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温度梯度

鎖定
温度梯度(temperature gradient)是自然界中氣温水温土壤温度隨陸地高度或水域及土壤深度變化而出現的階梯式遞增或遞減的現象。是描述温度在特定的區域環境內最迅速的變化會向何方向,以及是何種速率的物理量。
温度梯度是一維的數量,單位是攝氏(華氏)度/每單位長度(在特定的温度範圍內),以SI單位是每米K(K/m)。温度梯度是一個矢量,通常把温度增加的方向作為正方向。
中文名
温度梯度
外文名
temperature gradient
性    質
階梯式遞增或遞減的現象
特    點
矢量
單    位
攝氏(華氏)度/每單位長度

温度梯度基本介紹

等温線與温度梯度 等温線與温度梯度
温度梯度(temperature gradient)是描述温度在特定的區域環境內最迅速的變化會向何方向,以及是何種速率的物理量;在自然界中氣温、水温或土壤温度隨陸地高度或水域及土壤深度變化而出現的階梯式遞增或遞減的現象。具有連續温度場的物體內,過任意一點P温度變化率最大的方向位於等温線的法線方向上,稱過點P的最大温度變化率為温度梯度,用gradt表示
GradT=
=
式中,n為法向方向單位矢量,為温度在n方向的導數。

温度梯度分類

温度梯度垂直温度梯度

垂直温度梯度 垂直温度梯度
在陸地上,大約每升高100米,氣温下降0.6℃,從而形成一個隨高度增加而温度逐級下降的大氣温度梯度。在接近地表的範圍內,由於地形差異和覆蓋物的影響,也會出現較為明顯的温度梯度。例如,在巴拿馬一個高40米的熱帶雨林中,森林頂部的日平均氣温為30℃,中部為28℃,靠近地面處則為26.5℃。土壤中的温度變化也呈明顯的階梯式。例如,當土表下2釐米處的日最高温度是62.1℃時,10釐米處為40℃,20釐米處為33.4℃,60釐米處為26.4℃,100釐米處則為24.5℃。湖泊的水温也隨深度增加而遞減。例如,當水面温度為22℃時,在8.8米深處為21℃,13.8米處為11℃,39米處則降至5.5℃。海洋水温的變化也如此。南大西洋的洋麪水温為25.7℃時,100米深處為14.6℃,1000米處則降至4.0℃。在某個水深處,水温往往驟然下降,這稱為温躍層。這種現象限制了生物的活動與分佈。
温度梯度因受太陽輻射、氣流、水流和地面覆蓋物的影響而出現經常的變化。一般説來,在同一季節內,水域的温度梯度晝夜變動較小,山地的變動較大,温度梯度的季節變化在高緯度地區比在低緯度地區要大些。山區氣温垂直梯度是山區氣候考察和研究中最重要的間題之一。國內在1958年10-1960年對武夷山區主峯黃崗山地區進行垂直梯度的研究 [1]  ;同時對於冷空氣降温垂直分佈研究得出冷空氣降温強度並不是地面最大,而是隨拔海高度升高而增強,在1000一1200米處達到最大,以上又開始減弱,即出現極大值型的分佈。這種現象對冷空氣活動來説可能帶有普遍意義,看來至少在我國是普遍存在的。 [2] 

温度梯度水平温度梯度

陸地上或洋麪上的温度分佈隨緯度的增高而逐漸下降。例如,中國地跨幾十個緯度,温度梯度的水平變化很明顯,從南向北,氣温隨緯度增高而遞減。以7月平均氣温為例,東北平原為20~24℃,華北平原和長江中下游為24~29℃,江南丘陵及南嶺一帶為26~30℃,東南沿海與海南島則為30℃。因水陸分佈和海拔高度的差別,同一緯度上不同地方的氣温也會有差異,但南北向温度梯度卻是總的分佈趨向,各月等温線圖表示出這一趨向。

温度梯度計算原理

依據對流層到地面的位置來計算
對流層的位置約由地面至12公里的高度。在對流層裏的氣温隨着高度增加而降低,大約是每上升1公里下降6.5℃,由於温度的變化大,使得空氣不穩定而有對流產生,所有的氣象變化均發生在此層中。同温層的位置約由地面12公里至50公里的高度。
同温層裏的温度變化和對流層相反,是隨高度增加而略增,在這層裏的空氣對流及渦流的情形非常微弱,大氣中的臭氧層便在此層的温度隨高度的增加而鋭減。遊離層的位置在離地面80公里以上,空氣極為稀薄,並且遊離化,此層的温度隨高度的增加而上升。
離地面愈高,大氣壓力愈低,今以一絕熱箱形裝置來仿真不同高度下的氣壓狀態,並量取其温度。發現每上升一千公尺高度時,氣温大約降低攝氏一度,這種温度隨高度直線遞減的關係,稱為大氣絕熱遞減率。當大氣的温度遞減率高於絕熱遞減率--即每升一千公尺,温度下降1℃以上--時稱為超熱狀態,此時由於温度變化過大造成不穩定的氣流,温度梯度差異大。反之,當大氣的温度遞減率低於絕熱遞減率時(即每升高一千公尺,温度下降1℃以下),稱為次絕熱狀態,此時因温度變化小,氣流穩定,温度梯度差異小。
陽光是決定温度梯度的其中一個因素
由於陽光是地球最大的能量來源,所以地球表面或大氣的温度受吸收陽光的多寡而定,進而影響温度梯度高低差異。 [3] 

温度梯度生態學影響

温度梯度與生物的活動和生物分佈密切關聯
垂直地域分異 垂直地域分異
各種生物的生長髮育和繁殖都有一定的適温範圍,適温範圍以外的温度影響生物正常的生命活動甚至造成死亡。自然界中的温度梯度限制了生物的活動和分佈。例如,湖泊水面温度升高時,某些浮游生物即移向下層水域,以其為食的其他生物也隨之移向該區域。又如,中國峨眉山植被的垂直分佈便由該山地垂直温度梯度所決定:600米以下的丘陵地帶的植被主要是常綠闊葉林,600~1100米的低山帶是常綠闊葉林、落葉闊葉林和針葉混交林,1100~1900米的中山帶是落葉闊葉林和針葉混交林,1900~2800米的高山帶是針葉林,2800米以上地區則為高山草甸。那裏的鳥類分佈也隨植被而變動;在中山帶以畫眉為主,高山帶主要有鷦鷯等,中山帶以上的繁殖鳥以鶥類為主。温度梯度不僅隨季節變化,而且隨地形具體情況也有很大差異,例如,在中國,秦嶺北坡就小於南坡,北坡年平均温度梯度-0.45℃/100米,南坡卻有- 0.54℃/100米。主要原因是在冬季,北坡有冷空氣經常聚集,減少了盆地與高山的温度差值。北坡冬季月温度梯度只有-0.34℃/100米,而南坡處在冷氣流的北風位置,1月仍有-0.54℃/100米,但在夏季這種情況並不存在,南北坡温度梯度都是-0.55℃/100米。
在中國,因緯度差異造成的水平温度梯度對植被分佈的影響也較為明顯,大體是:東北平原是森林草原地帶,華北是夏綠林地帶,長江中下游是落葉闊葉林和常綠闊葉混交林帶,江南丘陵及南嶺是常綠林,東南沿海和海南島則是熱帶雨林和季風林。農作物的分佈也有很大差異:華北平原以麥、棉、雜糧為主,江南丘陵、四川盆地和東南沿海則以水稻為主。另外,由於自由大氣的調節作用,高山上的温度年變化和日變化也是隨高度的增加而減少的,用最熱月温度減去最冷月的温度的差值表示年變化,稱為年較差。九江的年較差為25.2℃,到廬山就降到22.7℃,年較差不僅隨高度減少也可因坡向不同而有差別。秦嶺以北的西安年較差達27.6℃,到華山降到24.2℃,可是在秦嶺以南的安康年較差只有24.2℃,與華山幾乎沒有差別。
動物的分佈與遷徙由温度梯度所決定
例如:在中國,三化螟主要分佈在北緯36°以南地區,粘蟲因不能在東北或華北越冬而在秋季南遷,候鳥向南遷徙也是尋找適温地區過冬。此外,多化性昆蟲在不同緯度地區的世代數也不相同,一般是隨緯度增高而遞減,如蝗蟲在北緯35°地區發生二代,在北緯23°地區則發生三代。
冷暖氣團矛盾鬥爭的產物鋒產生的條件之一
鋒兩側的冷、暖氣團下墊面間時刻進行着熱量交換,影響着鋒兩側温度水平梯度的變化。如果冷、暖氣團各停留在更冷和更暖的下墊面上,熱量交換的結果,可能使冷氣團變得更冷,暖氣團變得更暖,冷、暖氣團間的温度梯度比原來增大,鋒得到加強,但是這種情況在自然界是很少有的。而大多數情況是鋒兩側的氣團都移行到性質大致相似的地表面上,不論地表温度是低於冷氣團或暖於暖氣團,或者介於兩者之間,氣團同下墊面間熱量交換的結果,不是暖氣團失熱更多,就是冷氣團得熱更多,都會使冷、暖氣團間的温度梯度減小,利於鋒消。所以氣團的非絕熱變化,一般總是利於鋒消的。大氣中水汽的分佈很不均勻,在一般情況下,暖氣團中含水汽較多,冷氣團中含水汽較少,因而成雲致雨主要發生在暖氣團中,所釋放的凝結潛熱也主要集中在鋒區暖氣團一側,這樣也會使冷暖氣團間温度梯度增大,成為鋒的產生條件之一。
參考資料