第3章 大氣熱力學(xué).ppt

1、第3章 大氣熱力學(xué),3.1 熱力學(xué)第一定律 3.2 干絕熱過程和位溫 3.3 濕絕熱過程 3.4 假絕熱和假相當(dāng)位溫 3.5 熱力圖簡介和應(yīng)用 3.6 大氣層結(jié)穩(wěn)定度 3.7 局地溫度變化的影響因素分析與判斷 3.8 大氣中的逆溫 思考題,氣象學(xué)與氣候?qū)W,熱力學(xué)第一定律是能量守衡定律在理想氣體中的應(yīng)用。對于質(zhì)量 為m的理想氣體（熱力學(xué)系統(tǒng)），外界傳遞給系統(tǒng)熱量dQ，等于系 統(tǒng)內(nèi)能增加mCvdT與系統(tǒng)對外界作工pdV之和，即,第3章 大氣熱力學(xué),3.1 熱力學(xué)第一定律在氣象中的應(yīng)用,3.1.1熱力學(xué)第一定律,dQ = mCvdT + pdV,其中，Cv為定容比熱，單位為Jg-1K-1，T, p和

2、V分別為熱力學(xué)溫度、氣壓和體積 。,第3章 大氣熱力學(xué),3.1 熱力學(xué)第一定律在氣象中的應(yīng)用,3.1.2 干空氣的熱力學(xué)第一定律,利用干空氣狀態(tài)方程p=RT，并考慮到Cv + R=Cp,，則得到常用的干空氣熱力學(xué)第一定律形式：,當(dāng)濕空氣達(dá)到飽和時(shí)，將發(fā)生凝結(jié)，水汽凝結(jié)量為-dqs，釋放潛熱 dQ2 = -Ldqs 其中，L 為凝結(jié)潛熱 L = 2499.5 - 2.39t (J/g),第3章 大氣熱力學(xué),3.1 熱力學(xué)第一定律在氣象中的應(yīng)用,3.1.3 飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律,對于單位質(zhì)量的飽和濕空氣，若外界傳遞給系統(tǒng)熱量為dQ，則熱力 學(xué)第一定律為,任一氣塊與外界之間無熱量交換時(shí)的狀態(tài)變

3、化過程，叫做絕熱過程(Adiabatic process) 。 干空氣或未飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部沒有發(fā)生水相變化，稱作干絕熱過程(Dry adiabatic process)。 飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且凝結(jié)物全部留在氣塊內(nèi)，稱作濕絕熱過程(Wet adiabatic process)。 飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且凝結(jié)物部分或全部降落離開氣塊，稱作假絕熱過程(Pseudo adiabatic process)。,對于干絕熱過程，dQ=0, 因此，干空氣熱力學(xué)第一定律為,或,從初始狀態(tài)(T0,P0)到任意狀態(tài)(T,P)積分，得,上述方程稱為泊

4、松方程（Poisson）,它反映了干絕熱過程中，氣塊溫度和氣壓間關(guān)系,干絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率，,所以：,證明：,第3章 大氣熱力學(xué),3.2 干絕熱過程和位溫,3.2.3 干絕熱直減率,氣塊按干絕熱過程變化到標(biāo)準(zhǔn)大氣壓（取1000hPa）時(shí)所具有的溫 度，稱為位溫。,所以：,第3章 大氣熱力學(xué),3.2 干絕熱過程和位溫,3.2.4 位溫,根據(jù)泊松方程，令p0=1000hPa, T0=，則,溫度對數(shù)壓力圖解：橫坐標(biāo)溫度T，縱坐標(biāo)對數(shù)壓力-lnp，該圖上干絕熱過程線為一直線，稱為干絕熱線。干絕線上位溫是不變的，因此又稱等位溫線。,第3章 大氣熱力學(xué),3.3 濕絕熱過程,3.3.1 凝結(jié)

5、高度,zB,T0,T,z,凝結(jié)高度,未飽和濕空氣塊按干絕熱過程從地 面上升時(shí)，隨著氣塊溫度下降，飽 和水汽壓迅速減小，到一定高度飽 和水汽壓等于水汽壓，氣塊達(dá)到飽 和，該高度稱為（抬升）凝結(jié)高度(ZB)。,B,濕絕熱直減率（ ）：濕絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率。,可證明：,第3章 大氣熱力學(xué),3.3 濕絕熱過程,3.3.2 濕絕熱直減率,特征： I） ，故濕絕熱線總在干絕熱線之右； II）不是常數(shù)，是氣溫和氣壓的函數(shù)。 III）高溫時(shí)，比濕大、凝結(jié)量多，故小，低溫時(shí)相反。,dT,dT,假絕熱過程特點(diǎn)：未飽和濕空氣塊剛開始上升時(shí)，按干絕熱直減 率降溫，至凝結(jié)高度后，若繼續(xù)上升，則按濕絕熱直

6、減率降溫，此時(shí) 發(fā)生水汽凝結(jié)，若凝結(jié)物部分或全部降落離開氣快，則當(dāng)其下降時(shí)， 將按干絕熱直減率或介于干、濕絕熱直減率之間的直減率升溫，當(dāng)其 回到原來高度時(shí)，溫度將高于上升前的溫度，這個(gè)過程是不可逆過 程，即這種狀態(tài)變化過程中位溫不再守衡。因此，需定義一個(gè)新物理 量，能在所有絕熱過程中都守衡，即假相當(dāng)位溫。,未飽和濕空氣塊從A上升，按干 絕熱直減率降溫，至凝結(jié)高度B 后，繼續(xù)上升至C，按濕絕熱直減 率降溫，期間全部水汽凝結(jié)并降落 離開氣塊，則當(dāng)其從C按干絕熱直 減率下降至1000hPa（D）具有的溫 度，稱為假相當(dāng)位溫。,1000,T,-lnp,A,B,C,D,假相當(dāng)位溫計(jì)算公式：,TB,ZB,

7、圖中C是唯一的，即當(dāng)全部水汽凝結(jié) 并離開氣塊時(shí)的高度，從C按 下降 到D具有的溫度也就唯一，因此，可 根據(jù)線確定,焚風(fēng),第3章 大氣熱力學(xué),3.4 假絕熱過程和假相當(dāng)位溫,3.4.3 假絕熱過程的例子,自學(xué),第3章 大氣熱力學(xué),3.5 熱力圖簡介和部分應(yīng)用,氣塊受任意方向擾動后，返回或遠(yuǎn)離原平衡位置的趨勢和程度：不穩(wěn)定、穩(wěn)定、中性。,第3章 大氣熱力學(xué),3.6 大氣層結(jié)穩(wěn)定度,3.6.1 基本概念,氣塊法,a=dw/dt,（1）干空氣或未飽和濕空氣,T0,z0,T,a,c,T,（2）飽和濕空氣,（3）大氣穩(wěn)定度三種情形,概念：不穩(wěn)定能量為氣層中可供單位質(zhì)量空氣塊上升運(yùn)動的能量，用單位質(zhì)量空氣塊

8、上升時(shí)合外力所作的功表示。,合外力所作的功：,從z1到z2積分得：,或,不穩(wěn)定能量可在溫度-對數(shù)壓力圖上求得，它等于狀態(tài)曲線與溫度層結(jié)曲線所包圍面積S的Rd倍。,S等于由C點(diǎn)（自由對流高度）以上的正面積與C點(diǎn)以下的負(fù)面積之和。根據(jù)正負(fù)面積的大小，氣層穩(wěn)定度分為3種情形：,當(dāng)正面積遠(yuǎn)大于負(fù)面積時(shí)， S0，為真潛不穩(wěn)定，只要擾動達(dá)到對流凝結(jié)高度zC即可形成自由對流；,大氣層結(jié)真潛不穩(wěn)定,當(dāng)負(fù)面積遠(yuǎn)大于正面積時(shí)， S0，為假潛不穩(wěn)定，即使擾動達(dá)到zC也不一定形成自由對流； 當(dāng)正面積為零時(shí)，即狀態(tài)曲線位于層結(jié)左側(cè)，兩者不相交，為穩(wěn)定型。,當(dāng)整層空氣作抬升運(yùn)動時(shí)，若原來的穩(wěn)定層結(jié)趨于不穩(wěn)定層結(jié)，稱為對流

9、不穩(wěn)定，或位勢不穩(wěn)定。位勢不穩(wěn)定往往產(chǎn)生強(qiáng)對流、暴雨、雷暴或冰雹等災(zāi)害性天氣。,設(shè)氣層AB抬升前為穩(wěn)定層結(jié) ，溫度層結(jié)接近等溫，而濕度層結(jié)可能為：I）上干下濕，抬升一定高度后氣層為 ，溫度直減率為 。,結(jié)論：對流不穩(wěn)定系潛在的不穩(wěn)定能量，只有當(dāng)抬升前氣層是上干下濕，并有足夠的抬升力，使整層抬升達(dá)到飽和。,濕度層結(jié)為：II）上濕下干，抬升一定高度后氣層為 ，溫度直減率為 。,第3章 大氣熱力學(xué),3.7 局地溫度變化分析與判斷,3.7.1 熱流量方程,熱力學(xué)第一定律：,熱流量方程：,其中， 為單位時(shí)間內(nèi)流入氣塊的熱量，即熱流量。,令,故,由于， 為速度分量，,對時(shí)間求導(dǎo)，得,氣溫局地變化： 固定空

10、間點(diǎn)處氣溫度隨時(shí)間的變化率。,氣溫個(gè)別變化： 表示某一（運(yùn)動）空氣質(zhì)點(diǎn)（微團(tuán)）氣溫隨時(shí)間的變化率，又稱氣溫隨體導(dǎo)數(shù)。,氣溫局地變化：,結(jié)論：氣溫局地變化=個(gè)別變化+平流變化+對流變化,平流變化： = -（10-（-20）= -30C,個(gè)別變化：= -10-（-20）= 10C,局地變化：= 10-30= -20C,36小時(shí)后北京氣溫為 T36=T0+T=10-20=-10,氣溫局地變化方程（考慮絕熱變化效應(yīng)）：,平流（風(fēng)速）變化,對流-絕熱變化,熱流量 變化,氣溫 局地變化,溫度平流變化：, 溫度垂直對流變化：,若上升，0，則,若下降，0，則,若上升，0，則,若下降，0，則, 溫度熱流量變化：

11、,若 dQ/dt 0，則 ，即局地氣溫升高；,若 dQ/dt 0，則 ，即局地氣溫降低；,第3章 大氣熱力學(xué),3.8 大氣中的逆溫,3.8.1 氣溫垂直分布,表示法：垂直分布曲線、緯向和經(jīng)向垂直剖面等溫線分布?？傮w特 征是氣溫隨高度而降低，平均氣溫直減率為0.65/100m；,T,氣溫直減率：,輻射逆溫 湍流逆溫 平流逆溫 下沉逆溫,3.8.2 逆溫類型,第3章 大氣熱力學(xué),3.8 大氣中的逆溫,24,16,12,氣溫垂直 分布,18,0 逆溫,14,輻射逆溫,20,04,湍流逆溫,平流逆溫,逆溫層,下沉逆溫,第三章思考題,1.基本概念：輻射強(qiáng)度、輻射通量、太陽常數(shù)、直接輻射、散射輻射、地面有效輻射、地面輻射差額、氣溫日較差、氣溫年較差、氣溫直減率、干絕熱直減率、濕絕熱直減率、大氣靜力穩(wěn)定度、逆溫層。 2.簡述大氣對太陽輻射的作用。 3.簡述地面有效輻射及其影響因素。 4.簡述地面輻射差額及其影響因素。 5.簡述氣溫局地變化方程中各項(xiàng)的意義。 6.簡述氣溫的日、年變化。 7.簡述近地面氣溫垂直分布特點(diǎn)。 8.舉例說明大氣靜力穩(wěn)定度如何判斷？,假設(shè)一空盒為黑體，其內(nèi)用絕熱線懸掛一灰體球體，整個(gè)