气温垂直递减率
气温垂直递减率（英语：Lapse rate of temperature）、垂直递减率、气温直减率、温度直减率或环境直减率（英语：Environmental lapse rate，ELR），是气温随着高度上升而递减的幅度，是直减率 (英语：lapse rate)的一种。国际民航组织（ICAO）的数据指出，在对流层中，干空气平均每上升100米，气温就下降约0.98度。若空气中含有水汽，因为水汽凝结时会释放潜热，平均每上升100米，气温下降约0.6度。平均而言，夏季海拔高度每上升100米气温约降低0.6度，而冬季每上升100米约降低0.36度。
数学表示
[编辑]一般而言，气温垂直递减率可以如此表示：
为气温垂直递减率，T为温度，z为海拔高度。
注：因为比热比或湿度常数等皆会使用为符号，为了避免混淆，有时会用 或 代表气温垂直递减率。
种类
[编辑]气温垂直递减率有两种形式：
- 环境温度递减率 – 平稳大气下，气温随海拔变化的比率
- 绝热递减率 – 固定量的空气绝热上升或下降时，气温随海拔变化的比率。绝热递减率有两种：[1]
- 干绝热直减率
- 饱和绝热直减率
环境温度递减率
在给定的温度与地点，且大气稳定的情况下，温度随着海拔的变化率称为环境温度递减率。
国际民航组织（ICAO）定义国际标准大气（ISA）从海平面到海拔11km的温度递减率为6.49 °C/km。从11km到20km，空气的温度是常数−56.5 °C，是国际标准大气中温度最低的。由于国际标准大气没有将水汽纳入考虑，这个理想化的模型与实际会有误差。比如：在逆温层中，温度反而会随海拔增加。
干绝热直减率
干绝热直减率是一固定分子数的干燥空气，在绝热条件下，温度随海拔高度改变的比率。
给予相同的能量，干燥空气的温度会上升得比潮湿空气快。绝热亦即空气不与外界交换能量。由于空气的导热系数极低，接触传导的热足以忽略，故假设为绝热。
当海拔高度增加时，气压会随之下降，空气体积增加。空气体积增加会推挤其他空气，对其他空气作功。作功的能量来自内能，温度因内能减少而下降。干绝热直减率是9.8 °C/km。[2]
因为是绝热过程：
根据热力学第一定律，可以表示成：
又因，且。我们可以将式子表示成：
其中，是固定压力下的比热，是比容。
假设大气处于流体静力平衡：:[3]
其中，g是标准重力，是密度。
结合两式，压力可以从式子中消除，解得干绝热直减率[4]：
饱和绝热直减率
当空气中处于饱和，采用饱和绝热直减率。此比率大约为5 °C/km，受气温的影响很大。
饱和绝热直减率与干绝热直减率之所以相差甚大，是因为水在凝结时会释放潜热，这是雷暴发展的重要能量来源。不饱和空气在给定的气温、海拔与湿度之下上升，此时使用干绝热直减率。随着海拔上升、气温下降，空气达到水汽饱和，采用饱和绝热直减率。
美国气象学会给出的饱和绝热直减率的近似公式[5]：
| 符号 | 解释 |
|---|---|
| =饱和绝热递减率=K/m | |
| =地球重力加速度=9.8076 m/s2 | |
| =水的汽化热=2501000 J/kg | |
| =干燥空气的气体常数= 287 J kg−1 K−1 | |
| =水蒸气的气体常数= 461.5 J kg−1 K−1 | |
| ＝干燥空气与水蒸气的气体常数的无因次比值=0.622 | |
| =饱和空气的水蒸气分压 | |
| =饱和空气的气压 | |
| =水蒸气的质量与干燥空气质量的混合比例 | |
| =饱和空气的温度，单位K | |
| =干燥空气在定压下的比热=
1003.5 J kg−1 K−1 |
参见
[编辑]参考
[编辑]- ^ Adiabatic Lapse Rate, （页面存档备份，存于互联网档案馆） IUPAC Goldbook
- ^ Danielson, Levin, and Abrams, Meteorology, McGraw Hill, 2003
- ^ Landau and Lifshitz, Fluid Mechanics, Pergamon, 1979
- ^ Kittel and Kroemer, Thermal Physics, Freeman, 1980; chapter 6, problem 11 （页面存档备份，存于互联网档案馆）
- ^ 存档副本. [2016-01-06]. （原始内容存档于2016-03-03）.