大气热力学与水汽
热量和水是天气的动力：当空气上升并冷却时，水汽凝结并释放能量，驱动云、风暴和降雨，热力学使我们能够理解和量化这些现象。
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Definition
大气热力学与水汽是气象学的一个分支，关注空气的能量和水含量、控制这些的膨胀、冷却、凝结和蒸发过程，以及它们对稳定性、云和降水的影响。
Scope
本领域涵盖干空气和湿空气的热力学、大气稳定性的评估及其所允许的对流、大气湿度的测量和行为，以及云和降水形成的微物理过程。
Sub-topics
Core questions
- 热力学定律如何应用于上升和下沉的空气？
- 什么决定了大气是稳定还是容易发生对流？
- 空气中的水汽含量如何测量和表示？
- 云滴和降水粒子如何形成和增长？
Key theories
- 绝热过程和递减率
- 上升的空气以干绝热递减率膨胀和冷却，直到饱和，之后潜热释放使冷却速度减慢到湿绝热递减率，这是评估稳定性和云发展的基础。
- 云微物理学
- 云滴在气溶胶核上形成，通过凝结和碰撞增长，并通过暖雨或冰过程变得足够大，以降水形式落下。
Mechanisms
当一个气团上升时，它在不与周围环境交换热量的情况下膨胀和冷却，这是一个绝热过程；一旦它冷却到饱和点，水汽就会凝结并释放潜热。气团是否继续上升取决于其温度与环境的比较，这决定了稳定性和对流。凝结的水形成云，通过凝结、碰撞和冰过程的微物理增长可以产生足够重的粒子，以降水形式落下。
Clinical relevance
热力学和水汽原理是云和降水预报、通过对流有效位能等措施预报雷暴潜力、预报雾和霜以及舒适度指数的基础，这使得它们对业务气象和航空不可或缺。
History
19世纪的热力学通过绝热过程的研究以及温熵图和其他热力学图表的开发应用于大气；20世纪，Bergeron、Findeisen等人建立了云和降水形成的微物理学，完善了该领域。
Key figures
- Tor Bergeron
- Walter Findeisen
- Hilding Kohler
Related topics
Seminal works
- wallace2006
- rogers1989
Frequently asked questions
- 为什么上升的空气会冷却？
- 当空气上升到较低的气压中时，它会膨胀，由于膨胀会以牺牲空气内能为代价做功，即使没有热量被移除，空气也会冷却，这个过程称为绝热冷却。
- 为什么空气上升时会形成云？
- 上升的空气冷却直到达到饱和点，即它不能再容纳更多水汽的点；多余的水汽随后凝结在微小粒子上，形成构成云的水滴或冰晶。