- 15.1 逆溫的概念
- 15.2 輻射逆溫
- 15.2.1 輻射逆溫的形成原因
- 15.2.2 輻射逆溫的生消過程
- 15.2.3 輻射逆溫在探空圖的特徵
- 15.2.4 輻射霧的形成與特徵
- 15.3 平流逆溫
- 15.3.1 平流逆溫的形成原因
- 15.3.2 平流霧的形成與特徵
- 15.4 湍流逆溫
- 15.4.1 湍流逆溫的形成原因
- 15.4.2 湍流逆溫在探空圖的特徵
- 15.5 下沉逆溫
- 15.5.1 下沉逆溫的形成原因
- 15.5.2 下沉逆溫在探空圖的特徵
- 15.6 鋒面逆溫
- 15.6.1 鋒面逆溫的形成原因
- 15.6.2 鋒面逆溫在探空圖的特徵
- 15.7 地形逆溫
15.1 逆溫的概念
在對流層中，大體情況是氣溫隨高度而降低。但是具體到對流層的不同高度，對流層的中層和上層受地表的影響較小，氣溫直減率的變化比下層小得多。具體來說：
- 上層溫度直減率平均為 0.65~0.75℃/100m。
- 中層溫度直減率平均為 0.5~0.6℃/100m。
- 下層（由地面至 2km）的溫度直減率平均為 0.3~0.4℃/100m。
對於對流層下層，由於氣層受地面增熱和冷卻的影響很大，溫度直減率隨地面性質、季節、晝夜和天氣條件的變化亦很大。在一定條件下，對流層中也會出現氣溫隨高度增高而升高的逆溫現象。逆溫層對雲霧、垂直運動發生發展以及其他天氣現象影響較大。下面來介紹逆溫的幾個種類。
15.2 輻射逆溫
15.2.1 輻射逆溫的形成原因
由於地面強烈輻射冷卻而形成的逆溫，稱為輻射逆溫。它的形成原因是：在白天，地面受太陽短波輻射加熱後，溫度迅速增加，靠近地面的空氣由於熱傳導或湍流而增溫；到了晴空的夜間，由於太陽短波輻射為 0，地面、雪面或冰面等向外發出長波輻射，近地面迅速降溫。
有利於輻射逆溫的幾個因素：
- 低風速（若風太大，則大氣中的垂直混合作用太強，不利於近地面的冷卻）；
- 黑夜持續時間較長；
- 幹空氣；
- 晴空。當地面的溫度接近露點溫度時可能有霧，這就是輻射霧（若夜晚有云，它將吸收地面的向外長波輻射，然後以較低溫度分別向上和向下輻射長波，使地面不會強烈降溫）。
15.2.2 輻射逆溫的生消過程
如上圖為輻射逆溫的生消過程：
- 圖（a）：這是輻射逆溫形成前的氣溫垂直分佈情形，可以看到此時沒有逆溫。
- 圖（b）：日落前，地面開始輻射降溫，近地面出現淺薄的逆溫層。
- 圖（c）：到了晴朗無雲或少雲的夜間，地面很快輻射冷卻，貼近地面的氣層也隨之降溫。由於空氣越靠近地面，受地表的影響越大，所以，離地面越近，降溫越多，離地面越遠，降溫越少，因而形成了自地面開始的逆溫。隨著地面輻射冷卻的加劇，逆溫逐漸向上擴充套件，黎明前達到最強。
- 圖（d）：日出時，地面開始升溫，太陽輻射逐漸增強，地面很快增溫，逆溫層被抬高，逆溫逐漸自下而上地消失。
- 圖（e）：太陽輻射繼續增強，逆溫最終消失。
輻射逆溫層的厚度往往只有 100m，但所處高度可能位於 10m 到 1km 不等。
15.2.3 輻射逆溫在探空圖的特徵
輻射逆溫在 T-lnP 圖上的特徵有：
- 逆溫始於地面，地面經常是 \(T=T_d\) 或 \(T-T_d\)，這是因為逆溫層下界與下墊面接觸，溼度較大。
- 逆溫層中溫度廓線和露點廓線接近，\(T_d\) 幾乎平行於等飽和比溼線，說明逆溫層內空氣混合充分，水汽垂直分佈均勻。
- 逆溫層頂以上 \(T\) 和 \(T_d\) 迅速減小，由於層結穩定，阻礙水汽向上輸送，溼度較小，因而 \(T-T_d\) 大。
如下圖為 08 時和 14 時探測得到的 T-lnP 圖，綠色曲線為露點廓線，紅色曲線為狀態曲線，藍色曲線為溫度廓線。可以看到 08 時的近地面出現了非常淺薄的逆溫（溫度廓線往右微微傾斜上升後，又往左上升），而在 14 時的探空圖上已經看不到逆溫的出現。
15.2.4 輻射霧的形成與特徵
輻射霧的形成需滿足幾個條件：
- 冷卻條件：地面輻射冷卻強，一般在晴朗少雲的夜間或清晨。
- 水汽條件：近地面層水汽近飽和，溼度大。
- 層結條件：湍流弱，近地面氣層比較穩定或有逆溫存在。
- 風力條件：靜風或輕風（1~3 米/秒）。
如下圖所示，輻射霧在 T-lnP 圖上的特徵為：
- 近地面的露點廓線與溫度廓線接近，有淺薄的溼層。
- 近地面的風速較低。
- 淺薄溼層的上面出現逆溫。
15.3 平流逆溫
15.3.1 平流逆溫的形成原因
當暖空氣平流到冷的下墊面上時，暖空氣與冷地面之間不斷的進行湍流熱量交換。暖空氣下層受冷的下墊面影響最大，降溫強烈，形成一層淺薄的冷空氣，而上層降溫緩慢，從而形成平流逆溫。平流逆溫非常淺薄，只有數米或幾十米。暖溼空氣與下墊面的溫差越大、暖溼空氣的溼度越大，就越容易產生平流霧（不一定在地面產生）。
例如，暖空氣水平移動到冷的地面或冷的水面上，會發生接觸冷卻作用，愈近地面的空氣降溫越多，而上層空氣受冷地表面的影響小，降溫減少，於是產生逆溫現象。
平流逆溫和輻射逆溫的區別為：
- 平流逆溫是基於空氣的流動而形成，沒有晴空少雲的限制，風速可較大。
- 輻射逆溫往往是局地形成，要求晴朗少雲且微風。
15.3.2 平流霧的形成與特徵
平流霧的形成需滿足幾個條件：
- 冷卻條件：暖溼空氣與冷下墊面的溫差越大越有利。
- 水汽條件：暖溼空氣的溼度要大。
- 層結條件：層結較為穩定，有逆溫層存在。
- 風力條件：要有適中的風速（2～8 米/秒）和風向。
如下圖所示，平流霧在 T-lnP 圖上的特徵為：
- 上幹下溼：近地面氣層接近飽和，近地面氣層以上氣層為幹層。
- 風切變：逆溫層中有中等強度的風切變，且風隨高度順轉（暖平流）。
- 溫差：暖溼氣團與下墊面的溫差較大。
如下圖是一張探空圖，此時當地出現了平流霧。可以看到圖中有幾個明顯特徵：
- 1000hPa 以下近地面氣層接近飽和，1000hPa 以上氣層為幹層。
- 圖右側表示不同高度處的風向，925hPa 與 1000hPa 之間的風切變達 6m/s，且風隨高度順轉（暖平流）。
- 暖溼氣團與下墊面的溫差較大，如 1014hPa 與 964hPa 之間溫差達 7℃。
15.4 湍流逆溫
15.4.1 湍流逆溫的形成原因
在解釋什麼事湍流逆溫之前，需要簡單介紹一下摩擦層的概念。地球的大氣圈可以分為兩個區域：
- 摩擦層（大氣邊界層）：靠近地球表面、受地面摩擦阻力影響的大氣層區域。
- 自由大氣層：遠離地面、不受地面摩擦力影響的大氣，通常是指 2000 米高度以上的大氣層。
由於低層（摩擦層/行星邊界層內）空氣的湍流混合而形成的逆溫，稱為湍流逆溫。如下圖為湍流逆溫的形成過程：
- 線段 ABC 是湍流逆溫形成前的溫度廓線。由於湍流混合導致氣流不斷有上升與下降運動。
- 例如，A 點的氣塊沿著幹絕熱線 AD 上升，到達 D 點時氣塊溫度下降；
- 而 F 點的氣塊沿著幹絕熱線 FE 下降，到達 E 點時氣塊溫度上升。
- 如此，經過上下層空氣的混合後，湍流混合區的頂部降溫，而湍流混合區的底部增溫。在湍流混合區，對取一個平均值 \(\gamma\)，即圖中的溫度廓線 A'F'。
- 於是，湍流混合區頂部的溫度比自由大氣底部（即邊界層頂部）的溫度要低，BF 之間即為湍流逆溫層。
15.4.2 湍流逆溫在探空圖的特徵
湍流逆溫在 T-lnP 圖上的特徵有：
- 逆溫層位於行星邊界層內，但不到達地面；
- 逆溫層下方的溫度遞減率接近幹絕熱遞減率；
- 逆溫層下方的露點廓線與等比溼線接近平行；
- 邊界層內風速較大（有利於湍流混合）。
15.5 下沉逆溫
15.5.1 下沉逆溫的形成原因
由於穩定氣層整層空氣下沉壓縮、絕熱增溫而形成的逆溫，稱為下沉逆溫。如下圖所示：
當某一層空氣發生下沉運動時，因氣壓逐漸增大，以及氣層向水平方向的輻散，使其厚度減小（\(\Delta z > \Delta z'\)）。如果氣層下沉過程是絕熱的，而且氣層內各部分空氣的相對位置不發生改變，這樣空氣層頂部下沉的距離（CC' 的垂直高度）要比底部下沉的距離（BB' 的垂直高度）大，其頂部空氣的絕熱增溫要比底部多。
不妨舉個例子，設某氣層從空中下沉：
- 起始狀態：頂部為 3500m，溫度為 -12℃；底部為 3000m，溫度為 -10℃。
- 按幹絕熱線下沉後的狀態：頂部為 1700m，溫度為 6℃；底部為 1500m（厚度 500m），溫度為 5℃。這樣逆溫就形成了。
下沉逆溫多出現在高氣壓區內，範圍很廣，厚度也較大，在離地數百米至數千米的高空都可能出現。由於下沉的空氣層來自高空，水汽含量本來就不多，加上在下沉以後溫度升高，相對溼度顯著減小，空氣顯得很乾燥，不利於雲的生成，原來有云也會趨於消散，因此在有下沉逆溫的時候，天氣總是晴好的。
下沉逆溫與湍流逆溫的區別如下：
- 下沉逆溫在邊界層之上(距地 1~ 2km 以上)，湍流逆溫在邊界層中。
- 下沉逆溫厚（可達數幹米），湍流逆溫薄。
- 湍流逆溫層下的溫度曲線是接近幹絕熱線，溼度曲線接近等飽和比溼線，而下沉逆溫沒有這個限制。
- 下沉逆溫底部則不易產生雲，而湍流逆溫底部容易有云。
15.5.2 下沉逆溫在探空圖的特徵
下沉逆溫在 T-lnP 圖上的特徵有：
- 不及地（距地面 1～2km 以上），逆溫層厚度大（可達數千米）。
- 在逆溫層中空氣比較乾燥，\(T-T_d\) 大，露點曲線與層結曲線的距離隨著高度升高加大，形成通常所說的喇叭口形。
如下圖為探測得到的 T-lnP 圖，可以看到在 700~600 hPa 之間的露溫差較大，逆溫位置較高，逆溫厚度大，且當地的風向指示該層有冷平流。結合當天的高空 500hPa 圖可知當地處於冷高壓控制下，因此這是下沉氣流造成的逆溫。
另外在近地面處的溫度廓線也發生了逆溫，可能是輻射造成的逆溫。
15.6 鋒面逆溫
15.6.1 鋒面逆溫的形成原因
冷暖空氣團相遇時，較輕的暖空氣爬到冷空氣上方，在介面附近出現逆溫，稱為鋒面逆溫。
如上圖，左圖中 \(T_0,T_1,T_2,T_3,T_4\) 為等溫線，右圖為 T-lnP 圖，特別標註了 \(T_0,T_1\) 與層結曲線的關係。顯然，鋒面越低，越靠近地面，逆溫層就越低。
15.6.2 鋒面逆溫在探空圖的特徵
下沉逆溫在 T-lnP 圖上的特徵有：
- 溼度與溫度同時隨著高度的升高而增加。
- 由於鋒上暖氣團中常有上升運動，因此逆溫層上方的溫度露點差一般比下方冷氣團中的要小，當鋒面上有凝結現象時，逆溫層以上的溫度露點差可以為零，即露點曲線與層結曲線比較靠近。
15.7 地形逆溫
地形逆溫的形成原因：夜晚，山坡上的近地面空氣輻射冷卻，因冷空氣較重，沿斜坡下沉流入低窪地區，聚集在山谷盆地底部，使原來較暖的空氣受擠抬升，出現溫度倒置現象。
實際上，大氣中出現的逆溫常常是由幾種原因共同形成的，逆溫的特徵往往不那麼典型。因此，在分析逆溫的成因時，必須注意到當時的具體條件。