基于热力学原理的气温分析

吕鸿斌

一、分析气温要重视影响气温变化的地理过程

气候各组成要素的分析是地理核心素养之“综合思维”的重要组成部分。以气温的分析为例，其分析的方法并不是简单的背诵影响气温的因素有哪些，而要从影响气温的地理过程入手进行思考（如下图所示）。首先要分析影响气温的直接因素再分析影响这些因素的根本因素是哪些。但从答案的构成而言，正好相反，应先写“根本因素”再论述其如何影响“直接因素”。其他的气候要素分析也应如此。

二、空气内能的变化对气温的影响

从物理学的角度来说，气温就是空气的冷热程度，实质上是空气内能大小的表现。空气内能的变化是引起气温变化的根本原因。空气内能变化的形式有绝热和非绝热两种，可以简单的理解为“吸放热”和“做功”两种形式。它们之间的关系如下：

例1：（2018届广州一模，37）热岛强度是指中心城区比郊区气温高出的数值大小，单位为摄氏度。兰州市区地处黄河河谷，周围群山环抱。其城市建设速度和扩展速度迅猛。1978年城市化水平为45. 6% ，2010年时已经达到 62.7%，热岛效应逐渐增强。下图是兰州市某日热岛强度变化统计图。

问：说明兰州该日正午前后热岛效应特点的成因。

答案：正午前后，太阳辐射最强烈，城市中心地表和建筑物大量吸收太阳热量，大气对流、湍流作用增强，利于散热；城市与郊区热力环流加强，城区和郊区大气在水平和垂直方向上的混合作用增强，城郊温差减少；城市上空盛行上升气流利于散热；而郊区盛行下沉气流增温且不利于散热。因而引起城区气温低于郊区气温的“冷岛”效应。

以上答案非常重视从影响气温的过程对“冷岛”效应的出现进行分析，强调了下垫面性质的改变，使城市地面以“对流、湍流”（对流和湍流是气体层之间热量交换的主要形式）的形式加强了正午时城市空气内能的释放，从而加强了城市与郊区热力环流，导致正午前后城郊温差减少，甚至出现“冷岛”效应。

举例“水相变化”对空气内能的影响如下：因为水汽凝结、凝华的过程是放热的过程，故热带气旋在海面形成后，上升的水汽在上空凝结成水滴并放出大量的潜热，使该气旋上升的动力加强。

而“焚风效应”则是背风坡干燥的气流下沉过程中，由于低空的气压高于高空，因此气流在下降过程中就会被压缩（做功的过程），温度升高。温度的升高本来会伴随蒸发的加强，根据水相变化规律，水的蒸发会吸收热量，从而缓解增温的幅度。但遗憾的是，气流越过山顶后不可能还带着那些凝结的水（空气中的水汽没能达到过饱和状态），因为水汽早已凝结成水，降到迎风坡了。空气中的水汽没达到过饱和状态就不会继续蒸发，于是焚风效应使空气变得非常的热，当它降到原始高度时，温度会比原来的温度高出许多。

例1：從“大气受热的过程”去理解最重要的一种空气内能变化形式——辐射

辐射是能量以电磁波的形式向外传递的一个过程。地面和空气间的热量交换以辐射为主（它比传导作用大4000倍）。教学中经常强调一句口诀：“太阳暖大地，大地暖大气，大气还大地”，它在解析地理现象中的真正作用是让我们能够从“太阳辐射如何影响气温的地理过程”这个角度去思考问题。具体如下图所示：

例2：（2017届广州一模，37，有改动）格陵兰岛是世界最大岛屿（如下图所示）。全岛85%的地面覆盖着平均厚达2300米的大陆冰川，千姿百态的冰山、冰川与子夜太阳构成了格陵兰的奇景。

问：通过气—冰—海之间相互作用、相互联系来分析格陵兰四周海区冰山大幅减少对该地气温的影响。

答案：海洋受冰山覆盖，及其对太阳辐射强烈反射，海水温度低；冰山减少后，利于海洋大量吸收太阳辐射，水温升高；海洋通过辐射、对流等环节把热量传给大气，致使大气气温升高；气候变暖，进一步使冰山消融。这样，大气-冰山-海洋间形成正相关的能量转换，发生放大效应。

该题十分重视此地理过程，强调冰面反射的太阳辐射（属短波辐射）并不能直接使大气增温。但下垫面由冰面变成海水后，反射率下降、吸收率增加，从而导致水温升高。再经过海洋通过辐射、对流等环节（长波辐射）使大气增温。并且这是一个恶性循环的过程。