対流圏では上空ほど相当温位が高くなるのは、なぜですか？

質問

上空ほど温位が高くなるのは分かります。
上空で雲が出来る時に、水蒸気が凝結して潜熱を放出しますからね。

でも、相当温位は水蒸気が凝結しようがしまいが、その値は保存されますよね？

でも、実際は上空ほど相当温位が高くなっています。

なぜですか？

回答No.6

toratorasecond

温位の定義　モデルは温暖化を予想できるのか？
http://takanosunotama.blogspot.com/2011/12/blog-post.html
とするブログがありました。
ブログでは実際に
300hPaの空気を位置エネルギーを使って1000hPaまで断熱圧縮するには9900メートルの高度差が必要だとしています。
しかし、実際の300hPaの高度9000メートルだったそうです。
温位は9900－9000＝900メートル分余計に高く計算されているそうです。
上空にいくとこうした誤差が大きくなりそうで、この誤差が相当温位にも反映されているみたいです。
参考までに紹介します。

参考URL：

http://takanosunotama.blogspot.com/2011/12/blog-post.html

回答No.5

tamasecond

しっかりした回答にはならないかもしれませんが、参考にして下さい。

一般的に計算される温位や相当温位は空気を理想気体して計算しています。
下図のグラフ１、２は南鳥島8月、グラフ３は札幌の1月の相当温位等を平年値から計算したものです。
グラフ１は従来方式の計算式（乾燥断熱減率を約0.01℃/ｍとして求めている）から求めたもの、グラフ２、３は相当温位を空気1モルあたりのエネルギー（エンタルピー＋潜熱＋位置エネルギー）から求めたものです。（グラフが見えにくくごめんなさい）

　従来方式の誤差は、例えば850Paの温位から計算される850～1000hPaの高度差と、観測された高度差とを比べれば異なることからわかります。
　（850hPaから1000hPaまで断熱圧縮するエネルギーは位置エネルギーが使われるはずです）

参考　＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊
　Cp?T＝ｍｇ?H
　Cp：1モル当たりの定圧比熱
　ｍ：平均分子量　ｇ：重力定数　
　?T：温度差
　?H：高度差
　から?Hが計算できます。
　＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊＊

温位に誤差を含みますから相当温位にも誤差が入り込んでしまいします。

従来方式は位置エネルギーを過大に評価していることがわかると思います。

原因の1つはこの誤差だと思います。

質問の趣旨がグラフ2の南鳥島にみられる
「相当温位が弓なりに高度4000メートルで何故低くなるのか？」
ならば、かなりの難問だと思います。

ちゃんとした理由はないと思いますが、南鳥島を例に私の意見を紹介します。

グラフ2を次の3つの領域にわけて考えたいと思います。
1．14000メートルより上空
2．11000 ～14000メートル（おそらく対流圏内）
3．0～11000メートル（対流圏）

１．は私にはあまり興味にない領域で質問の趣旨から外れます。おそらく熱圏の影響を受けていると思います。
2．は温位と相当温位が同じですので水蒸気がほとんどないわけですね。ほぼ等温位で理論値どおりになっている領域だと思います。
3．が問題になさっている領域と思います。
4000メートル位が一番低くて弓なりになっています。（こうなっていないと雷雲は発達しませんが．．。）
地表付近の相当温位が高いのは日中に地表面（海水面）が暖められるので当然だと思います。

レトリックを使えば
「上空は熱圏、地表付近は太陽光により相当温位が高く、中間は相対的に低く4000メートル位が一番低くなっている。」
となります。

当然、この説明は現実をスケッチしただけで理由になっていません。

私は水に原因があると思っています。
雲は、雲粒子の密度が高くなってミー散乱して見えるわけですが、私はミー散乱をおこさない雲も当然大気中に存在すると思います。
こうした、液体や固体の雲粒が下層の大気を冷やし、水蒸気が液体や固体の水になることによって上空の大気を暖めると考えています。

湿度100％でない温度減率が0.01℃/ｍになるはずなのに、現実が0.006～0.008℃/mになっているは、これが理由だと思います。

奇妙思われるでしょうが、私は地球大気には地表付近の空気を冷やす冷却作用があるのだろうと考えています。

参考に札幌1月の平年値から計算した結果をグラフ3に示します。
疑問に思われているような上空の相当温位が高い、地表にむかって相当温位が低くなるのは、こうした冷却効果の表れと思いますが、今の気象学では説明できないでしょう。

回答にならなくてごめんなさい。

なお、10000以上で等温度になっている理由を私は知りません。

回答No.4

suisei85

温位や相当温位を議論する時によく混乱のもとになるのが，
空気塊についての話なのか，
鉛直プロファイルとしての議論なのかが
ごちゃまぜになりやすい点にあると思います．

温位，相当温位ともに空気塊に着目した時のみ保存します．
プロファイルを議論する時は保存量としての意味は薄いです．
これをまず確認しておきます．

もし，温位が下層の方が高い場合は
絶対不安定なので，それを解消するように対流が起こり
放置しておくと温位のプロファイルは，
中立（温位が高度によらず一定）に近くなると考えられます．

しかし現実大気は，
もっと安定な（温位は高度とともに高い）プロファイルを示します．
これは，質問者様が書かれている通り，
水蒸気の凝結による潜熱解放によって
対流圏上部が加熱されることによります．

さて，問題の相当温位の"プロファイル"についてですが，
定義より，温位にその空気が含んでいる全水蒸気の気化熱を
加えたものになります．
つまり，温位のプロファイルに
その高度での水蒸気の気化熱を加えたものが
相当温位のプロファイルになります．

従って，含んでいる水蒸気（もっというと混合比≒比湿）が
多い方が相当温位は高くなります．
下層の方が水蒸気が多いため
温位に加えられる分は下層の方が大きくなります．
そして，その加えられる分は，最下部で最も大きく
高度とともに下層で急激に減少し，
中層より上で緩やかに減少します．
（気温低下に伴い飽和水蒸気圧が小さくなり
含める水蒸気量が小さくなるためであるが，
水蒸気圧曲線は温度が高い方が急であるため）
よくある，温位，相当温位，飽和相当温位の鉛直プロファイルの図の
温位と相当温位の差の大きさに相当します．

例えば，これを先の例にように温位一定の場合考えれば，
相当温位のプロファイルは，高度とともに減少し，
対流圏上部で最も低くなることになります．

しかしながら，実際の温位のプロファイルは
先に述べられている理由により，
上層でより高くなっています．

従って，加えられる気化熱分少なくても
下層比べれば高度に伴う気化熱の減少は少なくなっており
逆に温位は高度に伴って上昇するため
上層で相当温位は高くなります．

相当温位は，
水蒸気が豊富な下層で高く，
水蒸気も少なく，温位も中程度で最も低く
水蒸気はないけれど，"温位自体が高い"上昇で
再び高くなるプロファイルになります．

従って，相当温位が上層で高い理由は，
⇒温位自体が高いから
⇒凝結に伴う潜熱解放による加熱のため

となるとなります．

回答No.3

de_Raemon

#2です。
上層ほど相当温位が低い状態は対流不安定なわけなので、大気層の持ち上げがなければ
上層の相当温位が低い状態は維持されるかもしれません。が、現実問題として地形や
前線面の影響があるのでほぼ間違いなく対流がおこり、やがて対流不安定が解消つまり
上層の相当温位が下層より高い状態に落ち着くんじゃないでしょうか。

回答No.2

de_Raemon

＞相当温位は水蒸気が凝結しようがしまいが、その値は保存され
ある空気塊に着目すれば、その空気塊の相当温位の値は保存されますが、
それが別の空気塊の相当温位の値と同じである必要はないと思います。

同じ圧力・気温で、含む水蒸気量を調節することにより異なる値の相当温位
を初期値に持つ空気塊をつくることは可能ですよね。
この異なる初期値が保存されるんだから、いつまでたっても全大気の相当温位
が一定値になることはありえないと思います。

異なる値の相当温位を持つ空気が混在していれば、
やがて上空ほど相当温位が高くなるのは自然かと…

お礼

>異なる値の相当温位を持つ空気が混在していれば、
>やがて上空ほど相当温位が高くなるのは自然かと…

すいません。なぜ自然と結論づくのかが分かりません。

それこそ相当温位の違う空気が混在しているのなら、上空ほど相当温位が高い場合もあれば、低い場合もあると考えるのが自然ではないでしょうか？

温位は確かに上空ほど高いですが、
上空が温位が高くても乾燥してて、逆に下層が温位が低くても水蒸気を含んでいれば、
温位の低い下層が相当温位で見た場合には、上層より高い場合があっても
良いように思えます。
（冬場の日本海側では、海からの蒸発があるので、850hPaより700hPaの相当温位の方が低い場合があるらしいですが、
自分が問題にしているのはそれより上層10000m（気圧で言えば300hPaくらいでしょうか）と、
下層850hPa付近との相当温位の比較を差しています。

上にも書いたように、異なった相当温位の空気が混在してれば、
下層より上層の空気の方が相当温位が高い場合もあれば低い場合もありそうですが、
でも実際は、常に上層の相当温位が下層のそれより高いです。
それは何故ですか？

回答No.1

noname#100814

温位という言葉は初めて目にしますが、どういう意味ですか？
回答が寄せられないのは、皆さんも見たことがないからではないでしょうか。