大气热力学

将气泡视为一个热力学系统，可以解释山脉为何寒冷、气流下沉为何变暖，以及潜热释放如何将上升的气团转化为高耸的风暴。

Definition

大气热力学是研究气团能量转化的学科，特别是控制其温度的绝热膨胀和压缩，以及伴随水相变发生的潜热交换。

Scope

本主题涵盖热力学第一定律在大气气团中的应用、干绝热和湿绝热递减率、位温和相当位温等守恒变量，以及用于分析探空图的热力学图表。

Core questions

• 热力学第一定律如何描述上升或下沉的气团？
• 干绝热和湿绝热递减率是什么？它们为何不同？
• 位温和相当位温为何是有用的守恒量？
• 热力学图表如何表示大气的状态和过程？

Key theories

绝热递减率

未饱和气团在上升时以恒定的干绝热递减率冷却，而饱和气团则以较慢的湿绝热递减率冷却，因为凝结释放的潜热会进入气团。

守恒热力学变量

位温在干绝热运动中守恒，相当位温在湿绝热运动中守恒，因此这些量可以标记气团并揭示其来源和稳定性。

Mechanisms

由于空气是热的不良导体且气团移动迅速，垂直运动可近似为绝热过程：上升的气团膨胀并冷却，下沉的气团压缩并变暖。热力学第一定律确定了冷却速率，即干绝热递减率，直至饱和，此后凝结释放的潜热将其降低至湿绝热递减率。位温（消除了压力的影响）在干绝热运动中守恒，而相当位温在湿绝热运动中守恒，它们提供了可以直接从热力学图表（如等熵图或斜温图）中读取的示踪量。

Clinical relevance

大气热力学是解释探空图以评估稳定性和预测对流、预测山脉背风坡的焚风和奇努克风增温，以及计算云底高度和对流能量的基础，这些在日常业务预报中都有应用。

History

经典热力学在大气中的应用发展于19世纪末20世纪初，借鉴了亥姆霍兹等人的工作，包括引入位温和设计热力学图表，如纳皮尔·肖（Napier Shaw）的等熵图和后来的斜温对数压图，这些至今仍是分析大气垂直结构的标准工具。

Key figures

• William Napier Shaw
• Hermann von Helmholtz
• Vilhelm Bjerknes

Seminal works

• bohren1998
• iribarne1981

Frequently asked questions

为什么干燥空气比形成云的空气冷却得更快？

干燥空气在上升时以干绝热递减率冷却，但一旦气团饱和并形成云，凝结会释放潜热，部分抵消冷却，因此气团以湿绝热递减率冷却得更慢。

什么是位温？

位温是气团在绝热地被带到标准压力下所具有的温度；因为它在干绝热垂直运动中保持不变，所以它是一个方便的标签，用于识别和追踪气团。