中图版教材本节内容属第二章 第三节——大气受热过程与热力环流

探索

某地沥青路面、草地和近地面空气的温度对比
某研究小组根据某地实测数据，绘制出该地的沥青路面、草地和近地面空气的温度日变化曲线。

思考
1. 在同一天内，沥青路面、草地的温度为什么不同？
2. 在同一天内，草地温度与近地面空气温度的关系是怎样的？为什么？
3. 沥青路面对城镇大气温度的影响有哪些？

学习指南
说明大气的受热过程。
理解热力环流原理并解释相关的地理现象。
绘制不同受力状态下的风向。
提示：学习本课时，分析生活中哪些地理现象反映了大气受热过程和热力环流阳里，并进行解释。
本节的主要概念是热力环流、大气运动。

在晴朗的夏日，当太阳刚刚升起的时候，空气的温度还相对较低，随着太阳的不断升高，气温也随之上升。到中午时，气温己变得比较高了。那么大气是如何受热升温的呢？

大气的受热过程

就整个地球大气而言 ，热量的根本来源是太阳辐射。太阳辐射被地球大气吸收与转化的过程十分复杂。大气是在对太阳辐射起削弱作用和对地面起保温作用的同时实现自身受热的。

大气对太阳辐射的削弱作用

大阳辐站要穿过厚厚的大气层才能到达地球表面。太阳辐射在经过大气层时，会有一部分被大气反射、散射和吸收，因此到达地面的太阳辐射已被削弱。

大气对太阳辐射的反射

大气中的云层和较大颗粒的尘埃能将太阳辐射中的一部分能量反射到宇宙空间去。云的反射作用尤为显著，云层愈厚，云量愈多，反射作用愈强。

大气对太阳辐射的散射

太阳辐射通过大气的过程中遇到空气分子、尘粒、云滴等，就会改变辐射的方向，向四面八方发生散射。经过散射后，有一部分太阳辐射就不能到达地面了。

大气对太阳辐射的吸收

太阳辐射经过大气层时，其中一小部分被大气吸收。大气对太阳辐射的吸收具有选择性，平流层大气中的臭氧，强烈地吸收太阳辐射中波长较短的紫外线；对流层大气中的水汽和二氧化碳等，主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。但大气对太阳辐射中能量最强的可见光吸收得很少，大部分可见光能够透过大气射到地球表面上来。因此，大气直接吸收太阳辐射能量是很少的，吸收对太阳辐射的削弱作用不是最显著的。

到达地面的太阳辐射不是均匀分布的，而是由低纬度地区向两极地区递减的。低纬度地区的太阳高度角大，一方面太阳辐射强度大，另一方面太阳辐射经过大气层的路程短，被大气削弱得少，地球表面吸收的太阳辐射就多。高纬度地区的情况则相反。

名词链接：太阳高度角指太阳光线与地平面的夹角。

阅读

天空的颜色
仰望天空，你所看到的颜色就是太阳光被大气中的气体分子散射后形成的颜色。在太阳辐射的可见光中，波长较短的蓝色光最容易被散射，所以晴朗的天空呈现蔚蓝色。日出或日落时分，太阳高度角小，太阳光要穿过一层比正午时更厚的大气层，大部分蓝色光线已经被散射掉了，剩下主要包括红色和橙色的可见光。所以天空看起来是橙红色 ， 绚丽多彩。

图 2-3-3 日出

大气对地面的保温作用

地球表面吸收太阳辐射增温的同时，也向外辐射能量。物体辐射的规律是：物体温度愈高，辐射中最强部分的波长愈短；物体温度愈低，辐射中最强部分的波长愈长。地球表面的平均气温约为 15℃，比太阳表面的平均温度低得多，所以地面辐射为长波辐射，太阳辐射为短波辐射。

地面辐射经过大气时，几乎全部被大气中的水汽和二氧化碳(主要在对流层中)吸收，从而使大气温度升高。所以，地面是大气主要的直接热源。

大气在增温的同时，也向外辐射长波辐射。大气辐射仅有小部分射向宇宙，而大部分则射向地面，其方向与地面辐射正好相反，被称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量还给地面，在一定程度上补偿了地面辐射散失的热量，对地面起到保温作用。这种作用，其效果类似于玻璃温室，人们通常称之为大气的“温室效应”。有研究认为，如果没有大气对近地面的保温作用，地球表面的平均气温会下降到 -18℃。

思考：为什么晴朗夜晚后的早晨，比多云夜晚后的早晨更凉一些?

大气对太阳辐射的削弱作用能降低白天近地面的气温，使白天气温不至于过高;大气对地面的保温作用能弥补地面辐射损失的热量，使夜间气温不至于过低。这两种作用共同影响的结果是缩小了气温的日较差，使地表附近的气温变化幅度减小，从而为生物的生长发育和人类的活动提供了适宜的温度条件。

热力环流与大气运动

大气运动的能量来自太阳辐射。太阳辐射的纬度分布不均，造成不同纬度之间的热量差异，这是引起大气运动的根本原因。

热力环流

热力环流是由地面冷热不均引起的大气运动，它是大气运动最简单的形式。

如图 2-3-5 所示，当地面受热均匀时，大气没有垂直方向上的升降运动(图①)。如果A地受热多，B、C两地受热少，那么 A 地近地面的空气就会受热膨胀上升，到上空聚积起来，使上空空气的密度增大，形成高压区；B、C两地近地面的空气就会因冷却而收缩下沉，使其上空空气密度减小，形成低压区(图②)。于是，在上空，空气便从气压高的 A 地流向气压低的 B、C 两地。在近地面，A 地空气上升后流向 B、C 两地的上空，近地面的空气密度减小，气压比周围地区低，形成低压区；B、C 两地因有下沉气流，近地面的空气密度增大，形成高压区。这样近地面的空气从 B、C 两地流回 A 地，以补充 A 地上升的空气，便形成了热力环流(图③)。

名词链接：等压面指空间气压相等各点所组成的面。

读图：读图 2-3-5 分析空气形成热力环流时，近地面气压的高低与气温的高低有什么关系？

大气的水平运动——风

地面冷热不均，引起同一水平面上出现气压高低差别。只要同一水平面存在气压差，便会产生一种促使空气由高压流向低压的力，这个力叫作水平气压梯度力，简称气压梯度力。气压梯度力垂直于等压线，从高压指向低压。在气压梯度力的作用下，空气由高压沿着水平方向流向低压，这种空气的水平运动即为风。

名词链接    
等压线 在地图上把气压相同的各点连接起来的线叫等压线。    
地转偏向力 指由于地球自转而产生的使水平运动物体的方向发生偏转的力

如果没有其他外力因素的影响，风向应该与气压梯度力的方向一致，即垂直于等压线的方向。然而，除赤道外，风一旦形成，不仅受到气压梯度力的作用，同时还受到地转偏向力的影响。地转偏向力使风向在北半球向右偏，在南半球向左偏。在气压梯度力和地转偏向力共同作用下，风向最终平行于等压线。

图 2-3-6 气压梯度力和地转偏向力对风向的影响示意(北半球)

此外，在近地面，空气运动还要受到地表摩擦力的影响。在气压梯度力、地转偏向力和摩擦力三个力的共同作用下，风向总是与等压线斜交的。从近地面到高空，空气运动所受摩擦力逐渐减小，风向与等压线之间的夹角也逐渐减小，到一定的高度，摩擦力接近于零，风向与等压线也接近于平行了。

图 2-3-7 气压梯度力、地转偏向力和摩擦力对风向的影响示意（北半球）

大气运动的意义

大气运动使不同地区热量、水分得以交换，影响各地的水热状况，形成了各种复杂天气现象，也会导致气候变化，进而影响着区域自然地理环境。

案例研究：城市热岛效应

大城市由于人口密度与建筑密度高，工业集中，造成气温高于周围郊区的现象，称为城市热岛效应。

城市热岛效应产生的主要原因是地表性质发生了变化。首先，城市的高大建筑和水泥、柏油等路面，比郊区大面积的植被和土壤表面吸收和储存了更多的太阳辐射，导致热量吸收多;其次，城市地面大部分透水性较差，蒸发量小，导致热量散失少。城市温度较高的另一个原因是人为热源多，如家用电器、工业生产和交通运输等都会释放热量。

城市热岛效应造成城区气温升高，导致城区与周围郊区的温差加大。当其他气流影响微弱时，城区的空气出现上升运动，周围郊区的空气出现收缩下沉运动。在水平方向上，高空的空气由城区流向郊区，近地面的空气由郊区流向城区。城区和郊区之间便形成了小型的、局部的热力环流。

城市热岛效应还会延长植物的生长期。很多研究发现，城市中植物春季生长开始的时间比郊区早，秋季生长结束的时间比郊区晚，导致城市植物的生长期比郊区长。

思考：    
1.运用大气热力环流原理，画出城区与郊区之间的热力环流示意图。    
2.城市热岛效应对人类的生产活动有什么影响?

作业题

1.阅读材料，根据大气保温作用原理，解释白露之后昼夜温差增大的原因。

白露节气之后，秋意渐浓，早晚凉意袭人，人们常用“白露秋分夜，一夜凉一夜”来形容此时气温下降速度加快的情形。秋风使得空气中的水汽逐渐减少，空气逐渐变得干燥，大气中由水汽凝结形成云的过程也减少了。因此，这一时段成为全年昼夜温差最大的阶段，天气渐渐开始转凉。

2.海水的比热容比陆地的比热容大,所以海洋升温慢,降温也慢,温度变动幅度小:陆地升温快降温也快，温度变动幅度大。

(1)分别判断两图中海洋和陆地的相对温度高低。

(2)根据所学热力环流的知识，在两图中分别画出海洋和陆地之间的热力环流示意图,

(3)判断海岸边何时吹海风，何时吹陆风。

3.山谷的山坡和谷地受热状况不同,于是在白天形成谷风,在夜晚形成山风。根据热力环流原理在 a、b两图中分别画出谷风、山风的形成示意图。

课题 2

检查进度：设计热力环流实验，准备实验所需材料，记录实验过程及相关数据，并进行总结。

湘教版教材本节内容被拆分成第二章的第二节和第三节，分别是《第二节 大气受热过程》、《第三节 大气热力环流》

探究 Inquiry

霞是日出、日落前后天空或云层上出现的彩光，由接近地平线的太阳光经大气中尘埃、水汽和空气分子散射后的剩余色光形成。日出、日落时分，太阳光经过大气的路程比正午时分长，更多的蓝光、紫光在进入我们的视野前被散射掉了，剩下主要包括红光、橙光的太阳光。
1. 通常太阳越接近地平线，朝霞、晚霞的颜色就越红。观察这一自然现象，并 思考其形成原因。
2. 大气中所含的水汽越多，朝霞、晚霞的颜色就越红。朝霞、晚霞与天气有一 定关系，如有“朝霞不出门，晚霞行千里”的谚语。观察这一自然现象，验证该谚语预报天气的可靠性，并思考其中的道理。

一、大气对太阳辐射的削弱作用

太阳辐射要穿过厚厚的大气，才能到达地表。由于大气对太阳辐射的反射、散射和吸收作用，投射到大气上界的太阳辐射不能完全到达地表。

大气中的云层和较大颗粒的尘埃，能将投射在其上的太阳辐射的一部分，又反射回宇宙空间。云的反射作用最为显著。云层越低、越厚，云量越多，反射越强。夏季天空多云时，白天的气温相对来说不会太高，就是因为云的反射减少了到达地面的太阳辐射。大气对太阳辐射的反射没有选择性，因而反射光呈白色。 

当太阳辐射在大气中遇到空气分子或微小尘埃时，太阳辐射的一部分便以这些质点为中心，向四面八方弥散，这种现象称为大气的散射。散射改变了太阳辐射的方向，使一部分太阳辐射不能到达地面。在太阳辐射的可见光中，蓝光、紫光的波长较短，容易被空气分子散射，因而晴朗的天空呈现蔚蓝色。

大气对太阳辐射的吸收具有选择性。平流层大气中的臭氧，主要吸收太阳辐射中波长较短的紫外线。对流层大气中的水汽和二氧化碳等，主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线。大气对太阳辐射中能量最强的可见光却吸收得很少，大部分可见光能够透过大气射到地面上来。也就是说，大气直接吸收的太阳辐射只占一小部分，特别是对于对流层大气来说，太阳辐射不是主要的直接热源。

大气对太阳辐射的反射、散射和吸收作用，削弱了到达地面的太阳辐射。到达地面的太阳辐射不是均匀分布的，而是由低纬度向两极递减。低纬度地区的太阳高度大，太阳辐射经过大气的路程短，被大气削弱得少，到达地面的太阳辐射多；两极地区的情况则相反。

活动 Activity

1. 在日出之前（黎明）和日没以后（黄昏）的一段时间，天空仍然明亮，处于半光明状态。这段时间，既不是真正的白昼，也不是真正的黑夜，是昼夜交替的过渡时期。天文学称之为晨昏蒙影。简析晨昏蒙影形成的原因。
2.如图 3-14 所示，投射到地面的太阳辐射，并不能全部被地面所吸收，其中又 有一部分被地面反射回宇宙空间。地面对太阳辐射的反射率大小，取决于地面的性 质，如颜色、干湿状况、粗糙程度等。不同性质的地面，反射率的差异较大。读图， 完成相关任务。

 
（1）比较不同性质地面的反射率，说一说哪些种类地面的反射率较高，哪些种类地面的反射率较低。
（2）分析地面性质与反射率之间的关系。
（3）绿色植物对紫外线和可见光的吸收很强，反射很弱，而对近红外线的吸收很弱，反射很强。议一议，根据绿色植物的反射特征，如何利用遥感技术，实时准确地监测森林、草原面积的动态变化？

二、大气对地面的保温作用

地面吸收透过大气的太阳辐射后升温，同时又持续向外（主要是向大气层）释放辐射能量，形成地面辐射。由实验得知，物体的温度越高，辐射中最强部分的波长越短；反之越长。由于地面的温度比太阳低得多，因此地面辐射的波长比太阳辐射要长得多，其能量主要集中在红外线部分。通常根据辐射波长的差异，将太阳辐射称为短波辐射，而将地面辐射称为长波辐射。

对流层大气中的水汽和二氧化碳等，可强烈地吸收地面辐射。地面辐射释放的能量，除极少一部分透过大气返回宇宙空间外，绝大部分（75%~95%）都被截留在对流层大气中，使大气增温。所以说，地面是对流层大气主要的直接热源。

大气吸收地面辐射增温的同时，也向外辐射能量。大气的温度比地面还低，所以大气辐射也是长波辐射。大气辐射的一部分向上射向宇宙空间，大部分向下射到地面。射向地面的大气辐射，其方向与地面辐射相反，故称为大气逆辐射。大气逆辐射又把热量归还给地面，这就在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，对地面起到了保温作用。天空中有云，特别是有浓密的低云，或空气中湿度比较大时，大气逆辐射就会增强。

阅读 Reading

大气热力作用的意义
地球大气对太阳辐射的削弱作用和对地面的保温作用，既降低了白天的最高气温，又提高了夜间的最低气温，从而减小了气温日较差，使得地面因昼夜交替而导致的温度波动趋于缓和。如果没有大气的保温作用，地球表面的平均气温将会下降到-18°C，那么地球上的绝大多数生态系统将不复存在。正是大气的保温作用，才使得地球表面平均气温提高到15°C左右，形成适宜人类生存的温度环境。

活动 Activity

1. 经纬认为，大气对地面的保温作用可分解为“太阳暖大地”“大地暖大气”“大 气还地面”三个环节。读图3-15，你认同经纬的观点吗？你是怎么理解大气对地面的保温作用的？用自己的话说一说。
2.绘示意图说明下列现象，并解释其成因。
（1）月球基本上没有大气，赤道处中午高127°C，晚上最低达 -183°C。月球 表面昼夜温度变化比地球表面剧烈得多。
（2）深秋至次年早春季节，霜冻多出现在晴朗的夜晚。

鲁教版教材本节内容合并在了第二章第一节《大气圈与大气运动》，现摘录如下：

二、大气的受热过程

太阳辐射是地球表层最主要的能量来源。进人地球大气层的太阳辐射，有一部分被大气直接吸收。大气对太阳辐射的吸收具有选择性。臭氧和氧原子主要吸收太阳辐射中波长较短的紫外线，水汽和二氧化碳主要吸收太阳辐射中波长较长的红外线，而太阳辐射中的可见光被吸收得很少。因此，大气直接吸收的太阳辐射只占大气层顶太阳辐射的五分之一左右，地面吸收的太阳辐射却占到大气层顶太阳辐射的二分之一左右。

地面吸收太阳辐射而增温，同时向外辐射热量。由实验得知，物体的温度越高，辐射中能量最强部分的波长越短，反之越长。由于地表的温度比太阳的温度低得多，所以地面辐射与太阳辐射相比，波长长得多，其能量主要集中在红外波段。因此，相对于太阳辐射来说，地面辐射为长波辐射。地面放出的长波辐射除少部分透过大气返回宇宙空间外，绝大部分(75%~95%)被对流层大气中的水汽和二化碳吸收，使大气增温。所以，地面的长波辐射是低层大气主要的热量来源。大气在增温的同时，向外放出长波辐射，其中朝向地面的部分因辐射方向与地面辐射相反，被称为大气逆辐射。大气逆辐射把热量还给地面，在一定程度上补偿了地面辐射损失的热量，对地面起到了保温作用。例如，多云的夜晚气温不会太低，人造烟雾可减轻霜冻对农作物的冻害，都与大气逆辐射的保温作用有关。

活动

玻璃温室的效果与大气保温效果相似。寒冬季节的晴天，当你走进门窗关闭的封闭阳台时，会感到异常温暖。
   
   1.用温度计测量封闭阳台和室外的温度，算出它们的温度差。
   2.结合图2-1-7、图2-1-8，说明封闭阳台温度较高的原因。
   3.在中纬度地区的植物园，采取什么措施可以使热带植物安全越冬?

三、大气的运动

大气在不停地运动，风是大气运动的一种直接反映。那么，是什么力量驱动着大气运动呢?

热力环流

热力环流是由于地面冷热不均而形成的空气环流，它是大气运动最基本的形式，形成过程如图2-1-9所示。

当地面受热均匀时，空气没有相对上升和相对下沉运动(图2-1-9a)。

当A地接受热量多，B、C两地接受热量少时，A地近地面空气膨胀上升，到高空聚积，使上空空气密度增大，形成高气压;B、C两地空气收缩下沉，上空空气密度减小，形成低气压(图2-1-9b)。于是空气从气压高的A地上空向气压低的B、C两地上空扩散。

在近地面，A地空气上升向外流出后，空气密度减小，形成低气压；B、C两地因有下沉气流，空气密度增大，形成高气压。这样近地面的空气从B、C两地流回A地，以补充A地上空的空气，从而形成了热力环流(图2-1-9c）。

名词解释：等压面是空间中气压相等的各点所组成的面。

活动

1.根据图2-1-9c，填写下表。  
     
2.运用大气热力环流的原理，解释图2-1-10中所示意现象产生的原因。  
     
3.如图2-1-11所示，伦敦市城市中心区气温明显高于郊区，形成这种现象的原因有哪些？城郊之间近地面空气如何流动？请画出城郊之间近地面空气流动示意图。  
   

大气的水平运动

地表受热不均，导致同一水平面上产生气压差异。水平方向上单位距离间的气压差叫作水平气压梯度。水平面上存在的气压梯度产生了水平气压梯度力，它促使大气由高气压区流向低气压区，从而形成空气的水平运动，即风。

水平气压梯度力垂直于等压线，并指向低压区。在高空，风基本不受地面摩擦力的影响，风向主要取决于水平气压梯度力和地转偏向力。在以上两个力的共同作用下，风向逐渐偏离水平气压梯度力的方向，在北半球向右偏，在南半球向左偏，最终可偏至平行于等压线。在近地面，风还要受到地面摩擦力的影响。在水平气压梯度力、地转偏向力和摩擦力的共同作用下，风向与等压线斜交。

活动

1.说出图2-1-12中，在只考虑水平气压梯度力的情况下，风向与等压线之间的关系。
2.分别说出图2-1-13、图2-1-14中风向与等压线之间的关系，指出两图中风向不同的原因。
3.试分析南半球近地面以及高空的风向，并画出示意图。