第三章 大气热力学

1、第三章 大气热力学3.1 大气温度3.2 水分循环3.3 热流量方程3.4 绝热过程和绝热温度变化3.5 热力学图解3.6 大气稳定度思考题大气科学概论第三章大气热力学3.1 大气温度一、 平均气温和气温极值 Daily mean 日平均日平均 Average of 24 hourly readings Daily temperature range 日较差日较差 Difference of daily high and low Monthly mean 月平均月平均 Average of daily means Annual mean 年平均年平均 Average of monthly me

2、ans Annual temperature range 年较差年较差 Difference of highest and lowest monthly mean 水陆热力差异（1）吸收、反射和透射率差异（2）比热差异（3）蒸发差异第三章大气热力学 洋流（1）暖流（2）寒流 高度3.1 大气温度二、 影响地面气温因子 地理纬度Copyright 2013 Pearson Education, Inc. 第三章大气热力学3.1 大气温度三、 全球海平面气温分布Copyright 2013 Pearson Education, Inc. 第三章大气热力学3.1 大气温度三、 全球海平面气温分布第三

3、章大气热力学3.2 水分循环一、 水分循环蒸发320 降水284 Unit: 103km3降水96 蒸腾60 径流36 下渗第三章大气热力学3.2 水分循环二、 水的相变和相平衡升华凝华蒸发凝结融冰结冰 水相变第三章大气热力学3.2 水分循环二、 水的相变和相平衡 相平衡饱和水汽压(E)温度C218大气压1大气压6.11hPaAOBB12345水水冰冰水汽水汽C1003740-0.0075蒸发线融解线升华线未饱和饱和过饱和未饱和过饱和第三章大气热力学3.2 水分循环三、 饱和水汽压和温度的关系 Clapeyron-Clausius方程2vTRLEdTdEE：饱和水汽压（hPa)T：热力学温度(

4、K)L：汽化热(Jkg-1)Rv：水汽气体常数(JK-1kg-1)第三章大气热力学3.2 水分循环三、 饱和水汽压和温度的关系 纯水面和冰面的饱和水汽压T1T1RLexpEE0v0E：纯水面饱和水汽压（hPa)Ei：纯冰面饱和水汽压（hPa)E0：T0=273.15K时饱和水汽压Ld：冰融解热(Jkg-1)es E10EiE 0ErE凸面 r0ErErcr称为饱和水汽压的“曲率效应”曲率半径第三章大气热力学3.2 水分循环三、 饱和水汽压和温度的关系 球形液滴表面的饱和水汽压3nrrnrcrc1E（2）球形溶液滴表面称为饱和水汽压的“溶液效应”，使饱和水汽压减小。 取决于溶质、溶剂等特性。3n

5、rcnc（3）荷电水滴表面当rT，为正面积+，E0，具有正不稳定能量；C点以下，TT，为负面积-， E0，为真潜不稳定，只要扰动达到自由对流高度zC即可形成自由对流；T0-lnpABdzB-+大气层结真潜不稳定T层结曲线TCDszC状态曲线当负面积远大于正面积时， E0，为假潜不稳定，扰动不易到达zC，即使达到，也不一定形成自由对流；当正面积为零时，即状态曲线位于层结左侧，两者不相交，为稳定型。T0-lnpABCDdsTTzBzC-+-大气层结假潜不稳定T0-lnpAdsTT-大气层结稳定第三章大气热力学3.6 大气静力稳定度三、 不稳定能量与对流 当整层空气作抬升运动时，若原来的稳定层结趋于

6、不稳定层结，称为对流不稳定，或位势不稳定。位势不稳定往往产生强对流、暴雨、雷暴或冰雹等灾害性天气。 设气层AB抬升前为稳定层结 ，温度层结接近等温，而湿度层结可能为：(a) 下湿上干、(b)下干上湿。dddss不稳定稳定第三章大气热力学3.6 大气静力稳定度三、 不稳定能量与对流高度气温0中午气温垂直 分布0逆温辐射逆温凌晨高度气温0=0.65湍流混合层0逆温=d湍流逆温高度气温0=0.65课堂讨论（III）：大气层结稳定度大气层z0z0+zz0-zTTT0T0zTTzTTd00T0z0zz0dTa(a)(c)TcTTTTTTT不稳定中性稳定判据1ddd不稳定(a)中性(b)稳定(c)判据2TTTgazTgdTZ云T0稳定层结稳定层结不稳定层结H1凝结高度H2自由对流高度H3对流上界高度层结曲线d干绝热（状态）线s湿绝热（状态）线大气稳定度判断的应用s抬升气温垂直分布曲线dppCRTdQCdTpp1TT+dTxzy0dtdppCRTdtdQCdtdTpp1气温局地变化方程)(),(),(,(tztytxtTT (x(t),y(t),z(t)zTwyTvxTutTzTwyTvxTutTdtdzzTdtdyyTdtdxxTtTdtdT其中，u,v,w空气运动速度分量气温局地变