大气的热能和温度-第三节

第三节大气的增温和冷却

第三章大气的热能和温度王锡平河北师范大学大气接受或支出差额辐射之后，增加或减少的辐射能==

？效应一、海陆的增温和冷却的差异大气的热能主要来自地面。地面差异明显，因而对大气的增温冷却过程显著不同。海洋和陆地高山和深谷高原和平原林地和草地湿区和干区海洋和陆地的差异最大。海洋与大陆的热差异1、反射率差异（差异约为10—20％）：海洋吸收更多太阳辐射。2、透射率差异：陆地所吸收的太阳能分布在很薄的表面上，而海水所吸收的太阳能分布在较厚的层次。而水对紫外线和波长较短的可见光线相当透明（水对红色光线和红外线可以说是不透明）。3、海洋热传播更有效：热能在水体以更有效的方式传播如括波浪、洋流和对流作用。陆面表面温度急剧变化，增加陆面和大气之间的显热交换；水体内热能分布在较厚的层次，水温增高少，减弱水面和大气之间的显热交换。所得的太阳辐射，陆面传给空气的约一半，水不过0.5％。4、水分相变：水体蒸发失热，使水温变化变缓。另外增加了空气水分，增加吸收地面辐射的能力，使气温不易降低。陆面正好相反。5、岩石和土壤的比热小于水的比热。以上热特性差异造成的结果：

海陆热力过程互不相同。

大陆受热快，冷却也快，温度升降变化大；而海洋上温度则变化缓慢，如大洋中年最高最低气温的出现要比大陆延迟一两个月。二、空气的增温和冷却引起空气内能变化的原因：非绝热变化：由于空气与外界有热量交换引起绝热变化：空气与外界没有热量交换，而是由于外界压力的变化对空气做功，使空气膨胀或者压缩引起空气的冷热程度只是一种现象，它实质上是空气内能大小的表现空气状态方程？？（一）空气温度的非绝热变化1、传导（conduction）：依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另外一个分子，从而达到热量平衡的传热方式。有温差时才会以这种方式交换热量。由于地面和大气都是热的不良导体，所以通过这种方式交换的热量很少，其作用仅在贴地气层中较为明显。热交换，方式：2、辐射（radiation）：物体之间依靠各自温度以辐射方式交换热量的传热方式。任何物体只要温度高于零下273.15℃就能向外界发射辐射能。大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热，地面也吸收大气逆辐射，这样它们之间就通过长波辐射的方式不停地交换热量。空气团之间，也可以通过长波辐射而交换热量。3、对流（convection）：依靠介质本身的有规律的升降运动而进行的热量传递方式。当地面暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气就下降来补充，这种升降运动称为对流。对流能使空气上下层的热量得到交换。对流，是对流层中热量交换的重要方式。4、湍流(turbulence)：空气的不规则运动（又叫乱流）。湍流是在空气层相互之间发生摩擦或空气流过粗糙不平的地面时产生。有湍流时，相邻空气团之间发生混合，热量就得到了交换。湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。实际是具有不同能量的空气分子带着其能量进行混合所导致的能量混合5、水分相变(evaporationandcondensation)：水在蒸发（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。6、平流（advection）：大规模空气的水平运动称为平流。空气经常发生大规模的水平流动，当冷空气流经暖的区域时，可使流经区域温度下降；反之，当暖空气流经冷的区域时，可使该区域的温度升高。空气的平流运动对缓和地区之间和纬度之间的温度差异有很大作用，是水平方向上传递热量的主要方式。（二）空气温度的绝热变化

在气象学上，任一气块与外界之间无热量交换，也没有质量交换的状态变化过程，称为绝热过程

空气团在绝热上升过程中，由于外界压力的不断减小，空气团体积膨胀对外界做功，因空气团与外界无热量交换，所以做功所消耗的能量，使空气团因消耗内能而降温，这种现象称为绝热冷却

空气团在绝热下沉过程中，因为外界压力的不断增大，空气团被压缩体积缩小，外界对气团做功，在绝热条件下，所作的功只能用于增加气团的内能，因而气团温度升高，这种现象称为绝热增温

没有与周围介质之间的热交换绝热变化可以分为干绝热变化和湿绝热变化1）、干绝热变化：干空气或未饱和湿空气团，在绝热上升或下降过程中没有发生水分相变现象，称为干绝热变化。在干绝热过程中气团上升单位高度空气温度的变化称为干绝热直减率（ϒd），ϒd≈0.98℃/100m≈1℃/100m。也就是说，在干绝热过程中，空气团（气块）每上升或下降100m，温度要降低或升高1℃。干绝热方程（泊松方程-P38）描述干绝热过程中气温随压强的变化规律：

2）、湿绝热变化：饱和湿空气团，在绝热升降运动过程中会有水的相变，这种绝热变化称为湿绝热变化。在湿绝热过程中其温度随高度的变化率称为湿绝热直减率（即湿绝热垂直减温率），常用ϒm表示.ϒm

随温度和气压而变化在对流层中，ϒm

平均值为0.5℃/100m

温度气压－30－20－10010203010000.930.860.760.630.540.440.389000.930.850.740.610.520.430.378000.920.830.710.580.500.41

7000.910.810.690.560.470.38

6000.900.790.660.520.44

5000.890.760.620.480.41

4000.870.720.570.44

3000.850.660.510.38

湿绝热直减率（℃/100米）随温度和气压的变化≈1℃/100m≈0.5℃/100m为什么呢？

与0.65是一回事吗？干空气湿空气空气块上升膨胀对外界做功消耗内能温度降低空气块上升膨胀对外界做功消耗内能温度降低但在上升时气温降低的水汽凝结释放潜热，补偿了一部分由于压力变化造成的内能消耗

水汽含量湿绝热直减率表达式（P40）：

ϒm

在气压一定的条件下随温度升高而减小原因：气温高时，空气的饱和水汽压大，水汽含量多，每降低1℃所凝结的水汽量比低温时多，释放出来的凝结潜热也较多的缘故

ϒm

在温度一定的条件下随气压的升高而增大随气压和温度的变化规律干绝热直减率

湿绝热直减率气温直减率和是指某气团升降过程中，气团本身的温度变化率，表示实际大气层中温度随高度的变化率。物理意义是否相同？3）、

位温和假相当位温把某个高度层中的气块循着干绝热的程序订正到一个标准高度（1000hΡa）处，这时气块所具有的温度称为位温，以θ表示。泊松方程：

气块在循干绝热升降时，其位温是恒定不变的。

假相当位温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降落，而把潜热留在气块中加热气团，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，所释放的潜热就使气块的位温提高到了极值，这个位温称为假相当位温，用θse表示。

θse绝热变化和非绝热变化事实是，同一时间对同一团空气而言，温度的变化常常是绝热变化和非绝热变化两种原因共同引起的。当空气团停留在某地或在地面附近作水平运动时，气温的非绝热变化是主要的。空气团作升降运动时，气温的绝热变化是主要的。三、空气温度的个别变化和局地变化单位时间内个别空气质点温度的变化称作空气温度的个别变化。某一固定地点空气温度随时间的变化称作空气温度的局地变化。空气温度的局地变化由以下三方面因子决定：空气平流运动传热过程空气垂直运动传热过程与外界热交换量：辐射、湍流、水汽相变等四、大气静力稳定度（一）

大气稳定度的概念大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离平衡位置的趋势和程度。它表示在大气层中个别空气块是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动、发生对流的趋势。??γdγmγ稳定层结：气块受到垂直方向冲击力离开原来的位置后大气层结使它获得的加速度方向与位移方向相反，加速度有使气块返回原来位置的趋势不稳定层结：气块受到垂直方向冲击力离开原来的位置后大气层结使它获得的加速度方向与位移方向相同，加速度有使气块离开原来位置的趋势中性层结：气块受到垂直方向冲击力离开原来的位置后大气层结使它获得的加速度为0，则气块既不远离平衡位置也无返回原平衡位置的趋势，而是保持惯性作用作等速运动（一）大气静力稳定度的定义

下标i表示气团下标e表示周围大气气团i受到的外力（层结内力）包括浮力和重力：浮力单位质量的空气块所受的力就是加速度判定稳定度的基本公式

大气静力稳定度的公式分析状态方程准静力条件浮力与重力之差（1）当时，气块比周围大气暖和，

气块获得向上的加速度，气块加速。

（2）当时，气块比周围大气冷，

气块获得向下的加速度，气块减速。

（3）当时，气块和周围大气无温度差，

气块和周围大气处于相对平衡状态。

（二）大气静力稳定度的判别方法（二）大气静力稳定度的判别方法作垂直运动的气块达到新高度时所获得的垂直加速度为：起始高度处由于气块的温度和周围空气的温度差异而引起的垂直加速度

（1）当时，气块比周围大气暖和，

气块获得向上的加速度，气块加速。

（2）当时，气块比周围大气冷，

气块获得向下的加速度，气块减速。

（3）当时，气块和周围大气无温度差，

气块和周围大气处于相对平衡状态。

在原始高度时：气块垂直运动已产生时是否能够继续发展，将取决于气块在升降运动的过程中温度直减率和周围环境空气温度的直减率的对比。初始运动到新高度获得的新的加速度：，当时，，垂直加速度的方向与气块位移方向相同，气块上升时，，气块将加速上升；若气块下沉时，，此时，气块将加速下沉。说明这种气层是不稳定的。当时，，垂直加速度的方向与气块位移方向相反，气块上升时，，气块有返回原来位置的趋势；若气块下沉时，，此时，气块将减速下沉。说明这种气层是稳定的。判断稳定度当时，，此时如果没有摩擦力存在，气块将作匀速运动，大气层结属于中性的。未饱和湿空气（相当于干空气）的稳定度判据未饱和湿空气的稳定度判据比较饱和湿空气的稳定度判据比较饱和湿空气稳定度的判据当时，，垂直加速度的方向与气块位移方向相同，气层对于饱和湿空气是不稳定的。当时，，垂直加速度的方向与气块位移方向相反，气层对于饱和湿空气是稳定的。当时，，气层对于饱和湿空气是中性的。饱和湿空气稳定度的判据（1）当时，对于未饱和湿空气，还是饱和湿空气，都是不稳定的，因此称为绝对不稳定气层。稳定度判定总结（2）当时，无论对于未饱和湿空气，还是饱和湿空气，都是稳定的。这种气层称为绝对稳定气层。（3）当时，对于未饱和湿空气是中性层结，由于，所以对于饱和湿空气是不稳定的。（4）当时，对于饱和湿空气是中性层结。由于，所以对于未饱和湿空气而言是稳定气层。稳定度判定总结（5）当时，对于未饱和湿空气是稳定的，而对于饱和湿空气是不稳定的。称为条件性不稳定气层。ϒ越大，层结越不稳定（三）