“热力环流”的形成过程及前后关联性研究

赵玉明

【摘 要】热力环流是高中地理最基本的原理之一，在高中地理中具有非常重要的地位，但是，对于其环流过程及其与前后章节之间的关系，探讨的较少。通过对气压及其垂向變化规律、高低压、气压梯度力等前期知识的深入分析，探讨了热力环流在不同情况下的形成过程及其现实表现，教师应该采用哪种方式讲授该内容;在此基础上，又简略探讨了热力环流与后文相关内容之间的关系，明确其重要地位。

【关键词】热力环流;教材;地理意义

【中图分类号】G633.55       【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）15-0010-02

大气热力环流是高中地理最基本的原理之一，地位非常重要，但在鲁教版（山东教育出版社）、湘教版（湖南教育出版社）、人教版（人民教育出版社）和中图版（中国地图出版社）等地理教材中，对其描述不同，一些地理教师非常困惑，不知该参考哪个版本进行教学;而在地理科学专业的本科教学中，教材对其描述非常简单，教师也常忽略其重要性，从而导致该问题长期以来没有得到有效的解决。

针对上述现象，部分教师曾对热力环流的形成原因及过程进行了分析和探讨，其中，裴春玉[1]（2008）、鲍文艳[2]（2012）等倾向于赞成人教版和中图版的观点;方赛军[3]（2013）则倾向于赞成鲁教版和湘教版的观点。在此情况下，在教学中究竟应该相信哪种说法，就成为一个需要讨论的问题。

从热力环流的知识基础出发，用物理学原理分析了气压及其垂向变化规律;在此基础上，探讨了热力环流的形成过程及不同版本的差异;最后，通过探讨与其它内容之间的关系，明确了热力环流的重要地位。

一、热力环流的知识基础

热力环流中经常用到“气压”、“高压”、“低压”、“空气密度”等概念，因此，要深刻理解热力环流，首先需要从物理学角度深入掌握以下知识：①气压的概念;②气压的垂向变化规律及与密度的关系;③高压与低压的概念及其关系;④气压梯度力的概念。

1.气压的概念及其物理学原理。

气象学中，气压也称大气压，指的是作用在单位面积上的大气压力，即从观测高度到大气上界的垂直空气柱重量。

在空气柱垂向示意图中（图1），假设空气柱的横截面积为S，大气在水平方向上均匀分布，密度为ρ，根据压强的物理学定义，H1处的大气压即为观测高度H1到大气上界H2之间的空气柱的重量除以横截面积S，即大气压可表示为：

P1=G1〖〗S=m1g〖〗S=ρv1g〖〗S=ρSh1g〖〗S=ρh1g=ρ（H2-H1）g=m1′g=G1′（1）

式中，m1表示横截面积S为的空气柱从观测高度H1到大气上界H2之间的质量;g表示重力加速度，可默认为一常数;v1表示横截面积为S，高为h1的空气柱的体积;h1表示观测高度H1到大气上界H2的距离。其中，m=ρv为质量计算公式，v=Sh为体积计算公式，G1′=m1′g=ρg（H2-H1）为单位面积上观测高度至大气上界的重量计算公式。

由公式（1）可知，空气柱在观测高度H1处的大气压只与空气柱的密度ρ、观测高度H1、大气上界高度H2、重力加速度g等4个变量有关，而与空气柱的横截面积S无关。

2.气压的垂向变化规律及其物理原理。

气压的垂向变化规律包括其在垂向上的高低变化情况、快慢变化情况及热力差异对其影响等3个方面，具体情况如下：

（1）气压在垂向上的高低变化规律。

由公式（1）可知，地面H0处的大气压为：

P0=ρ（H2-H0）g=ρ（H2-H1）g+ρ（H1-H0）g=P1+ρ（H1-H0）g（2）

公式（2）反映了观测高度的大气压与地面大气压之间的关系。由于，ρ>0，g>0，H1≥H0，故P0≥P1。将其进一步推广，可得：垂直空气柱内，地面（或洋面）的大气压最高，越往高空大气压越小。

（2）气压在垂向上的快慢变化规律。

将公式（2）进一步变换，可得：

ΔP=P0-P1=ρg（H1-H0）（3）

式中，ΔP表示不同观测高度之间的气压差。

假设空气在垂向上均匀分布，即公式（3）中的ρ、g均为常数，则上述气压差ΔP仅与地面H0与观测高度H1之间的垂直距离有关。由此得到大气压垂向变化规律1：若空气密度在垂向上均匀分布，大气压则由地面向大气上界均匀降低。根据气象学与气候学中提供的大气压在不同海拔高度的参考值（表1），地表附近2km内空气密度基本均匀，所以大气压随高度上升基本上呈均匀降低状态。

但地表2km以上，随着高度的升高，空气柱的密度ρ逐渐变小，由公式（3）可知，此时气压差ΔP也随之减小（表1）。由此可得大气压垂向变化规律2：当大气密度随高度的增加而逐渐减小，大气压在地面附近上升单位高度降低最快，越向上则降低越慢。若将气压差ΔP作为一个固定值，则上述规律可表达为：当大气密度随高度的增加而逐渐减小，在地面附近降低单位气压的高度最小，越向上降低单位气压的高度越大。

（3）不同地区的热力差异对气压在垂向分布上的影响。

假设有一空气团质量为m。根据热胀冷缩原理，该空气团受热时体积会膨胀增大，即v会变大，根据公式m=ρv，此时密度ρ会减小;当该空气团冷却时体积会收缩减小，即v会减小，根据公式m=ρv，此时密度ρ会增大。

以图1为例，假设空气柱内的大气只发生垂向运动，无论受热膨胀上升，还是冷却收缩下沉，因没有空气的流出，也没有外来空气的流入，从地面观测，空气柱的质量m不发生变化，由公式（1）可知，地面的大气压不会发生变化（表2）。由此得到大气压的垂向变化规律3：在没有与外界大气进行交流的情况下，若空气柱中的大气只在垂直方向上移动，无论受热还是冷却，地面附近的大气密度会发生变化，但地表大气压不会发生变化。

当地面受热增多时，经过辐射、传导等途径，地面的热量会传入近地面的大气中，导致其受热膨胀上升，此时ρ减小，由公式（3）可知，气压差ΔP随之减小。由规律3可知，地面大气压不变，所以，观测高度H1的大气压较地面受热前增大（表2）。反之，当地面降温冷却，会导致空气冷却收缩下沉，此时ρ会增大，由公式（3）可知，气压差ΔP随之增大，再由规律3可知，观测高度H1的大气压较地面受热减少前减小（表2）。对比受热前后观测高度H1的大气压变化情况，可知P1热>P1不变>P1冷。由此可得大气压的垂向变化规律4：如果大气只在垂直空气柱内移动，在空中的同一观测高度，高空中的大气密度发生变化后，气压会随之而变：受热情况下气压值增大;冷却情况下的气压减小。

3.高压与低压的概念。

高压即高气压，指由闭合等压线构成的，中心气压比四周气压高的区域。低压即低气压，指由闭合等压线构成的，中心气压比四周气压低的区域。由大气垂向变化规律1可知，气压随着高度升高而降低，但在“热力环流”中，经常可见地面形成低压，高空形成高压，这似乎与规律1相冲突，其实二者并不矛盾，原因在于：高低压只是对同一水平高度的气压而言的，垂直方向上的高低压并不代表气压的高低变化规律，对比垂直方向上的高低压没有任何意义。

4.气压梯度力的概念。

气压梯度力指不同地区因气压不同而形成的由高气压指向低气压的作用力，是引起大气运动的原动力，大气总是具有沿著气压梯度力由高到低的方向进行运动的趋势。“气压梯度力”等知识同样是热力环流的知识基础，但由于其容易理解，这里不再赘述。

二、热力环流的形成过程及不同版本的不足之处

1.热力环流的形成过程。

在热力环流中，假设地面均匀受热时，A、B、C地的气压分布是一致的，此时空气没有上升和下降运动（图2a）。此后，由于热力差异原因，B地受热增多，A、C两地受热减少，在此情况下，空气的运动存在两种情况。

第一种情况下，假设此时空气膨胀上升时只在垂直方向上移动，则由气压的垂直变化规律3可知，在地面附近，A、B、C三地的气压仍然一致;由气压的垂直变化规律4可知，在高空中，B地因空气膨胀上升而形成高压，A、C两地因空气冷却下降而形成低压（图2b）。于是，在高空中，气流将由B地向A、C两地扩散。当B地高空的气流扩散之后，从B地地面观测，整个空气柱的质量减小，故地面气压降低，形成低压;而从A、C两地地面观测，因高空中接受了来自B地的气流，整个空气柱的质量增加，故地面气压升高，形成高压（图2c）。于是，在气压梯度力的作用下，气流由A、C两地沿地面流入B地，补充其上升的气流，从而形成了闭合的热力环流（图2d）。

第二种情况下，空气在辐合上升过程中，伴随着水平方向的扩散。在此情况下，热力环流过程就表现为（图3a、b）：B地受热增多，空气受热膨胀上升，同时伴随着向外扩散，导致高空形成高压，对地面而言，受空气水平扩散的影响导致空气柱重量降低而形成低压;A、C两地受热减少，空气冷却收缩下沉，导致两地高空形成低压，并接收高空扩散过来的暖空气，地面因接受外来气流导致空气柱重量增加而形成高压，从而使气流向B地扩散以补充其上升气流。其中，图3a中空气发生升降运动时，伴随着向外扩散，将会导致高空的气压和地面的气压同时发生变化，从而又引起图3b中B地高空气流的扩散和地面附近气流的汇聚同时进行。

在中学教材中，中图版和人教版主要围绕第一种情况解释热力环流。由气压垂向变化规律3可知，地面气压升高或降低并不会因为附近空气密度发生变化而变化，而是因为高空气压的扩散或集聚导致地面附近的空气柱质量减小或增大，从而导致气压发生变化;但中图版和人教版有时会将地面的气压变化原因归结为空气密度变化，这是不严谨的。裴春玉[1]（2008）、鲍文艳[2]（2012）等也围绕热力环流的第一种情况进行了分析，整体而言，语言描述分析比较到位，但没有从物理学角度深入探讨，分析深度略有不足。此外，在垂向上的气压标注上二者存在明显问题。裴春玉[1]（2008）标注的气压间距为2hPa，鲍文艳[2]（2012）标注的气压差的间距也只有25 hPa，按标注进行计算，所演示的热力环流在垂向上的高度均不足1 km，这与对流层中气压在垂向上的变化非常迅速，不同等压线之间存在数十百帕甚至数百帕的正常现象相差甚远;也与对流层中大气平均对流厚度在8-9 km左右，赤道地区甚至可达17-18 km左右相差甚远。

鲁教版、湘教版主要围绕着第二种情况解释热力环流。这种情况更符合现实情况，但在教学过程中，这样的描述不利于学生的理解，因为这种情况无法回答空气在上升过程中，垂直上升与水平扩散各占了多少比重。如果学生提出疑问：若向周围扩散的气流量大于上升的气流量时，上升气流将会入不敷出，这时高空的空气密度反而相对缩小，观测高度相对于周围同高度大气层而言，反而可能形成低气压。这对这种情况，解释起来将非常复杂，甚至难以自圆其说，从而很难达到良好的教学效果;且鲁教版、湘教版的描述常用到“地面密度增加，气压升高;地面密度减小，气压降低”等语句，这种说法表达不严谨，与气压垂向变化规律5相矛盾，易使人困惑。方赛军[3]（2013）认为现实中空气的变化符合第二种情况，故认同第二种情况，但是他没有考虑该观点的解释难度更大，学生更加难以接受的问题。

那么，现实中，应该如何向学生讲授“热力环流”现象呢？文章认为应该从两个方面进行讲授：①在教学上，应该明白理论总是基于一定假设，是与现实存在一定偏差的。从这个观点出发，教学过程中，只能按照事物理想状态进行探讨，即按照“热力环流”的第一种情况进行探讨，此时，“热力环流”的发生过程简单、清晰明了，教师可以很容易的使学生理解领会该知识;反之，若按照“热力环流”的第二种情况进行探讨，则环流过程将变得复杂，充满不确定性，教师可能越讲越复杂，学生可能越学越糊涂。②在讲完“热力环流”的第一种情况后，在适当的情况下可进行知识拓展，指出现实中上述两种情况均有表现。在强热力环流条件下，一些极端的天气现象如台风、龙卷风等，空气以强烈的辐合上升为主，很少向外扩散，其大气环流过程基本以第一种情况为主;但在大多数天气现象中，特别是在中纬度的锋面天气中，空气辐合上升过程比较缓慢，通常在上升过程中，伴随着气流的向外扩散，其大气环流过程基本以第二种情况为主。通过上述简单说明，为后面教学中遇到上述现象埋下伏笔，也为整个教学过程的前后关联做好铺垫，从而增强学生的学习兴趣，也可培养学生的前后关联能力和综合思维能力。

三、热力环流的重要意义

1.热力环流是理解“单圈环流”、“三圈环流”“季风环流”、“海陆风”、“山谷风”、“城郊风”等的基础。

在热力环流的基础上，高中地理教材探讨了地球表面冷热不均而形成的赤道与极地之间的热力环流，从而形成“单圈环流”;并在地转偏向力的参与下，形成了“三圈环流”。上述内容中，无论是“单圈环流”，还是“三圈环流”中的“低纬环流圈”、“高纬环流圈”，均为热力环流，因此，热力环流是理解“单圈环流”和“三圈环流”的基础。

除了“单圈环流”和“三圈环流”外，“季风环流”、“海陆风”、“山谷风”和“城郊风”等的形成原因也都是不同地区的热力差异不同，其本质也都是热力环流，因此，热力环流也是理解它们等的基础。

2.热力环流是天文降水带和我国夏季降水形成的重要原因。

受热力环流和地转偏向力的影响，地面形成了“三圈环流”。在低纬度环流圈，气流在赤道附近对流上升，空气出现饱和、过饱和，容易形成对流雨;而在副热带地区，气流以下沉为主，空气不容易饱和，容易形成晴空万里的现象。可以说，热力环流是形成赤道地区多雨带、副热带少雨带的重要原因。而在高纬环流圈，在热力环流作用下，副极地地区气流以上升为主，形成多雨带;极地地区则以下沉气流为主，形成少雨带。可见，上述天文降水带的形成都受到热力环流的影响。

在我国夏季，大陆上受热快，其气压、气流变化过程与图3中基本一致，在夏季风带来的丰沛水汽下，空气对流上升，容易成云致雨，从而形成对流雨、热雷雨等天气。可见，热力环流也是引起我国夏季降水的重要原因。

3.台风是热力环流的典型表现形式之一。

观察台风的结构，中心区附近以强烈对流上升为主，气流几乎不向外扩散，到高空后气流迅速向外扩散，并在台风边缘附近聚集下沉;下沉气流在洋面附近形成高压，重新回流到台风核心区附近，补充台风中心附近的上升气流。台风的这一结构几乎完全再现了图2中的b、c、d三个步骤，是热力环流的典型表现形式之一。

4.中纬度的锋面天气同样是热力环流的重要表现形式。

现实中，“热力环流”更多的以第二种情况存在。在中纬度的锋面天气中，暖空气在受热膨胀过程中，一边上升一边向外扩散（此时，高空形成高压，地面形成低压），从而形成了暖空气沿一个倾斜面缓慢上升;而冷空气在冷却收缩过程中，同样一边下降一边向周围扩散（此时，高空形成低压，地面形成高压），从而形成了冷空气沿一个倾斜面缓慢下沉的现象。这种现象完美再现了“热力环流”的第二种情况。因此，中纬度的锋面天气同样是热力环流的重要表现形式。

四、结论

（1）热力环流与中学教材中的“气压”、“高低气压”、“气压的垂直变化规律”、“气压梯度力”等知识密切相关，要学好热力环流，必须深入领会气压的概念及其垂向变化规律等相关知识。

（2）理论教学中，热力环流的形成过程严格而言包括4个步骤，特别是后面的3个步骤是逐步发生的，尤其需要注意的是，在气流只发生升降变化时，地面附近的大气密度会发生变化，但气压不会发生变化;而高空中的大气密度发生变化后，气压会随之而变。只有高空中高气压区气流发生水平扩散，流入低气压区之后，导致整个空气柱的质量增大了，冷却地区的地面气压才会升高，而受热地区的地面气压才會降低，只有这时地面附近才会形成高低压差异，从而导致地面气流的回流，进而补充受热地区上升的气流，形成热力环流。

（3）热力环流具有重要的理论和现实意义，是形成“单圈环流”、“三圈环流”、“季风环流”“海陆风”、“山谷风”、“城郊风”等的理论基础，是引起天文降水和我国夏季降水的重要原因，台风、中纬度锋面天气等都是“热力环流”的典型表现形式。

参考文献

[1]裴春玉.对比四版本高中地理教材引发的思考——以大气热力环流为例[J].内蒙古师范大学学报（教育科学版），2008，21（12）：129-132.

[2]鲍文艳.“热力环流的形成”图形分解法教学[J].地理教学，2012，（21）：44-47.

[3]方赛军，康体鹏，余培刚.关于“热力环流”形成过程的探讨[J].中学地理教学参考，2013，（6）：42-43.