逆温层、雾和低层大气的其他奇特现象

  为什么每年二月到三月反气旋存在的情况下,山谷中海拔较高的区域反而比被云海覆盖的谷底温度更高?这种情况与对流层中大气温度随高度线性下降的规律恰恰相反,其原因在于逆温层的存在。逆温层是什么现象?这种现象产生的机理是什么?它受哪些参数控制以及产生的结果是什么?我们可以看到逆温层位于地表或高空,它导致了雾的形成,并具有一些不为常人所知的影响。比如,在接近地面的地方,声波或电磁波的传播范围会增加。

1. 什么是逆温层?

环境百科全书-奇特现象-随海拔高度变化的温度分布图
图1. 随海拔高度变化的温度分布图。a)无逆温层,b)逆温层(ci)位于地面上,c)逆温层(ci)位于地面和山峰之间的高度。[图片来源:作者]

  在存在高压系统的情况下,对流层中的大气通常非常接近标准大气:当气压和密度随高度呈指数下降时,温度以6.5℃/km的速率线性下降(参见:地球的大气层和气体层)。这种下降是由于地球表面被太阳辐射加热,通过传导和对流的形式将热量传递给周围的空气,也就意味着气温将随着海拔高度的升高而逐渐降低[1]

  然而,根据气温直减率,正常情况下随海拔高度上升温度会以6.5℃/km线性下降,然而逆温层的形成会导致局部地区温度随海拔的增加而升高(图1)。逆温层的厚度变化很大,从几十米到几百米不等,但它们的水平范围很广,所以使用“层”这一词是很合理的。由于逆温层是受下垫面性质的影响而形成的,因此其高度也是可变的。逆温层的厚度和高度很大程度上取决于它们形成的机制。

  在逆温层中,由于底部的空气比顶部的空气冷,所以它的密度更高。因此,这些逆温层非常稳定,即没有对流运动和湍流。正是因为这种稳定性,逆温层通常被视为一种覆盖物,阻碍其下方堆积的物质或颗粒物(如花粉、化学污染物和空气污染颗粒物)大量向上传输。

2. 土壤表面的逆温层

环境百科全书-奇特现象-逆温层上升
图2. 随着太阳辐射加热地面,最初出现在地面上的逆温层逐渐上升。在这张照片中,霜冻仍然存在于离地面几十米的地方。
[图片来源:https://www.meteocontact.fr/pour-aller-plus-loin/les-inversions-thermiques]

  每天晚上,在没有阳光的情况下,地面或水体表面都会通过向外界发射长波辐射而冷却下来。与地表接触的空气比上面的空气更冷、更重,因此没有上升的动力。因此,低层大气将持续降温直到太阳升起。这种现象显而易见,因为太阳一下山,树叶和旗帜就停止了摇动,太阳一升起,又重新开始摇动。由于白天以对流为主的热交换已不复存在,这种夜间降温仅限于地面以上约100米的高度。因此,逆温层就在地面上形成了,气温从地表向上逐渐升高,直至恢复到标准大气的正常值(图1b)。次日凌晨,太阳辐射导致地面和低层大气的温度再次升高。从而可能出现如图2所示的情况,非常冷的逆温层不再接触地面,而是高出地面几十米。然而斜坡的方向也是影响因素之一,朝向东南的斜坡升温速度快于谷底的升温速度。

环境百科全书-奇特现象-雾层
图3. 夜间形成并出现在日出时的雾层示例。[图片来源:© DivertiCimes]

  在北半球最冷的季节,从11月到3月,在这种静止的空气中,露点[2]可以接近地面。存在于空气中的水蒸气在夜间凝结成小液滴,与空气混合形成稳定的液态气溶胶系统-雾[3]。日出时,随着地面温度升高,低层空气变得更轻,从而会抬升这些气溶胶并压缩上层的空气。压缩过程既会加热上层空气[4],放大这种逆温效应,又会将地表的上雾压缩抬升,将其转变成层云(图3)。随着新一天的开始,这层大气吸收太阳辐射开始逐渐升温,小液滴蒸发,雾就会完全消失。在冬季,只要反气旋条件持续存在,北欧一些纬度带的情况往往不是这样,雾和逆温层通常会持续几天。

3. 雾

环境百科全书-奇特现象-逆温层阻止烟柱上升
图4. 由于雾层内没有对流运动,从而使逆温层起到了一种遮蔽作用,阻止烟柱上升。
[图片来源:https://www.meteocontact.fr/pour-aller-plus-loin/les-inversions-thermiques]

  雾中的水滴实际上是大量水分子的集合,它们通常包裹着尺寸小于一微米的固体颗粒。从整体上看,这个含有固体部分和液体部分的物体称为水汽凝结体。这篇文章中描述了它形成的条件:云中发生了什么?就像悬浮在干燥空气中的微粒(参见:空气污染颗粒究竟是什么?),特别是PM10和PM2.5。许多水汽凝结体因为体积太小,因此可以悬浮在空气中。然而,值得注意的是,平均半径为几微米的水汽凝结体可能包含大约十亿个相距一纳米的水分子

  密度比周围空气大1000倍的颗粒能够在空气中保持平衡的原因可以解释如下。必须考虑两种力:首先是颗粒的重力,它是颗粒下落的根本原因,其次是最初位于颗粒下方的空气摩擦力,它能够将水汽凝结体托举起来,与其重力作用相互抵消。颗粒重力与颗粒平均半径的立方(r3)成正比。颗粒所受的摩擦力与颗粒的外表面积,即颗粒平均半径的平方(r2)成正比。当颗粒半径变得非常小时,重力相对于摩擦力就可以忽略不计,水汽凝结体就不能下落。另一方面,对于雨滴、雪花和冰雹,其尺寸大于重力和摩擦力之间的平衡,其阈值约为20微米,平衡被打破进而重力占据优势,它们就会掉落下来。最重的颗粒下落的速度比那些半径接近平衡点的颗粒要快,这就产生了小雨。

  应当补充的是,当雾层形成时,其上层部分由于向外进行红外辐射而发生强烈地冷却。就像地面辐射一样,这有助于整个层的冷却。这些现象的结合不仅会加强逆温层的温度逆转,也会导致逆温层的增厚。

  各种污染物,无论是来源于工业的污染物,如富含碳氧化物和煤烟的烟雾、氮氧化物、甲烷、臭氧,还是来源于自然的污染物,如花粉(参见:空气污染),都聚集在逆温层的下方或逆温层中较低的部分(图4)。比如雾中的水汽凝结体,在没有对流运动或湍流的情况下它们就会滞留在原地。正是它们给雾赋予了颜色,呈现出灰色、蓝色或黄色,这取决于污染物的性质。根据天空的颜色一文中提到的米氏散射定律[5],产生这种颜色的原因是大气中颗粒的大小远远大于光的波长。最著名的范例就是孚日山蓝线(Vosges blue line)[6],这是由于雾气中混合了树木(尤其是针叶树)分泌和排出的挥发性有机物,如异戊二烯或桧烯。

  最寒冷的季节,在水体的上方(例如非常平静的湖泊或河流)通常会出现一层薄雾,就好像它沉积在水面上一样。值得注意的是,水体上方的雾层不会像土壤或植被上方的雾层那样迅速消失。湖面雾层的延迟消失是由于水面相比于邻近陆地能够更好地反射第一缕阳光。因此,该雾层不会迅速升温,并能在较长时间内保持温度相对较冷,从而延迟了雾层中小液滴的蒸发。在冬季,法国的索恩河谷以及大多数湖泊和池塘经常能看到这种情况。

4. 山谷处的逆温层

环境百科全书-奇特现象-逆温层上方的雾
图5. 伊塞尔山谷(Isère valley)逆温层上方的雾,前面是韦科尔(Vercors),后方是查特尤兹(Chartreuse)。[图片来源:© DivertiCimes]

  12月至3月期间,在冬季高压存在的情况下,阿尔卑斯和比利牛斯山谷底部的空气温度通常会持续几天低于相同海拔空气的平均温度。在山谷中连续的雾层下甚至会结冰,而在1000或1500米以上,在正午明媚的阳光下,温度计显示的温度足以让滑雪者和徒步旅行者在户外野餐(图5)。

  这一异常现象是由于冷而重的空气从山峰附近下降到山谷造成的。这些冷气流被称为下坡风。当步行者穿过一个有急流流过的山谷时,他们能非常真切地感觉到这种寒冷气流;在当地,他们可能会经常遇到这种局部寒流。下坡风就像急流中的水一样,向下流向谷底。在海拔最高的地方,积雪能很好地反射太阳光线,并将地面空气保持在相当低的温度,通常低于0℃。因此,下坡风能够持续存在一整天的时间。在500~1000m海拔高度上,上述条件有利于形成雾(适宜的露点温度、水蒸气凝结等)。徒步旅行者在更高的海拔地区上可以向下看到这片云海,也可以看到露出的山顶(图5)。这片云海可能在几天内都不会消失。图中这种厚度不一的云层就是逆温层,在这里温度随海拔高度的升高而升高,而不是像标准大气那样随海拔高度的升高而降低。

  在夏季,无积雪覆盖的草地、森林和裸岩与冬季相比能吸收更多的太阳辐射。在这附近,尤其是向阳坡上。从清晨开始,空气变得暖而轻,并从附近吸入空气,形成了滑翔伞爱好者所寻求的上升气流。在山谷里,阳光也温暖了空气,使空气有了一定程度的扰动。接近中午时,山坡上清晨时分出现的下坡风被一股上升气流(称为上坡风)所取代,这种上坡风在峡谷中的集中化程度要远远低于下坡风。上坡风的主要作用是,结合白天出现的湍流扰动,白天更新并在夜间冷却山谷中的空气,从而抑制了逆温层的形成。

  环绕山丘的山坡具有不同的朝向,这意味着早晨的下坡风和后来的上坡风出现的交替时间不同。另一方面,这些山坡的一侧可能较缓,而另一侧可能较陡。当山谷变宽时,这会产生既没有相同方向也没有相同速度的水平风,从而可能导致山谷中的空气分层(参见:自然环境中流体的分层和不稳定性)。

5. 逆温层的其他例子

环境百科全书-奇特现象-锋面逆温层示意图
图6. 暖锋在地面上前进,随之产生锋面逆温层的示意图。
[图片来源:https://www.meteocontact.fr/pour-aller-plus-loin/les-inversions-thermiques]

  当大量暖湿气流进入某一地区时,其与初始存在的较冷空气的交汇处称为暖锋。热空气比冷空气轻,图6为温暖气流过境的示意图。这一锋面由此产生了一个逆温层,这个逆温层将伴随在暖湿气流前进的过程中,逐渐消失。这被称为锋面逆温层

  对流层顶位于对流层的上方,海拔高度约为12公里,是一个非常特殊的逆温层,其特征是在平流层温度随海拔上升逐渐增温之前,而对流层温度随海拔升高而逐渐停止下降。它是对流层平流层之间的过渡区,对流层的密度较大足以通过对流运动向上输送热量,而平流层的空气过于稀薄,无法通过对流很好地输送热量。地球的大气层和气体层这篇文章详细描述了这一点。平流层中吸收的能量大部分来自于太阳的紫外线辐射,在这里会发生氧气(O2)转化为臭氧(O3的光化学反应,该化学反应将对外释放热量。结果是温度再次上升,从对流顶层(-56℃左右)到海拔高度约50公里时,空气温度将上升至接近0℃左右。

6. 对声波和电磁波的影响

  与许多物质介质一样,大气具有允许这两类波传播的特性,尽管它们是由截然不同的物理现象产生的:

  不过两者对空气密度的变化都很敏感,并会被吸引到密度最高处,也就是最冷的地方。天气好的时候,夜间接近地面的气层因为冷却而变得更重,因此这些波的传播路径将向地面稍微弯曲,使它们在清晨的传播范围明显于中午。

环境百科全书-奇特现象-雷达波向地面弯曲示意图
图7. 逆温层位于雷达波理论直线路径的高度时,雷达波向地面弯曲的示意图。雷达波弯曲的方向与地球的方向相同,这极大地增加了雷达波的范围,以至于它可以解释在没有逆温层的情况下无法探测到地平线以下降水的现象。
[图片来源:Superrefraction.jpg: LordWilsonderivative work: Pierre cb, Public domain, via Wikimedia Commons]

  波的传播路径主要却决于其折射率,折射率的变化就像空气密度的变化一样,与温度成反比,但与湿度成正比。因此,在法国,当一个温暖干燥的气团(例如来自撒哈拉沙漠的气团)经过一个寒冷潮湿的气团(而非来自地中海的气团)时,空气密度和波的折射率在当地发生了特别大的变化。在这种情况下,声波和电磁波的路径都向地面倾斜,因此它们的曲率与地球的曲率具有相同的方向。但这两类波之间的类比就到此为止了,因为它们的传播距离存在很大的差异:声波大概能传播几百米,光波能传播的距离为几千米,微波的传播距离最长,能够达到数百公里或数千公里,尤其是雷达波[7]

  在静止的空气中,声波从声源处向四面八方传播,强度逐渐减弱。强度逐渐减弱是由于空气粘度而产生的能量耗散。并且随着声波的传播,声波的能量将分布在越来越大的空间中。当逆温层靠近地面时,随着逆温层的上升,声波逐渐穿过密度越来越低的热空气层。这引起了折射,使声波的传播路径弯曲水平方向。如果逆温非常明显,那么最初向上传播的声波会返回至水平方向,在那里它们将与水平发出的声波汇合。尽管它们会因为空气粘性而逐渐耗散,但这种能量的集中增加了声波在水平方向的传播范围。因此,当地面上有逆温层时,人的声音会传播得比没有逆温层时更远

环境百科全书-奇特现象-电磁波逆温层传播
图8. 近水平方向发射的电磁波在地面和对流层中等高度的逆温层之间的传播。
[图片来源:https://www.radartutorial.eu/07.waves/wa17.fr.html]

  电磁波的波长范围极广,伽马射线的波长约为10-12米,x射线的波长约为10-9米,可见光的波长约为1微米(10-6米),无线电和雷达的波长则为数十米或数百米。如图7所示,雷达波是由特别设计的系统发射的,因此比声波具有更好的方向性。通常这些雷达发射器位于离地面相当高的高度,发射器在发射塔的顶部,而发射塔本身可能被放置在建筑物的顶部、山岗或高山上。

  因此,雷达发射出电磁波在主方向周围形成相对通道化的波束,并利用反射的回波来探测远处的物体。在存在逆温层时,这并不妨碍雷达波发生折射。从图7中可以看出,逆温层使波束发生弯曲,使得探测到地平线以外的降水成为可能。当波束非常接近球体时,波束曲率会导致波导效应[8]。当逆温层位于相当高的海拔(500米至1500米)时,这种效应尤为明显。然后,波束被逆温层向下折射并被地面向上反射,这些波束会传播非常远的距离,甚至穿越大气层进入外太空(图8)。

7. 光的特殊情况

环境百科全书-奇特现象-绿色光线
图9. 2013年11月14日在西印度群岛的La Silla天文台(欧洲南方天文台,ESO)观测到的绿色光线,就像太阳消失在遥远的地平线下。
[图片来源:https://fr.wikipedia.org/wiki/Rayon_vert](免费版权)

  这种折射现象也适用于,即电磁辐射的可见光波段,其波长在0.40.8微米之间。正是这种现象能够让我们看到一缕绿色的光线,这是日落时一种罕见的光学现象。这种现象使我们有可能观察到地平线上一个非常小的、平坦的绿点,它仅会出现几秒钟,就在正在消失的太阳上方,通过擦过地平线的最后一束光传播给遥远的观测者(图9)。

  这种绿色光线是两种不同物理现象结合的产物,它能将其他颜色(或者波长)的光从可见光波段中移除。

环境百科全书-奇特现象-清晨的科西嘉山脉
图10. 清晨从尼斯海岸看到的科西嘉山脉。
[图片来源:from L’air et l’eau, EDP sciences, collection Grenoble Sciences, 2013]

  当太阳即将从地平线上消失时,太阳辐射中的红色波段(波长在0.6微米以上)被折射向地面的部分小于绿色和蓝色波段(波长在0.5微米以下),因此红色光线将不会到达千里之外的观测者。相反,经过大气折射后,蓝色和绿色光线的传播路径与地球的曲率更加接近。另一方面,瑞利散射(参见:天空的颜色)的作用是将光谱中的蓝色部分散射到各个方向,这就减弱了直接从太阳射向观测者的蓝光的比例。因此,在黄昏前的最后几秒钟,一束波长接近0.55微米(也就是绿色光)的窄光带仍然可能到达遥远的观测者,但这种情况非常短暂,也非常罕见。

环境百科全书-奇特现象-飞翔的荷兰人
图11. 飞翔的荷兰人,由查尔斯·坦普尔·迪克斯所画。
[图片来源:Charles Temple Dix,公共领域,维基百科共享资源]

  上蜃景[9]的形成,即一个物体可以在比它自身高度更高的地方被见到,是近地面逆温层折射现象的另一个例证。因此,这些海市蜃楼(又称蜃景)通常被称为冷海市蜃楼。事实上,在尼斯的黎明,人们可以看到科西嘉山脉,但科西嘉山脉的最高峰蒙特辛托Monte Cinto位于尼斯的地平线之下,这是光线遵循地球曲率而出现的折射现象的另一个佐证(图10)。当逆温层在白天因为加热而消失时,这幅图像就会消失。其他冷海市蜃楼的例子已经成为故事话题甚至是传说[10],比如1860年左右由查尔斯·坦普尔·迪克斯绘制的幽灵船(图11)。这种位于寒冷地面上的逆温层中光线的折射,可以在冰盖或南极大陆上观察到。

8.总结与致谢

  • 地面的冷却(无论是在夜间,还是新鲜空气通过下坡风从高空下降)使得地面或水体上方的温度低于标准大气温度。逆温层位于空气温度恢复到与标准大气一致的随高度线性减小的高度以下。
  • 冬季,这种冷却会使低层大气温度达到露点,并使该层大气中的水蒸气凝结,从而形成雾
  • 逆温层下部比上部重,空气非常稳定,没有对流运动和湍流。它就像一个盖子,阻止空气的更新和污染物的扩散。
  • 暖锋到达并经过已经存在的冷空气团时,逆温层也可能出现在对流层中层,被称为锋面逆温层
  • 这些逆温层具有显著的特性,可以很好地传导声波电磁波,从而增加它们的传播范围。罕见而短暂的绿色光线冷海市蜃楼就是这方面的奇特例证。

  感谢CEA-LETI系统部前负责人罗兰·布兰潘Roland Blanpain、CEA-LETI-DSYS天线传播和感应耦合实验室负责人克里斯托夫·德拉维奥德Christophe Delaveaud、LEGI主任乔·索梅里亚Joël Sommeria和CNRM前主任菲利普·布劳特Philippe Bougeault对本文的校对与评论。

 


参考资料及说明

封面图片:逆温层和山中的雾。[图片来源:© DivertiCimes]

[1] 然而,这种线性下降仅限于对流层,因为在平流层(12000米以上),其他机制也会发挥作用,例如吸收紫外线能量,从而导致温度进一步升高。

[2] 露点是使空气冷却以至于空气中的水蒸气能够凝结成露水或霜的温度。在任何温度下,空气所能容纳的水蒸气都有一个最大值,称为水蒸气饱和压力。任何额外的水蒸气都将凝结成水滴,这些多余的水分子就聚集在水滴中。

[3] 气溶胶是悬浮在气体介质中的微小固体颗粒或液滴(或两者皆有)的集合。典型的例子是悬浮在薄雾中的水滴。

[4] 任何气体被压缩后温度都会上升。这是因为压力和温度在宏观尺度上表现出的是同一种现象:分子振荡(参见:压强、温度和热量)。自行车泵在压缩过程中被加热就是一个众所周知的例子。

[5] Gustav Mie, Beiträge zur Optik trüben Medien, speziell koloidaller Metallösungen, Annalen der Physik, Leipzig, vol. 25, 1908,pp. 377-445

[6] “孚日山蓝线”这个说法是由朱尔斯费里Jules Ferry首先提出的,1893年他在遗嘱中使用了这一定义,这一物理现象存在多种定义。

[7] 雷达是无线电探测和测距的缩写。它是指使用电磁波检测远处目标物体及其速度的系统,这些目标物体能够将类似于声波回波的信号反射给发射器。距离与信号的往返时间成正比。

[8] 波导是一种用于将电磁波导入特定介质(如光纤)的系统,以避免其色散,从而使其传播路径尽可能长。通常,该过程依赖于不同介质之间的折射率变化,将发散的光线带回通道。

[9] 相比之下,低蜃境或热海市蜃楼是由于地面上存在一层特别热的空气,例如在沙漠或阳光充足的道路上,人们可以看到位于该层之上的物体景象。

[10] John MacDonald, Travels in various part of Europe, Asia and Africa during a serie of thirty years and upward, Forbes, 1790.


译者:罗霖炎          编审:杜际曾          责任编辑:胡玉娇


环境百科全书由环境和能源百科全书协会出版 (www.a3e.fr),该协会与格勒诺布尔阿尔卑斯大学和格勒诺布尔INP有合同关系,并由法国科学院赞助。

引用这篇文章: MOREAU René (2022), 逆温层、雾和低层大气的其他奇特现象, 环境百科全书,[在线ISSN 2555-0950]网址: https://www.encyclopedie-environnement.org/zh/air-zh/inversion-layer-fog-and-other-curiosities-of-the-lower-atmosphere/.

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