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15.1 逆温的概念
在对流层中,大体情况是气温随高度而降低。但是具体到对流层的不同高度,对流层的中层和上层受地表的影响较小,气温直减率的变化比下层小得多。具体来说:
- 上层温度直减率平均为 0.65~0.75℃/100m。
- 中层温度直减率平均为 0.5~0.6℃/100m。
- 下层(由地面至 2km)的温度直减率平均为 0.3~0.4℃/100m。
对于对流层下层,由于气层受地面增热和冷却的影响很大,温度直减率随地面性质、季节、昼夜和天气条件的变化亦很大。在一定条件下,对流层中也会出现气温随高度增高而升高的逆温现象。逆温层对云雾、垂直运动发生发展以及其他天气现象影响较大。下面来介绍逆温的几个种类。
15.2 辐射逆温
15.2.1 辐射逆温的形成原因
由于地面强烈辐射冷却而形成的逆温,称为辐射逆温。它的形成原因是:在白天,地面受太阳短波辐射加热后,温度迅速增加,靠近地面的空气由于热传导或湍流而增温;到了晴空的夜间,由于太阳短波辐射为 0,地面、雪面或冰面等向外发出长波辐射,近地面迅速降温。
有利于辐射逆温的几个因素:
- 低风速(若风太大,则大气中的垂直混合作用太强,不利于近地面的冷却);
- 黑夜持续时间较长;
- 干空气;
- 晴空。当地面的温度接近露点温度时可能有雾,这就是辐射雾(若夜晚有云,它将吸收地面的向外长波辐射,然后以较低温度分别向上和向下辐射长波,使地面不会强烈降温)。
15.2.2 辐射逆温的生消过程
如上图为辐射逆温的生消过程:
- 图(a):这是辐射逆温形成前的气温垂直分布情形,可以看到此时没有逆温。
- 图(b):日落前,地面开始辐射降温,近地面出现浅薄的逆温层。
- 图(c):到了晴朗无云或少云的夜间,地面很快辐射冷却,贴近地面的气层也随之降温。由于空气越靠近地面,受地表的影响越大,所以,离地面越近,降温越多,离地面越远,降温越少,因而形成了自地面开始的逆温。随着地面辐射冷却的加剧,逆温逐渐向上扩展,黎明前达到最强。
- 图(d):日出时,地面开始升温,太阳辐射逐渐增强,地面很快增温,逆温层被抬高,逆温逐渐自下而上地消失。
- 图(e):太阳辐射继续增强,逆温最终消失。
辐射逆温层的厚度往往只有 100m,但所处高度可能位于 10m 到 1km 不等。
15.2.3 辐射逆温在探空图的特征
辐射逆温在 T-lnP 图上的特征有:
- 逆温始于地面,地面经常是 T = T d T=T_d T=Td 或 T − T d T-T_d T−Td,这是因为逆温层下界与下垫面接触,湿度较大。
- 逆温层中温度廓线和露点廓线接近, T d T_d Td 几乎平行于等饱和比湿线,说明逆温层内空气混合充分,水汽垂直分布均匀。
- 逆温层顶以上 T T T 和 T d T_d Td 迅速减小,由于层结稳定,阻碍水汽向上输送,湿度较小,因而 T − T d T-T_d T−Td 大。
如下图为 08 时和 14 时探测得到的 T-lnP 图,绿色曲线为露点廓线,红色曲线为状态曲线,蓝色曲线为温度廓线。可以看到 08 时的近地面出现了非常浅薄的逆温(温度廓线往右微微倾斜上升后,又往左上升),而在 14 时的探空图上已经看不到逆温的出现。
15.2.4 辐射雾的形成与特征
辐射雾的形成需满足几个条件:
- 冷却条件:地面辐射冷却强,一般在晴朗少云的夜间或清晨。
- 水汽条件:近地面层水汽近饱和,湿度大。
- 层结条件:湍流弱,近地面气层比较稳定或有逆温存在。
- 风力条件:静风或轻风(1~3 米/秒)。
如下图所示,辐射雾在 T-lnP 图上的特征为:
- 近地面的露点廓线与温度廓线接近,有浅薄的湿层。
- 近地面的风速较低。
- 浅薄湿层的上面出现逆温。
15.3 平流逆温
15.3.1 平流逆温的形成原因
当暖空气平流到冷的下垫面上时,暖空气与冷地面之间不断的进行湍流热量交换。暖空气下层受冷的下垫面影响最大,降温强烈,形成一层浅薄的冷空气,而上层降温缓慢,从而形成平流逆温。平流逆温非常浅薄,只有数米或几十米。暖湿空气与下垫面的温差越大、暖湿空气的湿度越大,就越容易产生平流雾(不一定在地面产生)。
例如,暖空气水平移动到冷的地面或冷的水面上,会发生接触冷却作用,愈近地面的空气降温越多,而上层空气受冷地表面的影响小,降温减少,于是产生逆温现象。
平流逆温和辐射逆温的区别为:
- 平流逆温是基于空气的流动而形成,没有晴空少云的限制,风速可较大。
- 辐射逆温往往是局地形成,要求晴朗少云且微风。
15.3.2 平流雾的形成与特征
平流雾的形成需满足几个条件:
- 冷却条件:暖湿空气与冷下垫面的温差越大越有利。
- 水汽条件:暖湿空气的湿度要大。
- 层结条件:层结较为稳定,有逆温层存在。
- 风力条件:要有适中的风速(2~8 米/秒)和风向。
如下图所示,平流雾在 T-lnP 图上的特征为:
- 上干下湿:近地面气层接近饱和,近地面气层以上气层为干层。
- 风切变:逆温层中有中等强度的风切变,且风随高度顺转(暖平流)。
- 温差:暖湿气团与下垫面的温差较大。
如下图是一张探空图,此时当地出现了平流雾。可以看到图中有几个明显特征:
- 1000hPa 以下近地面气层接近饱和,1000hPa 以上气层为干层。
- 图右侧表示不同高度处的风向,925hPa 与 1000hPa 之间的风切变达 6m/s,且风随高度顺转(暖平流)。
- 暖湿气团与下垫面的温差较大,如 1014hPa 与 964hPa 之间温差达 7℃。
15.4 湍流逆温
15.4.1 湍流逆温的形成原因
在解释什么事湍流逆温之前,需要简单介绍一下摩擦层的概念。地球的大气圈可以分为两个区域:
- 摩擦层(大气边界层):靠近地球表面、受地面摩擦阻力影响的大气层区域。
- 自由大气层:远离地面、不受地面摩擦力影响的大气,通常是指 2000 米高度以上的大气层。
由于低层(摩擦层/行星边界层内)空气的湍流混合而形成的逆温,称为湍流逆温。如下图为湍流逆温的形成过程:
- 线段 ABC 是湍流逆温形成前的温度廓线。由于湍流混合导致气流不断有上升与下降运动。
- 例如,A 点的气块沿着干绝热线 AD 上升,到达 D 点时气块温度下降;
- 而 F 点的气块沿着干绝热线 FE 下降,到达 E 点时气块温度上升。
- 如此,经过上下层空气的混合后,湍流混合区的顶部降温,而湍流混合区的底部增温。在湍流混合区,对取一个平均值 γ \gamma γ,即图中的温度廓线 A’F’。
- 于是,湍流混合区顶部的温度比自由大气底部(即边界层顶部)的温度要低,BF 之间即为湍流逆温层。
15.4.2 湍流逆温在探空图的特征
湍流逆温在 T-lnP 图上的特征有:
- 逆温层位于行星边界层内,但不到达地面;
- 逆温层下方的温度递减率接近干绝热递减率;
- 逆温层下方的露点廓线与等比湿线接近平行;
- 边界层内风速较大(有利于湍流混合)。
15.5 下沉逆温
15.5.1 下沉逆温的形成原因
由于稳定气层整层空气下沉压缩、绝热增温而形成的逆温,称为下沉逆温。如下图所示:
当某一层空气发生下沉运动时,因气压逐渐增大,以及气层向水平方向的辐散,使其厚度减小( Δ z > Δ z ′ \Delta z > \Delta z' Δz>Δz′)。如果气层下沉过程是绝热的,而且气层内各部分空气的相对位置不发生改变,这样空气层顶部下沉的距离(CC’ 的垂直高度)要比底部下沉的距离(BB‘ 的垂直高度)大,其顶部空气的绝热增温要比底部多。
不妨举个例子,设某气层从空中下沉:
- 起始状态:顶部为 3500m,温度为 -12℃;底部为 3000m,温度为 -10℃。
- 按干绝热线下沉后的状态:顶部为 1700m,温度为 6℃;底部为 1500m(厚度 500m),温度为 5℃。这样逆温就形成了。
下沉逆温多出现在高气压区内,范围很广,厚度也较大,在离地数百米至数千米的高空都可能出现。由于下沉的空气层来自高空,水汽含量本来就不多,加上在下沉以后温度升高,相对湿度显著减小,空气显得很干燥,不利于云的生成,原来有云也会趋于消散,因此在有下沉逆温的时候,天气总是晴好的。
下沉逆温与湍流逆温的区别如下:
- 下沉逆温在边界层之上(距地 1~ 2km 以上),湍流逆温在边界层中。
- 下沉逆温厚(可达数干米),湍流逆温薄。
- 湍流逆温层下的温度曲线是接近干绝热线,湿度曲线接近等饱和比湿线,而下沉逆温没有这个限制。
- 下沉逆温底部则不易产生云,而湍流逆温底部容易有云。
15.5.2 下沉逆温在探空图的特征
下沉逆温在 T-lnP 图上的特征有:
- 不及地(距地面 1~2km 以上),逆温层厚度大(可达数千米)。
- 在逆温层中空气比较干燥, T − T d T-T_d T−Td 大,露点曲线与层结曲线的距离随着高度升高加大,形成通常所说的喇叭口形。
如下图为探测得到的 T-lnP 图,可以看到在 700~600 hPa 之间的露温差较大,逆温位置较高,逆温厚度大,且当地的风向指示该层有冷平流。结合当天的高空 500hPa 图可知当地处于冷高压控制下,因此这是下沉气流造成的逆温。
另外在近地面处的温度廓线也发生了逆温,可能是辐射造成的逆温。
15.6 锋面逆温
15.6.1 锋面逆温的形成原因
冷暖空气团相遇时,较轻的暖空气爬到冷空气上方,在界面附近出现逆温,称为锋面逆温。
如上图,左图中 T 0 , T 1 , T 2 , T 3 , T 4 T_0,T_1,T_2,T_3,T_4 T0,T1,T2,T3,T4 为等温线,右图为 T-lnP 图,特别标注了 T 0 , T 1 T_0,T_1 T0,T1 与层结曲线的关系。显然,锋面越低,越靠近地面,逆温层就越低。
15.6.2 锋面逆温在探空图的特征
下沉逆温在 T-lnP 图上的特征有:
- 湿度与温度同时随着高度的升高而增加。
- 由于锋上暖气团中常有上升运动,因此逆温层上方的温度露点差一般比下方冷气团中的要小,当锋面上有凝结现象时,逆温层以上的温度露点差可以为零,即露点曲线与层结曲线比较靠近。
15.7 地形逆温
地形逆温的形成原因:夜晚,山坡上的近地面空气辐射冷却,因冷空气较重,沿斜坡下沉
流入低洼地区,聚集在山谷盆地底部,使原来较暖的空气受挤抬升,出现温度倒置现象。
实际上,大气中出现的逆温常常是由几种原因共同形成的,逆温的特征往往不那么典型。因此,在分析逆温的成因时,必须注意到当时的具体条件。
参考资料
- 《大气科学中文版》
- 《气象学与气候学》周淑贞
- CMA的培训学院