自然界存在密度随高度而增加的空气层？

 

张学文 xjbwh@163.com  2009-4-28

 

往水里加注一些食油，由于食油比水轻，它很快要浮到水面上。密度小的流体往上漂，密度大往下沉是液体（流体）的自发运动,这属于物理常识。对于气体（也是流体）自然也不例外。气象学早就指出大气密度总是随高度而减小的。

可是，我们却发现在新疆的奇台到吉木萨尔之间（水平距离约30公里，垂直距离近60米）的气层内竟然存在稳定的密度随高度而增加的空气层。

 

l         2009年新疆天气网 http://www.xjtq.gov.cn/gzfw.asp  开始提供新疆200多自动气象站每小时的气象数据。利用这个资料，笔者发现水平距离仅30公里的准噶尔盆地东南侧的奇台气象站和吉木萨尔气象站之间的温度差有时很大。而它们的高度差只有58.2米。2009年2月19日夜间从海拔735.9米的吉木萨尔到海拔794.7米的奇台的温度居然可以减低10K（见图1）。这个现象不是出现在被日光照热地面的白天，而是出现是没有日光的情况下（图中的北京时间与当地的地方时差2小时）更让人不可理解。

图1 奇台气象站和吉木萨尔气象站2009年2月19日各小时的温度

 

l         气象学实践证明对流层大气的温度一般是随高度而减低，但是每百米温度的减少值都达不到“干绝热大气”的100米减低1K的理论水平。文献[[1]]进一步指出，根据静力学方程和状态方程可以证明如果大气的垂直减温率达到每100米减低3.42K，那么上下层的空气密度相等，从而成为“均质大气”。而这几乎是气象学实践中从来没有遇到的情况（不包括贴地面的2米气层内地面温度很高的情况）。理论认为如果上下层大气密度相同，空气极端不稳定，必然引起空气强烈的对流。上下层密度相等的均质大气的每100米减低3.42K，对应于58.2米要出现2K的降温。可图1显示在奇台到吉木萨尔之间的温度减低的速度竟然是这个理论上的极端不稳定的均质大气的5倍。这是一个惊人的事实，是严重挑战气象理论的现象。2009年2月20日我们把这个发现公布在科学时报的博客上http://www.sciencenet.cn/m/user_content.aspx?id=216246 。这个“异常”事实是否是仪器或者自动气象站选址不当引起的？笔者就此咨询了有关业务部门，得到的回答是这方面没有问题。

l         是否西藏高原也有类似事实？笔者就此求教西藏高原上的超绝热（每100米温度降低1K）现象的发现者张丙午先生。他说“探空资料給出的突出实例是1.545公里厚的气层内出现过1.39K/100m的超绝热大气可以稳定存在数小时（白天）”。青藏高原在日光的照射下，其地面温度比较高，这属于正常情况。但青藏高原的地面已经是突入到大气对流层中部的山体，而其上空的空气温度则与对流层的大范围平均情况一致。所以那里出现比较厚的气层内的超绝热大气，温度递减率达到1.39K/100m应当是在可以理解的范围内。但是西藏高原的这个数据依然没有突破大气密度随高度而减低的一般规律。

l         我们发现的现象是否为2009年2月19日的个别现象？为此我们分析了2009年4个月以来的资料。它们说明这不是特例，而是经常出现的现象。图2給出2009年1-2月的19日的平均情况和3-4月19日的平均情况。它们分别代表了冬季（温度在零度以下，地面可以存在积雪）以及温度高于零度，没有积雪的春季情况。它说明冬季这个现象突出，但是春季依然存在。

 

图2 奇台气象站和吉木萨尔气象站1-2月和3-4月的温度差的日变化（对应月19日）

l         这个现象是否仅是自动气象站感应器的观测结果？它在过去的人工百叶箱观测上是否也有体现？资料提示它们依然与自动气象站的数据互相印证着这个奇特现象。

奇台温度比吉木萨尔温度低的数值（K）

（1971-1980年平均）

在上表中給出1971到1980这10年的奇台与吉木萨尔气象站的三种温度平均值的差值。鉴于这两个气象站的水平距离仅为30公里，而且没有地形障碍阻隔。所以它们的平均温度差应当体现它们在垂直高度方面的温度差。从表中可以看到两个气象站的各个月的平均温度的差的年平均值是1.5K，它说明年平均温度也显示出58.2米的高度差内居然有1.5K的温度差。这个数据没有达到上下层密度相等的严重程度，但是已经远远超过了所谓干绝热大气的100米减低1K的水平（全年平均）。它与我们前面的分析具有一致性。

l         我们最初已经揭示奇台-吉木萨尔之间的空气密度随高度增加的现象主要出现在没有日射的夜间（含黎明）。最高温度一般出现于白天。所以两个气象站的最高温度的差别应当不大。而表中的第二行給出它们的最高温度的差仅是0.2K。这个结果说明白天这里没有出现密度随高度增加的现象。反之，最低温度一般出现在夜间到黎明（新疆与北京有两个小时的时差，所以冬季北京时间8时依然在黎明时刻附件），而两个气象站最低温度的平均值的差（各个月的平均）却是2.5K。这个平均值居然比密度随高度不变化的理论值2K（指58.2米的高度差时）大0.5K。它从另外一个侧面说明10年平均的最低温度也提示我们揭露的密度随高度增加现象不是个别年份、个别日子的特殊现象，而是四季长期存在于每天的夜间到黎明的普遍现象。

l         以上分析已经基本认定了新疆的奇台到吉木萨尔之间的坡面上确实存在着密度随高度而增加的奇怪现象（厚度达到58.2米）。我们认为这个奇特现象需要有更多的观测事实和分析的佐证。它是否仅是这两个气象站之间的现象，还是其它地方也存在类似现象，它的理论意义和在天气预报上的意义都值得我们去探索。

 

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