冬季南北方大气温度密度对比和思考

作者：贡有成

2019年1月，科学网博主、新疆气象局张学文研究员发表博文，提供了北方的哈尔滨和南方的海口1月份（冬季对比鲜明）在各个高度上的密度数据（1960-1969年的10年平均值），并进行大气密度分析，讨论“水平等密度层”和认识大气的新视角。笔者是对气象学感兴趣的环保工作者，所谓兴趣也仅因了解大气环境困扰所需，因而不懂大气科学语音无法交流，难以排解心。看了这组博文兴奋地似懂非懂的依葫芦画瓢，小孩过家家般画图对比、发呆。

记得1984年全国高考物理试卷一道6分的题目是“估算大气重量”，地球对大气的引力（重力）产生大气压强，地球的表面积与大气压强的积即是地球大气层空气的总重量，G=4πr²P₀≈5×10¹⁸kg，地球引力将75%以上的大气和90%的水汽集中在对流层。

大气气体分子间间隔大，具有易流动性，可压缩性，黏性，空气是混合气体，海面空气成分体积比（数量比）是：氮78.084%，氧20.942%，氩0.934%，二氧化碳0.031%，海平面空气密度1225g/m³（15℃时）、摩尔质量28.9644g/mol。大气可以按照理想气体，其气压P、气温T、空气密度ρ等遵循理想气体的状态方程P=ρRT（干空气比气体常数R取287.05287焦耳/K•千克），《标准大气(30公里以下部分)》（GB1920-80，已废止）取自1976年美国标准大气，与国际标准化组织(ISO2533)、国际民航组织(ICAO-1964)及世界气象组织(WMO标准大气的相应部分完全相同。标准规定了标准大气(30公里以下部分）的特性，用简单方式近似地表示(大气温度、压力、密度等参数的平均垂直分布，可供压力高度计校准、飞行器设计和计算等工作使用。

垂直温度对比

将我国北方的哈尔滨和南方的海口1月份（1960-1969年的10年平均值）在各个高度上的温度和大气密度数据绘制成曲线如图，并与标准大气一起比较如下。

低空垂直温度梯度L大致不变，呈斜线，随高度升高气温递减。标准大气的垂直温度梯度是-6.5℃/km，哈尔滨1月和7月的垂直温度梯度分别是-4.7℃和-5.6℃/km，海口1月和7月的垂直温度梯度都是-6.1℃/km。

与标准大气一样，到达一定高度，垂直温度梯度L突然折转变成0，哈尔滨大致是8.6km，海口是16.6km，标准大气是11km。

海口1月最低气温是80hPa17.89km上空的-78.5℃，远低于哈尔滨300hPa8.6km上空的-54.4℃和标准大气200hPa12km上空的-56.5℃。

大气密度对比

哈尔滨和海口1月份（1960-1969年的10年平均值）各个高度/气压下大气密度曲线如图。张老的博文“大气里存在水平的等密度层2-大气密度分析3”http://blog.sciencenet.cn/blog-2024-1156191.html分析论述的非常到位，抄录于此：

在上面的图中我们便于对比不同高度上的哈尔滨与海口的大气密度。我们看到在海平面附近哈尔滨的大气密度（蓝色的线）比海口（红线）几乎高了200克/立方米。

但是到了离地面8公里的高程上，哈尔滨与海口的大气密度变成为相等了（红线与蓝线相交）。

于是我初步认为：在地球的距离海平面8公里高的水平面上南方与北方的大气密度基本是相等的。或者说高空8公里的等高面上全球各地的大气密度应当是基本相等的。8公里高空大气密度值大约是0.57千克/立方米的等大气密度面基本是平面。

再就是随着高度的增加，南北方的大气密度都在减小，但是减少的速度不同。结果是8公里以上变成了北方的大气密度比南方小了。

我们还注意到当等高面高度达到25公里高空附近，南北方的大气密度又相等了。或者说，在26公里高的地方，地球大气再次出现一个大气密度等值面是南北相同的局面。而此时的大气密度大约是0.04千克/立方米。

在这个初步数据面前，不妨认为大气中的空气密度等值面在地面附近是倾斜的，而且北方高（密度大）南方小。但是到了8公里高空.大气密度的等值面基本是平的（全球各地8公里高空的大气密度差不多）。

8公里以上，全球大气密度等值面逐步变成南高北低。而在25公里附近的高空再次出现南北方的大气密度几乎相同的局面。

为什么在8公里高空附近全球大气密度差不多？而此高度以上南北翻转，并且到25公里高空又变成为南北差不多？

笔者在此不敢弄斧，只是描图画蛇添足，插入了标准大气密度，如下图：

笔者在图中找到了几个点：

点①，通过“查询面积”计算，标准大气5.4km（哈尔滨5.0km、海口5.6km）以下集聚了一半的大气，对应层大气密度哈尔滨716g/m³、海口670g/m³和标准大气700g/m³。

点②，海拔8200米等密度点，大气密度约510g/m³，8200米以下气体占总重量的2/3，即标准大气的66.6%、哈尔滨的69.6%、海口的64.8%。

点③，标准大气15.5km（哈尔滨15km、海口16km）以下集聚了90%的大气，对应大气密度哈尔滨174g/m³、海口190g/m³和标准大气180g/m³。

而大气密度50%（600g/m³）和90%（120g/m³）对应高度大约是7km和18km。

思考

①因为月球引力，对流层厚度也随纬度不同而不同，月球轨道下方的低纬度地区为17～18km，中纬度地区10～12km，极地8～9km，因与太阳的共同作用，夏季又高于冬季。月球引力还引起地潮、海潮和气潮，气潮引起4‰的气压变化。按长轴12754km短轴12714km画地球，再按极地8km、赤道18km画对流层，北纬45.5°的哈尔滨和20°的海口的对流层厚度约为12.8km和16.8km。1月太阳在南纬21.5°～13.5°上空，正午哈尔滨和海口两地太阳入射角分别是22.8°～30.8°和48.5°～56.5°。两地阳光要倾斜穿过33km和22.5km对流层大气到达地面。

②在一定高度，垂直温度梯度L突然折转变成0，这个高度南高北低差异较大，为什么会从-6.5℃/km突然折转呢？这个高度是对流层的上界吗？是水气的上界吗？哈尔滨70%、海口90%的大气在这个高度以下。

③海口的地面温度冬夏相差10℃，高空这个折转点气温相差2.5℃，高度相差0.16km。比标准大气折转温度-56.5℃低22℃，高5.6km。

④低纬度的海口冬季1月最低气温是气压80hPa高17.89km上空的-78.5℃，气温和气压更低，探空高度更高，是因为月球把空气引得更高吗？但气压也更低。

⑤大气压力随海拔高度而变化，由经验公式P=P₀（1-0.02257h）^5.256（kPa）式中h为海拔高度km，P₀取1.01×10⁵Pa。哈尔滨地面高度171.7m，海口地面高度14.1m，新疆的克拉玛依和喀什地面高度分别是427米和1288.7米，平底和高原较大的地面高度差异对当地的大气密度和重量有什么样的影响。

⑥干空气的比热容/比焓大约1kJ/kg·℃，对流层上部密度小、气温低，热容量也很小。北方中纬度地区空气中的水汽是怎么凝结成雪的？流体从高压向低压流动，空气从高气压向低气压流动，广袤的西伯利亚地区的寒流是怎么南下的？暴雪、特别是雪灾是怎么形成的，所需物质和能量能计算出来吗？不会是暗物质暗能量吧。

⑦除太阳辐射能以外，北方冬季使用化石能源，排放了多少废热和水汽，这些人工热能如何释放的大气层外？这些水汽对热量的传递起到什么样的作用？它的状态变化伴随吸热放热对大气垂直温度梯度的影响多大？

……

敬请斧正——

（2011年）排放活动与气象水文灾害关系的探讨 http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-HJKP201108003063.htm

（2015年）对华北雾霾及其形成机理的几点浅识https://weibo.com/p/1001603921386954453112?from=page_100505_profile&wvr=6&mod=wenzhangmod

（2018年）对大气臭氧问题的猜想https://www.meipian.cn/1qe34hlj?share_from=self&v=4.8.2&share_user_mpuuid=4845b282c53b9d1739e86407a68b9194&utm_source=singlemessage&from=singlemessage&v=4.8.2&user_id=20086162&uuid=12fc04672277f86bc9643fe5161bef04&utm_medium=meipian_android&share_user_mpuuid=4845b282c53b9d1739e86407a68b9194