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位温

位温是指流体从一定的气压与温度出发,绝热膨胀或压缩到参照气压值(通常为1000 hPa)时所具有的温度。它是一个重要的气象学参数,用于比较不同气压下的气体热状态,并以符号θ表示。

介绍

把某一水样从任一深度以绝热方式提升到海面时所具有的温度,叫做位温。常以θ表示,即位温θ=θM-△θ,θM为水样的现场水温,△θ为因绝热冷却而降低的温度,△θ随温度、盐度和压力的改变而变化。位温可根据绝热温度梯度计算,由于海水具有压缩性,当水块上升时,因压力减小而体积膨胀,内能减小,温度降低;当水块下降时,因压力加大而使其体积缩小,内能增加,温度升高。位温不是深度的函数,它是海水热性质的一种指标,可用来研究水团运动的途径。

位温的作用

位温是具有保守性的物理量,即一个气块的位温不随气块所处的高度或压强的改变而改变,而温度是非保守性的物理量,会随着气块的位置或压强的改变而变化。与温度相比位温是一种稳定的示踪物,方便我们追溯气块或气流的源地及研究他们以后的演变。

描述

位温是干空气的一个重要的湿度参量,它在干绝热过程中具有守恒性,可用来比较不同气压下空气块的热力差。

未饱和湿空气的位温用 表示,定义式是:

上式中 P00是标准气压,常取1000hPa。

干洁大气的位温定义式是:

由于k≈kd=0.286 ,所以(θd-θ)一般小于0.1K,与日常观测中气温的误差值相当,在允许范围内,所以未饱和湿空气位温值常用干空气位温值代替,即未饱和湿空气位温可写为:

与温度相比,位温的守恒性和保守性在大气动力和热力学研究领域能得到广泛的应用。

把某一水样从任一深度以绝热方式提升到海面时所具有的温度,叫做位温。常以θ表示,即位温θ=θM-△θ,θM为水样的现场水温,△θ为因绝热冷却而降低的温度,△θ随温度、盐度和压力的改变而变化。位温可根据绝热温度梯度计算,由于海水具有压缩性,当水块上升时,因压力减小而体积膨胀,内能减小,温度降低;当水块下降时,因压力加大而使其体积缩小,内能增加,温度升高。位温不是深度的函数,它是海水热性质的一种指标,可用来研究水团运动的途径。

特点

位温与热量的关系:空气块受热位温上升,空气块放热时位温降低,干绝热过程位温保持不变即具有保守性,因此称位温是具有保守性的物理量,位温的保守性便于研究气块或气流的来源及演变。

位温的垂直分布:在对流层内,一般大气的垂直减温率小于干绝热减温率,所以位温随高度增加而增加。

广义位温

位温和相当位温都有各自的适用范围:位温适用于干空气,相当位温适用于饱和湿空气。而实际大气大多是处于未饱和湿空气状态,此时,位温和相当位温的使用就受到了一定限制,为描述实际大气的非均匀饱和特性,曹洁、高守亭提出了未饱和湿空气的广义位温新概。Gao等提出的广义位温定义式:

T:大气温度,p:气压,:位温,q:比湿,:饱和比湿,L:潜热,:比热容

方程可以看出,绝热过程中广义位温是守恒的,并且广义位温的引入没有带来大量的其他变量,在实际业务中有很大优势,因此广义位温能广泛应用到分析大气的稳定度、诊断温带气旋、热带气旋飑线、锋面和雨带等多个领域。

物理基础

从热力学第一定律出发证明了广义位温的物理基础及其守恒性,完善了Gao等在2004年提出的非均匀饱和大气动力学的理论基础。探讨了广义湿位涡理论及其倾向方程在地面气旋追踪、雾区预报等方面的可应用性,为湿空气动力学的理论研究和业务应用提供了新思路。结果表明,非均匀饱和大气中的广义位温和位温、相当位温一样,具有守恒性;但由于其体现了实际大气的非均匀饱和特性,比位温、相当位温具有更广泛的应用前景。

参考资料