(完整版)《气象学与气候学》第三讲

1、气象与气候学气象与气候学第三讲第三讲水文与水资源工程水文与水资源工程1111级级20122012学年第一学期学年第一学期第二章 辐射与热量平衡第五节 地面热量平衡及地气系统的热量收支 v1、地面热量平衡方程：r +le+p+a=0vr: 地面辐射热差vle: 地面与大气间的潜热传输量（l蒸发潜热；e蒸发量或凝结量）vp: 地面和大气间的湍流显热交换va: 地表面与下层间的热传输量和平流输送量之和v2、地气系统的热量收支第二章第二章 辐射与热量平衡辐射与热量平衡第五节第五节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却海陆的增温和冷却的差异海陆的增温和冷却的差异差异的原因差异的原因v反射率差异反射率差异 v

2、吸收厚度（透明度、热传导方式、与大气热交换方式差异）吸收厚度（透明度、热传导方式、与大气热交换方式差异） v水源供应差异水源供应差异 v比热差异比热差异差异的结果差异的结果：大陆受热快，冷却也快，温度升降变大。而海洋则相反。：大陆受热快，冷却也快，温度升降变大。而海洋则相反。 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的非绝热变化中与外界交换热量的方式气温的非绝热变化中与外界交换热量的方式v传导：贴地气层传导：贴地气层 v辐射：地面与空气之间、气团之间辐射：地面与空气之间、气团之间 v对流：对流对流：对流 层

3、层v湍流：摩擦层湍流：摩擦层v蒸发（升华）和凝结（凝华）：对流层下半层蒸发（升华）和凝结（凝华）：对流层下半层 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气温的绝热变化 绝热过程与泊松方程绝热过程与泊松方程 v绝热过程与干绝热过程绝热过程与干绝热过程 v泊松方程泊松方程根据热力学第一定律，有式（根据热力学第一定律，有式（2.24）由于式（由于式（2.25）和式（和式（2.26）可得式（可得式（2.27）对状态方程进行微分并引入定压比热，得到式（对状态方程进行微分并引入定压比热，得到式（2.29）发生

4、绝热变化时，有式（发生绝热变化时，有式（2.30）对（对（2.30）进行积分，得到）进行积分，得到 （2.32）dwdedqdtcdevpdvdw pdvdtcdqpprtdpdtcdqp/0/prtdpdtcpprtdpdtcp/286. 000)/(/pptt问题问题1：根据式（：根据式（2.30）绝热条件下，空气质点绝热条件下，空气质点上升或下降时温度如何上升或下降时温度如何变化？变化？问题问题2：根据式（：根据式（2.32）绝热变化时温度随气压绝热变化时温度随气压如何变化？如何变化？ 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温

5、和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气温的绝热变化 干绝热递减率和湿绝热递减率干绝热递减率和湿绝热递减率 v干绝热递减率的推导与数值干绝热递减率的推导与数值 根据定义并引入（根据定义并引入（2.30），得式（），得式（2.33）引入静力学基本方程和状态方程，得引入静力学基本方程和状态方程，得简化后，得到（简化后，得到（2.34）其值为常数其值为常数)()()(dzdppcrtdzdtipididttcggrtcrtippidpdcgmkd100/98. 0第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气

6、温的绝热变化 干绝热递减率和湿绝热递减率干绝热递减率和湿绝热递减率v湿绝热递减率的推导与数值湿绝热递减率的推导与数值 引入潜热引入潜热,得式（得式（2.36）根据热力学第一定律得式（根据热力学第一定律得式（2.37）经推导，得式（经推导，得式（2.41） sldqdqpdprtdtcldqpsdzdqcldzdtspdmim)(第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气温的绝热变化 干绝热递减率和湿绝热递减率干绝热递减率和湿绝热递减率湿绝热递减率的推导与数值湿绝热递减率的推导与数值v问题问题1：r

7、m为什么总小于为什么总小于rd？rd和和rm什么时候相差最大？为什么愈到高空什么时候相差最大？为什么愈到高空rm愈接近愈接近rd？v问题问题2：有一山高：有一山高1000m，如果一块含有水汽尚未饱和的空气在山脚时温度为，如果一块含有水汽尚未饱和的空气在山脚时温度为100c，升到，升到300m时开始饱和，到山顶水汽已全部凝结，并离开气块，剩下的干空气从山顶下沉，问时开始饱和，到山顶水汽已全部凝结，并离开气块，剩下的干空气从山顶下沉，问到山脚时温度多少？（到山脚时温度多少？（rm=0.50c/100m）v问题问题3：试从：试从rd和和rm的不同，来解释在山的迎风坡森林茂盛，而背风坡草木甚少？的不同

8、，来解释在山的迎风坡森林茂盛，而背风坡草木甚少？v问题问题4：rd和和r的含义有何根本不同？的含义有何根本不同？第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气温的绝热变化 位温与假相当位温位温与假相当位温 位温位温v定义：把各层中的气块循着于绝热的程序订正到一个标准高度：定义：把各层中的气块循着于绝热的程序订正到一个标准高度：1000hpa处，这时所具有的温度称为位温，以处，这时所具有的温度称为位温，以表示。表示。 v表达式表达式(2.42)： v重要性质：气块在循干绝热升降时其位温是恒定不变的。重要

9、性质：气块在循干绝热升降时其位温是恒定不变的。 286. 0)1000(1000ptptpcr）（第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气的增温和冷却空气的增温和冷却气温的绝热变化气温的绝热变化 位温与假相当位温位温与假相当位温假相当位温假相当位温 v定义：当气块中含有的水汽全部凝定义：当气块中含有的水汽全部凝结降落时，所释放的潜热，就使原结降落时，所释放的潜热，就使原气块的位温提高到了极值。气块的位温提高到了极值。v表达式表达式(2.43)： v数值的确定数值的确定 pseclq第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节

10、 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气温度个别变化和局地变化空气温度个别变化和局地变化 v个别变化、局地变化、平流变化个别变化、局地变化、平流变化 根据热力学第一定律，有式（根据热力学第一定律，有式（2.44） 个别变化个别变化：单位时间内个别空气质点温度的变化：单位时间内个别空气质点温度的变化dtdt，即空气块在运，即空气块在运行中随时间的绝热变化和非绝热变化。行中随时间的绝热变化和非绝热变化。 局地变化局地变化：某一固定地点空气温度随时间的变化：某一固定地点空气温度随时间的变化 。 平流变化平流变化：由于空气的移动所造成的某地温度的变化。：由于空气的移动所造成的某地温度的变化。v个别变化和

11、局地变化联系的定性说明个别变化和局地变化联系的定性说明 dtdtprtdtdtcdtdqp第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气温度个别变化和局地变化空气温度个别变化和局地变化个别变化和局地变化的定量分析个别变化和局地变化的定量分析v空气质点温度的变化见（空气质点温度的变化见（2.45） v由于式（由于式（2.46） v因此见式（因此见式（2.47） v和式（和式（2.48） v得到式（得到式（2.49） v表明表明：温度的局地变化等于温度的：温度的局地变化等于温度的平流变化和个别变化之和平流变化和个别变化之和 dzztdyytdxxt

12、dtttdtudtdx vdtdy wdtdz ztwytvxtuttdtdtdtdtztwytvxtutt)(dtdttvtt第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却空气温度个别变化和局地变化空气温度个别变化和局地变化个别变化和局地变化的定量分析个别变化和局地变化的定量分析v（2.49）可写成（）可写成（2.50）v用气压代替高度，用用气压代替高度，用表示表示dq/dt由（由（2.44）可得（）可得（2.52） v所以有（所以有（2.54） 和（和（2.55）v由于由于v又根据静力学公式：又根据静力学公式：v所以有（所以有（2.56） 和（

13、和（2.57）v（2.57）表明：决定温度局地变化有三方面因子）表明：决定温度局地变化有三方面因子dtdtztwtvtthhdtdppcrtcdtdtpp1wpcrtcptwtvttpph1pphhcpcrtptwtvtt)(pdcgr gprtpz1pdhhcwpgrttvtt)(pdhhcwpgrttvtt)(第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却大气静力稳定度大气静力稳定度 大气稳定度的概念大气稳定度的概念 v稳定度定义稳定度定义 v稳定度的定性判断稳定度的定性判断 v判别稳定度的基本公式判别稳定度的基本公式 根据大气中的气块的受力分

14、析、计算加速度，引入状态方程和准静力条根据大气中的气块的受力分析、计算加速度，引入状态方程和准静力条件，得到（件，得到（2.59）gtttai第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却大气静力稳定度大气静力稳定度判断大气稳定度的基本方法判断大气稳定度的基本方法 干绝热的情况干绝热的情况v引入温度随高度的关系，（引入温度随高度的关系，（2.59）转化）转化为为v利用层结位温随高度的分布利用层结位温随高度的分布 由（由（2.42）取对数，再取对高度的偏导数，）取对数，再取对高度的偏导数，有有 因为因为 所以所以ztgad)(1111zppcrtzt

15、tzppcrzttzpprtpggzp)(dtz第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却大气静力稳定度大气静力稳定度判断大气稳定度的基本方法判断大气稳定度的基本方法湿绝热的情况湿绝热的情况v引入温度随高度的关系，（引入温度随高度的关系，（2.59）可转化为）可转化为 v利用层结假相当位温随高度的分布利用层结假相当位温随高度的分布 ztgam第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第三节第三节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却大气静力稳定度大气静力稳定度v不稳定能量的概念不稳定能量的概念不稳定型不稳定型 、稳定型、潜在不稳定型、稳定型、潜

16、在不稳定型 v位势不稳定位势不稳定 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第四节第四节 大气温度随时间的变化大气温度随时间的变化气温的周期性变化气温的周期性变化 气温的日变化气温的日变化 v影响气温变化的因素影响气温变化的因素 （1）地表面增热与冷却作用）地表面增热与冷却作用（2）大气中的水平运动与垂直运动）大气中的水平运动与垂直运动v气温日变化特征及原因气温日变化特征及原因 （1）日最高值与最低值出现的时间）日最高值与最低值出现的时间（2）影响日较差的因子）影响日较差的因子第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第四节第四节 大气温度随时间的变化大气温度随时间的变化v气温的周期

17、性变化气温的周期性变化 气温的年变化气温的年变化（1）月平均气温最高值与最低值出现的时间）月平均气温最高值与最低值出现的时间 （2）影响年较差的因子）影响年较差的因子 问题：为什么气温最高值不是在正午？最低值不是在午夜而是在清晨？问题：为什么气温最高值不是在正午？最低值不是在午夜而是在清晨？ 问题：海陆增温和冷却过程有何差异？导致什么重要结果？问题：海陆增温和冷却过程有何差异？导致什么重要结果？ 问题：有人说积雪可以降温，又有人说积雪可以保温，到底积雪对下垫问题：有人说积雪可以降温，又有人说积雪可以保温，到底积雪对下垫面和积雪区空气起何种影响？面和积雪区空气起何种影响？v气温的非周期性变化气温的非周期性变化 第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能和温度第五节第五节 大气温度的空间分布大气温度的空间分布气温的水平分布气温的水平分布 v等温线定义及意义等温线定义及意义 v影响气温分布的三大因素影响气温分布的三大因素 v全球气温的水平分布特征全球气温的水平分布特征第二章第二章 大气的热能和温度大气的热能