第四節 空氣的絕熱變化和大氣穩定度一、空氣的絕熱變化 幾個基本概念（一）氣塊在大氣中取一個體積微小的空氣微團，稱為氣塊。（二）絕熱氣塊在絕熱運動中與外界不發生熱量交換，也就是既無熱量輸入，也無熱量輸出，則稱氣塊運動是絕熱的。（三）絕熱冷卻氣塊因絕熱上升而降溫的現象稱為絕熱冷卻。在絕熱條件下，上升的氣塊因外界氣壓減低，體積膨脹，此時氣塊對外作功所消耗的能量以氣塊內能減少來補償，從而使氣塊溫度降低。（四）絕熱增溫氣塊因絕熱下降而增溫的現象稱為絕熱增溫。當氣塊作絕熱下降運動時，由于外界氣壓增大，氣塊體積被壓縮，外界空氣對氣塊作功，從而使氣塊內能增加溫度升高。（五）絕熱變化和絕熱過程氣塊在鉛直運動中所發生的絕熱冷卻和絕熱增溫的變化稱為空氣的絕熱變化，這個變化過程稱為絕熱過程。實際上，氣塊在作鉛直運動時都不是絕熱的，但是在短時間內，鉛直運動的氣塊與外界空氣間的熱量交換遠小于氣塊內能的變化，所以可近似看成是絕熱的。二、干絕熱直減率（一）干絕熱過程一團干空氣或未飽和的濕空氣在作絕熱上升或下降運動時，氣塊內部既沒有發生水的相變，又沒有與外界交換熱量的過程。據計算，氣塊在干絕熱過程中，每上升或下降100m，氣塊溫度降低或升高0.98，可近似的作為1/100m。（二）干絕熱直減率一團干空氣或未飽和的濕空氣在絕熱升降運動中，氣塊溫度隨高度的變化率稱為干絕熱直減率。用rd表示。由此可見，干絕熱過程是一種可逆的絕熱過程。 三、濕絕熱直減率（一）濕絕熱過程始終保持飽和狀態的濕空氣，在作絕熱升降運動時。既有內能的變化，也有水相變化過程。（二）濕絕熱直減率始終保持飽和狀態的濕空氣，在作絕熱升降運動中，氣塊的溫度變化率，稱為濕絕熱直減率。以rm表示。（三）為什么rm始終小于rd？濕絕熱過程中，氣塊作絕熱上升時，一方面因絕熱膨脹氣塊對外作功消耗內，使溫度降低；同時又因絕熱冷卻作用，使氣塊中部分水汽凝結放出潛熱，對氣塊有升溫作用，緩和了氣塊上升的絕熱冷卻作用。氣塊下降絕熱增溫時，氣塊中攜帶的水滴蒸發。維持了氣塊的飽和狀態，由于蒸發消耗熱量，氣塊下降時的增溫也比干絕熱時為少。因此，總是rm總是小于rd。平均而言，rm0.5/100m。但實際上rm是一個變量，隨溫度和氣壓而變化（表3）。表3 不同氣壓和溫度時的濕絕熱直減率（rm）P（hpa）溫度（）-30-20-10010203010000.930.800.760.630.540.440.367000.910.810.690.560.470.380.325000.800.760.620.480.410.330.29rm隨溫度升高而降低；隨氣壓降低而減小。 溫度較高時的rm值比溫度較低時為小，這是因為溫度較高時，飽和濕空氣中所含水汽量比溫度低時多，在絕熱上升發生凝結時所釋放潛熱多。 隨著氣壓降低，rm也會減小。這是因為氣壓降低，空氣密度減小，容積熱容量也減小，由釋放相等的潛熱供給氣塊時，氣壓較低的空氣由于潛熱而增高的溫度比氣壓較高時的空氣為高。但是由于氣溫對rm的影響大于氣壓的影響，所以，隨高度的增加，rm值是逐漸增大的。在濕絕熱過程中，氣塊中的水汽凝結后，可能有兩種情況：一種是水汽凝結物仍留在氣塊內，隨同氣塊作升降運動。另一種是水汽凝結物的全部或一部分以降水方式脫離氣塊。（四）可逆濕絕熱過程 水汽凝結物仍留在氣塊內，這時不論氣塊上升或下降，溫度都按濕絕熱直減率而變化。這是與干絕熱過程一樣的可逆過程。這種極端情況相當于只有云而無降水。（五）假絕熱過程 水汽凝結物的全部或一部分以降水方式脫離氣塊，此后氣塊下降時已不再是飽和濕空氣，于是氣塊就按干絕熱變化，這是一種不可逆過程。它意味著氣塊因凝結物的脫離而與外界有熱量交換，這種情況稱為假絕熱過程。如果凝結物的全部以降水方式脫離氣塊，這種極端情況相當于全是降水而沒有云。 通常，近地面的氣塊上升時，開始溫度沿干絕熱直減率下降，到某一高度，因絕熱冷卻使其中水汽達飽和，成為飽和濕空氣，再繼續上升，其溫度按濕絕熱直減率下降。隨之其中水汽凝結物以降水方式脫離氣塊，氣塊再下降時則沿干絕熱直減率下沉增溫，空氣由飽和變為不飽和狀態，這時每下降100m，溫度升高1。二、大氣穩定度（一）基本概念1、大氣穩定度 指氣層穩定的程度。它與氣層中溫度隨高度的分布，即大氣的溫度層結有密切的關系，是空氣鉛直運動或對流是否發展的內因和判據，并和許多天氣現象的發生有關。2、穩定大氣 大氣中某高度上的氣塊，當它受到外力作用向上或向下運動時，如果氣塊逐漸減速有返回原高度的趨勢，這時大氣是穩定的，這樣的大氣稱為穩定大氣。3、不穩定大氣 如果氣塊加速運動并有遠離原高度的趨勢，這時大氣是不穩定的，這樣的大氣稱為不穩定大氣。4、中性大氣 如果氣塊被外力推到任意高度，并在該處停止下來，這時大氣處于中性狀態，這樣的大氣稱為中性大氣。下面具體地討論氣塊在各種穩定度下的運動情況。 在氣塊處于平衡位置時，具有與周圍大氣相同的氣壓、溫度和密度。當它受到外力作用后，就沿絕熱過程發生鉛直運動，移動Z高度后，其狀態是：氣壓變為P、溫度變為T和密度變為，而周圍大氣狀態相應為、T和P。除P=P外，一般TT，。此時，單位體積氣塊受到兩個力的作用（圖39）。一個是周圍大氣對它的浮力q=g，方向向上；另一個是氣塊本身重力G=g，方向向下。兩個力的合力以f表示，即 f =qG=gg （317）單位質量氣塊所受的力就是加速度a，所以 （318）由狀態方程 及P=P代入（318）式則 （319） （319）式是判別穩定度的基本公式。當氣塊溫度比周圍大氣溫度高時，即TT時a0，氣塊將受到一向上加速度而上升，大氣是不穩定狀況；當氣塊溫度比周圍大氣溫度低時，即TT時a 0，氣塊將受到一向下的加速度，氣塊有返回原來位置的趨勢，大氣是穩定的；當T=T時a=0，大氣是中性狀態。（二）未飽和濕空氣的穩定度 當干空氣或未飽和濕空氣塊上升Z高度時，其溫度T=T0rdZ，周圍空氣溫度為T =T0r Z，將此兩式代入（3-19）式得到 （320）由（3-20）式可見，rrd的符號決定a與Z的方向是否一致，也就是決定了大氣是否穩定。1、 當 r 0，則ard 時，若Z 0，則a 0，加速度與位移方向一致，大氣層結是不穩定的。3、 當 r=rd 時， a =0，大氣層結呈中性。（三）飽和濕空氣的穩定度 飽和濕空氣塊在作鉛直運動時，溫度沿濕絕熱直減率變化，即氣塊溫度T=T0rmZ，周圍空氣溫度為T =T0r Z代入（319）式得到 （321）1、當 rrm 時，大氣層結不穩定的。3、當 r=rm 時，大氣層結為中性。綜上所述，不論干空氣、未飽和濕空氣和飽和濕空氣的穩定度都決定于r、rd、rm三者間的比