大氣物理學(xué)課件

第二節(jié)大氣中的干絕熱過程干絕熱過程：絕熱過程：系統(tǒng)與外界無熱量交換的過程叫絕熱過程。是指沒有相變發(fā)生的絕熱過程(可逆過程)。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過程第二節(jié)大氣中的干絕熱過程干絕熱過程：絕熱過程：系統(tǒng)與外1氣塊（微團(tuán)）模型１）定義：是指宏觀上足夠小而微觀上又大到含有大量分子的封閉空氣團(tuán)，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)水。２）規(guī)定（使用氣塊模型時(shí)的約定）a)此氣塊內(nèi)Ｔ、Ｐ、濕度等都呈均勻分布，各物理量服從熱力學(xué)定律和狀態(tài)方程。b)氣塊運(yùn)動(dòng)時(shí)是絕熱的，遵從準(zhǔn)靜力條件，環(huán)境大氣處于靜力平衡狀態(tài)。氣塊（微團(tuán)）模型１）定義：是指宏觀上足夠小而微觀上又大到含有2一、干絕熱方程在熱流量方程中令dQ=0,然后兩邊積分后整理，得一、干絕熱方程在熱流量方程中令dQ=0,然后兩邊積分后整理3公式（6.2.2）就是干空氣或未飽和濕空氣的絕熱方程，即干絕熱方程，也稱為泊松方程。有時(shí)也使用泊松方程的近似式：公式（6.2.2）就是干空氣或未飽和濕空氣的絕熱方程，即干絕4考慮到實(shí)際大氣中的比濕q<0.04kg/kg,考慮到實(shí)際大氣中的比濕q<0.04kg/kg,5∴（6.2.2）式可近似表示為∴（6.2.2）式可近似表示為6二、干絕熱遞減率1、定義：作干絕熱升降運(yùn)動(dòng)的氣塊溫度隨高度的變化率，稱為干絕熱遞減率。二、干絕熱遞減率1、定義：作干絕熱升降運(yùn)動(dòng)的氣塊溫度隨高度的72、Γd的數(shù)值在熱流量方程中令dQ=0,并整理得把準(zhǔn)靜力條件、大氣靜力方程、環(huán)境空氣的狀態(tài)方程代入，有2、Γd的數(shù)值在熱流量方程中令dQ=0,并整理得把準(zhǔn)靜力條8由于∴近似為由于∴近似為9三、位溫1、定義氣塊經(jīng)過干絕熱過程氣壓變?yōu)?000hPa時(shí)，氣塊所具有的溫度。用θ表示，其定義式為在精度要求不高的計(jì)算中常用kd代k計(jì)算θ。三、位溫1、定義氣塊經(jīng)過干絕熱過程氣壓變?yōu)?000hPa時(shí)，102、應(yīng)用1）可用于追溯氣塊或氣流的源地以及研究它們以后的演變2）用于判斷氣層靜力穩(wěn)定度2、應(yīng)用1）可用于追溯氣塊或氣流的源地以及研究它們以后的演變113、θ的守恒性(6.2.8)兩邊取對(duì)數(shù)然后微分，可得對(duì)熱流量方程兩邊同除以cpT,則有比較上兩式，可得因?yàn)樵诟山^熱過程中，dQ=0,所以dθ=0，即干絕熱過程中位溫θ是守恒量。3、θ的守恒性(6.2.8)兩邊取對(duì)數(shù)然后微分，可得對(duì)熱流量12（6.2.8）式兩邊取對(duì)數(shù)再對(duì)z求導(dǎo)，得利用準(zhǔn)靜力條件，周圍大氣靜力平衡，周圍大氣狀態(tài)方程，上式化為四、位溫垂直梯度（6.2.8）式兩邊取對(duì)數(shù)再對(duì)z求導(dǎo)，得利用準(zhǔn)靜力條件，周圍13由于，所以上式可化為其中稱為大氣溫度直減率。因此，位溫的垂直變化率是和(d)成正比的。如果某一層大氣的減溫率=d，則整層大氣位溫必然相等。在對(duì)流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率

<d，所以有。由于其中稱為大氣溫度直減率。14五、抬升凝結(jié)高度1、定義：未飽和濕空氣塊因絕熱抬升而達(dá)到飽和的高度稱為抬升凝結(jié)高度（LiftingCondensationLevel),簡(jiǎn)稱LCL2、求露點(diǎn)隨高度變化五、抬升凝結(jié)高度1、定義：未飽和濕空氣塊因絕熱抬升而達(dá)到飽和15在克拉柏龍－克勞修斯方程中以e、Td、Lv分別代替p、T、L，且考慮到α2>>α1在克拉柏龍－克勞修斯方程中以e、Td、Lv分別代替p、T、L16又由可得，又由可得，173、抬升凝結(jié)高度的估算公式若取Te=288K,Td=280K,則推出抬升凝結(jié)高度的估算公式為注意：有時(shí)誤差很大。3、抬升凝結(jié)高度的估算公式若取Te=288K,Td=280K18大氣物理學(xué)課件19第三節(jié)大氣中的濕絕熱過程定義：大氣中有相變發(fā)生的絕熱過程一、兩種極端情況1、可逆濕絕熱過程水汽相變所產(chǎn)生的水成物不脫離原氣塊，始終跟隨氣塊上升或下降，所釋放的潛熱也全部保留在氣塊內(nèi)部。2、假絕熱過程水汽相變產(chǎn)生的水成物全部脫離氣塊，但所釋放的潛熱仍留在氣塊中。注：實(shí)際大氣的濕絕熱過程往往處于以上兩者之間。第三節(jié)大氣中的濕絕熱過程定義：大氣中有相變發(fā)生的絕熱過程20二、濕絕熱溫度遞減率γs濕絕熱過程的溫度遞減率在各種情形之間的差異不大，故用假絕熱過程的溫度遞減率來近似所有濕絕熱情形下的溫度遞減率。二、濕絕熱溫度遞減率γs濕絕熱過程的溫度遞減率在各種情形之間21三、假相當(dāng)位溫θse1、公式在上升過程中，由于drs<0,所以dθ>0.當(dāng)drs=0時(shí)，θ達(dá)最大，現(xiàn)在求這個(gè)最大的θ。氣塊吸收的熱量

來自于潛熱釋放三、假相當(dāng)位溫θse1、公式在上升過程中，由于drs<0,所22考慮到濕絕熱上升過程中，T的變化不大，故設(shè)所以上式化為考慮到濕絕熱上升過程中，T的變化不大，故設(shè)所以上式化為23兩邊積分，rs:rsc→0；θ:θc→θse（從凝結(jié)高度開始積分）或者rs:rs→0；θ:θ→θse（從高于凝結(jié)高度的任意高度開始積分）兩邊積分，rs:rsc→0；θ:θc→θse或者rs:242、定義：Θse就是濕空氣絕熱上升至所含水汽全部凝結(jié)脫落，所含潛熱全部釋放后，再按干絕熱過程下降到1000hPa時(shí)氣塊所具有的溫度3、性質(zhì)Θse在氣塊升降過程中是個(gè)保守量2、定義：Θse就是濕空氣絕熱上升至所含水汽全部凝結(jié)脫落，所25四、假相當(dāng)溫度1、定義設(shè)某氣塊狀態(tài)為(p,T

),假設(shè)它絕熱上升至所含水汽全部凝結(jié)脫落，潛熱全部釋放后，再按干絕熱過程下降到該氣塊所處壓強(qiáng)時(shí)氣塊所應(yīng)具有的溫度，記作Tse四、假相當(dāng)溫度1、定義設(shè)某氣塊狀態(tài)為(p,T),假設(shè)它26五、焚風(fēng)效應(yīng)定義：氣流過山后在背風(fēng)坡所形成的干熱風(fēng)五、焚風(fēng)效應(yīng)定義：氣流過山后在背風(fēng)坡所形成的干熱風(fēng)27成因詳見139頁成因詳見139頁28氣塊吸收的熱量

來自于潛熱釋放氣塊吸收的熱量

來自于潛熱釋放29第三節(jié)小結(jié)濕絕熱過程定義以及兩種極端過程。濕絕熱減溫率與干絕熱減溫率之間的大小關(guān)系，會(huì)解釋其原因。假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)溫度的定義。假相當(dāng)位溫的保守性。焚風(fēng)效應(yīng)(現(xiàn)象)的定義和原因。第三節(jié)小結(jié)濕絕熱過程定義以及兩種極端過程。30第四節(jié)熱力學(xué)圖解優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀缺點(diǎn)：誤差比公式計(jì)算的大熱力學(xué)圖解法適用于：1）精度要求不高的業(yè)務(wù)工作；2）需要獲得直觀認(rèn)識(shí)的場(chǎng)合公式法適用于理論研究，精度要求高的業(yè)務(wù)工作。常用的熱力學(xué)圖解有溫度對(duì)數(shù)壓力圖（T-lnp圖）、溫熵圖等第四節(jié)熱力學(xué)圖解優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀缺點(diǎn)：誤差比公式計(jì)算的31一、T-lnp圖的結(jié)構(gòu)T-lnp圖又稱?，攬D（Emagram)Energyperunitmassdiagram1、坐標(biāo)系2、基本線條等溫線、等壓線、等θ線（干絕熱線）、等qs線（等飽和比濕線）、等Θse線（假絕熱線）。一、T-lnp圖的結(jié)構(gòu)T-lnp圖又稱?，攬D（Emagra32等溫線：平行于縱坐標(biāo)的一組等間距（黃色）直線，每隔1℃一條線，每隔10℃標(biāo)出溫度數(shù)值，其中大字體為攝氏溫度(℃)，小字體為絕對(duì)溫度（K）。等壓線：平行于橫坐標(biāo)的一組（黃色）直線，從1050百帕到200百帕之間，每隔10百帕一條線，圖左右兩側(cè)每隔100百帕標(biāo)出氣壓數(shù)值。干絕熱線：即等位溫線，是一組近似于直線的對(duì)數(shù)曲線，自圖右下方向左上方傾斜的黃色實(shí)線，線上每隔10℃標(biāo)出位溫（q）數(shù)值。當(dāng)氣壓值低于200百帕?xí)r，位溫使用括號(hào)內(nèi)數(shù)值。對(duì)位溫定義式求對(duì)數(shù)，

將x=T,y=ln（1000/p)代入上式得，

在干絕熱過程中，θ為保守量。取一組不同的θ值就能得到一組等溫線，顯然是一組對(duì)數(shù)曲線，斜率為，*當(dāng)T變化不大時(shí)，k變化也不大，故干絕熱線近似為直線。等溫線：平行于縱坐標(biāo)的一組等間距（黃色）直線，每隔1℃33等飽和比濕線：一組近似為直線的雙曲線，是圖上向左上方傾斜的綠色短虛線。每條線上都標(biāo)出飽和比濕值（從左側(cè)的0．01直到右傾的40g／kg）。氣壓低于200百帕?xí)r，使用括號(hào)內(nèi)數(shù)值。。等飽和比濕線：一組近似為直線的雙曲線，是圖上向左上方傾斜的綠34假絕熱線：又稱等假相當(dāng)位溫線，是自圖右下方向左上方傾斜的綠色虛線。線上每隔10℃標(biāo)出假相當(dāng)位溫?cái)?shù)值。假絕熱線：又稱等假相當(dāng)位溫線，是自圖右下方向左上35二、T-lnp圖的應(yīng)用1、點(diǎn)繪層結(jié)曲線溫度壓力曲線：簡(jiǎn)稱溫壓曲線或?qū)咏Y(jié)曲線，它是把各高度上的氣壓、溫度數(shù)據(jù)用筆點(diǎn)繪在圖上，然后用直線連接起來的曲線。它可以反映出測(cè)站上空溫度的垂直分布狀況。露點(diǎn)壓力曲線：簡(jiǎn)稱露壓曲線，是把各高度上的氣壓、露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)用筆點(diǎn)繪在圖上，依次把各點(diǎn)用虛線連接起來的曲線。它反映出測(cè)站上空水汽的垂直分布狀況。2、作氣塊絕熱變化過程的狀態(tài)變化曲線狀態(tài)曲線：從上升氣塊某溫、壓點(diǎn)開始，平行于干絕熱線（等位溫線）畫線，達(dá)到凝結(jié)高度后，再平行于濕絕熱線（假相當(dāng)位溫線）所畫出的曲線。它表示氣塊在絕熱過程中溫度隨高度變化的情況。二、T-lnp圖的應(yīng)用1、點(diǎn)繪層結(jié)曲線2、作氣塊絕熱變化過363、求各溫濕特征量1）位溫通過某點(diǎn)的干絕熱線的數(shù)值，即為該點(diǎn)的位溫2）飽和比濕qs,實(shí)際比濕q某點(diǎn)的等飽和比濕線所對(duì)應(yīng)的數(shù)值為飽和比濕qs，通過該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的露點(diǎn)的等飽和比濕線的數(shù)值，即該點(diǎn)的實(shí)際比濕

q3）抬升凝結(jié)高度LCL通過某點(diǎn)的未飽和空氣塊沿干絕熱線上升，直到與當(dāng)時(shí)露點(diǎn)溫度所對(duì)應(yīng)的等飽和比濕線相交，交點(diǎn)即是凝結(jié)高度。

4）假相當(dāng)位溫θse

過抬升凝結(jié)高度的等θse線的數(shù)值3、求各溫濕特征量1）位溫376）假濕球位溫θsw和假濕球溫度Tsw（見6.7節(jié))a)Θsw：空氣由狀態(tài)（p,t,td)按干絕熱上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線下降到1000hpa時(shí)所具有的溫度。b)Tsw:空氣由狀態(tài)（p,t,

td)按干絕熱上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線下降到氣壓p時(shí)所具有的溫度。6）假濕球位溫θsw和假濕球溫度Tsw（見6.7節(jié))a)Θ384、