温度梯度

温度梯度(temperature gradient)是自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。是描述温度在特定的区域环境内最迅速的变化会向何方向,以及是何种速率的物理量。

温度梯度是一维的数量,单位是摄氏(华氏)度/每单位长度(在特定的温度范围内),以SI单位是每米K(K/m)。温度梯度是一个矢量,通常把温度增加的方向作为正方向。

温度梯度(temperature gradient)是描述温度在特定的区域环境内最迅速的变化会向何方向,以及是何种速率的物理量;在自然界中气温、水温或土壤温度随陆地高度或水域及土壤深度变化而出现的阶梯式递增或递减的现象。具有连续温度场的物体内,过任意一点P温度变化率最大的方向位于等温线的法线方向上,称过点P的最大温度变化率为温度梯度,用gradt表示

GradT=

式中,n为法向方向单位矢量,为温度在n方向的导数。

在陆地上,大约每升高100米,气温下降0.6℃,从而形成一个随高度增加而温度逐级下降的大气温度梯度。在接近地表的范围内,由于地形差异和覆盖物的影响,也会出现较为明显的温度梯度。例如,在巴拿马一个高40米的热带雨林中,森林顶部的日平均气温为30℃,中部为28℃,靠近地面处则为26.5℃。土壤中的温度变化也呈明显的阶梯式。例如,当土表下2厘米处的日最高温度是62.1℃时,10厘米处为40℃,20厘米处为33.4℃,60厘米处为26.4℃,100厘米处则为24.5℃。湖泊的水温也随深度增加而递减。例如,当水面温度为22℃时,在8.8米深处为21℃,13.8米处为11℃,39米处则降至5.5℃。海洋水温的变化也如此。南大西洋的洋面水温为25.7℃时,100米深处为14.6℃,1000米处则降至4.0℃。在某个水深处,水温往往骤然下降,这称为温跃层。这种现象限制了生物的活动与分布。

温度梯度因受太阳辐射、气流、水流和地面覆盖物的影响而出现经常的变化。一般说来,在同一季节内,水域的温度梯度昼夜变动较小,山地的变动较大,温度梯度的季节变化在高纬度地区比在低纬度地区要大些。山区气温垂直梯度是山区气候考察和研究中最重要的间题之一。国内在1958年10-1960年对武夷山区主峰黄岗山地区进行垂直梯度的研究 ;同时对于冷空气降温垂直分布研究得出冷空气降温强度并不是地面最大,而是随拔海高度升高而增强,在1000一1200米处达到最大,以上又开始减弱,即出现极大值型的分布。这种现象对冷空气活动来说可能带有普遍意义,看来至少在我国是普遍存在的。

陆地上或洋面上的温度分布随纬度的增高而逐渐下降。例如,中国地跨几十个纬度,温度梯度的水平变化很明显,从南向北,气温随纬度增高而递减。以7月平均气温为例,东北平原为20~24℃,华北平原和长江中下游为24~29℃,江南丘陵及南岭一带为26~30℃,东南沿海与海南岛则为30℃。因水陆分布和海拔高度的差别,同一纬度上不同地方的气温也会有差异,但南北向温度梯度却是总的分布趋向,各月等温线图表示出这一趋向。

依据对流层到地面的位置来计算

对流层的位置约由地面至12公里的高度。在对流层里的气温随着高度增加而降低,大约是每上升1公里下降6.5℃,由于温度的变化大,使得空气不稳定而有对流产生,所有的气象变化均发生在此层中。同温层的位置约由地面12公里至50公里的高度。

同温层里的温度变化和对流层相反,是随高度增加而略增,在这层里的空气对流及涡流的情形非常微弱,大气中的臭氧层便在此层的温度随高度的增加而锐减。游离层的位置在离地面80公里以上,空气极为稀薄,并且游离化,此层的温度随高度的增加而上升。

离地面愈高,大气压力愈低,今以一绝热箱形装置来仿真不同高度下的气压状态,并量取其温度。发现每上升一千公尺高度时,气温大约降低摄氏一度,这种温度随高度直线递减的关系,称为大气绝热递减率。当大气的温度递减率高于绝热递减率--即每升一千公尺,温度下降1℃以上--时称为超热状态,此时由于温度变化过大造成不稳定的气流,温度梯度差异大。反之,当大气的温度递减率低于绝热递减率时(即每升高一千公尺,温度下降1℃以下),称为次绝热状态,此时因温度变化小,气流稳定,温度梯度差异小。

阳光是决定温度梯度的其中一个因素

由于阳光是地球最大的能量来源,所以地球表面或大气的温度受吸收阳光的多寡而定,进而影响温度梯度高低差异。

温度梯度与生物的活动和生物分布密切关联

各种生物的生长发育和繁殖都有一定的适温范围,适温范围以外的温度影响生物正常的生命活动甚至造成死亡。自然界中的温度梯度限制了生物的活动和分布。例如,湖泊水面温度升高时,某些浮游生物即移向下层水域,以其为食的其他生物也随之移向该区域。又如,中国峨眉山植被的垂直分布便由该山地垂直温度梯度所决定:600米以下的丘陵地带的植被主要是常绿阔叶林,600~1100米的低山带是常绿阔叶林、落叶阔叶林和针叶混交林,1100~1900米的中山带是落叶阔叶林和针叶混交林,1900~2800米的高山带是针叶林,2800米以上地区则为高山草甸。那里的鸟类分布也随植被而变动;在中山带以画眉为主,高山带主要有鹪鹩等,中山带以上的繁殖鸟以鹛类为主。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,在中国,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。

在中国,因纬度差异造成的水平温度梯度对植被分布的影响也较为明显,大体是:东北平原是森林草原地带,华北是夏绿林地带,长江中下游是落叶阔叶林和常绿阔叶混交林带,江南丘陵及南岭是常绿林,东南沿海和海南岛则是热带雨林和季风林。农作物的分布也有很大差异:华北平原以麦、棉、杂粮为主,江南丘陵、四川盆地和东南沿海则以水稻为主。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。

动物的分布与迁徙由温度梯度所决定

例如:在中国,三化螟主要分布在北纬36°以南地区,粘虫因不能在东北或华北越冬而在秋季南迁,候鸟向南迁徙也是寻找适温地区过冬。此外,多化性昆虫在不同纬度地区的世代数也不相同,一般是随纬度增高而递减,如蝗虫在北纬35°地区发生二代,在北纬23°地区则发生三代。

冷暖气团矛盾斗争的产物锋产生的条件之一

锋两侧的冷、暖气团同下垫面间时刻进行着热量交换,影响着锋两侧温度水平梯度的变化。如果冷、暖气团各停留在更冷和更暖的下垫面上,热量交换的结果,可能使冷气团变得更冷,暖气团变得更暖,冷、暖气团间的温度梯度比原来增大,锋得到加强,但是这种情况在自然界是很少有的。而大多数情况是锋两侧的气团都移行到性质大致相似的地表面上,不论地表温度是低于冷气团或暖于暖气团,或者介于两者之间,气团同下垫面间热量交换的结果,不是暖气团失热更多,就是冷气团得热更多,都会使冷、暖气团间的温度梯度减小,利于锋消。所以气团的非绝热变化,一般总是利于锋消的。大气中水汽的分布很不均匀,在一般情况下,暖气团中含水汽较多,冷气团中含水汽较少,因而成云致雨主要发生在暖气团中,所释放的凝结潜热也主要集中在锋区暖气团一侧,这样也会使冷暖气团间温度梯度增大,成为锋的产生条件之一。

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