风能资源的大气热力学探索水蒸汽凝结辐射特性研究课件

2023年9月26日华北电力大学周少祥水蒸汽凝结辐射特性及其对气候变化的影响2023年8月8日华北电力大学周少祥水蒸汽凝结辐主要内容1.全球气候变暖中夜间增温速率大于白天的物理机制问题2.为什么水汽变化会被排除在气候变化问题研究之外？3.水蒸汽凝结的经典解释及其存在的问题4.水蒸汽凝结辐射特性及其温室效应5.水蒸汽凝结辐射的证据6.水蒸汽凝结辐射特性及其对气候变化的影响7.中国气候历史不支持全球气候变暖论8.结束语2023年9月26日主要内容1.全球气候变暖中夜间增温速率大于白天的物理机１．全球气候变暖中夜间增温速率

大于白天的物理机制问题IPCC第三次报告(2001):自1860年使用仪器进行气候观测以来，全球地表气温增加了0.6±0.2℃；——不断被强化！自从21世纪50年代以来，全天最高和最低气温测量已覆盖50%以上的全球陆地面积；

——其实实际只占地球表面积的15%!平均日平均最低气温的增温速率是最高气温的2倍，全天温度范围减小0.8℃。——基本被忽视或遗忘！2023年9月26日为什么夜间增温幅度高于白天？基于CO2的温室效应理论无法解释！１．全球气候变暖中夜间增温速率

大于白天的物理机制问题IPC２．为什么水汽变化会被排除在

气候变化问题研究之外？大气物理学权威、英国著名气象学家B.J.梅森建立的水蒸汽凝结方程，认为几乎全部凝结潜热从云滴表面通过周围空气传导而耗散。——理论上于是乎，水从地表蒸发(对地表的一种冷却)，升腾到达高空凝结成云，潜热传给高空的大气，因此对地表不再有影响。——许多人有这样的感觉地球表面70%是海洋，大气中的水蒸汽主要来自海洋蒸发，人为因素很少。——实际情况长时间跨度的降水量变化基本无从考证(？!)据此，IPCC将水汽变化的影响排除在气候变化问题研究之外，认定气候变暖是人为活动导致的。2023年9月26日是否可以说气候变暖是IPCC的主观认定？把全球气候变化及其对策研究带入了歧途？２．为什么水汽变化会被排除在

气候变化问题研究之外？大气物理３．水蒸汽凝结的经典解释

及其存在的问题“水汽凝结释放的潜热既升高了云滴表面温度，又向外传导热量”

——引自《大气物理学》教材，与梅森观点同其完整热力学意义是：低温大气中的水汽凝结在高温的云滴上，一方面使云滴表面温度升高，另一方面又反过来通过热传导将潜热传给包括低温水汽在内的周围大气。违反了热力学第二定律——可以通过多元体系化学势和相平衡原理予以证明因此，这样热传导不可能进行现在的问题是，水蒸汽在高空凝结了，潜热也一定释放出去了，又不能热传导(对流和导热)给周围的大气，那么，潜热去了哪儿呢？2023年9月26日３．水蒸汽凝结的经典解释

及其存在的问题“水汽凝结释放的潜热４．水蒸汽凝结辐射特性

及其温室效应显然，水蒸汽凝结辐射释放潜热是唯一可能的途径大部分(55%?)向宇宙空间，是对地球的一种冷却——地气系统的一种负熵流，是维持其宏观时空有序结构的关键(符合普里戈金的耗散结构理论)小部分(45%)向地表，构成地气系统温室效应的主体全球多年平均降水量5.77×1014m3，潜热量1.44×1021kJ，折合辐射强度约40W/m2(L=2500kJ/kg)CO2等温室气体总共才2.43W/m2(可能是被高估的数据)与玻璃暖房的温室效应有异曲同工的效果(玻璃反射红外线)因此，水蒸汽凝结辐射对地表产生直接影响

——与“感觉”是不同的2023年9月26日假定全球降水增加0.5%，其中45%的潜热被大气吸收，则大气升温0.61℃，与IPCC报告的0.6±0.2℃持平。混于大气多元体系中，作用大幅度减小，且不能单方面释放辐射能４．水蒸汽凝结辐射特性

及其温室效应显然，水蒸汽凝结辐射释放５．水蒸汽凝结辐射的证据76Hz-9MHz频段大气无线电背景噪声具有明显的水蒸汽凝结特性——国内外文献的初步查询结果夜间高于白天、夏天高于冬天、海洋高于陆地——水蒸汽更多下午高于上午——水蒸汽扩散到达高空需要时间大风高于无风——水汽大量凝结的必然结果

(换句话说，气候(天气)突变的信号隐藏在水蒸汽凝结辐射特性之中)2023年9月26日注：高频背景噪声与水蒸汽凝结特性不符，最大的可能是其背景性(周向均匀性)不强所致，如东边日出西边雨，尤其是雷暴等。５．水蒸汽凝结辐射的证据76Hz-9MHz频段大气无线电背景2023年9月26日JJ.Harwood,M.A.,“AtmosphericRadioNoiseatFrequenciesbetween10kc/sand30kc/s”,IEEEXplore,TheInstitutionofElectricalEngineersofEngland,

PaperNo.2619R1958:293-300.1955.51955.11955.41955.61955.71955.81955.91953.71953.81953.91953.101954.11954.21954.31955.51955.61955.71955.81955.91955.110kc/s23-25kc/s23-25kc/s33kc/s2023年8月8日JJ.Harwood,M.A.,“2023年9月26日典型等效噪声日变化曲线7月5月12月10月超低频78Hz(美国东北部康涅狄格州，1976-78年)王小京，“超低频信号场强与大气噪声研究”，《舰船电子工程》，2009年第9期：79-83。2023年8月8日典型等效噪声日变化曲线7月5月12月10月６．水蒸汽凝结辐射特性

及其对气候变化的影响几乎所有监测到的全球气候变暖都是由于夜间增温所致IPCC报告：全球气候变暖中，夜间增温速率是白天的2倍《气候变化与气候过程》：夜间增温幅度约0.84℃，日间0.28℃[EdwardBryant(澳),CambridgeUniversityPress,1997]从冬到夏的年度气候变暖中，也是夜间增温幅度高于白天，并且南方高于北方。海洋气候地区的日较差小于内陆。2023年9月26日中国南北主要城市日较差表城市1月4月7月10月年哈尔滨11.613.09.911.511.7北京11.212.99.311.911.4武汉8.78.77.69.68.6广州8.66.67.48.47.6单位：℃年度CO2变化非常小，其影响可以排除；冬夏水汽变化很大却是一个明显的事实。因此气候变化的主导因素是水汽变化。由于水汽主要来自海洋蒸发，因此气候变化由自然因素决定，而非人为活动。IPCC第三次报告：“从北半球中高纬度陆地大的和极端降水事件推断，总降水以一定比例迅速增大很可能已经发生了”。６．水蒸汽凝结辐射特性

及其对气候变化的影响几乎所有监测到的７．中国气候历史不支持

全球气候变暖论(一)中国是人类文明古国，幅员辽阔，历史记载全面丰富和翔实，中国的气候变化在全球具有非同寻常的代表性。丁一汇院士团队的文章“中国气候变化的检测和预估”中国气候的显著特征：周期变化——变暖？沁园春·雪诞生年注：站点太少？如果站点多一些，会更接近平均值?７．中国气候历史不支持

全球气候变暖论(一)中国是人类文明古７．中国气候历史不支持

全球气候变暖论(二)竺可桢先生关于中国气候变化的描述(1973年)我国近五千年中的最初二千年(即从仰韶文化到安阳殷墟)，大部分时间的年平均温度高于现在2℃左右。一月温度大约比现在高3-5℃。在那以后，有一系列的上下摆动，其最低温度在公元前1000年、公元400年、1200年和1700年，摆动的范围为1-2℃。在每一个四百至八百年的期间里，可以分出五十至一百年为周期的小循环，温度升降范围是0.5-1℃。……，还有很多的证据中国气候的显著特征：周期变化——变暖？2023年9月26日７．中国气候历史不支持

全球气候变暖论(二)竺可桢先生关于中8．结束语水蒸汽凝结辐射特性——是一种尚未被认知的大气温室效应机制？是一项值得研究的重大基础性科学问题。全球气候变化的主导因素是水汽变化所致，主要驱动力是自然的(即太阳的作用)，而非人为。——因此，我们的应对策略一定要得当。2023年9月26日8．结束语水蒸汽凝结辐射特性2023年8月8日谢谢大家！欢迎批评指正！2023年9月26日谢谢大家！2023年8月8日F.需要进一步研究的问题(一)

大气热力学新理论体系的构建（1）大气热力学分析的新理论和方法（2）气体上升运动的大气热力学分析（3）风能资源的大气热力学探索水蒸汽凝结辐射特性研究（1）水蒸汽凝结辐射特性的测试（2）水蒸汽凝结辐射特性的规律性分析，并与大气无线电噪声对比（3）测试水蒸汽凝结强度与辐射强度的内在关系基于水蒸汽凝结辐射特性的大气辐射特性研究（1）气候变化过程及其信息传输特性研究（2）基于水蒸汽凝结辐射特性的大气透过率特性研究（3）气候突变特征信号的分析气候变化机制的再研究与气候模拟（1）大气水汽循环中的水蒸汽凝结辐射特性分布规律（2）基于水蒸汽凝结辐射特性的温室气体组成及多元体系化学势的协同作用机制（3）温室气体效应与气候变化的关联性研究（4）基于水蒸汽凝结辐射特性的气候变化历史实例分析2023年9月26日属于重大基础性科学研究——物质相变电磁特性及其影响F.需要进一步研究的问题(一)大气热力学新理论体系的构建2F.需要进一步研究的问题(二)2023年9月26日15℃的饱和大气，气温升高2℃湿空气含湿量净增加Δd=1.3g/kggCO2在大气中质量分数只有0.58g/kg1atm湿空气焓湿图气候变暖与大气焓湿图(？)F.需要进一步研究的问题(二)2023年8月8日15℃的饱和F.需要进一步研究的问题(三)基于“水”的气候变迁历史考证——与水有关的历史典故、俗语和历史事件等很多很多。冰点为0℃，液态水意味着气温高于0℃。远古洪荒，海田沧桑大禹治水——气候温暖？黄河改道——水多，时间跨度？一九二九不出手，三九四九冰上走，五九六九沿河看柳，……——何时出现？“河”指哪？准确解释？北国风光，千里冰封，万里雪飘。望长城内外，惟余莽莽。大河上下，顿失滔滔。……，[毛泽东主席诗词<沁园春·雪>，1936年2月]……，2023年9月26日只有18天能在河冰上走？F.需要进一步研究的问题(三)基于“水”的气候变迁历史考证—F1.化学势与分子扩散的方向渗透与反渗透——膜分离技术的理论基础同温同压下，多元体系中组元的化学势小于纯组元的化学势，因此在化学势差的作用下，纯组元的物质必然向多元体系扩散

——渗透过程：渗透压∞浓度差反渗透——在多元体系侧加压，提高分离组元的化学势，克服渗透压温度对于反渗透过程的影响这意味着云滴也是多元体系，不是纯水。纯物质化学势该物质在多元体系中的化学势F1.化学势与分子扩散的方向渗透与反渗透——膜分离技术的理大气是一种含有水蒸汽的多元体系(有时称为湿空气)如果将湿空气冷却到某一定温度时，其中的水蒸汽开始凝结，这一温度称为露点温度湿空气结露是一种相变热力学过程，当多元体系达到热力学平衡态，则满足如下相平衡条件：根据热力学第二定律：热只能自发地从高温向低温传递；物质只能由化学势高的地方向化学势低的地方扩散。水蒸汽凝结是我们关注的问题，水滴的化学势与大气中水蒸汽的化学势相等。因此，化学势是分析大气中水蒸汽凝结过程的有力武器。大气系统中任何热力学过程都必须遵循热力学第二定律，否则其结论就是错误的。F2.大气(湿空气)露点的相平衡条件大气是一种含有水蒸汽的多元体系(有时称为湿空气)F2.大气(F3.大气能量平衡和水蒸汽凝结

的有关问题大气的能量平衡太阳能是大气的主要能量来源大气向宇宙空间的净热辐射是维持大气温度基本稳定的关键大气能量平衡——动态过程大气物理学的水蒸汽凝结模型若潜热完全被周围大气吸收，云滴与空气的容积比大气的能量平衡万米高空全球57.7万km3的降水量，潜热量1.44×1021kJ(2500kJ/kg)，若全部被大气吸收，大气温度将升高272.4℃——这显然不是事实。意味着大气温度不变大气中有这样的条件吗？——天空大部云覆盖F3.大气能量平衡和水蒸汽凝结

的有关问题大气的能量平衡大气F4.大气水蒸汽凝结过程的简单描述大气沿高度有相对稳定的温度差、密度差和压力差；水从地表蒸发，这时大气中水蒸汽的化学势高于高空大气中的水蒸汽(其他气体随温度升高有类似情况)；在化学势差作用下，水蒸汽向上扩散，速度将高于其他气体(？涉及大气动力学)；随着扩散过程中大气向外层空间的净热辐射，大气温度逐渐降低；即到达一定高度之后，水蒸汽开始凝结(露点温度)；随着凝结的进行，大气中水蒸汽分压力降低，其化学势将随之降低，因此要求迁移至更低大气压和温度区域凝结；而凝结形成负压引起气流上升，加上对外净热辐射，迎合了这一要求。(赤道对流层更高de原因？）2023年9月26日F4.大气水蒸汽凝结过程的简单描述大气沿高度有相对稳定的温度F5.水蒸汽凝结辐射放热

的微观物理学机制太阳上氢核聚变的能量通过辐射向宇宙传播燃烧化学反应水蒸汽凝结：地球是通过辐射不断向外传播能量的宇宙间的能量传输——辐射原子级变化，太剧烈，不可控聚合过程分子级变化、剧烈、可控物理变化、热烈E=m·C2——辐射的物理学基础F5.水蒸汽凝结辐射放热

的微观物理学机制原子级变化，太剧F6.大气热力结构简述大气热力结构——对流层、平流层、中间层、热层水汽的蒸发与凝结(凝华)主要发生在对流层对流层顶部高度极地上空约为8～14km赤道上空约为15～20km虽然赤道地区地面温度比极地高很多，但极地对流层顶的温度却比赤道地区高15～25K平均垂直温度递减率约6.5-9K/km地球大气中传热学尺度上的温差是非常小的2023年9月26日F6.大气热力结构简述大气热力结构——对流层、平流层、中间层F7.大规模二氧化碳的技术减排

——无法实施的工程根据我国的经济发展及能源资源等条件，进行二氧化碳减排是一项沉重的负担。我国铁路货运能力的50％以上在运煤C+O2→CO2——质量增加3.67干冰或压缩气体？——远离平衡态，不