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第二章 第3节 大气的增温与冷却

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气象学与气候学 气象学与气候学气象学与气候学 大气科学学院大气科学学院 20092009年年9 9月月 1 §2.3 大气的增温和冷却 一、海陆的增温和冷却的差异 二、空气的增温和冷却 三、空气温度的个别变化和局地变化 四、大气静力稳定度 2 一、海陆的增温和冷却的差异 l同样条件下的水面吸收的太阳能比陆面吸收的太 阳能多10%—20%; l陆地所吸收的太阳能分布在很薄的地表面上,而 海水所吸收的太阳能分布在较厚的水层中; l海面有充分水源供应,以致蒸发量较大,失热较 多,这也使得水温不容易升高。 l岩石和土壤的比热小于水的比热。 3 空气内能变化既可由空气与外界有热量 交换而引起;也可由外界压力的变化对空气 作功,使空气膨胀或压缩而引起。 空气与外界有热量交换,称为非绝热变 化; 空气与外界没有热量交换,称为绝热变化 。 二、空气的增温和冷却 4 一、非绝热变化(五种方式) (一)(一)辐射:辐射:物体间不停地发射电磁波进行热量交换的过程(地气物体间不停地发射电磁波进行热量交换的过程(地气 间、大气间)。间、大气间)。 (二)(二)对流:对流:物体受热后表面空气膨胀或质点运动传输热量。此方物体受热后表面空气膨胀或质点运动传输热量。此方 式是地面和低层大气传热的重要形式。式是地面和低层大气传热的重要形式。 (三)(三)乱流:乱流:近地层中空气无规则地升降或涡旋运动,此方式是摩近地层中空气无规则地升降或涡旋运动,此方式是摩 擦层中热量变换的方式擦层中热量变换的方式(0-2km)。(0-2km)。 (四)(四)传导:传导:从一个分子传递给另一个分子的热能交换方式。由于从一个分子传递给另一个分子的热能交换方式。由于 地面和大气都是热的不良导体,可忽略不计。地面和大气都是热的不良导体,可忽略不计。 (五)(五)潜热交换:潜热交换:水相变化中热量的吸收和释放过程。此方式主要水相变化中热量的吸收和释放过程。此方式主要 集中在5集中在5kmkm以下的层次中。以下的层次中。 蒸发潜热:冰蒸发潜热:冰- -汽(吸热),水汽(吸热),水- -汽汽(吸热)。(吸热)。 凝结潜热:水凝结潜热:水- -冰(放热),汽冰(放热),汽- -冰冰(放热)。(放热)。 5 二、绝热变化 绝热变化有两个过程: (1)绝热增温过程: 气块下降、吸热,温度升高的过程。 (2)绝热冷却过程: 气块上升、放热,气温下降的过程。 上升空气的降温作用和下沉空气的增温作用主要是 由于空气的绝热膨胀和绝热压缩的结果。 6 二、绝热变化 7 (一)干绝热变化和干绝热过程 1、干绝热过程:气块在升降过程中无水相变化,即与外界无热量 交换的过程。 规律: T/T0 =(P/P0)0.286 泊淞方程 其中: T0 、T:干空气初、终态的温度 P0 、P:干空气初、终态的气压 意义:干绝热变化过程中,温度随气压的变化呈指数降低。 8 2.干绝热直减率和湿绝热直减率 l 气块绝热上升单位距离时的温度降低值 ,称绝热垂直减温率(简称绝热直减率) 。 l 对于干空气和未饱和的湿空气来说,则 称干绝热直减率γd. 9 干绝热直减率 与 的区别: 是干空气在绝热上升过程中气块本身的降温 率,它近似于常数。 是周围大气的温度随高度的分布情况。它可 以有不同的数值。 10 干空气或者未饱和的湿空气干空气或者未饱和的湿空气,每,每上升上升100m100m(或(或 下降下降100m 100m )温度降低(升高)的度数。)温度降低(升高)的度数。 干绝热直减率是个常数:干绝热直减率是个常数:r rd d =1 =1℃℃/100m/100m 某高度处:某高度处:T=TT=T 0 0-r -rd d ΔZΔZ 11 饱和空气饱和空气绝热上升绝热上升中,因饱和而发生中,因饱和而发生冷却冷却 凝结凝结 ,同时,同时释放凝结潜热释放凝结潜热,,加热气块加热气块的过程的过程 。。 湿绝热过程 湿绝热直减率((rmrm)) 饱和湿空气绝热上升饱和湿空气绝热上升, ,每上升每上升100m100m温度降温度降 低的度数。低的度数。 rmrm是个变量。是个变量。 12 湿绝热直减率 1g饱和湿空气中含有水汽qsg,绝热上升,凝 结了dqsg水汽,所释放出的潜热为: dQ=-Ldq s s L表示水汽的凝结潜热, 负号表示当有水汽 凝结得到热量时,水汽减少 。 13 湿绝热过程热力学第一方程为: 饱和湿空气上升时,温度随高度的变化有两种原因:饱和湿空气上升时,温度随高度的变化有两种原因: 气压变化引起气压变化引起 凝结潜热释放凝结潜热释放 上升时,上升时,dqdq s s 00,,dqdq s s 0,0,则:则: 15 16 干、湿绝热线的比较,干绝热线 直减率近于常数,故呈一直线; 湿绝热线,因γm<γd,故在干 绝热线的右方,并且下部因为温度高 ,γm小,上部温度低,γm大,这样 形成上陡下缓的一条曲线。 到高层水汽凝结愈来愈多,空气 中水汽含量便愈来愈少,γm愈来愈和 γd值相接近,使干、湿绝热线近于平 行。 17 (三)气块的状态变化 1、湿空气的状态变化:1、湿空气的状态变化: 对于未饱和的湿空气而言, 对于未饱和的湿空气而言, 在绝热上升时,气块的温度直减在绝热上升时,气块的温度直减 率有两个阶段:率有两个阶段: 干绝热变化和湿绝热变化干绝热变化和湿绝热变化 18 位温 l由于温度在气块运动过程中,不是一个守恒量,为了便于比较处 于不同高度上的两气块的热状况,假设把气块都按绝热过程移到 同一高度(或等压面),就可以进行比较了。 l取这一标准高度为1000hpa,这时所具有的温度称为位温,以Θ表 示,由泊松方程可得: l位温在干绝热过程中具有保守性,即气块在循干绝热升降时,其 位温恒定不变。 19 假相当位温 l在湿绝热过程中,由于有潜热释放或消耗,位温是变化的。 l假设有极端的一种情况,水汽凝结后即脱离气块而降落,潜热留 在气块中加热了气块,该过程为假绝热过程。 l当气块中含有的水汽全部凝结降落时,所释放的潜热,就使原气 块的位温提高到了极值,这个数值称为假相当位温,用θse表示。 20 假相当位温θse的含义 A点,这时气块是 未饱和的,令其 沿干绝热线上升 到达凝结高度B点 气块达到饱和; 当气块再继续上 升时,就不断地 有水汽凝结,这 时它将沿湿绝热 线上升降温 当气块内水汽全部凝 结降落后,再令其沿 干绝热线下沉到 1000hPa,此时气块 的温度就是假相当位 温θse。。 21 假相当位温θse是关于温、压、湿的一个 综合物理量,对于干绝热,湿绝热和假绝热 过程,都守恒 22 三、空气温度的个别变化和局地变化 温度的平流变化温度的平流变化 个别变化:单位时间内个别空气质点温度的变化 局地变化:固定地点大气温度随时间的变化 局地变化和个别变化之间的关系: 温度的个别变化温度的个别变化 温度的局地变化温度的局地变化 23 温度平流 24 四、大气静力稳定度 (一)大气稳定度的概念 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任意方向扰动后,返回或远离原平衡 位置的趋势和程度。它表示在大气层中的个别空气块是否安于原 先的层次,是否易于发生垂直运动,即是否易于发生对流。 大气稳定度有三种类型: l稳定:无论上升或下降,最终回到原位。 l不稳定:加速远离原位。 l中性:随欲而安。 25 空气层的γ与空气块的γm、γd的关系 γ :升降气块所在的周围大气温:升降气块所在的周围大气温 度随高度的变化情况,称之为度随高度的变化情况,称之为层层 结曲线结曲线。。 大气层结大气层结:大气中温度、湿度的:大气中温度、湿度的 分布状况。分布状况。 γ m m、 、 γ d d :升降气块温度随高度 :升降气块温度随高度 的变化情况,称之为的变化情况,称之为状态曲线状态曲线。。 26 单位体积气块受到两个力 l一是四周大气对它的浮力ρg,方向垂直向上;另一是本身的重力 ρig,方向垂直向下,两力的合力称为层结内力,以f表示之,加 速度a即由该力作用而产生的。 判别稳定度的判别稳定度的 基本公式基本公式 当空气块温度比周围空气温度高,即Ti> T,则它将受到一向上加速度而上 升;反之,当Ti<T,将受到向下的加速度;而Ti=T,垂直运动将不会发展。 27 (二)判断大气稳定度的基本方法 l大气是否稳定,通常用周围空气的温度直减率(γ)与上升空气 块的干绝热直减率(γd)或湿绝热直减率(γm)的对比来判断。 (γ-γ d d )的符号,决定了加速度a与 扰动位移△Z的方向是否一致,亦即决定 了大气是否稳定。 当γ<γd,若△Z>0,则a<0,加速 度与位移方向相反,层结是稳定的; 当γ>γd,若△Z>0,则a>0,加速 度与位移方向一致,层结是不稳定的; 当γ=γd,a=0,层结是中性的。 28 1 1、干空气和未饱和、干空气和未饱和 湿空气的判据湿空气的判据 rrrr d d 时,时, 大气层结不稳定大气层结不稳定 29 利用层结的位温随高度的分布也可以判定 层结的稳定与否。 30 2、饱和湿空气的判据: rrm时,大气层结不稳定 31 3、结论 1)1) r r越大越大,大气层结越不稳定,大气层结越不稳定; ; 2)2) rr rr d d 时时, , 无论空气是否饱和,都是不稳定的,绝对不稳定无论空气是否饱和,都是不稳定的,绝对不稳定; ; 4)4) r rm m 蒸发 N = n 动态平衡 eEe时,空气蒸发(空气未饱和)时,空气蒸发(空气未饱和) 当当E=eE=e时,空气平衡(空气饱和)时,空气平衡(空气饱和) 当当EeEe时,空气凝结(空气过饱和)时,空气凝结(空气过饱和) 同样,可以得到冰面上的水相变化判据同样,可以得到冰面上的水相变化判据 42 (一)饱和水汽压与温度的关系 (1)定义: 在一定的温度条件下,一定体积 的空气所能容纳的水汽分子的数量是有一定 限度的,如果水汽含量恰好达到此限度,就 称为饱和空气,饱和空气中水汽所产生的压 力,就称为饱和水汽压。 (2)饱和水汽压与温度的关系 纯的平水面上的饱和水汽压为: 二二. .饱和水汽压饱和水汽压 43 饱和水汽压随温度的升高而增大 高温时的饱和水汽压比低温时要大 随着温度的升高,饱和水汽压按指数规律迅速 增大 44 重要推论: 空气温度的变化对蒸发和凝结有重要影响 高温时,饱和水汽压大,空气中所能容纳的水 汽含量增多,因而能使原来已处于饱和状态的 蒸发面会因温度升高而变得不饱和,蒸发重新 出现; 如果降低饱和空气的温度,由于饱和水汽压减 小,就会有多余的水汽凝结出来。 45 1.冰面和过冷却水面的饱和水汽压 (二)饱和水汽压与蒸发面性质的关系(二)饱和水汽压与蒸发面性质的关系 2.溶液面的饱和水汽压 溶液:含有杂质的水溶液:含有杂质的水 E E 溶液溶液E E纯水 纯水 46 • 蒸发面形状: E凹 E平E凸 (三).饱和水汽压与蒸发面形状的关系 47 (一)空气要达到饱和或超饱和状态((一)空气要达到饱和或超饱和状态( e≥Ee≥E)) 途径:途径:1 1、增加大气中的水汽含量、增加大气中的水汽含量 2 2、空气冷却使、空气冷却使TTdTTd,减小,减小E E 绝热冷却:空气上升绝热冷却:空气上升 辐射冷却:夜间地面降温辐射冷却:夜间地面降温 平流冷却:暖空气流到冷水面上平流冷却:暖空气流到冷水面上 三、大气中水汽的凝结条件三、大气中水汽的凝结条件 48 (二)有充足的凝结核(二)有充足的凝结核 1 1、来源:、来源: 土壤微粒、风化岩石、火山微粒土壤微粒、风化岩石、火山微粒 工业、失火烟尘工业、失火烟尘 海水飞溅时泡沫中的盐粒海水飞溅时泡沫中的盐粒 流星、陨石燃烧后的微尘流星、陨石燃烧后的微尘 。。 2 2、作用、作用 增大水滴半径,降低增大水滴半径,降低E E,快速饱和,,快速饱和, 增大水滴体积,增大水滴体积, 下降时不易蒸发掉下降时不易蒸发掉 。。 三、大气中水汽的凝结条件三、大气中水汽的凝结条件 49 End 50
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