第四章 大气的热力学过程.ppt

1、第四章 大气热力学基础,本章要点： 掌握气块（空气微团）的假定、干绝热过程、湿空气的绝热过程、位温和假相当位温、逆温层的概念。掌握热力学第一定律在大气中的表达式、大气静力稳定度的判别，条件性不稳定、对流性不稳定的意义，了解空气温度的个别变化和局地变化、影响空气温度局地变化的因素。熟悉T-LnP图的使用，了解对流有效位能、对流抑制位能的意义。,4.1 热力学第一定律在大气中的应用,热力学第一定律 任何一种形式的能量，在一定条件下，可以从一种形式转换成另一种形式。但在转化过程中能量的总值始终保持不变。,4.1.1 热力学第一定律的一般表达式,初、终两态相差无限小-无限小过程,4.1.2 热力学第一

2、定律在气象上的应用形式,定容比热 : 在等容过程中 则： 对于理想气体，其内能只决定于温度T，而与比容无关（焦耳定律）,热力学第一定律在气象上的应用形式之一,热力学第一定律在气象上的应用形式之二,依状态方程 取微分得: 将 代入得:,热力学第一定律在气象上的应用形式之二-热流量方程,在等压的情况下 ，得： 定压比热 应用形式之二： 或：,预备知识：,系统与外界：所研究的物体或物体系称为系统；而其余的与这个系统可能发相互作用的物质环境称为“外界”或“环境”。 系统与外界间互相影响方式：作功、热传递、交换质量三种方式。 根据系统与外界是否交换物质分为开放系和封闭系。 大气热力学中所讨论的系统？,封

3、闭系,大气热力学中所讨论的系统主要有两类,A、未饱和湿空气系统，可以当作由干空气和水汽组成的二元单相系。 B、含液态水（或固态水）的饱和湿空气系统。是指由水滴或（和）固态水质料组成的云雾系统，是含有干空气和水物质的二元多相系。,准静态过程和准静力条件,准静态过程：一个封闭系统若其经历的某过程进行得无限缓慢，以至于系统在此过程中的每一步都处于平衡态，则称此过程为准静态过程。 准静力条件： P=Pe P代表系统内部压强，Pe代表外界压强。,4.2大气中的干绝热过程,4.2.1 气块的概念和基本假定 气块或空气微团是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团 ，作为对实际空气的近似。 绝热过程：仅因

4、气体膨胀和压缩所引起空气温度的增热和冷却过程称绝热过程。 规定： 1、此气块内温度、压强和湿度等都呈均匀分布，各物理量服从热力学定律和状态方程。,4.2.1 气块的概念和基本假定,2、气块运动时是绝热的，遵从准静力条件，环境大气处于静力平衡状态。 和 但应指出，气块内部的温度、密度、湿度不一定和外界的相等。,4.2.2 大气中的干绝热过程（1）,条件： 1）未饱和湿空气（无相变） 2） 在绝热过程中， ，若讨论的是未饱和湿空气（无相变），这样的过程称为干绝热过程。 热流量方程： 令： 积分上式：,4.2.2 大气中的干绝热过程（2）,1）干绝热过程是可逆过程 2）绝热过程中温度的改变完全由环境

5、气压的改变决定,4.2.3 干绝热减温率（1）,假设大气处于流体静力平衡状态，由准静力条件将气块内外气压相联系，利用静力学方程，未饱和湿空气绝热方程：,利用湿空气状态方程 ，上式可写成： 可认为Tv / Tve1,4.2.3 干绝热减温率（2）,因此未饱和湿空气的干绝热减温率为 ： 对于干洁大气, 干绝热减温率 为 =9.76 K /gpkm 9.8 K /gpkm 显然,4.2.3 干绝热减温率（3）,应注意： 表示气块在作绝热升降运动时，气块本身温度随高度的变化率，它基本上是一个常数。 而气块四周环境空气温度随高度的变化率，我们可以从无线电探空求得，即四周环境空气温度的垂直梯度 ，其值可以

6、大于 ，也可能小于 。或等于 ，并随高度变化，不是一个常数。,4.2.3 干绝热减温率（4）,两个概念： 1）状态曲线： 气块在做垂直运动时，其温度随高度的变化曲线称为状态曲线。 干绝热过程的状态曲线称为干绝热线。 2）层结曲线： 环境空气温度随高度的分布曲线，称为层结曲线。,在T_LnP图上绘制层结曲线,大气中，实际大气温度随高度的变化曲线。,由探空资料：,LnP,T ,(1000,23),(925,20.5),(850,10),(700,-10),(500,-25),(300,-35),(250,-37),由探空资料：,4.2.4位温（1）,位温： 将空气块按干绝热过程移至标准气压（100

7、0 hPa）时气块成具有的温度，又称为位置温度，常以绝对温标表示。 同样可以定义一个虚位温 v,4.2.4位温（2）-位温与热量收支,空气块收入热量时位温增加；放出热量时位温降低 位温在干绝热过程中保持不变，称为在干绝热过程中具有保守性。,熵,熵：标志能量转化为功的程度。 表示气块收入热量的多少。收入热量时位温增加，放出热量时位温降低。干绝热过程位温不变，所以它是一个等熵过程，称为在干绝热过程中具有保守性，在研究大气过程中非常重要，它们不随气块的高度（或压强）的变化而变化，便于我们追踪气块或气流源地以及研究它们以后的演变。,1000hPa,4.2.4位温（3）-位温垂直分布与大气垂直减温率,对

8、位温公式取对数，再对高度求偏导数,如果说某一层大气的减温率 则整层大气的位温相等 在对流层内，一般情况下大气垂直减温率 所以有： 即位温是随高度增加而增加的,4.2.5 干绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度(1),气块上升时的干绝热减温率远大于它的露点递减率，气块的温度和露点将逐渐接近，在某一高度达到饱和并发生凝结。 这个湿空气块因绝热抬升而达到饱和的高度称为抬升凝结高度。 水汽压e是露点Td所对应的饱和水汽压，两者有函数关系,4.2.5 干绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度(2),克拉珀龙克劳修斯方程 ,以e和Td代替方程中的es和T，则有: 将 取对数，再对高度求导数，得:,4.2.5 干

9、绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度(3),若取Tv288K，Td280K，则有: K/km 上式结果说明, 干绝热过程中露点以1.7K/km的变化率向上递减。但气块温度以9.8K/km变化，下降得更快。在温度和露点相等的高度就会达到凝结。,4.2.5 干绝热上升时的露点变化和抬升凝结高度(4),令T0和Td0分别为地面的气温和露点: 可得抬升凝结高度zc的估算公式是 米,4.3饱和湿空气的绝热过程,未饱和湿空气绝热上升到达凝结高度后便变成饱和空气。 始终保持饱和状态的气块所作的绝热过程我们称为湿绝热过程。 当湿空气到达凝结高度后如继续上升，其中的水汽就要发生凝结并放出潜热，在绝热情况下，放出的

10、潜热可使此上升的饱和空气块温度升高，从而使它的温度递减率小于干绝热递减率。,4.3.1 可逆湿绝热过程和假绝热过程（1）,为了研究方便，认为饱和湿空气块在绝热上升过程中可能出现两种极端情况， 一种情况是认为气块绝热上升时所产生的凝结物全部留在气块内，随气块一起上升，当气块从上升运动转为下降时，绝热增温又会引起水滴的蒸发，以维持气块呈饱和状态。 由于气块绝热上升过程中水汽凝结所得到的潜热与气块绝热下降过程中水滴蒸发所失去的潜效相等，因此，气块上升时的减温率与气块下降时的增温率相等，过程是可逆的，称为可逆湿绝热过程。,4.3.1 可逆湿绝热过程和假绝热过程（2）,另一种情况是认为： 气块上升时所产

11、生的凝结物全部陆续掉出气块，这样，当气块从上升运动转为下沉运动时，绝热增温将使气块呈不饱和状态。由于气快上升过程是湿绝热过程，而下沉时却是干绝热过程，因此，当气块下降到原来起始高度时，温度将比原来的高。所以这种过程是不可逆的，而且由于凝结物脱离了气块，说明气块与外界已有了热量交换，也不是严格绝热的，因此认为气块经历了一个假绝热过程。 实际大气中所发生的湿绝热过程，介于可逆湿绝热过程和假绝热过程之间，即部分凝结物脱离气块，部分凝结物留在气块内随气快上升，这相当于既存在云也同时有降水的情况。,4.3.2 湿绝热垂直减温率（1）,湿绝热垂直减温率或称湿绝热直减率，以 表示 取单位质量的饱和湿空气，其

12、中含有 单位水汽,( )单位的干空气，若在起始高度z处饱和湿空气块的压强为p，温度为T，其饱和比湿为 ，上升到zdz高度处，压强变为pdp，温度为TdT，饱和比湿为 ，凝结出 单位水汽，放出潜热 。 则气块获得的热量为：,4.3.2 湿绝热垂直减温率（2）,式中L表示水汽的凝结潜热。 热力学第一定律-湿绝热方程 :,4.3.2 湿绝热垂直减温率（3）,4.3.2 湿绝热垂直减温率（4）,由： 得： 注意： 的值不是常数，而是由压强和温度所决定的（见书）,T,LnP,Zc,d,s,4.3.3假相当位温和假湿球位温(1),在干绝热过程中，位温具有保守性，但在湿绝热过程中，由于有凝结潜热释放（或产生

13、蒸发耗热现象），位温就失去了保守性，为了既考虑气压的影响，又考虑潜热的影响，气象上常应用假相当位温( )和假湿球位温( )两个概念。,假相当温度（Tse）：令气块干绝热上升，到达凝结高度后又按假绝热过程上升，直到所以水汽耗尽，再沿干绝热过程下降到原来的气压处所应具有的温度，假相当温度也称为绝热相当温度，也可以证明它永远大于相当温度。 假相当位温 : 湿空气块绝热上升到水汽全部凝结降落后，再沿干绝热过程下降到1000hpa时所具有的温度称为假相当位温,4.3.3假相当位温和假湿球位温(2),4.3.3假相当位温和假湿球位温(3),空气由原来的状态A沿干绝热线上升，到达抬升凝结高度C后再沿假绝热线

14、下降到原来的气压处B，则B处的温度即为假湿球温度或称绝热湿球温度，以 表示。 假湿球位温 就是将假湿球温度沿着假绝热线降到1000hPa处所具有的温度。,4.3.4假相当位温和假湿球位温(4),1）假相当位温、假湿球位温在干绝热、湿绝热和假绝热过程中都具有保守性。 2） 假湿球温度和假湿球位温之值也可直接从温度对数压力图解中查得。 3）用途比位温更广泛，在天气学中常用它们分析气团、锋以及气层的稳定度。,LnP,T,Pc,P1,P00,T,Zc,d,s,Tse,se,Tsw,sw,4.3.4 焚风,焚风是指气流过山以后形成的干而暖的地方性风。,温度对数压力图,温度,高度,湿绝热线 假相当位温线(

15、se),干绝热线 等位温线(),等饱和比湿线(qs),4.4 温度-对数压力图解及其应用,LnP,4.4.1 温度-对数压力图的结构(1)坐标,横坐标是温度，即X=TC (TK)，自左向右增高 纵坐标是气压的对数 说明1000hpa和200hpa等压线之间的距离与250hpa到50hpa等压线之间的距离是相等的 (都是等于1n5单位)，所以可将1000hpa等压线当作250hpa等压线，200hpa等压线当作50hpa等压线重复使用。,4.4.1 温度-对数压力图的结构(2)基本线条,1、等温线 2、等压线 3、等饱和比湿线 :自右下方向左上方倾斜的绿色实线，它是饱和湿空气的比湿等值线 4、干

16、绝热线 干绝热线又称等位温线或等熵线，在温度对数压力图中为黄色斜实线 5、湿绝热线 湿绝热线在图上以绿色虚线表示 ，假相当位温,4.4.2温度-对数压力田的点绘和应用,1、绘制温度层结曲线 2、绘制露点层结曲线 3、绘制状态曲线：表示气块在绝热上升过程中温度随高度的变化情况,4.4.2温度-对数压力田的点绘和应用（1）,1、确定湿度参量：饱和比湿和实际比湿,饱和水汽压（E）和实际水汽压（e）,qs=622e/E 饱和水汽压和实际水汽压,求相对湿度（f）和抬升凝结高度（zc）,相对湿度：f=q/qs*100% 抬升凝结高度（zc）： zc=123（T0-Td0）（米）,虚温（Tv）,虚温：湿空气

17、因有水汽存在，它比同温同压下的干空气密度小，如果在压强不变的条件下，升高干空气的温度（以代替水汽对空气密度的影响），使其密度与湿空气密度相等，这个升高后的干空气的温度为虚温。,温度对数压力图,4.4.2温度-对数压力田的点绘和应用（2）,求,4.4.2温度-对数压力田的点绘和应用（3）,确定气压平均温度（1） ( ) 将状态方程代入静力学方程得： 积分上式： 或,4.4.2温度-对数压力田的点绘和应用（3）,确定气压平均温度（2） 以 代表P1与P2间气层的气压平均温度 上式的右端，在T-lnp图中代表矩形AEFD的面积 因此面积ABCD和面积AEFD相等,确定各主要等压面的厚度及主要等压面离

18、地面的距离,各主要等压面之间的厚度：850-1000hPa 700-850hPa 500-700hPa 300-500hPa 200-300hPa 各主要等压面离地面的高度,温度对数压力图,4.5 空气温度的局地变化,4.5.1空气温度的个别变化和局地变化（1） 个别变化：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， 包括绝热变化和非绝热变化。 局地变化：某一固定地点的空气温度随时间的变化称作空气温度的局地变化。 固定地点大气温度随时间的变化,4.5.1空气温度的个别变化和局地变化（2）,举例，当预报北京的温度时，发现在蒙古人民共和国地区近地层气温为-20，高空为西北气流，当时北京

19、近地层气温为0，考虑如下： 1、平流变化：空气的移动所造成的某地温度的变化称为温度的平流变化。 2、个别变化：还要考虑当冷空气由蒙古移到北京的过程中空气本身温度的变化。这部分变化实际上就是温度的个别变化。,4.5.1空气温度的个别变化和局地变化（3）,局地变化=个别变化+平流变化,局地变化,个别变化,平流变化,-20,10,-10,注意：本例中没有考虑气团内的垂直运动,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（1）,热力学第一定律，边除以dt 在x,y,p 坐标系下，天气、气候中常用的热流量方程的形式为：,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（2）,常用的热流量方程也可写为： 影响空气温度局地

20、变化的因素： 1、平流变化 2、垂直运动的影响 3、非绝热影响,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（2）,讨论： 1、平流变化 温度的水平平流变化，它能从天气图上加以确定，可简称为温度平流。 暖平流 、冷平流,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（2）,讨论： 2、垂直运动的影响 式中, ， ，因此空气垂直运动引起的气温变化由 和 两者决定。在一般情况下， ，因而 。当 出现上升运动时，温度降低；当 出现下沉运动时，温度升高；如 ，则空气的垂直运动不引起局地气温的变化。,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（2）,讨论： 3、非绝热影响 代表空气非绝热热量交换引起的局地气温变化 热量收

21、入使温度升高，热量支出使温度降低 传热的方式有如下几种：传导、辐射、对流、湍流和蒸发凝结（包括升华、凝华）,传导：依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一个分子。 辐射：物体之间各自的温度以辐射方式交换热量的传热方式。 对流：当暖而轻的空气上升时，周围的冷空气便下来补充，这种升降运动，称为对流。 湍流：空气的不规则运动，又称乱流。,蒸发凝结：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），又会放出热量。使地面和大气之间，空气团和空气团之间发生热量交换。这种蒸发凝结所导致的热量交换称为潜热交换。 热量交换通宵是多种作用共同影响的结果。 在地面和空气之间，最主要的是辐射。 在气层（气团）之间，主要依靠对流和湍流，其次通过蒸发、凝结的潜热交换方式进行热量交换。,4.5.2 影响空气温度局地变化的因素（3）,在日常分析某地点气温变化时主要考虑温度平流、空气的垂直运动和空气与外界的热量交换这三方面的因子。 在近地面范围内，垂直运动较小，由此引起的气温变化通常可以忽略不计。 在分析高层大气温度的局地变化时，除有凝结现象出现时，非绝热因子通常起的作用比较小。