第三节 大气的增温与冷却.ppt

1、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。

2、,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

3、：,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

4、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,

5、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

6、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

7、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。 反之，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。,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。,绝热与非绝热变化,绝热变化：空气

8、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。,T0 P0,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

9、，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

10、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

11、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

12、值。 m 1C 是一个变数,d =1C/100m,To,To- d = To-1,To,To-1C+T=,m=1C- T,To-(1C- T),一团干空气,一团湿空气,湿绝热是一个变数 讨论 影响因素：,在体积、气压相等的情况下：,温度高的（起始的气块）饱和空气含水量大，所以降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝结出更多的水分，意味着放出更多的热量来。,例如: 20C19C 饱和空气凝结出1克水/立方米 0C 1C 饱和空气凝结出0.33克水/立方米,高温 凝结水多 放热多（T 大）m=1C- T m小,低温 凝结水少 放热少（T 小）m=1C- T m大,湿绝热直减率是一个变数，大小和温度相

13、关（与起始气团的温度有关）,湿绝热直减率是一个变数，大小是气压和温度的函数,在体积、气压相等的情况下，温度高的（起始的气块）饱和空气含水量大，所以降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝结出更多的水分，意味着放出更多的热量来。,例如: 20C19C 饱和空气凝结出1克水/立方米 0C 1C 饱和空气凝结出0.33克水/立方米,高温 凝结水多 放热多（T 大）m=1C- T m小,低温 凝结水少 放热少（T 小）m=1C- T m大,结论：当两块饱和空气气压相同，容积相等 而气温不同时， 气温高的m小，温度变化不大。 气温低的m大，温度变化较大。,湿绝热是一个变数 讨论 影响因素： 讨论气压的影响

14、,气压大小对湿绝热直减率的影响,P大,P小,假设温度相同则而这所含的水汽是一定的，于是按湿绝热上升时因温度降低产生的凝结潜热是相等的，但热量不是温度，对于空气密度大小不同的气团，相同的热量引起的增温作用会不同。 P 大 等量的热量引起的升温要小些 （T小） m=1C- T m大 P 小 等量的热量引起的升温要大些 （T大） m=1C- T m小 结论：在温度相等的情况下气压高的饱和空气m大，气压低的m小,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

15、热变化,3、干、湿绝热线的比较：,干绝热直减率d近似于常数，故是一直线。 m是一个变量，所以是一个曲线。 湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。 mT（干） m不是恒定的，因而不是一个直线，而且是一条下陡上缓的曲线。因为大气层下层温度高，m小随高度上升温度下降慢；大气层上部温度低m大，随着高度上升温度下降快。,湿绝热,（3）到了高层，两条线近于平行。 温度越降越低，水汽凝结越来越多，空气团中的水汽含量越来越少，当水汽为零时，饱和空气也就变为干空气，则m= d ，从而使两条线近于平行。,大部份云是由于空气块上升 而冷却，从而产生凝结。 空气块为什么会上升？ 为什么它们在某些地方上升而在另一些地方

16、不上升？ 为什么云会有各种不同的形状？ 回答这些问题要从了解大气的稳定度开始。,气块周围的大气称为气块的环境，或称环境大气。 环境大气的状态，包括它的气压、温度和露点随高度的分布是已知的，而且在以后的讨论中假设是不变的。 环境大气中的温度或露点随高度的分布是通过测量得到的，称为层结曲线。,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,三、大气的稳定度 许多天气现象的发生都和大气稳定度有密切关系，大气稳定度是指气块受到任意方向的扰动后返回或远离

17、平衡位置的趋势和程度。也即表示空气是否安于原来的层次，是否易于发生垂直运动（对流）。 如果容易就不稳定，不容易就稳定。,大气稳定度,稳定度： 浮力 温度递减率,平衡态,非平衡态,一个空气块，当它被移动离开了原来的位置时，它自动会回到原来的位置，大气就是稳定的。相反，气块会继续向它被移动的方向运动，大气就是不稳定的。,大气静力稳定度的概念,处在静力平衡状态中的大气，空气因受外力因子的扰动后，大气层结（温度和湿度的垂直分布）有使其返回或远离原来平衡位置的趋势或程度，称之为大气静力稳定度。,稳定,若气块逐渐减速，趋于回到原位，这时气 块所处的气层，对于该气块而言是稳定的。,中性,若既无回到原位，有无

18、继续加速先前的趋势，而是保持原有运动状态，这时气块所处的气层，对于该气块而言是中性的。,不稳定,若气块按原方向加速运动，这时气块所处的气层，对于该气块而言是不稳定的。,稳定度的判断：,T1 P1 1,T0P0 0,T0 P00,T P ,Z,T1 P1 1,浮力,重力,气块扰动前后的状态,单位体积气块受力示意图,T P ,气块,周围环境,当气块位于平衡位置时，具有与周围大气相同的气压、温度和密度T0 P00 受扰动后，绝热上升，经Z后，状态为T1 P11，根据静力条件 p1=p, 温度、密度不同 单位气块受两个力：浮力g 重力1g 两力和力为层结内力f=g-1g 牛顿第二定律：f=ma, 对于

19、单位气块：1 m a=(- 1/ 1)g,浮力温度,空气团,环境,干空气和未饱和的湿空气,d， a 0，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 DALR ELR,30,20 0C,10 0C,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 ELRDALR