第3章 大气热力学.ppt

1、第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律 3.2 干绝热过程和位温 3.3 湿绝热过程 3.4 假绝热和假相当位温 3.5 热力图简介和应用 3.6 大气层结稳定度 3.7 局地温度变化的影响因素分析与判断 3.8 大气中的逆温 思考题,气象学与气候学,热力学第一定律是能量守衡定律在理想气体中的应用。对于质量 为m的理想气体（热力学系统），外界传递给系统热量dQ，等于系 统内能增加mCvdT与系统对外界作工pdV之和，即,第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.1热力学第一定律,dQ = mCvdT + pdV,其中，Cv为定容比热，单位为Jg-1K-1，T, p和

2、V分别为热力学温度、气压和体积 。,第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.2 干空气的热力学第一定律,利用干空气状态方程p=RT，并考虑到Cv + R=Cp,，则得到常用的干空气热力学第一定律形式：,当湿空气达到饱和时，将发生凝结，水汽凝结量为-dqs，释放潜热 dQ2 = -Ldqs 其中，L 为凝结潜热 L = 2499.5 - 2.39t (J/g),第3章 大气热力学,3.1 热力学第一定律在气象中的应用,3.1.3 饱和湿空气的热力学第一定律,对于单位质量的饱和湿空气，若外界传递给系统热量为dQ，则热力 学第一定律为,任一气块与外界之间无热量交换时的状态变

3、化过程，叫做绝热过程(Adiabatic process) 。 干空气或未饱和湿空气块绝热变化时，气块内部没有发生水相变化，称作干绝热过程(Dry adiabatic process)。 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物全部留在气块内，称作湿绝热过程(Wet adiabatic process)。 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物部分或全部降落离开气块，称作假绝热过程(Pseudo adiabatic process)。,对于干绝热过程，dQ=0, 因此，干空气热力学第一定律为,或,从初始状态(T0,P0)到任意状态(T,P)积分，得,上述方程称为泊

4、松方程（Poisson）,它反映了干绝热过程中，气块温度和气压间关系,干绝热过程中，气块温度随高度的递减率，,所以：,证明：,第3章 大气热力学,3.2 干绝热过程和位温,3.2.3 干绝热直减率,气块按干绝热过程变化到标准大气压（取1000hPa）时所具有的温 度，称为位温。,所以：,第3章 大气热力学,3.2 干绝热过程和位温,3.2.4 位温,根据泊松方程，令p0=1000hPa, T0=，则,温度对数压力图解：横坐标温度T，纵坐标对数压力-lnp，该图上干绝热过程线为一直线，称为干绝热线。干绝线上位温是不变的，因此又称等位温线。,第3章 大气热力学,3.3 湿绝热过程,3.3.1 凝结

5、高度,zB,T0,T,z,凝结高度,未饱和湿空气块按干绝热过程从地 面上升时，随着气块温度下降，饱 和水汽压迅速减小，到一定高度饱 和水汽压等于水汽压，气块达到饱 和，该高度称为（抬升）凝结高度(ZB)。,B,湿绝热直减率（ ）：湿绝热过程中，气块温度随高度的递减率。,可证明：,第3章 大气热力学,3.3 湿绝热过程,3.3.2 湿绝热直减率,特征： I） ，故湿绝热线总在干绝热线之右； II）不是常数，是气温和气压的函数。 III）高温时，比湿大、凝结量多，故小，低温时相反。,dT,dT,假绝热过程特点：未饱和湿空气块刚开始上升时，按干绝热直减 率降温，至凝结高度后，若继续上升，则按湿绝热直

6、减率降温，此时 发生水汽凝结，若凝结物部分或全部降落离开气快，则当其下降时， 将按干绝热直减率或介于干、湿绝热直减率之间的直减率升温，当其 回到原来高度时，温度将高于上升前的温度，这个过程是不可逆过 程，即这种状态变化过程中位温不再守衡。因此，需定义一个新物理 量，能在所有绝热过程中都守衡，即假相当位温。,未饱和湿空气块从A上升，按干 绝热直减率降温，至凝结高度B 后，继续上升至C，按湿绝热直减 率降温，期间全部水汽凝结并降落 离开气块，则当其从C按干绝热直 减率下降至1000hPa（D）具有的温 度，称为假相当位温。,1000,T,-lnp,A,B,C,D,假相当位温计算公式：,TB,ZB,

7、图中C是唯一的，即当全部水汽凝结 并离开气块时的高度，从C按 下降 到D具有的温度也就唯一，因此，可 根据线确定,焚风,第3章 大气热力学,3.4 假绝热过程和假相当位温,3.4.3 假绝热过程的例子,自学,第3章 大气热力学,3.5 热力图简介和部分应用,气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度：不稳定、稳定、中性。,第3章 大气热力学,3.6 大气层结稳定度,3.6.1 基本概念,气块法,a=dw/dt,（1）干空气或未饱和湿空气,T0,z0,T,a,c,T,（2）饱和湿空气,（3）大气稳定度三种情形,概念：不稳定能量为气层中可供单位质量空气块上升运动的能量，用单位质量空气块

8、上升时合外力所作的功表示。,合外力所作的功：,从z1到z2积分得：,或,不稳定能量可在温度-对数压力图上求得，它等于状态曲线与温度层结曲线所包围面积S的Rd倍。,S等于由C点（自由对流高度）以上的正面积与C点以下的负面积之和。根据正负面积的大小，气层稳定度分为3种情形：,当正面积远大于负面积时， S0，为真潜不稳定，只要扰动达到对流凝结高度zC即可形成自由对流；,大气层结真潜不稳定,当负面积远大于正面积时， S0，为假潜不稳定，即使扰动达到zC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。,当整层空气作抬升运动时，若原来的稳定层结趋于不稳定层结，称为对流

9、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：I）上干下湿，抬升一定高度后气层为 ，温度直减率为 。,结论：对流不稳定系潜在的不稳定能量，只有当抬升前气层是上干下湿，并有足够的抬升力，使整层抬升达到饱和。,湿度层结为：II）上湿下干，抬升一定高度后气层为 ，温度直减率为 。,第3章 大气热力学,3.7 局地温度变化分析与判断,3.7.1 热流量方程,热力学第一定律：,热流量方程：,其中， 为单位时间内流入气块的热量，即热流量。,令,故,由于， 为速度分量，,对时间求导，得,气温局地变化： 固定空

10、间点处气温度随时间的变化率。,气温个别变化： 表示某一（运动）空气质点（微团）气温随时间的变化率，又称气温随体导数。,气温局地变化：,结论：气温局地变化=个别变化+平流变化+对流变化,平流变化： = -（10-（-20）= -30C,个别变化：= -10-（-20）= 10C,局地变化：= 10-30= -20C,36小时后北京气温为 T36=T0+T=10-20=-10,气温局地变化方程（考虑绝热变化效应）：,平流（风速）变化,对流-绝热变化,热流量 变化,气温 局地变化,温度平流变化：, 温度垂直对流变化：,若上升，0，则,若下降，0，则,若上升，0，则,若下降，0，则, 温度热流量变化：

11、,若 dQ/dt 0，则 ，即局地气温升高；,若 dQ/dt 0，则 ，即局地气温降低；,第3章 大气热力学,3.8 大气中的逆温,3.8.1 气温垂直分布,表示法：垂直分布曲线、纬向和经向垂直剖面等温线分布。总体特 征是气温随高度而降低，平均气温直减率为0.65/100m；,T,气温直减率：,辐射逆温 湍流逆温 平流逆温 下沉逆温,3.8.2 逆温类型,第3章 大气热力学,3.8 大气中的逆温,24,16,12,气温垂直 分布,18,0 逆温,14,辐射逆温,20,04,湍流逆温,平流逆温,逆温层,下沉逆温,第三章思考题,1.基本概念：辐射强度、辐射通量、太阳常数、直接辐射、散射辐射、地面有效辐射、地面辐射差额、气温日较差、气温年较差、气温直减率、干绝热直减率、湿绝热直减率、大气静力稳定度、逆温层。 2.简述大气对太阳辐射的作用。 3.简述地面有效辐射及其影响因素。 4.简述地面辐射差额及其影响因素。 5.简述气温局地变化方程中各项的意义。 6.简述气温的日、年变化。 7.简述近地面气温垂直分布特点。 8.举例说明大气静力稳定度如何判断？,假设一空盒为黑体，其内用绝热线悬挂一灰体球体，整个