高考地理|焚风效应的形成原理

同属一团气,为何翻山越岭后我会变得燥热不安?要想弄清楚以上原理,请听我细细道来。
我们都知道正常气温的递减率为6.4℃/1000m,它是指气温随高度的升高而下降的速率。但是它仅仅适用于静止无风的大气。在现实生活中,由于天气变化多端,气象条件各不相同,它的变化幅度很大
绝热是指气团在膨胀或收缩过程中的增温或冷却的速率。即随着海拔的升高,气压降低,上升气团膨胀冷却;反之,下沉气团收缩增温。
非绝热意味着上述过程中伴有热量交换,而绝热则意味着没有热量得失(也就是说,垂直运动的气团与周围环境不存在任何热量交换)。
根据气团中的水分状况,绝热气温有两种递减速率:干绝热递减率(DAR)湿绝热递减率(MAR)
干绝热递减率(DAR)是指干空气膨胀冷却或收缩增温过程中的气温变化速率。何为“干”?即:空气处于未饱和状态(相对湿度小于100%)。干绝热递减率平均为10℃/1000m。

膨胀冷却

湿度不饱和的上升气块,以DAR发生绝热膨胀和冷却(干绝热冷却)

通过图示当气团以DAR绝热上升2500m时,气团发生膨胀和冷却;利用干绝热递减率来计算这一气团的温度变化:
总气温下降:(10℃/1000m)×2500m=25℃
再用地面气温27℃减去绝热下降的25℃,由此可知:气团升高2500m后,气温变为2℃。

收缩增温

△湿度不饱和的下降气块,以DAR发生绝热收缩和增温(干绝热增温)

通过图示当气团以DAR绝热下沉3000m时,气团发生收缩和升温;利用干绝热递减率来计算这一气团的温度变化:
总气温下降:(10℃/1000m)×3000m=30℃
再用气团初始温度-20℃加上绝热增加的30℃,由此可知:气块下沉3000m后,气温变为10℃。
湿绝热递减率(MAR)是指潮湿或湿度饱和的上升气块,在膨胀冷却过程中的气温变化速率。MAR平均为6℃/1000m,约比干绝热递减率小4℃。以该平均值作为对照,MAR伴随水分含量和气温的变化而不同,其变化范围为(4~10℃)/1000m(注:对于饱和湿度的下沉气块,其气温以MAR速率递增,因为水滴蒸发时吸收显热,抵消了气块的压缩增温作用)。
显热:物质不发生相变(固液气转变)吸收或放出热量

膨胀冷却

湿度饱和的上升气块,以MAR发生绝热膨胀和冷却(湿绝热冷却)

通过图示当气团以MAR绝热上升2500m时,气团发生膨胀和冷却;利用干绝热递减率来计算这一气团的温度变化:
总气温下降:(6℃/1000m)×2500m=15℃
再用地面气温27℃减去绝热下降的15℃,由此可知:气团升高2500m后,气温变为12℃。

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通过对比,气团上升相同的海拔,由于干绝热递减率和湿绝热递减率的不同,导致气团最终的温度也不同。

△以DAR发生绝热膨胀和冷却和以MAR发生绝热膨胀和冷却的对比

那么什么时候用干绝热递减率计算,什么时候用湿绝热递减率计算呢?这就得看露点温度(空气冷却达到饱和时的温度称露点温度)了,由于天气条件的不同,不同天气条件下露点是不一样的。下图表示20℃达到露点温度。
图中盛行风遇到地形的阻挡,迫使暖湿空气翻越一座海拔约3000米的山脉,当不饱和空气上升到山脉的迎风一侧时以10℃/1000m的干绝热率开始冷却降温直到20℃的露点温度。因为在1000米高度达到露点温度,所以这一高度也就是抬升凝结层高度(未饱和的湿气团被干绝热过程抬升至水汽饱和所需要的高度)和云底高度。当气团继续抬升,在凝结高度以上就会有潜热(物质发生相变过程吸收或放出的热量)释放从而减缓空气的冷却率,这时的冷却率就是所谓的湿绝热递减率(这就是为什么湿绝热递减速率低于干绝热递减速率的原因。),此时气团开始以湿绝热率冷却降温。
从云底到山顶,上升空气中的水汽不断凝结而形成越来越多的云滴(半径小于100μm的水滴)。所以山脉的迎风坡就会产生大范围区域的降水。
当气团到达山顶时由于水汽的流失,气团往往重新转化为未饱和状态,加上其绝热冷却使得自身气温往往比周围空气气温还要低,所以气团会主动沿着山的背风坡下降。
空气在下降过程中被压缩并按干绝热率增温,当空气到达山脚时其温度上升到38℃,比在迎风坡山脚时高8℃。背风坡一侧空气温度较高的原因是其在迎风坡上升凝结过程中潜热被释放。
背风坡形成雨影区主要有两个原因,第一个是空气中的水分在迎风坡已经以降水的形式被除去;第二个是背风坡空气的温度比其在迎风坡时高(温度的升高会使相对湿度降低)。
至此,大家对焚风效应产生的原理弄明白了吗?
当空气沿山坡爬升时,先干绝热冷却,后湿绝热冷却并在迎风坡产生云和大量的降水。当气流到达山脉的背风坡时,其中大部分水分已失去。气流下沉就会干绝热变暖,很难出现凝结和降水,如上图所示,其结果就是造成所谓的雨影沙漠。
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讲地又讲理

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