大气热力学基础PPT课件.ppt

1,第六章大气热力学基础,.,2,第一节热力学基本方程,一、预备知识,NUIST-LAPE,一、预备知识,1、开放系和封闭系系统与外界间互相影响方式：作功、热传递、交换质量三种方式。1）系统与外界：系统即指所研究的给定质量和成分的任何物质，而其余与这个系统可能发生相互作用的物质环境称之为外界或环境。,3,NUIST-LAPE,2）大气热力学中所讨论的系统主要有两类：未饱和湿空气系统。可当作由干空气和水汽组成的二元单相系。b)含液态水（或固态水）的饱和湿空气系统。是指由水滴或（和）固态水质粒组成的云雾系统，是含有干空气和水物质的二元多相系。,3）开放系与封闭系依据系统与外界是否交换物质分为开放系和封闭系,4,NUIST-LAPE,2、准静态过程和准静力条件,1）准静态过程,一个封闭系统若其经历的某过程进行得无限缓慢，以至于系统在此过程中的每一步都处于平衡态，则称此过程为准静态过程。,2）准静力条件：,p代表系统内部压强，pe代表外界压强。,5,NUIST-LAPE,、气块（微团）模型,）定义：是指宏观上足够小而微观上又大到含有大量分子的封闭空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。,）规定（使用气模型时的约定）,a)此气块内、湿度等都呈均匀分布，各物理量服从热力学定律和状态方程。,b)气块运动时是绝热的，遵从准静力条件，环境大气处于静力平衡状态。,6,NUIST-LAPE,）缺陷,a)气块是封闭系统的假定不合实际情况。,b)环境大气静力平衡的假定实际上未考虑气块移动造成的环境大气的运动，与实际不符。,7,NUIST-LAPE,二、热力学第一定律,、无限小过程中热力学第一定律的表达式,设某系统（质量为）经历一个无限小过程，,内能改变量+dU：正号表示系统内能增加；,从外界吸热+Q:正号表示系统从外界吸热;,外界作功+A:正号表示外界对系统作功。,8,NUIST-LAPE,焓,1）定义,2）物理意义：在等压过程中，系统焓的增量值等于它所吸收的热量。,3）定压比热cp,9,NUIST-LAPE,热容量和焓,热量是在过程中传递的一种能量，是与过程有关的。一个系统在某一过程中温度升高1K所吸收的热量，称作系统在该过程的热容量。对于等容过程，外界对系统不做功，Q=U，所以对于等压过程，外界对系统做功为W=pV，Q=U+PV，所以,10,NUIST-LAPE,根据焓的定义可知，而且可将上面的公式表示为,在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加量。这是焓的重要特性。,对于理想气体，有，,根据焓的定义和理想气体状态方程，有，,结合以上三式可得，,11,NUIST-LAPE,二、热力学第一定律,、无限小过程中热力学第一定律的表达式,设某系统（质量为）经历一个无限小过程，,内能改变量+dU：正号表示系统内能增加；,从外界吸热+Q:正号表示系统从外界吸热;,外界作功+A:正号表示外界对系统作功。,12,NUIST-LAPE,假设仅考虑体胀功，,又气块满足准静力条件，即,负号表示V与A符号相反，系统膨胀时，dV0，外界作负功。热力学第一定律的表示式:,常温常压下的大气可以看成是理想气体,内能仅是温度T的函数。对于单位质量的湿空气系统，第一定律就成为,cV是湿空气的比定容热容，为比体积，Q为单位质量空气的热量。,13,NUIST-LAPE,由于空气体积不是直接测量的气象要素，上式不便应用。根据湿空气状态方程，以及比定压热容cp和比定容热容cV的关系,利用关系式,可得到,14,NUIST-LAPE,一.热力学第二定律的表述,二.热力学第二定律的实质,指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程，它们有一定的自发进行的方向。,不可能把热量从低温物体传到高温物体而不引起其它变化。,不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的功而不引起其它变化。（或：第二类永动机是不可能造成的。）,克劳修斯(Clausius)说法：,开尔文(Kelvin)说法：,热力学第二定律,15,NUIST-LAPE,1、热力学第二定律的两种表述,热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）：不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引起其他变化。克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。,克劳修斯（RudolfClausius，1822-1888），德国物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出热力学第二定律的克劳修斯表述和熵的概念，并得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的气体物态方程。,16,NUIST-LAPE,克劳修斯生平简介,1822年出生于普鲁士的克斯林1840年入柏林大学1847年获哈雷大学哲学博士学位1850年因发表论文论热的动力以及由此导出的关于热本身的诸定律而闻名1855年任苏黎世工业大学教授1867年任德国维尔茨堡大学教授1869年起任波恩大学教授1888年8月24日卒于波恩,17,NUIST-LAPE,克劳修斯主要科学贡献,在论热的运动力一文中，克劳修斯首次提出了热力学第二定律的定义：“热量不能自动地从低温物体传向高温物体。”推导了克劳修斯方程关于气体的压强、体积、温度和气体普适常数之间的关系，修正了原来的范德瓦尔斯方程。1854年，最先提出了熵的概念,进一步发展了热力学理论提出了气体分子绕本身转动的假说推导出了气体分子平均自由程公式，找出了分子平均自由程与分子大小和扩散系数之间的关系。同时，他还提出分子运动自由程分布定律。最先提出了均功理论,18,NUIST-LAPE,开尔文（W.Thomson.Lord.Kelvin，1824-1907），原名汤姆孙，英国物理学家，热力学的奠基人之一。1851年表述了热力学第二定律。他在热力学、电磁学、波动和涡流等方面卓有贡献，1892年被授予开尔文爵士称号。他在1848年引入并在1854年修改的温标称为开尔文温标。为了纪念他，国际单位制中的温度的单位用“开尔文”命名。,热力学第二定律的开尔文表述（1851）：不可能制造出这样一种循环工作的热机，它只使单一热源冷却来作功，而不放出热量给其它物体，或者说不使外界产生任何变化。开氏表述指明功变热的过程是不可逆的。,19,NUIST-LAPE,第二节态函数和克拉柏龙克劳修斯方程,一、态函数,对于系统态函数包括温度、内能、熵、焓、吉布斯函数、自由能等,20,NUIST-LAPE,、熵(Entropy),历史1850年，德国物理学家鲁道夫克劳修斯首次提出熵的概念，用来表示任何一种能量在空间中分布的均匀程度，能量分布得越均匀，熵就越大。一个体系的能量完全均匀分布时，这个系统的熵就达到最大值。在克劳修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意循环过程都都适用的一个公式：dS=（dQ/T）。对于绝热过程Q0，故S0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在不可逆绝热过程中单调增大。这就是熵增加原理。由于孤立系统内部的一切变化与外界无关，必然是绝热过程，所以熵增加原理也可表为：一个孤立系统的熵永远不会减少。它表明随着孤立系统由非平衡态趋于平衡态，其熵单调增大，当系统达到平衡态时，熵达到最大值。熵的变化和最大值确定了孤立系统过程进行的方向和限度，熵增加原理就是热力学第二定律。1948年，香农在BellSystemTechnicalJournal上发表了通信的数学原理（AMathematicalTheoryofCommunication）一文，将熵的概念引入信息论中。,21,NUIST-LAPE,熵在热力学中是表征物质状态的参量之一，通常用符号S表示。在经典热力学中，可用增量定义为dS(dQ/T)，式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过程是可逆的。若过程是不可逆的，则dS(dQ/T)不可逆。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。,22,NUIST-LAPE,科学技术上泛指某些物质系统状态的一种量度，某些物质系统状态可能出现的程度。熵是由德国物理学家鲁道尔夫克劳修斯于1868年第一次提出来的。法国军官沙迪卡诺，在研究热机效率的过程中，提出了“卡诺循环”定理，却比克劳修斯早41年发现了熵的原理。迦诺在研究蒸汽机工作原理时发现，蒸汽机之所以能做功，是因为蒸汽机系统里的一部分很冷，而另一部分却很热。即要把能量转化为功，一个系统的不同部分之间就必须有能量集中程度的差异(即温差)。当能量从一个较高的集中程度转化到一个较低的集中程度(或由较高温度变为较低温度)时，它就做了功。更重要的是每一次能量从一个水平转化到另一个水平，都意味着下一次能再做功的能量就减少了。,23,NUIST-LAPE,熵(Entropy)的态函数,态函数熵的定义为,其中，(dQ)表示无穷小可逆过程中，系统所吸收的热量(x0)和(x)是系统给定的两个平衡态，积分路线沿(x0)到(x)的任意可逆过程进行，S0是初态时的熵，S是终态时的熵。上式表示两平衡态的熵之差与积分路径无关，只由初、终两个平衡态确定。,无穷小可逆过程中，,24,NUIST-LAPE,四.熵增加原理,1.热力学第二定律的数学表达式,或,2.熵增加原理,如果是绝热过程，则有：,经绝热过程后，系统的熵永不减少，经可逆绝热过程后熵不变，经不可逆绝热过程后熵增加。熵增加原理,25,NUIST-LAPE,4.单相系熵和焓,熵和焓都是广延量，总熵和总焓与系统的质量或摩尔数成正比。对于某种物质质量为m的单相系，有总熵S=ms及总焓H=mh，其中s和h是单位质量的焓和熵，分别称为比熵和比焓。比熵和比焓的计算通常以p、T为自变量，因此将它们写成以下的全微分形式，,26,NUIST-LAPE,3、吉布斯函数,1）定义,2）吉布斯函数判据：,把热力学第一、二定律一并考虑，可得判据,若过程是等温、等压的，则有,可用来判定自发化学反应进行的方向,27,NUIST-LAPE,态函数的全微分形式,28,NUIST-LAPE,29,克拉柏龙克劳修斯方程,NUIST-LAPE,二、相变潜热与比焓,有一系统质量为1，假设相变过程中由1相变化到同温同压的2相，根据热力学第一定律，所吸收的热量，即相变潜热L应等于比内能的增量加上系统对外所做的功，即,所以在定温定压的封闭系中，相变潜热可由比焓的变化来度量。,30,NUIST-LAPE,三、克拉柏龙克劳修斯方程,1mol（或1g）物质的吉布斯函数通常称为化学势，用来表示：,根据热力学理论，当水和水汽两相平衡时，必须满足热平衡条件、力学平衡条件和相变平衡条件：,31,NUIST-LAPE,下面将利用相平衡曲线上两相化学势相等的性质来推导克拉柏龙克劳修斯方程，当沿着相平衡曲线由（T,p)变到（T+dT,p+dp)时，两相的化学势变化应相等，即,即,32,NUIST-LAPE,33,即,应用化学势的定义式（6.1.35），由相变平衡条件，可得,NUIST-LAPE,于是有,代入（6.1.38）中，有,上式给出了相平衡曲线的斜率，下标1和2分别代表水和水汽。因为讨论的是水的相变，液态水的比容和水汽的比容相比较可以忽略，有12，所以上式可简化成,把压强p换成习惯上使用的饱和水汽压符号es，利用水汽状态方程，则得,34,NUIST-LAPE,它是由Clapeyron首先得到,并由Clausius用热力学理论导出的,所以叫克拉珀龙克劳修斯（ClapeyronClausius）方程。应指出，此方程适用于平液面，而在讨论云、雨滴等的相变过程时必须考虑曲液面的影响。,35,NUIST-LAPE,大气能量的基本形式,（1）内能式中u是单位质量空气的内能（2）位能单位质量空气的位能就是重力位能，即重力位势（3）动能单位质量空气的动能（4）潜热能令L为相变潜热，则单位质量空气的潜热能,36,NUIST-LAPE,大气能量的组合形式,（1）显热能（感热）（2）温湿能（湿焓）（3）静力能（4）全势能,37,NUIST-LAPE,第三节大气中的干绝热过程,干绝热过程：,绝热过程：,系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程。,是指没有相变发生的绝热过程。例如，干空气块升降，未饱和湿空气块的升降过程,38,NUIST-LAPE,第三节大气中的干绝热过程,干绝热过程：,绝热过程：,系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程。,是指没有相变发生的绝热过程。例如，干空气块升降，未饱和湿空气块的升降过程,39,NUIST-LAPE,一、干绝热方程,在热流量方程,中令dQ=0,然后两边积分后整理，得,40,NUIST-LAPE,公式（6.2.2）就是干空气或未饱和湿空气的绝热方程，即干绝热方程，也称为泊松方程。,有时也使用泊松方程的近似式：,41,NUIST-LAPE,考虑到实际大气中的比湿q1,53,NUIST-LAPE,又由可得，,54,NUIST-LAPE,3、抬升凝结高度的估算公式,若取Te=288K,Td=280K,则,推出抬升凝结高度的估算公式为,注意：有时误差很大。,55,NUIST-LAPE,复习,56,热力学第一定律,热流量方程,NUIST-LAPE,57,热力学第二定律,NUIST-LAPE,58,克拉柏龙克劳修斯方程,定温定压的封闭系中，相变潜热可由比焓的变化来度量。,NUIST-LAPE,59,大气热力学中所讨论的系统主要有两类：未饱和湿空气系统。可当作由干空气和水汽组成的二元单相系。b)含液态水（或固态水）的饱和湿空气系统。是指由水滴或（和）固态水质粒组成的云雾系统，是含有干空气和水物质的二元多相系。,NUIST-LAPE,气块（微团）模型,）定义：是指宏观上足够小而微观上又大到含有大量分子的封闭空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。,）规定（使用气模型时的约定）,a)此气块内、湿度等都呈均匀分布，各物理量服从热力学定律和状态方程。,b)气块运动时是绝热的，遵从准静力条件，环境大气处于静力平衡状态。,60,NUIST-LAPE,61,大气中的干绝热过程,绝热过程：,系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程。,干绝热过程：,是指没有相变发生的绝热过程。例如，干空气块升降，未饱和湿空气块的升降过程,NUIST-LAPE,62,一、干绝热方程,在热流量方程,泊松方程,NUIST-LAPE,63,二、干绝热递减率,NUIST-LAPE,64,三、位温,气块经过干绝热过程气压变为1000hPa时，气块所具有的温度。用表示，其定义式为,干绝热过程中位温是守恒量。,NUIST-LAPE,65,位温垂直梯度,其中称为大气温度直减率。因此，位温的垂直变化率是和(d)成正比的。如果某一层大气的减温率=d，则整层大气位温必然相等。在对流层内，一般情况下大气垂直减温率d，所以有。,NUIST-LAPE,66,五、抬升凝结高度,1、定义：未饱和湿空气块因绝热抬升而达到饱和的高度称为抬升凝结高度,2、求露点随高度变化,推出抬升凝结高度的估算公式为,NUIST-LAPE,第四节大气中的湿绝热过程,定义：大气中有相变发生的绝热过程,一、两种极端情况,1、可逆湿绝热过程,水汽相变所产生的水成物不脱离原气块，始终跟随气块上升或下降，所释放的潜热也全部保留在气块内部。,2、假绝热过程,水汽相变产生的水成物全部脱离气块，但所释放的潜热仍留在气块中。,注：实际大气的湿绝热过程往往处于以上两者之间。,67,NUIST-LAPE,二、湿绝热温度递减率s,湿绝热过程的温度递减率在各种情形之间的差异不大，故用假绝热过程的温度递减率来近似所有湿绝热情形下的温度递减率。,68,NUIST-LAPE,三、假相当位温se,1、公式,在上升过程中，由于drs0.当drs=0时，达最大，现在求这个最大的。,69,NUIST-LAPE,考虑到湿绝热上升过程中，T的变化不大，故设,所以上式化为,70,NUIST-LAPE,两边积分，rs:rsc0；:cse（从凝结高度开始积分）,或者rs:rs0；:se（从高于凝结高度的任意高度开始积分）,71,NUIST-LAPE,2、定义：,se就是湿空气绝热上升至所含水汽全部凝结脱落，所含潜热全部释放后，再按干绝热过程下降到1000hPa时气块所具有的温度,3、性质,se在气块升降过程中是个保守量,四、假相当温度,72,NUIST-LAPE,焚风（Foehnwind）是指气流过山以后形成的干而暖的地方性风，最初是指阿尔卑斯山区的焚风。,73,NUIST-LAPE,74,五、焚风效应,1、定义：气流过山后在背风坡所形成的干热风,2、成因：139页,NUIST-LAPE,75,第四节小结,湿绝热过程定义以及两种极端过程湿绝热减温率与干绝热减温率之间的大小关系.会解释其原因假相当位温和假相当温度的定义假相当位温的保守性焚风效应(现象)的定义和原因,NUIST-LAPE,第五节热力学图解,优点：简单、直观,缺点：误差比公式计算的大,热力学图解法适用于：,1）精度要求不高的业务工作；,2）需要获得直观认识的场合,公式法适用于理论研究，精度要求高的业务工作。,常用的热力学图解有T-lnp图、温熵图等,76,NUIST-LAPE,一、T-lnp图的结构,T-lnp图又称埃玛图（Emagram)Energyperunitmassdiagram,1、坐标系,2、基本线条,等温线、等压线、等线（干绝热线）、等qs线（等饱和比湿线）、等se线（假绝热线）。,77,NUIST-LAPE,等温线：平行于纵坐标的一组等间距（黄色）直线。等压线：平行于横坐标的一组（黄色）直线。干绝热线：即等位温线，是一组近似于直线的（黄色）对数曲线。,对泊松方程求对数，,将x=T,y=-lnp代入上式得，,在干绝热过程中，为保守量。取一组不同的值就能得到一组等温线，显然是一组对数曲线，斜率为，,*当T变化不大时，k变化也不大，故干绝热线近似为直线。,78,NUIST-LAPE,等饱和比湿线：一组近似为直线的（绿色）双曲线。假绝热线：（绿色）虚曲线,79,NUIST-LAPE,二、T-lnp图的应用,1、点绘层结曲线,2、作气块绝热变化过程的状态变化曲线,80,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,1）位温2）饱和比湿qs,实际比湿q3)相对比湿f4)抬升凝结高度LCL5)假相当位温se,81,NUIST-LAPE,6）假湿球位温sw和假湿球温度Tsw（150页),a)sw：空气由状态（p,t,td)按干绝热上升到凝结高度后，再沿湿绝热线下降到1000hpa时所具有的温度。,b)Tsw:空气由状态（p,t,td)按干绝热上升到凝结高度后，再沿湿绝热线下降到气压p时所具有的温度。,82,NUIST-LAPE,4、求等压面间的厚度和高度,1）先用等面积法求出p1,p2间的平均温度,2）再用公式,求等压面间的位势厚度,3）用叠加法求各规定等压面的位势高度,83,NUIST-LAPE,二、T-lnp图的应用,1、点绘层结曲线,2、作气块绝热变化过程的状态变化曲线,将高空观察所得的气压、温度绘在T-lnp连接各点即得温度层结曲线。若把高空观测的露点或相对湿度值点绘在T-lnp图上，连接成曲线就得到表示湿度分布的层结曲线。,状态曲线表示空气上升下降过程中状态（温度）的变化，它是未饱和湿空气先沿干绝热线上升至凝结高度，然后沿湿绝热线上升所构成的曲线,84,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,1）位温2）饱和比湿qs,实际比湿q3)相对比湿f4)抬升凝结高度LCL5)假相当位温se过抬升凝结高度的等se线的数值,85,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,1）位温通过A点的干绝热线与1000hPa等压线相交点所对应的温度位温为守恒量，直接读取通过A点的干绝热线上的位温数值即可例：A点p=1010hPa,t=220C,86,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,2）饱和比湿qs,实际比湿q饱和比湿(qs),直接读取没有等饱和比湿线可通过内插法求得通过（p，td）点的饱和比湿即为实际比湿q例：A点p=1010hPa,t=220C，td=140C,87,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,相对比湿f用图解法和公式相结合的方式求出。先用图解法求出实际比湿和饱和比湿，在利用公式q/qs100%计算例：A点p=1010hPa,t=220C，td=140C,88,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,4)抬升凝结高度LCL通过（p，td）的饱和比湿就是状态A（p，t，td）的实际比湿，因此由A点的干绝热线上升，直到与通过（p，td）点的等饱和比湿线相交点即为凝结高度例：A点p=1010hPa,t=220C，td=140C,89,NUIST-LAPE,3、求各温湿特征量,5)假相当位温se气块沿干绝热线上升到凝结高度后，在沿视觉热线上升，直至水气全部凝结（湿绝热线和感觉热线平行），在沿感觉热线下降到1000hPa时的温度。凝结高度的假相当位温,90,NUIST-LAPE,6）假湿球位温sw和假湿球温度Tsw（150页),a)sw：空气由状态（p,t,td)按干绝热上升到凝结高度后，再沿湿绝热线下降到1000hpa时所具有的温度。,b)Tsw:空气由状态（p,t,td)按干绝热上升到凝结高度后，再沿湿绝热线下降到气压p时所具有的温度。,91,NUIST-LAPE,4、求等压面间的厚度和高度,1）先用等面积法求出p1,p2间的平均温度,2）再用公式,求等压面间的位势厚度,3）用叠加法求各规定等压面的位势高度,92,NUIST-LAPE,5、判断气层静力稳定度（见下节）,本节小结:1、T-lnp图的结构2、T-lnp图的应用：点绘层结、状态变化曲线，求温湿特征量（1）-（5），判断气层静力稳定度（详见后面章节）。,93,NUIST-LAPE,第六节大气静力稳定度,一、大气（层结）静力稳定度的概念,在天气学中用来判断对流运动发展与否,在污染气象学中，有助于判断湍流发展与否,94,NUIST-LAPE,1、大气层结是指大气中温度和湿度的垂直分布,2、大气层结稳定度简称大气稳定度，是指大气层结是否有利于对流，湍流运动发展的度量。分为静力稳定度和动力稳定度。,3、大气（层结）静力稳定度,在处于静力平衡的气层中，假设一些空气团块产生了垂直运动，如果大气层结促进这种偏离其平衡位置的垂直运动的发展，则称该气层的大气层结是静力不稳定的；相反，如果抑制这种垂直运动的发展，则称该气层的大气层结是静力稳定的；如果既不促进也不抑制，则称该气层的大气层结是中性的（152页第一自然段）。,95,NUIST-LAPE,二、判断气层静力稳定度的基本方法,在处于静力平衡的气层中，任取一气块，若此气块处于不稳定平衡，则该气层静力不稳定；若此气块处于中性或稳定平衡，则该气层为中性或静力稳定。,气块法如何判定？,96,NUIST-LAPE,假定：,1）气层始终静止；,2）气块是个封闭绝热系统；,3）满足准静力条件，即,缺陷：,1）当大气中有气流运动时，环境空气不可能保持静止。薄层法对此进行了修正。2）气块与环境的物质交换有时很强烈，需要考虑夹卷作用。,97,NUIST-LAPE,任取单位体积气块，取铅直向上方向为正，铅直方向上的运动方程为,1、气块运动方程,98,NUIST-LAPE,根据状态方程，,以及,有,可以由此式判断气层静力稳定度这是最基本的判定方程。,99,NUIST-LAPE,2、直减率法判断薄气层静力稳定度的方法,1）薄气层定义：气层的厚度足够薄，以至于气层的为常数，则称该气层为薄气层。,100,NUIST-LAPE,2）基本判别式,设气块从温度为T0的平衡位置处作一虚拟的微小位移dz后，其温度就变成,环境大气温度为,101,NUIST-LAPE,把上两式代入（6.8.4）中，有,（6.8.6）式为适用于薄气层静力稳定度的基本判别式,102,NUIST-LAPE,由于干湿绝热减温率不同，故需分别讨论：,气块垂直位移时按干绝热变化，垂直减温率,3）薄气层静力稳定度的基本判据,103,NUIST-LAPE,气块垂直位移时按湿绝热变化，垂直减温率,4）利用埃玛图判断,104,NUIST-LAPE,105,NUIST-LAPE,利用下列两个关系,由判据（6.8.10-12）可以得到如下判据：,106,NUIST-LAPE,3、不稳定能量法,1）不稳定能量定义：,如果气块在不稳定气层里做垂直运动，那么其垂直速度会不断增大，也就是气块的垂直运动动能会不断增加，气块所增加的这部分动能可看作由不稳定大气对气块作功而来。转化为气块运动动能的那部分能量称为大气的不稳定能量。,107,NUIST-LAPE,2）利用T-lnp图估计不稳定能量,由气块运动方程,推导出动能方程,两边积分，w:w0w1；p:p0p1,有,108,NUIST-LAPE,不稳定能量为,不稳定能量的计算方法：,在T-lnp图上，1cm2面积相当于74.5J/kg，所以先计算面积（cm2），然后乘以74.5，即得不稳定能量。,109,NUIST-LAPE,3）厚气层静力稳定度分型,由不稳定能量的计算公式可知，不稳定能量的正负和大小，与层结曲线和状态曲线的配置有关，由此可将厚气层稳定度性质分为潜在不稳定型、绝对稳定型、绝对不稳定型。见157页图6.19,4）热雷雨的预报,见158页图6.21,110,NUIST-LAPE,三、整层升降对气层静力稳定度的影响,1、若气层升降过程中始终保持未饱和，稳定度性质的变化,1)气层下沉时，原来稳定的将变得更稳定；原来不稳定的将更不稳定；中性的仍为中性。,2)气层被抬升时，则与上面相反。,111,NUIST-LAPE,2、未饱和的稳定气层绝热抬升到整层饱和的云层时，稳定度性质可能会发生变化,1)对流性不稳定（或位势不稳定）气层,某一未饱和稳定气层，假如被抬升到整层饱和且形成云层时，变成不稳定气层，则称该未饱和稳定气层为对流性不稳定（或位势不稳定）气层。,112,NUIST-LAPE,2)对流性稳定（或位势稳定）气层,某一