氣溫垂直遞減率(英語:Lapse rate of temperature)、垂直遞減率或氣溫直減率,是氣溫隨著高度上升而遞減的幅度。國際民航組織(ICAO)的數據指出,在對流層中,乾空氣平均每上升100公尺,氣溫就下降約0.98度。若空氣中含有水氣,因為水汽凝結時會釋放潛熱,平均每上升100公尺,氣溫下降約0.6度。
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一般而言,氣溫垂直遞減率可以如此表示:
為氣溫垂直遞減率,T為溫度,z為海拔高度。
註:因為比熱比或濕度常數等皆會使用 為符號,為了避免混淆,有時會用 或 代表氣溫垂直遞減率。
氣溫垂直遞減率有兩種形式:
環境溫度遞減率
在給定的溫度與地點,且大氣穩定的情況下,溫度隨著海拔的變化率稱為環境溫度遞減率。
國際民航組織(ICAO)定義國際標準大氣(ISA)從海平面到海拔11km的溫度遞減率為6.49 °C/km。從11km到20km,空氣的溫度是常數−56.5 °C,是國際標準大氣中溫度最低的。由於國際標準大氣沒有將水氣納入考慮,這個理想化的模型與實際會有誤差。比如:在逆溫層中,溫度反而會隨海拔增加。
乾絕熱直減率
乾絕熱直減率是一固定分子數的乾燥空氣,在絕熱條件下,溫度隨海拔高度改變的比率。
給予相同的能量,乾燥空氣的溫度會上升得比潮濕空氣快。絕熱亦即空氣不與外界交換能量。由於空氣的導熱係數極低,接觸傳導的熱足以忽略,故假設為絕熱。
當海拔高度增加時,氣壓會隨之下降,空氣體積增加。空氣體積增加會推擠其他空氣,對其他空氣作功。作功的能量來自內能,溫度因內能減少而下降。乾絕熱直減率是9.8 °C/km。
因為是絕熱過程:
根據熱力學第一定律,可以表示成:
又因 ,且 。我們可以將式子表示成:
其中, 是固定壓力下的比熱, 是比容。
假設大氣處於流體靜力平衡::
其中,g是標準重力, 是密度。
結合兩式,壓力可以從式子中消除,解得乾絕熱直減率:
飽和絕熱直減率
當空氣中處於飽和,採用飽和絕熱直減率。此比率大約為5 °C/km,受氣溫的影響很大。
飽和絕熱直減率與乾絕熱直減率之所以相差甚大,是因為水在凝結時會釋放潛熱,這是雷暴發展的重要能量來源。不飽和空氣在給定的氣溫、海拔與濕度之下上升,此時使用乾絕熱直減率。隨著海拔上升、氣溫下降,空氣達到水氣飽和,採用飽和絕熱直減率。
美國氣象學會給出的飽和絕熱直減率的近似公式:
符號 | 解釋 |
---|---|
=飽和絕熱遞減率=K/m | |
=地球重力加速度=9.8076 m/s2 | |
=水的汽化熱=2501000 J/kg | |
=乾燥空氣的氣體常數= 287 J kg−1 K−1 | |
=水蒸氣的氣體常數= 461.5 J kg−1 K−1 | |
=乾燥空氣與水蒸氣的氣體常數的無因次比值=0.622 | |
=飽和空氣的水蒸氣分壓 | |
=飽和空氣的氣壓 | |
=水蒸氣的質量與乾燥空氣質量的混合比例 | |
=飽和空氣的溫度,單位K | |
=乾燥空氣在定壓下的比熱= 1003.5 J kg−1 K−1 |
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