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1、第3章大气热力学第1 页,本讲稿共41 页 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V 分别为热力学温度、气压和体积。第2 页,本讲稿共41 页第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 对于单位质量的干空气,热力学第一定律为dQ=CvdT+pd 其中,为干空气比
2、容(m3/kg)。R=287JK-1kg-1干空气比气体常数;Cv=716JK-1kg-1干空气定容比热;Cp=1005JK-1kg-1干空气定压比热。其中 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:dW=PdT0、P0 0T、P 热流量 dQdU=CVdTdU第3 页,本讲稿共41 页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
3、外界传递给系统热量为dQ,则热力学第一定律为第4 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.2 干绝热过程和位温3.2.1 绝热过程 任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程,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 adi
4、abatic process)。第5 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.2 干绝热过程和位温3.2.2 干绝热方程对于干绝热过程,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,得上述方程称为泊松方程(Poisson),它反映了干绝热过程中,气块温度和气压间关系第6 页,本讲稿共41 页干绝热过程中,气块温度随高度的递减率,T0、P0T、Pz0T0TzT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 干绝热直减率第7 页,本讲稿共41 页 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
5、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1000T0T-lnp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8 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.3 湿绝热过程3.3.1 凝结高度zBT0Tz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第9 页,本讲稿共41 页湿绝热直减率():湿绝热过程中,气块温度随高度的
6、递减率。可证明:T、Pz0 T0、P0T0Tz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。dTdT第10 页,本讲稿共41 页 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
7、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。第3章 大气热力学3.4 假绝热过程和假相当位温3.4.1 假绝热过程第1 1 页,本讲稿共41 页 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。第3章 大气热力学3.4 假绝热过程和假相当位温3.4.2 假相当位温:1000T-lnpABCD假相当位温计算公式:TBZB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
8、,因此,可根据线确定第12 页,本讲稿共41 页焚风第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T高度ABCZB第13 页,本讲稿共41 页自学第3章 大气热力学3.5 热力图简介和部分应用第14 页,本讲稿共41 页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。大气层z0z0+zz0-z稳定 稳定不稳定 不稳定稳定 稳定不稳定 不稳定第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.1 基本概念第15 页,本讲稿共41 页气块法于是不稳定中性稳定第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.2 稳定度的判定方法z0a=dw/dt
9、a=dw/dtgz0+z第16 页,本讲稿共41 页(1)干空气或未饱和湿空气T0z0T(a)(c)T于是不稳定(a)中性(b)稳定(c)第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.3 稳定度的判据第17 页,本讲稿共41 页T0z0TacT不稳定a中性b稳定c(2)饱和湿空气第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.3 稳定度的判据第18 页,本讲稿共41 页(a)(c)(b)(3)大气稳定度三种情形(a)绝对不稳定(b)条件不稳定(c)绝对稳定T0z0第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.3 稳定度的判据第19 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定
10、度 3.6.4 不稳定能量概念: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:z0z0+dzdz=wdt或第20 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度 3.6.4 不稳定能量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;T 0-lnpABC
11、DzBzC+-+大气层结真潜不稳定第21 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度 3.6.4 不稳定能量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。T 0-lnpABCDzBzC-+-大气层结真潜不稳定T 0-lnpA-大气层结稳定第22 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.5 对流不稳定 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。T 0-ln
12、pAI)不稳定B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。由于因此,气层 不稳定第23 页,本讲稿共41 页第3章 大气热力学3.6 大气层结稳定度3.6.5 对流不稳定 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。T 0-lnpAII)稳定B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。由于因此,气层 稳定第24 页,本讲稿共41 页第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:TT+dTxz
13、y0其中,为单位时间内流入气块的热量,即热流量。第25 页,本讲稿共41 页令 故由于,为速度分量,对时间求导,得气温局地变化:固定空间点处气温度随时间的变化率。T(t,x,y,z)T+dTxzy0第3章 大气热力学3.7 局地温度变化分析与判断3.7.2 温度个别、局地及平流气温个别变化: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。第26 页,本讲稿共41 页气温局地变化:称为气温局地变化。称为对流变化(未考虑绝热变化效应);称为平流变化(取决于风速和两地温差);称为气温个别变化(热力学定律);结论:气温局地变化=个别变化+平流变化+对流变化第3章 大气热力学3.7
14、 局地温度变化分析与判断3.7.2 温度个别、局地及平流第27 页,本讲稿共41 页-20C蒙古36小时后-10C蒙古平流变化:=-(10-(-20)=-30C个别变化:=-10-(-20)=10C局地变化:=10-30=-20C36小时后北京气温为T36=T0+T=10-20=-10北 京10C第28 页,本讲稿共41 页气温局地变化方程(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第3章 大气热力学3.7 局地温度变化分析与判断3.7.3 温度局地变化影响因素第29 页,本讲稿共41 页温度平流变化:第3章 大气热力学3.7 局地温度变化分析与判断3.7.3 温
15、度局地变化影响因素第30 页,本讲稿共41 页ZTT T T0TZTT T0 温度垂直对流变化:若上升,0,则若上升,0,则T T第3章 大气热力学3.7 局地温度变化分析与判断3.7.3 温度局地变化影响因素第31 页,本讲稿共41 页 温度热流量变化: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3.7 局地温度变化分析与判断3.7.3 温度局地变化影响因素第32 页,本讲稿共41 页第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: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 纬向和经向垂直剖面等温线
16、分布。总体特征是气温随高度而降低,平均 征是气温随高度而降低,平均气温直减率 为 为0.65/100m 0.65/100m;T 0z气温直减率:则为等温层则为逆温层对流层平均第33 页,本讲稿共41 页 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 大气中的逆温第34 页,本讲稿共41 页高度气温024 16 12气温垂直 分布180逆温14辐射逆温20 04第35 页,本讲稿共41 页高度气温0=0.65湍流混合层0 逆温=d湍流逆温第36 页,本讲稿共41 页高度气温0=0.650 逆温暖平流平流逆温第37 页,本讲稿共41 页高度气温0逆温层空气块A
17、BTATBZAZBTATB空气块ABZAZB下沉逆温第38 页,本讲稿共41 页第三章思考题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?第39 页,本讲稿共41 页假设一空盒为黑体,其内用绝热线悬挂一灰体球体,整个系统保持恒温T,则灰体表面的辐射平衡方程为IB(,T)-IB(,T)(1-aT)-I(,T)=0 aT=I(,T)/IB(,T)根据放射率的定义,有 eT=I(,T)/IB(,T)aT=eT 黑体灰体(T)恒温TIB(,T)IB(,T)(1-aT)I(,T)基耳荷夫定律第40 页,本讲稿共41 页TZ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(干绝热)状态曲线(湿绝热)状态曲线关于大气稳定度的判断第41 页,本讲稿共41 页
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