1.3大气的增温于冷却.ppt

第三节大气的增温与冷却,本节内容,海陆的增温和冷却的差异,空气的增温和冷却,气温的非绝热变化和绝热变化,大气的稳定度,以下介绍增温和温度变化的基本概念,热量平衡过程,地球表面吸收太阳辐射能后，会通过各种热量收支方式，产生能量的转换和输送而达到平衡，这样的物理过程称为热量平衡过程。,物质的热属性,热容量,定义：,在一定过程中，物体温度变化所需吸收或放出的热量。,分类：,质量热容量（比热、比热容）,容积热容量,质量热容量：,定义：单位质量的物质，温度变化所需吸收或放出的热量。,单位：J/(kg)(或J/(g),容积热容量：,定义：单位体积的物质，温度变化所需吸收或放出的热量。,热量收支(交换)方式,辐射热交换,任何温度在绝对零度以上的物体，通过辐射的放射和吸收而进行的热量交换方式。,分子传导热交换,物质通过分子碰撞，所产生的表现为热量传导的动能交换方式。,流体流动热交换,流体在各个方向上流动时，热量随流体流动而输送的热量交换方式。,根据流体流动的方向性分为：对流、平流和乱流。,定义：流体在垂直方向上有规律的升降运动。,作用：使上下层空气混合，产生热量交换。,定义：流体在水平方向上的流动。,分类：,对流：,平流,作用：对大规模的热量传递和缓和地区之间、纬度之间温度的差异起着很大作用。,乱流（湍流）：,定义：流体在各方向上的不规则运动。,近地气层乱流强度的时空变化：,陆地比海面强,山地比平原强,白天比夜间强,夏季比冬季强,潜热交换,物质在进行相态变化时所发生的热量交换。,地面温度和热量收支的关系,地面温度变化与地面热量收支示意图1地面温度日变化曲线；2地面热量支出日变化曲线；3地面热量收入日变化曲线。Tm：地面最低温度；TM：地面最高温度,一天中地面最高温度、地面最低温度出现在地面热量收支相抵（平衡）的时刻。,一年中地面最热月温度，一般出现在月或月，地面最冷月温度一般出现在月或月。,水体热量传播的特点,水体中的辐射特点,水体反射率小于陆地,水体吸收率大于陆地,太阳辐射能在水体中传播，不同深度水体的传播情况遵循比尔定律。,水体易吸收长波，散射短波，水中悬浮物散射长波。,水体中的热量平衡特性,特性,海洋热量平衡的主要输出项是水体蒸发潜热。,海洋可以通过洋流来在水平方向传送热量。,水体温度的变化,时间变化,日变化：,水面最高温度出现在午后1516h，最低温度出现在日出后的23h内。,年变化：,水面最高温度一般出现在8月，最低温度则出现在23月。,位相：,最高温度和最低温度出现的时间，大约每深入60落后一个月。,以上主要介绍增温和温度变化的基本概念,第三节大气的增温与冷却一、地面增温与冷却的差异二、大气的增温与冷却（一）增温冷却方式（二）干绝热与湿绝热1、干绝热2、湿绝热3、干、湿绝热的比较三、大气稳定度,非绝热变化绝热变化,第三节大气的增温和冷却,一、海陆的增温与冷却的差异,同样的太阳辐射到达地面也会因下垫面性质的不同而温度不同，而大气的热源主要来自下垫面，所以下垫面的不同对大气温度有着深刻的影响。其中海洋与陆地的差异最大。,结论：陆地受热快，冷却也快，温度升降变化大。海洋好像大气热量的存储器和调节器升温和冷却都较慢，所以年最高气温和最低气温的出现比大陆延迟12个月，且日较差和年较差都比陆地小。陆地是急性子，海洋是慢性子。,1、二者对太阳辐射的吸收和反射不同,2、能量分布的厚度不同水面与路面的导热方式不同,3、水汽含量不同,4、陆地比热小于海洋比热,第三节大气的增温与冷却一、地面增温与冷却的差异二、大气的增温与冷却（一）增温冷却方式（二）干绝热与湿绝热1、干绝热2、湿绝热3、干、湿绝热的比较三、大气稳定度,非绝热变化绝热变化,二、空气的增温与冷却,空气的温度高低实质是空气分子运动快慢（内能）的表现，所以空气既可以通过与外部的能量交换而升高或降低温度气温的非绝热变化，也可以通过做功而变化气温的绝热变化。（一）增温与冷却的方式,1、气温的非绝热变化（几种与外界传递热量的方式）,传导辐射对流湍流蒸发凝结,热量收支(交换)方式,（一）增温与冷却的方式2、气温的绝热变化当某一气团在与外界没有任何热量交换的情况下，做上升运动，如果该气团体积不变上升到某一处，则其内部的压强会比周围大气的要高，气团为了与外界大气相平衡，气块体积要膨胀，在膨胀的过程中克服外界压力而做功，气团做功所消耗的能量取自气团内部，因此使气块温度降低，以上过程称为气温的绝热冷却。,当空气块上升过程中，因外界气压减小，气块体积膨胀，对外作功，在绝热的条件下，作功所需的能量，只能由其本身内能来负担，因而气块温度下降。这种因气块绝热上升而使温度下降的现象，称为绝热冷却。,绝热增温：气团作下沉运动时，若与外界没有热量交换的情况下，由于外界气压比起团内部气压高，会压缩气块使气团体积缩小，同时气团内气体被压缩做功，内能增加，温度上升，这种现象称为绝热增温。,绝热与非绝热变化,绝热变化：空气内能变化过程中，未与外界进行热量交换。,非绝热变化：空气内能变化过程中，与外界进行热量交换。,T0P0,T-T,T-T,T+T,T+T,绝热冷却,绝热增温,气温的绝热变化,干绝热方程：,第三节大气的增温与冷却一、地面增温与冷却的差异二、大气的增温与冷却（一）增温冷却方式（二）干绝热与湿绝热1、干绝热2、湿绝热3、干、湿绝热的比较三、大气稳定度,非绝热变化绝热变化,（二）干绝热与湿绝热1、干绝热变化及干绝热直减率,当一团干空气或未饱和的湿空气与外界没有任何热量交换做升降运动，且气块内没有任何水相变化时的温度变化过程叫干绝热变化。,干绝热直减率（d）-干空气或未饱和的湿空气，气块绝热上升（或下沉）单位距离时温度降低（或升高）的数值。,d=1C/100m,注意：,原因：,气温直减率是大气温度随着距离地面越来越远得到的热量越来越少。,干绝热直减率是干空气在绝热上升或绝热下降运动过程中由于做功气块本身的温度变化.,对流层气温的垂直变化(复习、巩固概念),气温直减率,定义：气温随高度变化的程度。,表达式：,Z：两高度高度差，T两高度相应的气温差；负号表示气温垂直分布的方向。,0，气温随高度的增加而降低；,0，气温随高度的增高而升高。,的绝对值越大，气温随高度变化差异越大。,干绝热过程的几个概念,干绝热过程,空气是干空气或未饱和的湿空气（没有水汽凝结），与外界之间无热量交换时（dQ=0）的状态变化过程。,绝热增温,当空气块下降过程中，因外界气压增大，外界对气块作功，在绝热的条件下，所作的功只能用于增加气块的内能，因而气块温度升高。这种因气块下沉而使温度上升的现象，称为绝热增温。,绝热冷却,当空气块上升过程中，因外界气压减小，气块体积膨胀，对外作功，在绝热的条件下，作功所需的能量，只能由其本身内能来负担，因而气块温度下降。这种因气块绝热上升而使温度下降的现象，称为绝热冷却。,干绝热直减率（d）,在大气静力平衡的条件下，干空气和未饱和的湿空气因作干绝热升降运动而引起气块温度随高度的变化率，称之为干绝热直减率。,第三节大气的增温与冷却一、地面增温与冷却的差异二、大气的增温与冷却（一）增温冷却方式（二）干绝热与湿绝热1、干绝热2、湿绝热3、干、湿绝热的比较三、大气稳定度,非绝热变化绝热变化,2、湿绝热变化及湿绝热直减率,湿绝热变化过程：当饱和湿空气在做绝热上升（或下沉时）温度受到两方面的影响(1)气团中的干空气上升体积膨胀降温，也是每上升100米温度降低1C。（2）水汽既已是饱和的，它会因为上升冷却而发生凝结，凝结就要放热，所以放出的热量又使温度有所回升。所以可以推论，因为有凝结放出热量的补给，降温要小于d。这整个过程就是大气温度的湿绝热变化。湿绝热直减率（m）：饱和湿空气块上升（下沉）单位距离使温度降低（升高）的数值。m0，加速度与位移的方向相同，层结不稳定,饱和湿空气的稳定度判定:,m,层结不稳定m,层结中性,稳定度的确定,现在我们要讨论上升气块和周围环境空气之间的关系。环境空气的层结曲线是由测量得到的。作为一种平均状态，标准大气采用在对流层中空气温度每上升一公里下降6.50C。每天的层结曲线都是不同的，一天中不同时刻，层结曲线也会有变化，尤其在近地层变化最大。,稳定大气,如果环境大气的层结曲线温度递减率较小（比如按标准大气，每公里温度减低6.50C），而气块上升时气块温度按干绝热递减率，每公里減低100C。这样，当外力把气块抬升一定高度，气块的温度将低于同一高度的环境大气。冷空气密度大，就有下沉的趋势。因此若外力不再抬了，气块会自动的回到原来位置，这时大气是稳定的。,稳定空气DALRELR,30,200C,100C,30,23,16,7,10,环境温度,不稳定大气,如果环境大气的温度递减率()超过干绝热递减率(d)。当气块被外力抬升以后，由于气块温度将高于周围环境，气块会受到一个浮力而续继上升。这种大气被称为不稳定大气。,空气团比空气暖持续上升ELRDALRd=12/1000md=10/1000m,13,12,11,200m,100m,300m,13.2,12,10.8,空气温度,气块,绝对不稳定空气,空气团比环境暖继续上升d,ELR=11C,mMALR,干,湿,d=,11C,11.2C,12C,12C,13C,12.8C,11C,10.8C,12C,12C,13C,13.2C,0.8=dm，无论空气是否达到饱和，大气总是处于不稳定状态，叫绝对不稳定。（3）md不稳定；=d中性；m不稳定；=m中性；m稳定。,综合判据,愈大，