气候的变化，据IPCC估计：在未来的100年，地球表面气温将上升2°F～6.5°F，保守值也将在3.5°F，而根据过去1万年的经验，其上升速度可能会更快。气候模型显示21世纪地球温度将上升3.5°F，大气升温的后果将导致海平面上升10～25cm。上述变化随纬度升高而加快，陆地比海洋变化快，同时从黑夜到白天的温度变化有所减小。

温度还表现为季节性变化。我国地处亚热带和温带，大部分地区一年中根据气候寒暖、昼夜长短的节律变化，可以分为春、夏、秋、冬四季，一般冬季平均气温低于10℃，春、秋季均温在10℃～22℃之间，夏季均温高于22℃。我国大部分地区位于亚热带和温带，一般是春季温暖，昼夜长短相差不大；夏季炎热，昼长夜短；秋季和春季相似；冬季则寒冷干燥而昼短夜长。但由于各地所处位置及气候条件不同，四季长短及开始日期有很大差异（表3-2）。温度年较差（annual temperature difference），即一年内最热月与最冷月的均温差值是衡量温度季节变化的指标。温度年较差受纬度影响显著，一般赤道地区的年较差最小，随着纬度的升高，年较差呈递增趋势。

温度的昼夜变化也有规律性。一般气温的最低值出现在凌晨日出前。日出以后，气温上升，在中午13～14时达最高值，以后开始持续下降，直到日出前为止。昼夜温度的差值（气温日较差）一般随纬度的增加而减小，夏半年气温的日较差比冬半年要大，地形等其他因素也会对其产生影响。