《大气运动方程》课件

大气运动方程大气运动方程描述了空气质量在空间和时间中的变化规律。其中包括动量方程、连续性方程以及热量方程等,全面反映了大气运动的基本物理过程。课程简介课程概述本课程将深入探讨大气运动的基本理论和方程式,帮助学生全面理解大气环境的动力学特征。学习目标通过本课程的学习,学生将掌握大气环境的数学模型和基本物理过程,为后续气象和环境学习奠定基础。教学内容课程涵盖流体力学、热力学、数学物理等多个学科,以大气环境的实际应用为导向进行教学。大气运动基本概念大气组成大气主要由氮、氧、二氧化碳、水蒸气等气体成分组成,每种成分都对大气运动有重要影响。温度分层地球大气由对流层、平流层、中层气球、热层等几个层次组成,每层温度都有特点。风力驱动大气运动主要由温度差异、地球自转和地形等因素造成的气压差引起,从而形成复杂的风系。水循环过程水蒸气的凝结和降水过程是大气热传输和循环的重要组成部分,影响着大气的热量和动量。流体力学基本方程连续性方程描述流体质量的守恒性,表示流体在任何控制体内质量的输入和输出之差等于该控制体内质量的变化率。动量方程描述流体受到的外力作用会导致流体的速度发生变化,根据牛顿第二定律可以建立动量方程。能量方程描述流体在流动过程中能量的变化,包括内能、势能和动能,反映了流体受到的外界能量输入和输出。状态方程描述流体几何性质、物理性质和热力学性质之间的关系,如温度、压力、密度等。连续性方程连续性方程描述了流体中的质量守恒原理。它表明流体在任何一个微小单元格内，流入的质量和流出的质量是相等的。这是流体运动中的基本方程，为动量和能量方程的推导奠定了基础。连续性方程确保流体在任何一个控制体内的质量守恒，为后续计算动量、能量等提供了基础。动量方程动量方程概述描述物体在外力作用下的运动状态变化。包括牛顿第二定律和欧拉方程。牛顿第二定律力等于质量乘以加速度，描述物体受到合力时的运动变化。欧拉方程描述流体在外力作用下的运动变化。与牛顿第二定律类似，但适用于流体。动量方程是描述物体或流体受外力作用时的运动状态变化的基本方程，包括牛顿第二定律和欧拉方程两种形式。它们反映了力与质量、加速度之间的关系，为后续大气运动方程的推导奠定了基础。能量方程能量方程描述了物理系统内部能量的平衡和转换过程。它是流体力学中的基本方程之一，表示了一个流体微元内部的能量守恒。$1E+10热量$1E+8动能$1E+6位能$1E+4内能能量方程体现了系统内热量、动能、位能和内能之间的平衡关系。它描述了这些不同形式的能量如何在系统内转化和交换。该方程可应用于气象、地球物理等诸多领域的分析和建模。状态方程状态方程是描述气体状态与温度、压力、密度等参数之间关系的数学表达式。常见的状态方程包括理想气体状态方程和范德华状态方程。状态方程可以帮助我们预测和分析大气环境中气体的运动特性。这些关键气体参数在大气环境中变化会影响大气运动情况。状态方程可用于分析和预测这些变化对大气环境产生的影响。边界条件大气边界层大气边界层是大气中距离地表最低的一层,受地表影响较大,是大气运动方程的重要边界条件。地表边界条件地表温度、湿度、动量通量等是大气运动方程的重要边界条件,直接影响大气环流。上边界条件大气上层边界条件也是大气运动方程的重要参数,如大气静稳、上层辐射通量等。简化假设物理机制简化为了方便分析大气运动,在建立数学模型时通常会对一些物理机制进行简化处理,如忽略垂直速度与水平速度相比较小的假设。边界条件简化在大气边界层内,可以假设地表边界条件为光滑平面,而不考虑地表的真实起伏特征。参数化处理一些难以精确描述的过程,如湍流扩散、云雨过程等,采用参数化方法进行近似表达。局地均匀假设在一定空间尺度内,可以假设大气物理量在水平方向上具有均匀分布特征。纳维-斯托克斯方程纳维-斯托克斯(Navier-Stokes)方程是描述流体运动的基本方程,由法国工程师Claude-LouisNavier和英国数学家GeorgeGabrielStokes共同建立。该方程描述了流体的质量、动量和能量的守恒性,是流体力学和大气物理学的基础。1连续性描述流体质量守恒的方程3动量描述流体动量守恒的方程1能量描述流体能量守恒的方程通过求解纳维-斯托克斯方程组,可以得到流体的速度场、压力场等物理量,从而预测和分析复杂的流体运动过程。该方程是流体力学研究的核心,在大气科学、航空航天、海洋学等领域广泛应用。广义坐标系网格系统广义坐标系使用网格系统来描述空间中的位置和运动。这种系统更加灵活和适应性强。坐标变换可以进行从直角坐标系到广义坐标系的灵活变换,更好地描述复杂的几何形态。物理量描述广义坐标系能够更好地描述物理量的分布和演变,有助于分析复杂的物理过程。坐标变换1定义坐标系建立适合描述大气物理过程的坐标系,如惯性坐标系、地球坐标系或旋转坐标系等。2变换方程明确不同坐标系之间的变换关系,包括位置、速度、加速度等物理量的变换。3简化过程根据实际问题,采用适当的坐标系简化大气运动方程的推导和求解。热力学第一定律热力学第一定律是描述热量与其他形式的能量之间关系的基本定律。它说明了能量的转换关系,热量可以转换为其他形式的能量,如机械能、电能等。定义热量的增加等于系统的内能增加与系统的功作功之和公式Q=ΔU+W应用用于分析热力学系统中能量的转换过程,在工程设计中广泛应用热力学第二定律热力学第二定律:热量只能从温度较高的物体流向温度较低的物体,不能自发地从温度较低的物体流向温度较高的物体。对应概念:自发过程的熵增原理,热机定理,卡诺循环,卡诺效率等。应用:热机、制冷机的工作原理,建筑物能源利用效率评估等。热力学过程等温过程温度保持不变,系统只做功或吸收热量。在等温过程中,内能变化等于热量变化。绝热过程系统与外界完全隔离,不交换热量。在绝热过程中,系统只做功或吸收功。等容过程体积保持不变,系统只做功或吸收热量。等容过程中,内能变化等于热量变化。等压过程压力保持不变,系统只做功或吸收热量。等压过程中,焓变等于热量变化。大气环境热平衡能量收支平衡地球环境存在能量收支平衡,地表吸收和发射的太阳辐射与大气层内部传热过程达到动态平衡,维持着地球整体的热力学稳定。温室效应大气中的温室气体吸收和反射部分地表辐射,导致地表温度升高,形成温室效应,是维持地球温度适宜的关键机制。热量垂直分布由于太阳辐射和地表散热的差异,大气温度随高度呈现出复杂的垂直分布特征,形成不同的对流层、平流层等热力学结构。大气环境能量平衡能量收支大气环境持续地从地面接收太阳辐射、吸收地表热量,同时也向地面释放长波辐射,形成复杂的能量收支平衡。热量交换大气环境通过辐射、对流和导热等过程不断地与地表、海洋和其他大气层进行热量交换,维持整体能量的平衡。温室效应大气中的温室气体如二氧化碳和甲烷等吸收大气辐射热,参与能量平衡,造成温室效应。热量通量热量通量是描述热传递的一个重要概念。它表示单位时间内通过单位面积的热量传递率。热量通量由温度梯度和热导率决定,可分为热量传导、对流和辐射三种形式。了解热量通量对于分析大气热力学过程、能量平衡等至关重要。大气环境中热量传输的主要形式包括热量传导、对流和辐射,它们各自占据一定比重。了解热量通量在不同传热形式之间的分布对于分析大气热力学过程至关重要。热量传导0.1热导率物质内部热量的传导速率2导热方式通过分子热运动进行传递1.6K导热系数不同物质的热量传导能力热量传导是通过物质内部分子热运动的方式将热量从高温区域传递到低温区域。热导率越高的物质热量传导越快。导热系数是反映物质导热能力的重要参数。热量对流热量传导热量通过分子间的碰撞和振动传播热量辐射热量以电磁波的形式传播热量对流热量随流体(如空气或水)流动而传播热量对流是热量传播的主要方式之一。流体(如空气或水)在温度差的驱动下流动,带动热量在不同区域之间传播。这种方式能快速、有效地传递热量,在许多自然过程和工程应用中都发挥重要作用。辐射传热辐射传热是通过电磁波形式在空间中传播的一种热量传输机制。它不需要物质介质就可以传播,能量以光速传播。辐射传热在大气环境中起着关键作用,决定着地球的热量收支平衡。1KW/m²500km300°K—辐射通量厄尼-玻尔人定理定义厄尼-玻尔人定理是描述气体分子在非均匀温度场中的行为的统计力学理论。它说明了气体分子在温度梯度作用下的流动规律。原理该定理指出,气体分子在高温区域具有较大的动能,容易向低温区移动,从而形成热流。这种分子热运动引起的热量传递过程称为热扩散。应用厄尼-玻尔人定理在气象、化工、航空航天等领域得到广泛应用,为研究大气环境中的热量传递过程提供了理论基础。意义该定理阐明了气体热传导的微观机理,为分析大气环境中的热传输过程奠定了理论基础。热力学函数1内能内能是物质粒子的热运动产生的能量总和,反映了物质的热状态。2焓焓是系统的内能与原始体积和压力的乘积之和,用于描述热过程中的能量变化。3熵熵代表了物质系统无序程度的度量,反映了热过程中能量的可用性降低。4吉布斯自由能吉布斯自由能结合了内能、压力-体积功和熵,用于评估自发过程的可能性。热力学参量温度温度是衡量物质热量或热能状态的标准参量,直接反映物质中分子的热运动强度。压力压力表示气体或液体对单位面积的作用力,是大气环境中重要的热力学参量。密度密度反映物质的物理属性,是热力学分析和热量传输的重要参数。焓焓是表示物质内部热能和功能量的综合参量,对于大气热力过程分析很重要。地球大气热力学结构地球大气层的热力学结构由多个特征明显的层次组成,包括对流层、平流层、中间层和热层等。这些层次由不同的温度变化特征和热量传输方式决定,反映了大气中复杂的能量交换过程。理解大气热力学结构对于研究大气环境和气候变化至关重要。地球大气热力学过程1大气吸收地球大气吸收来自太阳的辐射能量2大气加热吸收的太阳辐射能量使大气加热3大气对流大气升温后产生对流运动4大气放热大气通过辐射和对流方式释放热量地球大气发生复杂的热力学过程,包括吸收太阳辐射能量、大气加热、对流运动及最终通过辐射和对流方式释放热量。这些过程共同维持了地球大气的热平衡,影响着地球整体的热量收支和气候变化。大气运动方程应用天气预报大气运动方程是天气预报的基础,能准确预测风、温度、降水等要素变化。气候模拟借助大气运动方程,可以构建复杂的气候模拟系统,预测未来气候变化趋势。空气污染分析大气运动方程可用于分析污染物扩散过程,为制定空气污染治理策略提供依据。大气动力学大气运动方程是描述大气动力学过程的基础,可用于研究风暴、气旋等大气现象。大气环境建模1数学建模基于大气运动方程建立数学模型,模拟大气环境的动力学过程。2数值模拟利用高性能计算机进行数值求解,模拟大气环境的