基于熱力學原理的氣溫分析

呂鴻斌

一、分析氣溫要重視影響氣溫變化的地理過程

氣候各組成要素的分析是地理核心素養之“綜合思維”的重要組成部分。以氣溫的分析為例，其分析的方法并不是簡單的背誦影響氣溫的因素有哪些，而要從影響氣溫的地理過程入手進行思考（如下圖所示）。首先要分析影響氣溫的直接因素再分析影響這些因素的根本因素是哪些。但從答案的構成而言，正好相反，應先寫“根本因素”再論述其如何影響“直接因素”。其他的氣候要素分析也應如此。

二、空氣內能的變化對氣溫的影響

從物理學的角度來說，氣溫就是空氣的冷熱程度，實質上是空氣內能大小的表現。空氣內能的變化是引起氣溫變化的根本原因。空氣內能變化的形式有絕熱和非絕熱兩種，可以簡單的理解為“吸放熱”和“做功”兩種形式。它們之間的關系如下：

例1：（2018屆廣州一模，37）熱島強度是指中心城區比郊區氣溫高出的數值大小，單位為攝氏度。蘭州市區地處黃河河谷，周圍群山環抱。其城市建設速度和擴展速度迅猛。1978年城市化水平為45. 6% ，2010年時已經達到 62.7%，熱島效應逐漸增強。下圖是蘭州市某日熱島強度變化統計圖。

問：說明蘭州該日正午前后熱島效應特點的成因。

答案：正午前后，太陽輻射最強烈，城市中心地表和建筑物大量吸收太陽熱量，大氣對流、湍流作用增強，利于散熱；城市與郊區熱力環流加強，城區和郊區大氣在水平和垂直方向上的混合作用增強，城郊溫差減少；城市上空盛行上升氣流利于散熱；而郊區盛行下沉氣流增溫且不利于散熱。因而引起城區氣溫低于郊區氣溫的“冷島”效應。

以上答案非常重視從影響氣溫的過程對“冷島”效應的出現進行分析，強調了下墊面性質的改變，使城市地面以“對流、湍流”（對流和湍流是氣體層之間熱量交換的主要形式）的形式加強了正午時城市空氣內能的釋放，從而加強了城市與郊區熱力環流，導致正午前后城郊溫差減少，甚至出現“冷島”效應。

舉例“水相變化”對空氣內能的影響如下：因為水汽凝結、凝華的過程是放熱的過程，故熱帶氣旋在海面形成后，上升的水汽在上空凝結成水滴并放出大量的潛熱，使該氣旋上升的動力加強。

而“焚風效應”則是背風坡干燥的氣流下沉過程中，由于低空的氣壓高于高空，因此氣流在下降過程中就會被壓縮（做功的過程），溫度升高。溫度的升高本來會伴隨蒸發的加強，根據水相變化規律，水的蒸發會吸收熱量，從而緩解增溫的幅度。但遺憾的是，氣流越過山頂后不可能還帶著那些凝結的水（空氣中的水汽沒能達到過飽和狀態），因為水汽早已凝結成水，降到迎風坡了。空氣中的水汽沒達到過飽和狀態就不會繼續蒸發，于是焚風效應使空氣變得非常的熱，當它降到原始高度時，溫度會比原來的溫度高出許多。

例1：從“大氣受熱的過程”去理解最重要的一種空氣內能變化形式——輻射

輻射是能量以電磁波的形式向外傳遞的一個過程。地面和空氣間的熱量交換以輻射為主（它比傳導作用大4000倍）。教學中經常強調一句口訣：“太陽暖大地，大地暖大氣，大氣還大地”，它在解析地理現象中的真正作用是讓我們能夠從“太陽輻射如何影響氣溫的地理過程”這個角度去思考問題。具體如下圖所示：

例2：（2017屆廣州一模，37，有改動）格陵蘭島是世界最大島嶼（如下圖所示）。全島85%的地面覆蓋著平均厚達2300米的大陸冰川，千姿百態的冰山、冰川與子夜太陽構成了格陵蘭的奇景。

問：通過氣—冰—海之間相互作用、相互聯系來分析格陵蘭四周海區冰山大幅減少對該地氣溫的影響。

答案：海洋受冰山覆蓋，及其對太陽輻射強烈反射，海水溫度低；冰山減少后，利于海洋大量吸收太陽輻射，水溫升高；海洋通過輻射、對流等環節把熱量傳給大氣，致使大氣氣溫升高；氣候變暖，進一步使冰山消融。這樣，大氣-冰山-海洋間形成正相關的能量轉換，發生放大效應。

該題十分重視此地理過程，強調冰面反射的太陽輻射（屬短波輻射）并不能直接使大氣增溫。但下墊面由冰面變成海水后，反射率下降、吸收率增加，從而導致水溫升高。再經過海洋通過輻射、對流等環節（長波輻射）使大氣增溫。并且這是一個惡性循環的過程。