空气的绝热变化和大气稳定度

一、空气的绝热变化几个基本概念（一）气块在大气中取一个体积微小的空气微团，称为气块。（二）绝热气块在绝热运动中与外界不发生热量交换，也就是既无热量输入，也无热量输出，则称气块运动是绝热的。（三）绝热冷却气块因绝热上升而降温的现象称为绝热冷却。在绝热条件下，上升的气块因外界气压减低，体积膨胀，此时气块对外作功所消耗的能量以气块内能减少来补偿，从而使气块温度降低。（四）绝热增温气块因绝热下降而增温的现象称为绝热增温。当气块作绝热下降运动时，由于外界气压增大，气块体积被压缩，外界空气对气块作功，从而使气块内能增加温度升高。（五）绝热变化和绝热过程气块在铅直运动中所发生的绝热冷却和绝热增温的变化称为空气的绝热变化，这个变化过程称为绝热过程。实际上，气块在作铅直运动时都不是绝热的，但是在短时间内，铅直运动的气块与外界空气间的热量交换远小于气块内能的变化，所以可近似看成是绝热的。二、干绝热直减率（一）干绝热过程一团干空气或未饱和的湿空气在作绝热上升或下降运动时，气块内部既没有发生水的相变，又没有与外界交换热量的过程。据计算，气块在干绝热过程中，每上升或下降100m，气块温度降低或升高0.98℃，可近似的作为1℃/100m。（二）干绝热直减率一团干空气或未饱和的湿空气在绝热升降运动中，气块温度随高度的变化率称为干绝热直减率。用rd表示。由此可见，干绝热过程是一种可逆的绝热过程。三、湿绝热直减率（一）湿绝热过程始终保持饱和状态的湿空气，在作绝热升降运动时。既有内能的变化，也有水相变化过程。（二）湿绝热直减率始终保持饱和状态的湿空气，在作绝热升降运动中，气块的温度变化率，称为湿绝热直减率。以rm表示。（三）为什么rm始终小于rd？湿绝热过程中，气块作绝热上升时，一方面因绝热膨胀气块对外作功消耗内，使温度降低；同时又因绝热冷却作用，使气块中部分水汽凝结放出潜热，对气块有升温作用，缓和了气块上升的绝热冷却作用。气块下降绝热增温时，气块中携带的水滴蒸发。维持了气块的饱和状态，由于蒸发消耗热量，气块下降时的增温也比干绝热时为少。因此，总是rm总是小于rd。平均而言，rm＝0.5℃/100m。但实际上rm是一个变量，随温度和气压而变化（表3）。表3不同气压和温度时的湿绝热直减率（rm）P（hpa）温度（℃）-30-20-10010203010000.930.800.760.630.540.440.367000.910.810.690.560.470.380.325000.800.760.620.480.410.330.29rm随温度升高而降低；随气压降低而减小。温度较高时的rm值比温度较低时为小，这是因为温度较高时，饱和湿空气中所含水汽量比温度低时多，在绝热上升发生凝结时所释放潜热多。随着气压降低，rm也会减小。这是因为气压降低，空气密度减小，容积热容量也减小，由释放相等的潜热供给气块时，气压较低的空气由于潜热而增高的温度比气压较高时的空气为高。但是由于气温对rm的影响大于气压的影响，所以，随高度的增加，rm值是逐渐增大的。在湿绝热过程中，气块中的水汽凝结后，可能有两种情况：一种是水汽凝结物仍留在气块内，随同气块作升降运动。另一种是水汽凝结物的全部或一部分以降水方式脱离气块。（四）可逆湿绝热过程水汽凝结物仍留在气块内，这时不论气块上升或下降，温度都按湿绝热直减率而变化。这是与干绝热过程一样的可逆过程。这种极端情况相当于只有云而无降水。（五）假绝热过程水汽凝结物的全部或一部分以降水方式脱离气块，此后气块下降时已不再是饱和湿空气，于是气块就按干绝热变化，这是一种不可逆过程。它意味着气块因凝结物的脱离而与外界有热量交换，这种情况称为假绝热过程。如果凝结物的全部以降水方式脱离气块，这种极端情况相当于全是降水而没有云。通常，近地面的气块上升时，开始温度沿干绝热直减率下降，到某一高度，因绝热冷却使其中水汽达饱和，成为饱和湿空气，再继续上升，其温度按湿绝热直减率下降。随之其中水汽凝结物以降水方式脱离气块，气块再下降时则沿干绝热直减率下沉增温，空气由饱和变为不饱和状态，这时每下降100m，温度升高1℃。二、大气稳定度（一）基本概念1、大气稳定度指气层稳定的程度。它与气层中温度随高度的分布，即大气的温度层结有密切的关系，是空气铅直运动或对流是否发展的内因和判据，并和许多天气现象的发生有关。2、稳定大气大气中某高度上的气块，当它受到外力作用向上或向下运动时，如果气块逐渐减速有返回原高度的趋势，这时大气是稳定的，这样的大气称为稳定大气。3、不稳定大气如果气块加速运动并有远离原高度的趋势，这时大气是不稳定的，这样的大气称为不稳定大气。4、中性大气如果气块被外力推到任意高度，并在该处停止下来，这时大气处于中性状态，这样的大气称为中性大气。下面具体地讨论气块在各种稳定度下的运动情况。在气块处于平衡位置时，具有与周围大气相同的气压、温度和密度。当它受到外力作用后，就沿绝热过程发生铅直运动，移动△Z高度后，其状态是：气压变为P´、温度变为T´和密度变为ρ´，而周围大气状态相应为ρ、T和P。除P=P´外，一般T≠T´，ρ≠ρ´。此时，单位体积气块受到两个力的作用（图3－9）。一个是周围大气对它的浮力q=ρ·g，方向向上；另一个是气块本身重力G=ρ´·g，方向向下。两个力的合力以f表示，即f=q－G=ρg－ρg（3－17）单位质量气块所受的力就是加速度a，所以gggfa（3－18）由状态方程RTpTRp及P=P´代入（3－18）式则gTTTa（3－19）（3－19）式是判别稳定度的基本公式。当气块温度比周围大气温度高时，即T´T时a0，气块将受到一向上加速度而上升，大气是不稳定状况；当气块温度比周围大气温度低时，即T´T时a0，气块将受到一向下的加速度，气块有返回原来位置的趋势，大气是稳定的；当T´=T时a=0，大气是中性状态。（二）未饱和湿空气的稳定度当干空气或未饱和湿空气块上升△Z高度时，其温度T´=T0－rd△Z，周围空气温度为T=T0－r△Z，将此两式代入（3-19）式得到zTrrgad（3－20）由（3-20）式可见，r－rd的符号决定a与△Z的方向是否一致，也就是决定了大气是否稳定。1、当rrd时，若△Z0，则a0，加速度与位移方向相反，大气层结是稳定的。2、当rrd时，若△Z0，则a0，加速度与位移方向一致，大气层结是不稳定的。3、当r=rd时，a=0，大气层结呈中性。（三）饱和湿空气的稳定度饱和湿空气块在作铅直运动时，温度沿湿绝热直减率变化，即气块温度T´=T0－rm△Z，周围空气温度为T=T0－r△Z代入（3－19）式得到zTrrgam（3－21）1、当rrm时，大气层结稳定的。2、当rrm时，大气层结不稳定的。3、当r=rm时，大气层结为中性。综上所述，不论干空气、未饱和湿空气和饱和湿空气的稳定度都决定于r、rd、rm三者间的比值。总括起来有四种情况，即：1、当rrmrd时，不论空气是否饱和，大气都是稳定的，称为绝对稳定。2、当rrmrd时，不论空气是否饱和，大气都是不稳定的，称为绝对不稳定。3、当rdrrm时，未饱和空气是稳定的，对饱和空气是不稳定的，称为条件性不稳定。4、当r=rd时，大气层结为中性平衡。在一般情况下，实际大气属于条件性不稳定，即rdrrm。