溫度梯度

溫度梯度（temperature gradient）是自然界中氣溫、水溫或土壤溫度隨陸地高度或水域及土壤深度變化而出現的階梯式遞增或遞減的現象。是描述溫度在特定的區域環境內最迅速的變化會向何方向，以及是何種速率的物理量。

溫度梯度是一維的數量，單位是攝氏（華氏）度/每單位長度（在特定的溫度範圍內），以SI單位是每米K（K/m）。溫度梯度是一個矢量，通常把溫度增加的方向作為正方向。

基本介紹

• 中文名：溫度梯度
• 外文名：temperature gradient
• 性質：階梯式遞增或遞減的現象
• 特點：矢量
• 單位：攝氏（華氏）度/每單位長度

基本介紹

溫度梯度（temperature gradient）是描述溫度在特定的區域環境內最迅速的變化會向何方向，以及是何種速率的物理量；在自然界中氣溫、水溫或土壤溫度隨陸地高度或水域及土壤深度變化而出現的階梯式遞增或遞減的現象。具有連續溫度場的物體內，過任意一點P溫度變化率最大的方向位於等溫線的法線方向上，稱過點P的最大溫度變化率為溫度梯度，用gradt表示

等溫線與溫度梯度

GradT= =

式中，n為法向方向單位矢量，為溫度在n方向的導數。

分類

垂直溫度梯度

在陸地上，大約每升高100米，氣溫下降0.6℃，從而形成一個隨高度增加而溫度逐級下降的大氣溫度梯度。在接近地表的範圍內，由於地形差異和覆蓋物的影響，也會出現較為明顯的溫度梯度。例如，在巴拿馬一個高40米的熱帶雨林中，森林頂部的日平均氣溫為30℃，中部為28℃，靠近地面處則為26.5℃。土壤中的溫度變化也呈明顯的階梯式。例如，當土表下2厘米處的日最高溫度是62.1℃時，10厘米處為40℃，20厘米處為33.4℃，60厘米處為26.4℃，100厘米處則為24.5℃。湖泊的水溫也隨深度增加而遞減。例如，當水面溫度為22℃時，在8.8米深處為21℃，13.8米處為11℃，39米處則降至5.5℃。海洋水溫的變化也如此。南大西洋的洋面水溫為25.7℃時，100米深處為14.6℃，1000米處則降至4.0℃。在某個水深處，水溫往往驟然下降，這稱為溫躍層。這種現象限制了生物的活動與分布。

垂直溫度梯度

溫度梯度因受太陽輻射、氣流、水流和地面覆蓋物的影響而出現經常的變化。一般說來，在同一季節內，水域的溫度梯度晝夜變動較小，山地的變動較大，溫度梯度的季節變化在高緯度地區比在低緯度地區要大些。山區氣溫垂直梯度是山區氣候考察和研究中最重要的間題之一。國內在1958年10-1960年對武夷山區主峰黃崗山地區進行垂直梯度的研究；同時對於冷空氣降溫垂直分布研究得出冷空氣降溫強度並不是地面最大，而是隨拔海高度升高而增強，在1000一1200米處達到最大，以上又開始減弱，即出現極大值型的分布。這種現象對冷空氣活動來說可能帶有普遍意義，看來至少在我國是普遍存在的。

水平溫度梯度

陸地上或洋面上的溫度分布隨緯度的增高而逐漸下降。例如，中國地跨幾十個緯度，溫度梯度的水平變化很明顯，從南向北，氣溫隨緯度增高而遞減。以7月平均氣溫為例，東北平原為20～24℃，華北平原和長江中下游為24～29℃，江南丘陵及南嶺一帶為26～30℃，東南沿海與海南島則為30℃。因水陸分布和海拔高度的差別，同一緯度上不同地方的氣溫也會有差異，但南北向溫度梯度卻是總的分布趨向，各月等溫線圖表示出這一趨向。

計算原理

依據對流層到地面的位置來計算

對流層的位置約由地面至12公里的高度。在對流層里的氣溫隨著高度增加而降低，大約是每上升1公里下降6.5℃，由於溫度的變化大，使得空氣不穩定而有對流產生，所有的氣象變化均發生在此層中。同溫層的位置約由地面12公里至50公里的高度。

同溫層里的溫度變化和對流層相反，是隨高度增加而略增，在這層里的空氣對流及渦流的情形非常微弱，大氣中的臭氧層便在此層的溫度隨高度的增加而銳減。游離層的位置在離地面80公里以上，空氣極為稀薄，並且游離化，此層的溫度隨高度的增加而上升。

離地面愈高，大氣壓力愈低，今以一絕熱箱形裝置來仿真不同高度下的氣壓狀態，並量取其溫度。發現每上升一千公尺高度時，氣溫大約降低攝氏一度，這種溫度隨高度直線遞減的關係，稱為大氣絕熱遞減率。當大氣的溫度遞減率高於絕熱遞減率--即每升一千公尺，溫度下降1℃以上--時稱為超熱狀態，此時由於溫度變化過大造成不穩定的氣流，溫度梯度差異大。反之，當大氣的溫度遞減率低於絕熱遞減率時（即每升高一千公尺，溫度下降1℃以下），稱為次絕熱狀態，此時因溫度變化小，氣流穩定，溫度梯度差異小。

陽光是決定溫度梯度的其中一個因素

由於陽光是地球最大的能量來源，所以地球表面或大氣的溫度受吸收陽光的多寡而定，進而影響溫度梯度高低差異。

生態學影響

溫度梯度與生物的活動和生物分布密切關聯

各種生物的生長發育和繁殖都有一定的適溫範圍，適溫範圍以外的溫度影響生物正常的生命活動甚至造成死亡。自然界中的溫度梯度限制了生物的活動和分布。例如，湖泊水面溫度升高時，某些浮游生物即移向下層水域，以其為食的其他生物也隨之移向該區域。又如，中國峨眉山植被的垂直分布便由該山地垂直溫度梯度所決定：600米以下的丘陵地帶的植被主要是常綠闊葉林，600～1100米的低山帶是常綠闊葉林、落葉闊葉林和針葉混交林，1100～1900米的中山帶是落葉闊葉林和針葉混交林，1900～2800米的高山帶是針葉林，2800米以上地區則為高山草甸。那裡的鳥類分布也隨植被而變動；在中山帶以畫眉為主，高山帶主要有鷦鷯等，中山帶以上的繁殖鳥以鶥類為主。溫度梯度不僅隨季節變化，而且隨地形具體情況也有很大差異，例如，在中國，秦嶺北坡就小於南坡，北坡年平均溫度梯度-0.45℃/100米，南坡卻有- 0.54℃/100米。主要原因是在冬季，北坡有冷空氣經常聚集，減少了盆地與高山的溫度差值。北坡冬季月溫度梯度只有-0.34℃/100米，而南坡處在冷氣流的北風位置，1月仍有-0.54℃/100米，但在夏季這種情況並不存在，南北坡溫度梯度都是-0.55℃/100米。

垂直地域分異

在中國，因緯度差異造成的水平溫度梯度對植被分布的影響也較為明顯，大體是：東北平原是森林草原地帶，華北是夏綠林地帶，長江中下游是落葉闊葉林和常綠闊葉混交林帶，江南丘陵及南嶺是常綠林，東南沿海和海南島則是熱帶雨林和季風林。農作物的分布也有很大差異：華北平原以麥、棉、雜糧為主，江南丘陵、四川盆地和東南沿海則以水稻為主。另外，由於自由大氣的調節作用，高山上的溫度年變化和日變化也是隨高度的增加而減少的，用最熱月溫度減去最冷月的溫度的差值表示年變化，稱為年較差。九江的年較差為25.2℃，到廬山就降到22.7℃，年較差不僅隨高度減少也可因坡向不同而有差別。秦嶺以北的西安年較差達27.6℃，到華山降到24.2℃，可是在秦嶺以南的安康年較差只有24.2℃，與華山幾乎沒有差別。

動物的分布與遷徙由溫度梯度所決定

例如：在中國，三化螟主要分布在北緯36°以南地區，粘蟲因不能在東北或華北越冬而在秋季南遷，候鳥向南遷徙也是尋找適溫地區過冬。此外，多化性昆蟲在不同緯度地區的世代數也不相同，一般是隨緯度增高而遞減，如蝗蟲在北緯35°地區發生二代，在北緯23°地區則發生三代。

冷暖氣團矛盾鬥爭的產物鋒產生的條件之一

鋒兩側的冷、暖氣團同下墊面間時刻進行著熱量交換，影響著鋒兩側溫度水平梯度的變化。如果冷、暖氣團各停留在更冷和更暖的下墊面上，熱量交換的結果，可能使冷氣團變得更冷，暖氣團變得更暖，冷、暖氣團間的溫度梯度比原來增大，鋒得到加強，但是這種情況在自然界是很少有的。而大多數情況是鋒兩側的氣團都移行到性質大致相似的地表面上，不論地表溫度是低於冷氣團或暖於暖氣團，或者介於兩者之間，氣團同下墊面間熱量交換的結果，不是暖氣團失熱更多，就是冷氣團得熱更多，都會使冷、暖氣團間的溫度梯度減小，利於鋒消。所以氣團的非絕熱變化，一般總是利於鋒消的。大氣中水汽的分布很不均勻，在一般情況下，暖氣團中含水汽較多，冷氣團中含水汽較少，因而成雲致雨主要發生在暖氣團中，所釋放的凝結潛熱也主要集中在鋒區暖氣團一側，這樣也會使冷暖氣團間溫度梯度增大，成為鋒的產生條件之一。