城市空气污染气象学第三章大气温度

城市空气污染气象学

第三章大气温度1华东师范大学资环学院乐群2013-10-172大气的增温和冷却大陆：受热快，冷却也快，温度升降变化大海洋：温度变化缓慢海陆性质差异：海陆吸收太阳能不同（反射率）太阳能在海陆分布不同（厚度）海陆水源供应不同，蒸发量不同各种物质的比热差异海陆的差异2013-10-173空气的冷热程度实质上是空气内能的表现1）由空气与外界热交换引起（非绝热变化）2）由外界压力变化作功引起（绝热变化，没有热交换）3空气的差异2013-10-174

空气的增温和冷却1、气温的非绝热变化

空气与外界有热量交换

热量交换方式：传导、辐射、对流（暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便下降补充，这种升降运动称对流）、湍流（空气的不规则运动，又称乱流）、蒸发（升华）或凝结（凝华）2013-10-1752、气温的绝热变化（空气与外界没有热量交换时的状态变化过程）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，由于外界气压比气团内部气压高，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。2013-10-176PP-ΔPPP-ΔPP+ΔPP+Δp绝热冷却绝热增温气温的绝热变化干绝热方程（泊松方程）：2013-10-177绝热过程升、降气块内部没有水相变化——干绝热过程升、降过程中有水相变化——湿绝热过程2013-10-178

对于空气，热力学第一定律：对某一热力学系统输入的热能应该等于该系统内能的变化与该系统所作功的和。∆Q=∆E+∆W系统对外所作的功系统的内能变化2013-10-179对于理想气体，气体内能就是其分子运动的动能。对于1g气体而言，它等于Cv

T

（T

为气体温度，Cv

为定容比热）当气温变化为时，其值为2013-10-1710在定压状况下气体膨胀所作的功P表示压力V表示气体比容2013-10-1711由此利用状态方程对它进行微分，则有2013-10-1712这是气象学中热力学第一定律的常用形式2013-10-1713大气热力学定律Q是大气的热源，包括辐射加热、地球表面输送的感热和大气中因水汽凝结而释放的潜热；Cp是定压条件下的比热∆Q=Cp∆T-α∆p公式说明外部对大气所加的热量会引起大气温度和压力的变化。因此，大气受热时，若大气的压力保持不变，则大气的温度要上升；若温度保持不变，则气压要降低。2013-10-1714干绝热方程（泊松（Poisson）方程）给出了干绝热过程气块初态（P0,T0）和终态（P,T）之间的内在联系，即绝热变化时温度随气压变化的具体规律。2013-10-1715干绝热过程与减温率若气块中空气不含水汽，此气块的气压、体积或温度改变，但无热量从此气块进出，称此过程为干绝热过程。气块绝热上升单位距离时的温度降低值称为绝热垂直直减率（简称直减率），对于干空气和未饱和的湿空气来说，称干绝热直减率。100m2013-10-1716

（干绝热直减率）与（气温直减率）前者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；后者表示周围大气的温度随高度的分布情况。大气中随地—气系统之间热量交换的变化，可有不同数值，即可以大于、小于或等于。2013-10-1717

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1ºC。2）水汽既已是饱和的，它会因为上升冷却而发生凝结，凝结放热，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，降温要小于干绝热直减率。这就是大气温度的湿绝热变化。湿绝热直减率（）：饱和湿空气块上升（下沉）单位距离使温度降低（升高）的数值。

<1ºC是一个变数2013-10-1718湿绝热方程湿绝热直减率（）饱和湿空气绝热上升的减温率2013-10-1719当饱和湿空气上升时，下降时

所以：2013-10-1720干绝热线及湿绝热线2013-10-1721干湿绝热线的比较：干绝热直减率近似于常数，故是一直线。是一个变量，所以是一个曲线。

①湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。，上升同样的高度始终是T(湿）>T（干）

②

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，

小，随高度上升温度下降慢；大气层上部温度低

大，随着高度上升温度下降快。（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γm=γd

，从而使两条线近于平行。T(干）T(湿）100m<02013-10-1722位温气块从原有的压强和温度出发，绝热膨胀或压缩到标准压强P0（1000hPa）处，所具有的温度。重要性质：气块在循干绝热升降时，其位温是恒定不变的，具有保守性。2013-10-1723关于位温的保守性的证明：对位温表达式取对数并对时间求导：

另一方面，对于热力学第一定律：

由此式代入上式，则2013-10-1724

这是用位温表示的热力学第一定律，由此式可知，在干绝热过程中（），或或2013-10-1725假相当位温（）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，这种过程称假绝热过程。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。2013-10-1726假相当位温的确定它不仅考虑了气压对温度的影响，而且也考虑了水汽对温度的影响，是关于温度、压力、湿度的综合特征量，对于干绝热、假绝热和湿绝热过程都具有保守性。事实上，同一时间对同一团空气而言，温度的变化常常是两种原因共同引起的。何者为主，要看具体情况