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涛淘风云作者现为中央气象台（国家气象中心）首席预报员，为您解读天气预报，科普气象知识，讲述职业生涯遇到各种天气趣事。64篇原创内容
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概要
再谈导致高温的三大因子，详解三大因子背后的数学物理。砖业术语可能会把你砸晕，但却是达成“砖家”成就不可或缺的一环；也是即便“砖家”也可能会忽视的一环。
其实大气对于太阳辐射能量是个“小透明”——太阳并不直接晒热大气，而是靠着晒热地面-热传导-湍流-对流-平流 潜热释放等一系列物理过程，大气才获得了太阳的热量。
造成气温变化的那些物理因子，在高温天气成因与低温天气成因中的贡献大不相同。
理解了导致高温的两大因子，结合天气图就可以回答为什么最近这么热的问题。
但面对今年的热为什么会这样的问题，需要回答为什么会出现这个导致高温的天气图？跟往年同期有什么异同？为什么有这个异？这些问题我恐怕天才知道。
本文内容适合新预报员、大气科学专业学生和发烧级气象爱好者，目的是帮助理论联系实际，也为了我以后将写作的一些文章打伏笔：
不真正理解（回到）这些层面，就不可能理解/认同我之后文章中将表达的一些观点（那些你在天气学教科书和学术文章中看不到的“经验之谈”）。
对于非发烧级爱好者，可以尝试看下文蓝色字体部分的大白话解释
正文
在早先文章《从宏观到微观，详解近期中国的高温和暴雨》中我尝试总结了能让更多非专业人士理解高温的三个微观因子：1）太阳照射；2）下沉增温；3）暖空气。但为了好理解而牺牲了准确性，本文做些补充和理论解释。
一、大气对于太阳辐射能量是个“小透明”
前文总结三大因子的第一条太阳照射。其实是个高度简化凝练的结论，严格说来是不准确的。因为太阳照射热量对于空气来说几乎是透明的，对空气直接加热的作用微乎其微。
我所说的太阳照射其实只是一系列过程的结果。
这个过程大致是经过了：“太阳通过辐射作用晒热下垫面（地面、水面）——下垫面通过热传导作用加热最贴近地面（厘米级）的大气——贴地层大气通过浮力对流作用和湍流混合作用加热近地层（地面以上约50-200米左右，人和温度计所在的1.5米到2米高度在这一层）大气”。
如果拓展这个过程到高空，考察整个对流层，那么还有“近地面层大气通过更大的湍流混合作用和热对流作用加热边界层大气（各地、各季节、各天气背景、昼夜的不同都会大大影响边界层厚度，平均在1公里左右）——边界层大气再通过各种上升运动（或动力上升或浮力对流上升）将对流层低层热量带到对流层上部（边界层以上的对流层叫做自由大气层）“
如果再考虑水的相变作用，那么还会有这个过程：太阳照射能量通过蒸发地面水成水汽而以潜热储存在水汽里，水汽被各种上升运动带到高空凝/冻结成或水云或冰云，潜热得以释放加热高层大气。
这种通过相态变换方式传递的热量在物理上叫做“潜热”，中学就知道了，它与热传导能够直接传递的“显热”对应。
可能你已经被绕晕了，哦，后面会更晕，因为我要放公式了。
二、三大高温因子背后的数学物理
气温的本质在微观是气体分子运动在宏观是气体热量，或者说气体内能，它的变化遵循物理规律：理想气体状态方程和热力学第一定律。
我们略过公式的推导过程，直接引用数值预报的大气控制方程组中对于温度描述的热力学能量方程，考察其每一项的物理意义，如下图所示：
大气运动热力学能量方程及物理意义
本地气温变化（上面等式左边项）的三大因子尽在其中（等式右边）但并非那么一目了然，因为三大因子并不严格等同红框三项。详解如下。
1）右1——水平平流项——四周冷/暖空气的入侵
u代表东西风，v代表南北风，它们右边紧邻的偏微分式代表温度在东西和南北方向的分布。所以这一项代表了水平方向的温度平流，也就是四周冷/暖空气入侵。
既然是三维空间，平流项当然在垂直方向也有，但隐藏在右2项中，尤其容易被大家忽视。究其原因我想有三点：1、地球上的大尺度风，是准水平的；2、垂直方向上对流运动与平流运动的混淆；3、不同于水平方向上的绝热过程变压微乎其微，垂直方向上绝热过程变压是主导的。
2）右2——垂直平流项 绝热变压项——上下冷/暖空气的入侵 下沉增温上升冷却
这部分还是有点绕的，w代表垂直风，括号里面有两项代表温度垂直递减率：
前者代表实际温度垂直递减率，即垂直方向上的冷暖分布，大多数时候是固定的上冷下暖，所以下沉运动代表冷空气入侵，上升运动代表暖空气入侵（少数的逆温层反之），这就是垂直平流项；
后者代表干绝热直减率，在地球大气中，由于高空气压永远小于低空，所以永远是下沉增压导致升温，上升降压导致冷却，这就是垂直绝热变压项；
所以这两者大多数时候是矛盾的（所以前面正负符号相反）：一个下沉大多数时候相当于冷空气入侵导致降温，一个下沉要增温，但因为前者永远小于后者，所以实际情况是后者主导，即下沉运动增温，上升运动降温。除非有第三者插足——即项3（非绝热加热项，不然你以为为啥用干绝热递减率而不是湿绝热递减率呢？）
3）右3——非绝热加热（辐射、热传导、潜热）——晒太阳、马路上煎鸡蛋、蒸汽烫伤
前面右1和右2项是假设为绝热情况的，即气块与外界没有任何热量交换的情况。但是真实世界当然不是这样，所以必须考虑非绝热过程。
而热量从一物到另一物的方式只有三种：
辐射：不需要介质，太阳光穿透真空来到地球，就是晒太阳；
热传导：通过介质的分子运动交换能量，马路上煎鸡蛋靠的就是热传导；潜热加热：在人类生活的地球温度空间中，扮演三姓家奴，相态变来变去的的主要是水（在木卫六上是甲烷）。蒸汽比开水烫伤更严重的原因就在于蒸汽变水放出的大量热。
方程把辣么多复杂的非绝热物理因素全部笼统放到了这里，为啥？我觉得有两个原因：
1、因为这部分根本不可能在数值预报中用格点要素来直接计算，全部通过所谓“物理过程”来近似；
2、因为这部分在自由大气层中几乎被当做零处理了（除了潜热）。。。因为在辐射面前空气几乎是透明的，热传导作用在这个时空尺度上是微乎其微的 。
但是人感受的气温可不在高空而在近地面，所以非绝热加热项非常重要。
我猜这也是数值预报自由大气层的物理要素比预报边界层准确的多的主要原因。
三、之前提到的高温三大成因实际只有两大
1）再谈高温成因
上面我们从数学物理中找到了造成温度变化三大作用的物理根源，这里从限制条件（人类感受的高温在近地面）出发再梳理一下高温的主要成因：
1、温度平流：就是暖空气入侵，最容易理解。但是很遗憾，在高温天气里，这一项在大多数时候都没有什么贡献。
道理嘛，很简单，这么理解：在地面层的水平运动中主要是冷空气向暖空气这跑，热的空气主要是往天上跑；而在垂直方向上，上冷下暖，总不可能有地下的空气上升运动带来暖空气加热地面吧（如果你在高山上另说，说火山的爬开）。
2、绝热变压：一个原因导致只需要考虑垂直方向上的绝热变压过程绝，因为水平方向的气压梯度很小，所以变化又慢又弱，带来的温度变化可以忽略不计。（这也是我前文提到过的，有种解释锋前压缩增温谬误的根源所在）
但在垂直方向上，1000米的距离气压可以变化100百帕（作为对比，在大尺度运动中，水平方向1000米的距离内，气压变化大多不到0.1百帕）。
所以绝热变压只看垂直方向，只有一个结果：下沉增温上升冷却，所以下沉增温是造成高温的主要因子之一。
3、非绝热加热：
三种情况中先说潜热加热，在近地面高度，只有水汽凝结和水冻成冰才可以放出潜热起到加热作用，用脚指头都可以想到这两种情况绝对不可能对把你热麻了的高温有贡献。所以潜热加热导致高温就不存在了，它们主要在高空起作用；
再看热传导，我们说过其实只在贴地厘米之内是外界的地面给空气传热，在人体感受的高度已经是空气通过湍流传热给空气，而这一切的前提都是地面要比空气热很多，所以除非你是站在火山或地热之上，或者是热锅上的蚂蚁，否则上热传导要有贡献只能是因为——太阳晒热了地面。
所以这热传导一项就跟辐射加热合二为一了，对着地球辐射的是谁？答对了，太阳！
嗯，当然还有月亮和星星。。。高温不厚道的笑了。
因此，太阳凶狠的照射是成高温的另一个主要因子，为什么要加凶狠？因为大冬天太阳也照射了，乍不出高温呢？
所以，造成高温天气只有两大物理原因，这与我前面说三大原因并不矛盾，不信你回头看前文，当时我已经解释了暖空气入侵这一项是不存在的，说三项只是因为我考虑数理方程中导致气温变化的所有物理机制来谈的，对人能感受的高温就是两项，那么对低温呢？情况有所不同了。
2）顺便谈谈导致低温的主要因子
沿着考察高温物理成因的思路，我们看看低温，情况不同了。
1、平流项：
这是大家最熟悉的了，寒潮冷空气就是水平的冷平流。
垂直的冷平流本来按理也有贡献，因为下沉运动带来高空冷空气嘛。
但是现实很骨感，下沉运动的垂直冷平流的被绝热变压项的下沉增温削得干干净净没了。所有平流项贡献里只剩下水平平流项。
由于冷空气强大且总是要往暖空气家里跑，所以与平流项缺席造成高温因子截然相反，它是造成低温天气的最重要因子！
关于这一点，不仅大家最熟知，砖家也是，所以砖家会犯错！这个放到第二项讲完一起说。
2、绝热变压项：
前面讲过，绝热变压的水平方向是一个小、慢到可以忽略不计的存在。所以只考虑垂直方向，而身处地面不可能有上升减压冷却过程，所以与在高温成因中至关重要相反，绝热变压项在低温天气的成因中完全缺席！（如果你在高山上另说，顺便说一句，空调和冰箱是利用这个原理）
回说砖家犯错的事，因为对这平流与绝热变压过程的博弈盘算不清，所以即便是砖家也容易犯错。
不是错在不知道有其它原因会造成降温，而是错在惯性思维以为冷空气只会造成降温。这个我在《刚刚发生：冷空气造成北京升温，广州的冬晨竟然比北京冷！——兼谈“锋前增温”的误导！》已经说过，冷空气如果有下沉就可能会造成增温。在我已经构思好的预计是之后第二或第三排文章中会再谈谈这个问题，当然有所不同，讲另外一种“气象奇观”。
3、非绝热加热：
还是一个一个来，先说热传导和辐射，与讨论高温类似，俩是绑定起作用的，热量当然只能由热往冷传导，看起来不该输出“低温”，但热传导热量损失的那一方当然会降温。
跟高温同理，这个过程与辐射相联系。所不同的是，热量传递是反向的，晴朗的夜间和冬季，地球向外太空辐射能量少于太阳辐射入射能量时，地面热量净亏损就会导致温度下降，贴地层空气因此可以热传导给地面，贴地层空气损失热量导致降温，然后上面的空气再通过湍流和热传导向下输送热量而自身降温。
虽然这个过程向上传递极其有限，是不可能不会像升温那样向上面的自由大气层传递（因为热升冷降的制约）的，但在人能感受的近地面还是很明显的。
所以这些过程可以归结为一种低温成因的现象：阴天寡照
非绝热项还有一个潜热，对于气温下降而言就是潜热被吸收，前面说过，水是热量的搬运工，我们天天被太阳晒而地面温度却总体保持平衡，为什么？水通过相变的搬运是最重要的原因之一。
所以水的蒸发和冰雪的融化会造成地面的降温，这就是“下雪不冷化雪冷”的原因。也是强对流天气造成效果的百变之一“气温骤降——一雨成冬”的主要原因。
只不过这一点砖家们在解释低温天气的时候很少去说它，因为相比起冷空气和阴天寡照而言，过于繁琐复杂，而且多数时候贡献偏小，但它其实是起作用的，尤其在“局地天气”中，可能上升为主要原因。
四、谈谈最经典的高温解释——照本图宣科
拿出天气图，指着图中的高压天气系统：“看，这副高就是高温的原因“，这是最简单明了的解释，也是大致正确的，所以是经典解释。如下图这种：
2022年7月12日最高气温与12日20时500hPa高度场图
（填数是高于35℃区域，粗蓝线是588位势十米线-副高经典代表）
原因何在？因为副高可以提供下沉运动，进而又提供了晴空成就了日晒。导致高温两大成因齐聚。
但是看完我前述那些影响气温的复杂物理原因就知道，气温与天气系统的对应哪有如此简单，副高能提供这两大因子，不等于说只有副高能提供这俩因子。
远的不说，咱们说说上个月热麻掉的北方大地吧，同样的天气图上一张：
022年6月25日最高气温与25日20时500hPa高度场图
（填数是高于35℃区域，粗蓝线是588位势十米线-副高经典代表）
打破历史记录的河北大地，40 ℃遍地开花，高压在哪里？
您细品，一切尽在不言中。
更不用说即便是高压也因不同的高度而不同。
比如说在地面，高压大多代表着冷空气，于是另一个经典的寒潮低温解释场景就出现了。也没错，但低温又何尝如此简单呢？
但不得不说，面对公众，确实是这样的解释最好，简单明了又不失正确。
但对于想成为砖家的你而言，绝不能停留于此。
五、为什么这么热？——这并不是一个简单的问题
凡事皆有两面，上面的解答又正因为其过于简单，也就跟没解释也差不了多少了。想象一下：
问：为什么高温
答：因为强大的副高
问：那为什么没高压的地方也那么热？
答：因为。。。。。。
问：那为什么。。。。。。
搞气象的人都知道，甭管说啥，总有例外。
不管怎么说，从天气的角度出发，高温原因是可以非常清晰的说清的。但是从气候的角度出发，就难了，难得不是一星半点，难度完全不是一个量级。
是的，为什么这么热，你问着很简单，我听来却不是一个问题，而是很多个问题：
这几天这里为什么这么热？是天气问题。
今年这里为什么这么热？（热得早/晚/久/狠）都是气候问题。
前者，能回答，就是本文内容。
后者，是追问，打破砂锅也问不到底的那种，我无法回答。
道理也很简单：就是本文内容那些物理因子的长期结果。而时间越长，起作用的因子越多，变化越复杂。
气候学上有专业的办法来进行研究，我懂得不多。
但我可以负责任的说，目前的成果都不能真正回答清楚上面的问题，所以我才会在上一篇文章清楚亮明个人态度：放弃幻想。
后台留言有很多说法，基本都归结到了人类活动与气候变化的角度。
对吗？应该是对的！
真解答了吗？其实没有。
除非能解释清楚为什么今年跟去年相比热和凉的地方不一样。今年的大气环流为什么是这个样子的？
那样，才是稍微接近了一点真正的回答。
妄言搞懂了来解释，我可不会。
---全文完---
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