第5章-大气热力学.ppt

2020/5/2,第五章大气的热力学过程,2020/5/2,1热力学第一定律在大气中的应用,式中U1和U2分别为物体热力学系统在平衡态1和平衡2的内能；Q为单位质量物体通过热传导或热辐射等过程从外界吸收的热量；W为物体对外所作的功（W0表示物体对外界作功，W1,又由可得，,推导：,2020/5/2,若取Te=288K,Td=280K,则,2020/5/2,干绝热过程中露点以1.7K/km的变化率向上递减，但气块温度以9.8K/km变化，气块温度下降更快，当饱和水汽压等于水汽压时，即此时温度和露点相等，到这高度水汽凝结。,推出抬升凝结高度的估算公式为,(T0-Td0):地面的温度露点差；即估算抬升凝结高度Zc是从T0按干绝热上升，与从Td0按等饱和比湿线上升，两线的交点。有时误差很大,2020/5/2,即Zc123（T0-Td0）米,3饱和湿空气的绝热过程,3.1可逆湿绝热过程和假绝热过程,湿绝热过程：大气中有相变发生的绝热过程（始终保持饱和状态的气块所作的绝热过程）。,1、可逆湿绝热过程,气块绝热上升时所产生的凝结物全部留在气块内，随气块一起上升，当气块转为下降时，绝热增温又会引起水滴的蒸发，以维持气块呈饱和状态。相当于只有云无降水，上升过程是湿绝热，下降过程也是湿绝热过程。,2、假绝热过程,气块上升时所产生的凝结物全部陆续脱离气块，当气块转为下沉运动时，绝热增温将使气块呈不饱和状态。相当于全是降水而没有云，上升过程是湿绝热过程，下降过程却是干绝热过程。,注：实际大气的湿绝热过程往往处于以上两者之间,3.2湿绝热垂直减温率,2020/5/2,湿绝热垂直减温率：饱和湿空气绝热上升（或下降）单位距离（常取100米）温度下降（或升高）的数值。,2020/5/2,讨论：当饱和湿空气上升时，由于发生凝结；当饱和湿空气下降时，因增温而有蒸发，所以不论气块是上升或下降与的符合总是相反的，所以,不同温度和气压下的值,结论：随温度升高和气压减小而减小。因为在一定的压强下，高温时空气湿绝热直减率比低温时小一些；因为气温高时，饱和空气的水汽含量大，每降温1，水汽凝结量比气温低时多。,2020/5/2,T,z,O,干绝热线,湿绝热线,干绝热线与湿绝热线比较：1、干绝热直减率近于常数，故成一直线；2、湿绝热线上陡下缓，下部温度高，所以湿绝热直减率小；上部温度低，湿绝热直减率大3、，湿绝热线在干绝热线的右方4、到高空水汽含量越来越少，湿绝热直减率和干绝热直减率相近，曲线近于平行。,3.3焚风,焚风是指气流过山以后形成的干而暖的地方性风。最初专指阿尔卑斯山区的焚风。从地中海吹来的湿润气流到达阿尔卑斯山区南坡，受到山脉的阻挡而逐渐爬升，水汽凝结且部分降落，气流过山后下沉增温，形成焚风。山脉北麓的气温比南麓同高度处平均约高10-12，相对湿度平均下降40-50%.,1,2,3,4,Zc,2020/5/2,2020/5/2,用假绝热过程说明焚风原理：上山：潮湿的气流经过山脉时被迫抬升，先经历干绝热过程，达到抬升凝结高度（Zc）后水汽就开始凝结而形成云；气流继续上升后温度将按假绝热减温率变化，凝结出来的水分全部降落。下山：气流越过山顶以后，由于水分已全部降落，将干绝热下沉增温结果：显然在山后与山前同一高度上，空气的温度与湿度有较大的差别，具体表现：山后的温度较高，湿度较小，形成干而热的焚风。举例：天山南麓乌鲁木齐、大兴安岭和太行山的东麓的焚风危害：干而暖的焚风气流在寒冷季节能促使冰雪溶化，在温暖季节能促使植物早熟。若焚风过强，可使植物干枯而死，并容易引发森林火灾。气流的绝热下沉增温是焚风产生的主要原因。,详细分析：假相当位温se就是未饱和湿空气从A点上升，按干绝热直减率降温，至抬升凝结高度B后，继续上升至C,按湿绝热直减率降温，期间所含水汽全部凝结脱落，所含潜热全部释放后，再从C按干绝热过程下降到1000hPa时(D)气块所具有的温度,se在气块升降过程中（干、湿绝热过程和假绝热过程）是个保守量。,2020/5/2,假相当位温se就是湿空气块绝热上升到水汽全部凝结降落后，再沿干绝热过程下降到1000hPa时所具有的温度称为假相当位温。,3.4假相当位温和假湿球位温,推导假相当位温se随高度的变化,在上升过程中，由于dqs0.当dqs=0时，达最大，现在求这个最大的,2020/5/2,考虑到湿绝热上升过程中，T的变化不大，故设,两边积分，qs:qsc0；：cse（从凝结高度开始积分）,或者qs:qs0；：se（从高于凝结高度的任意高度开始积分）,2020/5/2,2020/5/2,结论：在饱和气层中若减温率，则该层内假相当位温是一个常数,假湿球位温,假湿球位温就是将空气块按干绝热线上升，到达抬升凝结高度后再沿假绝热线下降到标准气压1000hPa处所具有的温度。此处的所谓按湿绝热过程下降，仅是一种设想的过程。假湿球位温和假相当位温一样，在干绝热、湿绝热和假绝热过程中都是具有保守性。在天气学中常用它们分析气团、锋以及气层的稳定度。,4温度-对数压力图解及其应用,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,2020/5/2,4.1T-lnp图的结构,T-lnp图又称埃玛图（Emagram)：Energyperunitmassdiagram,1、坐标系,2、基本线条,（1）等温线；（2）等压线；（3）等线（干绝热线）；（4）等qs线（等饱和比湿线）；（5）等se线（假绝热线）。,温度-对数压力图解的横坐标是温度，纵坐标是气压的对数,TlnP图的构造,1、等温线（平行于纵轴的黄色直线）2、等压线（平行于横轴的黄色直线）3、等饱和比湿线（向左上方向倾斜的绿色实线）4、干绝热线（向左上方倾斜的黄色实线）5、湿绝热线（绿色虚线）,等温线,平行于纵轴的黄色直线，每隔1画一条。,等压线,平行于横轴的黄色直线,等饱和比湿线,自右下方向左上方倾斜的绿色实线。它反映了空气块在上升过程中露点随高度的变化。,干绝热线,自右下方向左上方倾斜的黄色实线反映了未饱和空气块在上升过程中温度随高度的变化。,湿绝热线,自右下方向左上方倾斜绿色虚线。它反映了饱和空气块在上升过程中温度随高度的变化。,4.2T-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,3、求各温湿特征量,1）位温,2）饱和比湿qs,实际比湿q,3）相对比湿f,4）抬升凝结高度LCL,5）假相当位温se,2020/5/2,判断抬升凝结高度,从T0按干绝热上升，与从Td0按等饱和比湿线上升，两线的交点，即抬升凝结高度（LCL）,2020/5/2,补充部分,K值大小与雷雨天气有关系：值越大，大气越不稳定K35可能有成片的雷雨,SI沙氏指数用于预报局地对流性天气（有锋面或逆温时不能使用）SI+3不大可能出现雷暴天气0SI+3有发生阵雨的可能性-3SI0可能有雷暴-6SI0，R0，T0且一般情况下，当出现上升运动时，0温度升高。,非绝热热量交换引起的局地气温变化：,传热的方式有如下几种：传导，辐射，对流，湍流和蒸发凝结（包括升华和凝华）,2020/5/2,2020/5/2,传导是依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一个分子，从而达到热量平衡的传热方式。空气和地面、空气与空气之间，当有温度差异时，就会以传导方式交换热量。但地面和大气都是热的不良导体，所以通过这种方式交换的热量很少，仅在近地面气层中明显；（微观）辐射是物体之间依各自的温度以辐射方式交换热量的传热方式。大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热，同时地面也吸收大气放出的长波辐射，这样它们之间就可以通过长波辐射的方式不停的交换热量；（微观）对流是指当暖而轻的空气上升时，周围的冷空气便下来补充而形成的升降运动。通过对流，上下层空气相互混合，热量也就随之交换，使低层的热量传递到较高层次。对流是对流层中热量交换的重要方式。（宏观）乱流（湍流）是指空气的不规则运动。它是由空气粘滞力产生的，即当近地层空气在地面上流动时，空气的运动速度产生脉动现象，即在总的按平均速度的气流中，产生许多不规则的涡旋，它们方向不定，有时向上，有时向下，有时甚至和总的气流方向相反。这些不规则运动的小涡旋在运动过程中，把它在原始位置的属性的热量、水分等带到新的位置上，相邻的空气团之间发生混合，从而引起热量交换，同时也可引起水分等其它属性的交换。湍流热交换比分子热交换大得多，通常比分子热传导大几千倍到几万倍，是摩擦层中热量交换的在重要方式，对大气中其它属性如水分等交换也起着重要作用。（宏观）,2020/5/2,水的蒸发和凝结进行的热量交换称为潜热交换。当蒸发的水汽不是在原处凝结，而是被带到别处去凝结，就会使热量得到传递。由于大气中的水汽主要集中在5km以下的气层中，所以潜热交换主要在对流层下半层起作用；（宏观）事实上，同一时间对同一团空气而言，温度的变化常常是几种作用共同引起。在地面与空气之间，最主要的是辐射；在气团与气团之间，主要依靠对流和湍流，其次通过蒸发、凝结过程的潜热出入，进行热量交换。在日常业务分析中，主要考虑温度的平流变化，即冷暖气团运动时引起的温度的变化。,6气温的时间变化,1，气温日变化和年变化,近地层气温日变化：在一日内有一个最高值，一般出现在14时左右；一个最低值，一般出现在日出前后；,一天中气温的最高值与最低值之差，称之为气温日较差，其大小反映气温日变化的程度。气温日较差的大小与纬度、季节和其他自然地理条件有关。,2020/5/2,纬度：正午太阳高度角随纬度的增加而减小，因此气温的日较差也随纬度的增加而减小。由于赤道地区降水多，因此地球上实际气温日较差最大的地区在副热带，向两极减小。,季节：夏季太阳高度角大，白昼时间长，因此日较差夏季大于冬季，但最大值并不出现在夏至日。夏至日正午太阳高度角虽最高，但夜间持续时间短，地面来不及剧烈辐射冷却，最低温度不够低。所以中纬度地区日较差最大值出现在初夏，最小值出现在冬季。,下垫面性质，地形凹下的地形气温日较差大于凸出的地形；天气状况，白天多云，由于云层存在，白天地面得到太阳辐射少，最高气温比晴天低；而夜间，云层覆盖又不易使地面热量散失，最低温度反而比晴天高。所以阴天的气温日较差比晴天小。,气温的年变化,在北半球中，高纬度内陆的气温以7月为最高；1月为最低；海洋上气温以8月为最高，2月为最低。,一年中月平均气温的最高值与最低值之差，称为气温年较差。气温年较差的大小与纬度、海陆分布等因素有关。,气温年较差随纬度的升高而增大，赤道最小，两极最大。凸出的地形的气温年较差小于凹下地形的。阴雨天气出现多可使气温年较差减小。,N67,N23,N39,2020/5/2,气温的非周期变化,气温的变化还受空气运动的影响，因此实际的气温变化并不像周期变化那样简单而有规律。例如，4月份正是华北春暖花开之时，却常因冷空气的活动而转冷。可见，某地的气温除因太阳辐射的变化引起的周期性变化外，还有因大气运动引起的非周期变化。从总的趋势和大多数情况来看，以气温日变化和年变化为其变现形式的周期性变化还是主要的。,本章总结,1、热力学第一定律是广义的能量守恒定律，即外界传递给系统的热量，一部分使系统内能增加，另一部分用于对外做功。应用于大气时的表达式为：,2、若气块运动中与外界无热量交换称为绝热过程；若过程中无水汽相变称为干绝热过程；有水汽相变时为湿绝热过程。3、大气温度垂直降温率用表示，可根据探空资料得到；气块干绝热上升时减温率用表示，是一个常数；气块湿绝热上升时的降温率用表示，它随水汽的增加而减小。,2020/5/2,4、气块按干绝热过程移至标准气压（1000hPa）时所具有的温度称为位温。特点是气块在干绝热过程中位温是守恒的，具有保守性。5、饱和湿空气按湿绝热上升至水汽全部凝结脱离气块，再按干绝热过程下沉时的过程称为假绝热过程。在假绝热过程中，下降到标准气压（1000hPa）时的温度称为假相当位温。在假绝热过程中，气块的假相当位温守恒。6、温度-对数压力图是以温度为横坐标，以气压自然对数为纵坐标。在该图上，气块未饱和时，按干绝热过程上升，达到抬升凝结高度后按湿绝热过程上升的曲线称为状态曲线。根据探空资料所得到的温度随高度的变化曲线称为层结曲线。,7、温度-对数压力图的主要应用有：（1）确定抬升凝结高度（LCL），气块上升过程中。干绝热线和等饱和比湿线的交点；（2）确定自由对流高度（LFC）；（3）确定正不稳定能量（CAPE），状态曲线位于层结曲线右侧时两曲线所包围的面积。8、固定地点温度随时间的变化称为局地变化；固定空气微团温度随时间的变化称为个边变化；因空气流动所造成某地区的温度变化称为平流变化。9、影响温度局地变化的因素有：温度的平流变化、空气垂直运动和非绝热热量交换。在天气系统过境时，温度平流是主要的；天气形势稳定时，