大气受热与温室效应
地球大气既吸收部分太阳辐射，也通过地表长波辐射、感热交换和水汽凝结释放的潜热获得能量。地表是对流层的重要直接热源，但不能说太阳完全不直接加热大气，或把大气全部受热都归因于地面辐射。
对流层通常下暖上冷，与地表能量输入、空气上升膨胀冷却及辐射交换等共同有关，而不是因为高处简单“离地面远”。气温也会出现随高度升高而上升的逆温层。理解这些过程，有助于认识山区气温、霜冻和污染扩散。
大气的受热过程
太阳辐射以短波为主，不同波段在大气中的吸收表现各异。臭氧大量吸收紫外线，水汽和二氧化碳等对近红外线有较强吸收，云和气溶胶不仅吸收，还会散射太阳辐射。这样，大气并不会把所有的太阳能量都截留下来。
大量可见光能够穿透大气，抵达地表，将能量传递给地面；与此同时，一部分太阳辐射被云层、气溶胶和地表反射回太空，使地球系统只留存部分太阳能。这些过程共同决定了地球表面和大气的热平衡状态。
地表吸收太阳能后，通过长波辐射、感热和蒸发等交换能量，大气又向地面发射长波辐射。对流层的平均气温递减率常近似取0.6—0.65℃/100米，实际值随天气和高度变化，不能当作固定规律，也不能与单个气团的绝热递减率混同。
“太阳暖地面，地面暖大气，大气还地面”是帮助记忆的简化说法。完整理解还要包括大气直接吸收太阳能、感热和潜热交换，以及空气升降中的绝热温度变化。
影响地面辐射强弱的因素
地表长波辐射强弱直接取决于表面温度和发射率。太阳辐射、海陆性质和覆盖物通过影响地表能量收支与温度，间接改变长波辐射。
纬度影响年平均入射太阳能，低纬通常热量较充足、高纬较少。但地表温度与长波辐射还受云、海拔和热量输送影响，最高气温并不必定出现在赤道。
海陆性质影响温度变化。海水比热容较大，还存在深层混合与较强蒸发，因而海洋表层温度通常比陆面变化缓慢。内陆乌鲁木齐与沿海上海的温差特征可用于比较，但还受纬度、地形和环流影响，不能只用无统计时期的城市温差数字归因于比热。
地表覆盖物影响反照率，冰雪一般反射较多阳光，较暗的土壤和植被往往吸收更多；水面反照率还随太阳高度变化。海冰减少后，更多海水暴露并吸收太阳能，可增强增暖，这称为冰—反照率正反馈，是北极放大效应的因素之一。云影响辐射，但不属于地表覆盖物。
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温室效应的物理机制与当代问题
自然温室效应使地表比单纯辐射平衡情况下更温暖。保持地球当前反照率的简化模型给出约−18℃的有效辐射温度，而常用全球平均表面温度约15℃作比较；约33℃的差值用于说明温室作用，并不是无大气地球的精确气候预报。
然而，自工业革命以来，地球大气系统正在经历一系列前所未有的变化。这些变化主要体现在以下几个方面：
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碳排放激增
化石燃料燃烧将地下储存的碳释放出来，毁林则改变植被和土壤碳储量及吸收能力，共同增加大气中的二氧化碳。 -
温室气体浓度上升
以世界气象组织2023年全球平均数据为例，二氧化碳浓度约420ppm，比工业化前约280ppm高约50%；比较时需注明年份与全球或站点口径。 -
多种温室气体累积
甲烷、氧化亚氮和一些含氟气体也受人类活动影响。不同气体的来源与趋势不同，例如多种受管控氯氟烃已在下降，不能笼统说所有工业温室气体浓度都持续增加。 -
大气系统平衡被打破
随着多源温室气体在大气的持续积累，地球原有的能量辐射和热量平衡机制被破坏，大气层如同加厚的保温毯，导致地球系统整体热量失衡并驱动全球变暖进程。
这些新增的温室气体增强了大气对地面长波辐射的吸收能力，使大气层对地表的“逆辐射”变得更强，导致地面吸收到的热量不断增加。结果就是地球系统的能量慢慢“失衡”，全球平均气温持续上升。这就是“增强型温室效应”（或称人为温室效应）与自然温室效应的根本区别：后者是正常、大自然本就存在的保护机制，前者则由人类活动导致温室气体异常增长，引起地球变暖及其一系列连锁反应。
近年来，科学观测和气候变化均显示：
- 世界气象组织估计，2024年全球平均地表温度比1850—1900年平均值高约1.55±0.13℃；这是单年异常，不能等同于长期增暖幅度；
- 北极增暖显著快于全球平均，具体倍数取决于选取的时间段、区域边界和资料；
- IPCC评估1901—2018年全球平均海平面上升约20厘米，近几十年的上升速率有所加快；
- 人为增暖已使多数陆地的热极端更频繁、更强，许多地区强降水增强；干旱等变化具有区域差异，不能说各类极端天气在全球所有地区都同步增加。
区分“自然温室效应”与“增强型温室效应”至关重要。
- 前者是地球宜居性的根本保障，属于大自然健康机能，并不能也不应被消除；
- 后者则是人类活动导致温室气体浓度异常升高的结果，并引发全球变暖等气候问题。
我们要设法减少的是后者的影响（比如减少碳排放、增加碳汇），而绝不是消灭所有温室效应本身。只有深刻理解两者的区别，才能正确对待环境保护和可持续发展的目标。
热力环流
地面受热不均，是驱动大气运动的根本动力。这种由于地表冷热分布不均匀而引发的大气环流，被称为“热力环流”。它不仅是最基础的大气运动形式，也是更大尺度大气系统（如三圈环流、季风、局地风等）发生和演化的物理原型。可以说，了解热力环流，就是掌握了地球大气运动的“起点”。
我们可以用一个简明的模型来深入理解热力环流的产生机制：假设在一片平坦的地面上，A点的地面温度高，B点的地面温度低，这两地温差引发了空气行为的连锁反应。
这个“暖处上升、冷处下沉、近地面由冷向暖流动”的模型，适用于解释一些局地热力环流。全球环流还受到地球自转、动量交换和天气尺度涡旋等影响，不能把所有环流都直接等同于这个两地冷热模型。
值得补充的是，现实中的地貌差异、地球自转（科里奥利力）、下垫面特征等都会对热力环流的形态和强度进行调制，使其呈现出丰富多彩的变化，但其根本动力，始终离不开“地面受热不均”这一原点。
热力环流的典型表现
热力环流在地球表面有多种具体表现形式，理解它们能解释大量日常天气现象：
海陆风常在背景风较弱、海陆温差明显时形成。白天陆地升温较快，近地面常由海向陆吹海风；夜晚陆地降温较快，可能形成陆风。实际沿海风向还受大尺度天气和地形影响，并非每天必定昼夜反转。
山谷风是热力环流在山地与谷地之间的表现。白天，山坡受热比同高度的谷地空气升温快，坡面气温高，气流沿坡面上升，谷地气流向坡面补充，形成“谷风”；夜晚，山坡冷却比谷地快，冷空气密度大，沿坡面向下滑动，形成“山风”（山风常带来山地夜晚的局地降温）。
城市热岛环流：城市因建筑密集、地面硬化、工业和交通热排放多，气温普遍高于周边农村，形成“热岛效应”。城市热岛驱动了局地热力环流——城区热空气上升，郊区相对凉爽，近地面气流从郊区流向城区，高空气流从城区流向郊区，形成以城区为中心的环流。这个环流对城市污染物的扩散有重要影响：郊区流入城区的气流可能将郊外污染物携带进城，而城区上升气流则将污染物带向高空向郊区扩散。
练习题
第1题关于对流层气温垂直分布，下列哪项表述最符合常见情况？
A. 晴天比阴天太阳辐射强，所以晴天更热
B. 气温通常随高度升高而降低，平均递减率可近似取0.6℃/100米，但也可能出现逆温
C. 高山上大气稀薄，氧气少，人容易缺氧
D. 夏季北极地区白昼时间长，所以极地气温高于热带
第2题阴天的夜晚通常比晴天的夜晚温暖，其物理解释是什么？
A. 阴天云层反射了来自太空的寒冷气流，使地面保温
B. 阴天云层的大气逆辐射更强，补偿地面散失的热量更多
C. 阴天风速较小，热量散失速度慢
D. 阴天湿度大，水蒸气导热性能好，保住了地面热量
第3题关于“增强型温室效应”，下列说法正确的是？
A. 温室效应全部是人类造成的，自然界本没有温室效应
B. 增强型温室效应是大气层中人为增加的温室气体吸收了更多地面长波辐射，使大气逆辐射增强，导致气温升高
C. 减少温室效应就是要彻底消除大气中的二氧化碳和水蒸气
D. 增强型温室效应导致的全球气温上升，在全球各地区的表现完全相同
第4题在背景风较弱、白天陆地比海洋升温更明显时，典型海陆风的近地面风向是什么？
A. 从陆地吹向海洋（陆风）
B. 从海洋吹向陆地（海风）
C. 风向取决于当天是否有降水，与海陆关系无关
D. 沿海城市白天无风
第5题西藏高原的太阳辐射量非常大，但气温却很低，原因是什么？
A. 西藏高原海拔高，较强日照并不直接决定气温，高空气温结构与地表能量收支共同影响其寒冷环境
B. 西藏高原反照率高，大部分太阳辐射被反射回太空，不能加热地面
C. 西藏高原接近宇宙空间，宇宙辐射冷却了大气
D. 西藏高原纬度高，接受太阳辐射少，所以气温低