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濤淘風雲作者現為中央氣象台（國家氣象中心）首席預報員，為您解讀天氣預報，科普氣象知識，講述職業生涯遇到各種天氣趣事。64篇原創内容

公衆号

概要

再談導緻高溫的三大因子，詳解三大因子背後的數學物理。磚業術語可能會把你砸暈，但卻是達成“磚家”成就不可或缺的一環；也是即便“磚家”也可能會忽視的一環。

其實大氣對于太陽輻射能量是個“小透明”——太陽并不直接曬熱大氣，而是靠着曬熱地面-熱傳導-湍流-對流-平流 潛熱釋放等一系列物理過程，大氣才獲得了太陽的熱量。

造成氣溫變化的那些物理因子，在高溫天氣成因與低溫天氣成因中的貢獻大不相同。

理解了導緻高溫的兩大因子，結合天氣圖就可以回答為什麼最近這麼熱的問題。

但面對今年的熱為什麼會這樣的問題，需要回答為什麼會出現這個導緻高溫的天氣圖？跟往年同期有什麼異同？為什麼有這個異？這些問題我恐怕天才知道。

本文内容适合新預報員、大氣科學專業學生和發燒級氣象愛好者，目的是幫助理論聯系實際，也為了我以後将寫作的一些文章打伏筆：

不真正理解（回到）這些層面，就不可能理解/認同我之後文章中将表達的一些觀點（那些你在天氣學教科書和學術文章中看不到的“經驗之談”）。

對于非發燒級愛好者，可以嘗試看下文藍色字體部分的大白話解釋

正文

在早先文章《從宏觀到微觀，詳解近期中國的高溫和暴雨》中我嘗試總結了能讓更多非專業人士理解高溫的三個微觀因子：1）太陽照射；2）下沉增溫；3）暖空氣。但為了好理解而犧牲了準确性，本文做些補充和理論解釋。

一、大氣對于太陽輻射能量是個“小透明”

前文總結三大因子的第一條太陽照射。其實是個高度簡化凝練的結論，嚴格說來是不準确的。因為太陽照射熱量對于空氣來說幾乎是透明的，對空氣直接加熱的作用微乎其微。

我所說的太陽照射其實隻是一系列過程的結果。

這個過程大緻是經過了：“太陽通過輻射作用曬熱下墊面（地面、水面）——下墊面通過熱傳導作用加熱最貼近地面（厘米級）的大氣——貼地層大氣通過浮力對流作用和湍流混合作用加熱近地層（地面以上約50-200米左右，人和溫度計所在的1.5米到2米高度在這一層）大氣”。

如果拓展這個過程到高空，考察整個對流層，那麼還有“近地面層大氣通過更大的湍流混合作用和熱對流作用加熱邊界層大氣（各地、各季節、各天氣背景、晝夜的不同都會大大影響邊界層厚度，平均在1公裡左右）——邊界層大氣再通過各種上升運動（或動力上升或浮力對流上升）将對流層低層熱量帶到對流層上部（邊界層以上的對流層叫做自由大氣層）“

如果再考慮水的相變作用，那麼還會有這個過程：太陽照射能量通過蒸發地面水成水汽而以潛熱儲存在水汽裡，水汽被各種上升運動帶到高空凝/凍結成或水雲或冰雲，潛熱得以釋放加熱高層大氣。

這種通過相态變換方式傳遞的熱量在物理上叫做“潛熱”，中學就知道了，它與熱傳導能夠直接傳遞的“顯熱”對應。

可能你已經被繞暈了，哦，後面會更暈，因為我要放公式了。

二、三大高溫因子背後的數學物理

氣溫的本質在微觀是氣體分子運動在宏觀是氣體熱量，或者說氣體内能，它的變化遵循物理規律：理想氣體狀态方程和熱力學第一定律。

我們略過公式的推導過程，直接引用數值預報的大氣控制方程組中對于溫度描述的熱力學能量方程，考察其每一項的物理意義，如下圖所示：

大氣運動熱力學能量方程及物理意義

本地氣溫變化（上面等式左邊項）的三大因子盡在其中（等式右邊）但并非那麼一目了然，因為三大因子并不嚴格等同紅框三項。詳解如下。

1）右1——水平平流項——四周冷/暖空氣的入侵

u代表東西風，v代表南北風，它們右邊緊鄰的偏微分式代表溫度在東西和南北方向的分布。所以這一項代表了水平方向的溫度平流，也就是四周冷/暖空氣入侵。

既然是三維空間，平流項當然在垂直方向也有，但隐藏在右2項中，尤其容易被大家忽視。究其原因我想有三點：1、地球上的大尺度風，是準水平的；2、垂直方向上對流運動與平流運動的混淆；3、不同于水平方向上的絕熱過程變壓微乎其微，垂直方向上絕熱過程變壓是主導的。

2）右2——垂直平流項 絕熱變壓項——上下冷/暖空氣的入侵 下沉增溫上升冷卻

這部分還是有點繞的，w代表垂直風，括号裡面有兩項代表溫度垂直遞減率：

前者代表實際溫度垂直遞減率，即垂直方向上的冷暖分布，大多數時候是固定的上冷下暖，所以下沉運動代表冷空氣入侵，上升運動代表暖空氣入侵（少數的逆溫層反之），這就是垂直平流項；

後者代表幹絕熱直減率，在地球大氣中，由于高空氣壓永遠小于低空，所以永遠是下沉增壓導緻升溫，上升降壓導緻冷卻，這就是垂直絕熱變壓項；

所以這兩者大多數時候是矛盾的（所以前面正負符号相反）：一個下沉大多數時候相當于冷空氣入侵導緻降溫，一個下沉要增溫，但因為前者永遠小于後者，所以實際情況是後者主導，即下沉運動增溫，上升運動降溫。除非有第三者插足——即項3（非絕熱加熱項，不然你以為為啥用幹絕熱遞減率而不是濕絕熱遞減率呢？）

3）右3——非絕熱加熱（輻射、熱傳導、潛熱）——曬太陽、馬路上煎雞蛋、蒸汽燙傷

前面右1和右2項是假設為絕熱情況的，即氣塊與外界沒有任何熱量交換的情況。但是真實世界當然不是這樣，所以必須考慮非絕熱過程。

而熱量從一物到另一物的方式隻有三種：

輻射：不需要介質，太陽光穿透真空來到地球，就是曬太陽；

熱傳導：通過介質的分子運動交換能量，馬路上煎雞蛋靠的就是熱傳導；潛熱加熱：在人類生活的地球溫度空間中，扮演三姓家奴，相态變來變去的的主要是水（在木衛六上是甲烷）。蒸汽比開水燙傷更嚴重的原因就在于蒸汽變水放出的大量熱。

方程把辣麼多複雜的非絕熱物理因素全部籠統放到了這裡，為啥？我覺得有兩個原因：

1、因為這部分根本不可能在數值預報中用格點要素來直接計算，全部通過所謂“物理過程”來近似；

2、因為這部分在自由大氣層中幾乎被當做零處理了（除了潛熱）。。。因為在輻射面前空氣幾乎是透明的，熱傳導作用在這個時空尺度上是微乎其微的 。

但是人感受的氣溫可不在高空而在近地面，所以非絕熱加熱項非常重要。

我猜這也是數值預報自由大氣層的物理要素比預報邊界層準确的多的主要原因。

三、之前提到的高溫三大成因實際隻有兩大

1）再談高溫成因

上面我們從數學物理中找到了造成溫度變化三大作用的物理根源，這裡從限制條件（人類感受的高溫在近地面）出發再梳理一下高溫的主要成因：

1、溫度平流：就是暖空氣入侵，最容易理解。但是很遺憾，在高溫天氣裡，這一項在大多數時候都沒有什麼貢獻。

道理嘛，很簡單，這麼理解：在地面層的水平運動中主要是冷空氣向暖空氣這跑，熱的空氣主要是往天上跑；而在垂直方向上，上冷下暖，總不可能有地下的空氣上升運動帶來暖空氣加熱地面吧（如果你在高山上另說，說火山的爬開）。

2、絕熱變壓：一個原因導緻隻需要考慮垂直方向上的絕熱變壓過程絕，因為水平方向的氣壓梯度很小，所以變化又慢又弱，帶來的溫度變化可以忽略不計。（這也是我前文提到過的，有種解釋鋒前壓縮增溫謬誤的根源所在）

但在垂直方向上，1000米的距離氣壓可以變化100百帕（作為對比，在大尺度運動中，水平方向1000米的距離内，氣壓變化大多不到0.1百帕）。

所以絕熱變壓隻看垂直方向，隻有一個結果：下沉增溫上升冷卻，所以下沉增溫是造成高溫的主要因子之一。

3、非絕熱加熱：

三種情況中先說潛熱加熱，在近地面高度，隻有水汽凝結和水凍成冰才可以放出潛熱起到加熱作用，用腳指頭都可以想到這兩種情況絕對不可能對把你熱麻了的高溫有貢獻。所以潛熱加熱導緻高溫就不存在了，它們主要在高空起作用；

再看熱傳導，我們說過其實隻在貼地厘米之内是外界的地面給空氣傳熱，在人體感受的高度已經是空氣通過湍流傳熱給空氣，而這一切的前提都是地面要比空氣熱很多，所以除非你是站在火山或地熱之上，或者是熱鍋上的螞蟻，否則上熱傳導要有貢獻隻能是因為——太陽曬熱了地面。

所以這熱傳導一項就跟輻射加熱合二為一了，對着地球輻射的是誰？答對了，太陽！

嗯，當然還有月亮和星星。。。高溫不厚道的笑了。

因此，太陽兇狠的照射是成高溫的另一個主要因子，為什麼要加兇狠？因為大冬天太陽也照射了，乍不出高溫呢？

所以，造成高溫天氣隻有兩大物理原因，這與我前面說三大原因并不矛盾，不信你回頭看前文，當時我已經解釋了暖空氣入侵這一項是不存在的，說三項隻是因為我考慮數理方程中導緻氣溫變化的所有物理機制來談的，對人能感受的高溫就是兩項，那麼對低溫呢？情況有所不同了。

2）順便談談導緻低溫的主要因子

沿着考察高溫物理成因的思路，我們看看低溫，情況不同了。

1、平流項：

這是大家最熟悉的了，寒潮冷空氣就是水平的冷平流。

垂直的冷平流本來按理也有貢獻，因為下沉運動帶來高空冷空氣嘛。

但是現實很骨感，下沉運動的垂直冷平流的被絕熱變壓項的下沉增溫削得幹幹淨淨沒了。所有平流項貢獻裡隻剩下水平平流項。

由于冷空氣強大且總是要往暖空氣家裡跑，所以與平流項缺席造成高溫因子截然相反，它是造成低溫天氣的最重要因子！

關于這一點，不僅大家最熟知，磚家也是，所以磚家會犯錯！這個放到第二項講完一起說。

2、絕熱變壓項：

前面講過，絕熱變壓的水平方向是一個小、慢到可以忽略不計的存在。所以隻考慮垂直方向，而身處地面不可能有上升減壓冷卻過程，所以與在高溫成因中至關重要相反，絕熱變壓項在低溫天氣的成因中完全缺席！（如果你在高山上另說，順便說一句，空調和冰箱是利用這個原理）

回說磚家犯錯的事，因為對這平流與絕熱變壓過程的博弈盤算不清，所以即便是磚家也容易犯錯。

不是錯在不知道有其它原因會造成降溫，而是錯在慣性思維以為冷空氣隻會造成降溫。這個我在《剛剛發生：冷空氣造成北京升溫，廣州的冬晨竟然比北京冷！——兼談“鋒前增溫”的誤導！》已經說過，冷空氣如果有下沉就可能會造成增溫。在我已經構思好的預計是之後第二或第三排文章中會再談談這個問題，當然有所不同，講另外一種“氣象奇觀”。

3、非絕熱加熱：

還是一個一個來，先說熱傳導和輻射，與讨論高溫類似，倆是綁定起作用的，熱量當然隻能由熱往冷傳導，看起來不該輸出“低溫”，但熱傳導熱量損失的那一方當然會降溫。

跟高溫同理，這個過程與輻射相聯系。所不同的是，熱量傳遞是反向的，晴朗的夜間和冬季，地球向外太空輻射能量少于太陽輻射入射能量時，地面熱量淨虧損就會導緻溫度下降，貼地層空氣因此可以熱傳導給地面，貼地層空氣損失熱量導緻降溫，然後上面的空氣再通過湍流和熱傳導向下輸送熱量而自身降溫。

雖然這個過程向上傳遞極其有限，是不可能不會像升溫那樣向上面的自由大氣層傳遞（因為熱升冷降的制約）的，但在人能感受的近地面還是很明顯的。

所以這些過程可以歸結為一種低溫成因的現象：陰天寡照

非絕熱項還有一個潛熱，對于氣溫下降而言就是潛熱被吸收，前面說過，水是熱量的搬運工，我們天天被太陽曬而地面溫度卻總體保持平衡，為什麼？水通過相變的搬運是最重要的原因之一。

所以水的蒸發和冰雪的融化會造成地面的降溫，這就是“下雪不冷化雪冷”的原因。也是強對流天氣造成效果的百變之一“氣溫驟降——一雨成冬”的主要原因。

隻不過這一點磚家們在解釋低溫天氣的時候很少去說它，因為相比起冷空氣和陰天寡照而言，過于繁瑣複雜，而且多數時候貢獻偏小，但它其實是起作用的，‍尤其在“局地天氣”中，可能上升為主要原因。

四、談談最經典的高溫解釋——照本圖宣科

拿出天氣圖，指着圖中的高壓天氣系統：“看，這副高就是高溫的原因“，這是最簡單明了的解釋，也是大緻正确的，所以是經典解釋。如下圖這種：

2022年7月12日最高氣溫與12日20時500hPa高度場圖

（填數是高于35℃區域，粗藍線是588位勢十米線-副高經典代表）

原因何在？因為副高可以提供下沉運動，進而又提供了晴空成就了日曬。導緻高溫兩大成因齊聚。

但是看完我前述那些影響氣溫的複雜物理原因就知道，氣溫與天氣系統的對應哪有如此簡單，副高能提供這兩大因子，不等于說隻有副高能提供這倆因子。

遠的不說，咱們說說上個月熱麻掉的北方大地吧，同樣的天氣圖上一張：

022年6月25日最高氣溫與25日20時500hPa高度場圖

（填數是高于35℃區域，粗藍線是588位勢十米線-副高經典代表）

打破曆史記錄的河北大地，40 ℃遍地開花，高壓在哪裡？

您細品，一切盡在不言中。

更不用說即便是高壓也因不同的高度而不同。

比如說在地面，高壓大多代表着冷空氣，于是另一個經典的寒潮低溫解釋場景就出現了。也沒錯，但低溫又何嘗如此簡單呢？

但不得不說，面對公衆，确實是這樣的解釋最好，簡單明了又不失正确。

但對于想成為磚家的你而言，絕不能停留于此。

五、為什麼這麼熱？——這并不是一個簡單的問題

凡事皆有兩面，上面的解答又正因為其過于簡單，也就跟沒解釋也差不了多少了。想象一下：

問：為什麼高溫

答：因為強大的副高

問：那為什麼沒高壓的地方也那麼熱？

答：因為。。。。。。

問：那為什麼。。。。。。

搞氣象的人都知道，甭管說啥，總有例外。

不管怎麼說，從天氣的角度出發，高溫原因是可以非常清晰的說清的。但是從氣候的角度出發，就難了，難得不是一星半點，難度完全不是一個量級。

是的，為什麼這麼熱，你問着很簡單，我聽來卻不是一個問題，而是很多個問題：

這幾天這裡為什麼這麼熱？是天氣問題。

今年這裡為什麼這麼熱？（熱得早/晚/久/狠）都是氣候問題。

前者，能回答，就是本文内容。

後者，是追問，打破砂鍋也問不到底的那種，我無法回答。

道理也很簡單：就是本文内容那些物理因子的長期結果。而時間越長，起作用的因子越多，變化越複雜。

氣候學上有專業的辦法來進行研究，我懂得不多。

但我可以負責任的說，目前的成果都不能真正回答清楚上面的問題，所以我才會在上一篇文章清楚亮明個人态度：放棄幻想。

後台留言有很多說法，基本都歸結到了人類活動與氣候變化的角度。

對嗎？應該是對的！

真解答了嗎？其實沒有。

除非能解釋清楚為什麼今年跟去年相比熱和涼的地方不一樣。今年的大氣環流為什麼是這個樣子的？

那樣，才是稍微接近了一點真正的回答。

妄言搞懂了來解釋，我可不會。

---全文完---

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