大气热力学

Atmospheric Thermodynamics

爬山时气压降低，空气膨胀并自行变冷，这就是绝热冷却。干绝热递减率约10°C/km；水汽凝结时释放潜热，冷却减慢到湿绝热约5°C/km。气块达到露点的高度成为云底，越过山脊下沉的空气被压缩变暖，即焚风现象。在这个页面，调节地表气温和环境气温递减率滑块，查看云形成高度和大气稳定度。

为什么爬山会变冷

💡 绝热变化的直观

①地表空气沿山上升

②高度升高 → 气压下降(空气被挤压少了)

③气压下降使空气膨胀 → 温度下降

④这就是"绝热冷却" — 不与外界交换热量自行变冷

⑤反之空气下沉时压缩 → 绝热加热(焚风现象!)

云是怎么形成的

地表气温(°C)25

☁️ 云形成过程

①空气块上升 → 气压↓ → 膨胀 → 温度↓

②干绝热递减率:约10°C/km

③在某高度气温达到露点 → 水汽凝结开始

④凝结开始的高度 = 云底(抬升凝结高度)

⑤之后凝结潜热释放,冷却变慢 → 湿绝热递减率(~5°C/km)

大气稳定度 — 三种判断

环境气温递减率(°C/km)7

地表气温(°C)25

稳定度判定标准

不稳定:Γ_环境 > Γ_干(10°C/km)

上升空气比周围更暖 → 持续上升 → 对流活跃

稳定条件

稳定:Γ_环境 < Γ_湿(5°C/km)

上升空气比周围更冷 → 趋向下沉 → 抑制对流

📐 为何稳定度重要

①不稳定大气 → 积状云(雷阵雨)

②稳定大气 → 层状云(雾·小雨)

③条件性不稳定:干燥时稳定、凝结时不稳定

④天气预报核心:分析大气稳定度

焚风现象与实生活

🏔️ 越山的热风

①湿空气沿山上升 → 按湿绝热递减率(5°C/km)冷却

②山顶附近降雨(释放水分)

③越山下降 → 已变干的空气 → 按干绝热递减率(10°C/km)加热

④结果:背风面变成热而干的风(焚风现象)

⑤起点25°C、2km山:上升 -10° → 15°C、下降 +20° → 35°C!

例题与真题检验

例题 1

干燥气块上升2 km时，按干绝热递减率(约10°C/km)，温度下降多少?

干绝热递减率约为10°C/km。温度变化 = 递减率 × 上升高度。

10°C/km × 2 km = 下降20°C。

▸ 约下降20°C

无凝结时按干绝热递减率(10°C/km)冷却，开始凝结后按湿绝热递减率(约5°C/km)更慢冷却。

例题 2

周围大气的气温递减率(环境递减率)为12°C/km。干绝热递减率为10°C/km时，该大气对干空气而言稳定还是不稳定?

环境递减率大于干绝热递减率时，上升的空气比周围更暖而持续上升。

12°C/km > 10°C/km，故(绝对)不稳定 → 对流活跃，发展积状云。

▸ 不稳定(环境12°C/km > 干10°C/km)

环境递减率大于绝热递减率则不稳定，小于则稳定。不稳定时多阵雨·雷雨。

高考类型题

关于大气的绝热变化与稳定度，下列说法正确的是?

①干绝热递减率小于湿绝热递减率

②空气上升时绝热膨胀，温度下降

③环境递减率小于绝热递减率时大气不稳定

④水汽凝结时吸收潜热

⑤稳定大气中容易发展积状云

▸ ② 空气上升时绝热膨胀，温度下降

上升的空气周围气压降低而膨胀，不与外界交换热量而自行冷却(绝热冷却)。

干递减率(10)大于湿(5)(①)，环境递减率较小则稳定(③)，凝结时释放潜热(④)，积状云在不稳定大气中发展(⑤)。

总结

核心数值

干绝热 ≈ 10°C/km | 湿 ≈ 5°C/km

是否凝结决定冷却速率不同

🎯 考试要点

①干绝热 ≈ 10°C/km、湿绝热 ≈ 5°C/km

②Γ环境 > Γ干 → 绝对不稳定(强对流)

③Γ环境 < Γ湿 → 绝对稳定(抑制对流)

④Γ湿 < Γ环境 < Γ干 → 条件性不稳定

⑤不稳定 → 积云(阵雨)、稳定 → 层云(小雨)