第四章-大气的热力学过程课件.ppt
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- 第四 大气 热力学 过程 课件
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1、 气温非绝热变化气温非绝热变化空气与外界有热量交换,称为非绝热变化;空气与外界有热量交换,称为非绝热变化; 气温绝热变化气温绝热变化空气与外界没有热量交换,称为绝热变化。空气与外界没有热量交换,称为绝热变化。 垂直运动(绝热变化)垂直运动(绝热变化) 水平运动(非绝热变化)水平运动(非绝热变化) 气块(团)气块(团)一、大气垂直运动中的热力学过程一、大气垂直运动中的热力学过程(一)气温的非绝热变化:一)气温的非绝热变化: 空气与外界有热量交换,热量交换方空气与外界有热量交换,热量交换方式主要有五种:式主要有五种: 1. 1. 热传导热传导:依靠分子的微观热运动依靠分子的微观热运动来传递热量。空
2、气密度小,导热系数小,来传递热量。空气密度小,导热系数小,所以分子热传导只能影响到紧贴地面的所以分子热传导只能影响到紧贴地面的一薄层,对较大规模的热量传递来讲可一薄层,对较大规模的热量传递来讲可忽略不计。忽略不计。2. 2. 辐射:辐射:辐射是地面和大气之间热辐射是地面和大气之间热量传递的主要方式,但在完全没有量传递的主要方式,但在完全没有空气运动时,地面辐射传热所及的空气运动时,地面辐射传热所及的高度也只是离地面较近的气层内。高度也只是离地面较近的气层内。 因空气块运动而进行的热量交换。按因空气块运动而进行的热量交换。按促使空气运动的不同原因可分对流、促使空气运动的不同原因可分对流、湍流湍流
3、 3 3、. .对流对流:对流层中热量由低层:对流层中热量由低层向高层传送的重要方式。大气层不稳向高层传送的重要方式。大气层不稳定时,对流热交换的高度可达对流层定时,对流热交换的高度可达对流层顶。对流在夏季和午后较强,而冬季顶。对流在夏季和午后较强,而冬季和清晨较弱。和清晨较弱。n4 4、 湍流湍流: 空气的不规则运动空气的不规则运动称湍流。称湍流。湍流交换的热量远远大湍流交换的热量远远大于分子传导交换的热量。湍流不于分子传导交换的热量。湍流不仅在热交换中起重要作用,蒸发、仅在热交换中起重要作用,蒸发、扩散等的大小也取决于湍流运动扩散等的大小也取决于湍流运动5 5、蒸发(升华)和凝结(凝华)水
4、在蒸发(或冰在升华)时要吸收热量;相反,水汽在凝结(或凝华)时,又会放出潜热。如果蒸发(升华)的水汽,不是在原处凝结(凝华),而是被带到别处去凝结(凝华),就会使热量得到传送。 热量传递和蒸发使大气获得热量,引起大气的温度变化。这是大气温度变化的一个方面,叫非绝热变化(二)气温的绝热变化(二)气温的绝热变化 当当一个孤立系统得到一个孤立系统得到dQdQ热量后,一部分用热量后,一部分用于增加内能于增加内能dEdE,另一部分用于气体体积,另一部分用于气体体积膨胀,克服外压强作功膨胀,克服外压强作功dwdw; dQ= dE+dwdQ= dE+dw 当气压不变时当气压不变时, ,气体体积不变,叫等容过
5、气体体积不变,叫等容过程,作功为零。增加的热量全部用来提程,作功为零。增加的热量全部用来提高温度增加内能,此时高温度增加内能,此时dTCdEdQv可以证明:可以证明:上式是热力学第一定律在气象中的常用形式。该式说明: 气块的温度变化与外界所施热量有关,得热增温;失热降温。 气块的温度变化与气压变化有关。当所施热量一定时,体积被压缩,增温剧烈,体积膨胀消耗热量,升温缓慢,或降温)pdpRTdTCdQp(pdpCRTCdQdTpp绝热过程:绝热过程: 当当 dQ=0dQ=0时(时(2.292.29)式将成为:)式将成为:a a、干绝热过程干绝热过程 :干空气和未饱和湿空气:干空气和未饱和湿空气做垂
6、直升降运动时,称为干绝热过程。做垂直升降运动时,称为干绝热过程。 干绝热方程干绝热方程 (泊松方程)(泊松方程) 对(对(2-302-30)式从初态()式从初态(T T0 0、P P0 0)到终)到终态(态(P P、T T)积分可得干绝热方程:)积分可得干绝热方程:干绝热过程中,干绝热过程中, 温度变化完全取决温度变化完全取决于气压的变化。于气压的变化。pdpCpRTdT pCRPPTT00Cp=1.005 J/gKR =0.287J/gK286. 000PPTT2、干绝热直减率和湿绝热直减率、干绝热直减率和湿绝热直减率1)、干绝热直减率)、干绝热直减率干绝热干绝热过程中气块温度随高度的变化叫
7、干过程中气块温度随高度的变化叫干绝热减温率。用绝热减温率。用 表示表示。按定义按定义可推导得(过程略)可推导得(过程略): d d =0.98 =0.98 /100m/100m 气象工作中常把气象工作中常把d d看作常数看作常数, ,近似有近似有 d d =1 =1 /100m /100m 说明在干绝热过程中,气块每上升说明在干绝热过程中,气块每上升100100米,米,气温约下降气温约下降1 1 ddzdTidn必须注意:必须注意:d d 与与(气温直减率)的(气温直减率)的含义是完全不同的。含义是完全不同的。d d 是干空气在绝是干空气在绝热上升过程中气块本身的降温率,它近热上升过程中气块本
8、身的降温率,它近似于常数;而似于常数;而是表示周围大气的温度是表示周围大气的温度随高度的分布情况。大气中随地随高度的分布情况。大气中随地- -气系气系统之间热量交换的变化,统之间热量交换的变化,可有不同数可有不同数值,即可以大于、小于或等于值,即可以大于、小于或等于d dn如果气块的起始温度为T0,干绝热上升Z 高度后,其温度T 为n T=TT=T0 0-d-dZ Z2)湿绝热直减率)湿绝热直减率n 饱和湿空气绝热上升时,如果只是膨胀降温,亦应每上升100m 减温1。但是,水汽既已饱和了,就要因冷却而发生凝结,同时释放凝结潜热,加热气块。n所以饱和湿空气绝热上升时因膨胀而引起的减温率恒比干绝热
9、减温率小。饱和湿空气绝热上升的减温率,称为湿绝热直减率,以m m 表示。n饱和湿空气的垂直运动过程称为湿绝热饱和湿空气的垂直运动过程称为湿绝热过程。过程。n湿绝热方程湿绝热方程:说明:饱和湿空气上升时,温度变化是由说明:饱和湿空气上升时,温度变化是由两方面作用造成的两方面作用造成的 气压降低膨胀作功,气压降低膨胀作功, 潜热释放使气块增加热量。潜热释放使气块增加热量。 这两项作用相反,所以湿绝热过程的这两项作用相反,所以湿绝热过程的减温率比干绝热过程小。减温率比干绝热过程小。sppdqCLPdPTCRdTn湿绝直减率m 的表达式可写成:n因为 总有dZdqsCpLdm0dZdqsCpLdmdm
10、n左图为干、湿绝热线的比左图为干、湿绝热线的比较,干绝热线直减率近于较,干绝热线直减率近于常数,故呈一直线;而湿常数,故呈一直线;而湿绝热线,因绝热线,因mmdd,故,故在干绝热线的右方,并且在干绝热线的右方,并且下部因为温度高,下部因为温度高,m m 小,小,上部温度低,上部温度低,m m 大,这大,这样形成上陡下缓的一条曲样形成上陡下缓的一条曲线。到高层水汽凝结愈来线。到高层水汽凝结愈来愈多,空气中水汽含量便愈多,空气中水汽含量便愈来愈少,愈来愈少, m m 愈来愈愈来愈和和d d 值相接近,使干、值相接近,使干、湿绝热线近于平行。湿绝热线近于平行。3.位温和假相当位温引入位温的意义:比较
11、不同气块间的热力引入位温的意义:比较不同气块间的热力性质。性质。定义:把不同高度的气块按干绝热过程移定义:把不同高度的气块按干绝热过程移动到动到10001000百帕等压面,气块在这个高度百帕等压面,气块在这个高度的温度称为位温,用的温度称为位温,用表示。表示。表达式:表达式:式中,T、P 分别为干绝热过程起始时刻的温度和气压286.0)1000(PT位温的意义和保守性位温的意义和保守性:位温高的气块:位温高的气块是暖气块,位温低的是冷气块。干是暖气块,位温低的是冷气块。干绝热过程是可逆的,位温是不变的。绝热过程是可逆的,位温是不变的。n气块在循干绝热升降时,其位温是恒定不变的。这是位温的重要性
12、质。n只有在干绝热过程中才具有保守性。假相当位温假相当位温sese n在湿绝热过程中,由于有潜热的释放或消耗,位温在湿绝热过程中,由于有潜热的释放或消耗,位温是变化的。是变化的。n大气中的水汽达到凝结时,假设一种极端的情况,大气中的水汽达到凝结时,假设一种极端的情况,即水汽一经凝结,其凝结物便脱离原上升的气块而即水汽一经凝结,其凝结物便脱离原上升的气块而降落,而把潜热留在气块中来加热气团,降落,而把潜热留在气块中来加热气团,n这种过程称这种过程称假绝热过程假绝热过程。当气块中含有的水汽全部。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凝结降落时,所释放的潜热,就使原气块的
13、位温提高到了极值,这个数值称为高到了极值,这个数值称为假相当位温假相当位温,n 用用se se 表示,表示,n设有一气块,其温、压、湿分别为(设有一气块,其温、压、湿分别为(P P、T T、q q)。在绝热图表上温度、压力始于)。在绝热图表上温度、压力始于A A 点,点,这时气块是未饱和的,令其沿干绝热线上升这时气块是未饱和的,令其沿干绝热线上升到达凝结高度到达凝结高度B B 点,这时气块达到饱和;当点,这时气块达到饱和;当气块再继续上升时,就不断地有水汽凝结,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
14、令其沿干绝热线下汽全部凝结降落后,再令其沿干绝热线下n沉到沉到1000hPa1000hPa,此时气块的温度就是假相当,此时气块的温度就是假相当位温位温sese。二、大气静力稳定度二、大气静力稳定度n(一)大气稳定度的概念(一)大气稳定度的概念n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在的层次,是否易于发生垂直运动,即是否易于发生对流。 在静止大气中,某一气块儿受到扰动在垂直在静止大气中,某一气块儿受到扰动在垂直方向产生一定位移后,将有三种情况可能发生:方向产生一定位移后,将有三种情
15、况可能发生: 有返回原来位置的趋势有返回原来位置的趋势稳定大气稳定大气 更加远离平衡位置更加远离平衡位置 不稳定大气。不稳定大气。 静止在新的位置达到平衡静止在新的位置达到平衡 中性大气中性大气。(二)判断大气稳定度的基本方法(二)判断大气稳定度的基本方法空气块温度比,空气块温度比, 周围空气温度,周围空气温度,a a为加速度为加速度TTTgain2.2.用温度直减率判断用温度直减率判断 干绝热过程:干绝热过程: 假设:初始气块与周围大气的温度是假设:初始气块与周围大气的温度是 T T0 0,气气块的减温率是块的减温率是 d d,周围大气的减温率是,周围大气的减温率是 ,有:有: T Ti i
16、= T= T0 0 - - d dZZ T= T T= T0 0 - -Z Z可推出:可推出: a =(a =(d d)ggZ Z/T/T d d 时,时,a a 0 0 , 不稳定大气不稳定大气 d d 时,时,a a 0 0 , 稳定大气;稳定大气; = = d d 时,时,a = 0 a = 0 , 中性大气。中性大气。d-P dTT-PTd不稳定大气不稳定大气稳定大气稳定大气中性大气中性大气n现举例说明:设有现举例说明:设有A A、B B、C C 三团空气,均未饱和,三团空气,均未饱和,其位置都在离地其位置都在离地200m200m的高度上,在作升降运动时其的高度上,在作升降运动时其温度
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