第三節(jié)大氣的增溫與冷卻

第三節(jié)大氣的增溫與冷卻第1頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一以下介紹增溫和溫度變化的基本概念第2頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一熱量平衡過程地球表面吸收太陽輻射能后，會通過各種熱量收支方式，產(chǎn)生能量的轉換和輸送而達到平衡，這樣的物理過程稱為熱量平衡過程。物質的熱屬性熱容量定義：在一定過程中，物體溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。分類：質量熱容量（比熱、比熱容）容積熱容量第3頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一質量熱容量：定義：單位質量的物質，溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。單位：J/(kg·℃)(或J/(g·℃))

容積熱容量：定義：單位體積的物質，溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。第4頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一熱量收支(交換)方式第5頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一輻射熱交換

任何溫度在絕對零度以上的物體，通過輻射的放射和吸收而進行的熱量交換方式。

分子傳導熱交換

物質通過分子碰撞，所產(chǎn)生的表現(xiàn)為熱量傳導的動能交換方式。流體流動熱交換

流體在各個方向上流動時，熱量隨流體流動而輸送的熱量交換方式。第6頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一根據(jù)流體流動的方向性分為：對流、平流和亂流。

定義：流體在垂直方向上有規(guī)律的升降運動。

作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。

定義：流體在水平方向上的流動。

分類：

對流：

分類熱力對流動力對流

平流第7頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

作用：對大規(guī)模的熱量傳遞和緩和地區(qū)之間、緯度之間溫度的差異起著很大作用。

亂流（湍流）：

定義：流體在各方向上的不規(guī)則運動。

分類：熱力亂流動力亂流第8頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

近地氣層亂流強度的時空變化：陸地比海面強山地比平原強白天比夜間強夏季比冬季強潛熱交換物質在進行相態(tài)變化時所發(fā)生的熱量交換。第9頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一地面溫度和熱量收支的關系地面溫度變化與地面熱量收支示意圖1．地面溫度日變化曲線；2．地面熱量支出日變化曲線；3．地面熱量收入日變化曲線。Tm：地面最低溫度；TM：地面最高溫度

一天中地面最高溫度、地面最低溫度出現(xiàn)在地面熱量收支相抵（平衡）的時刻。

一年中地面最熱月溫度，一般出現(xiàn)在７月或８月，地面最冷月溫度一般出現(xiàn)在１月或２月。

第10頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一水體熱量傳播的特點水體中的輻射特點水體反射率小于陸地水體吸收率大于陸地太陽輻射能在水體中傳播，不同深度水體的傳播情況遵循比爾定律。水體易吸收長波，散射短波，水中懸浮物散射長波。第11頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一水體中的熱量平衡特性特性

海洋熱量平衡的主要輸出項是水體蒸發(fā)潛熱。

海洋可以通過洋流來在水平方向傳送熱量。第12頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一水體溫度的變化時間變化

日變化：水面最高溫度出現(xiàn)在午后15～16h，最低溫度出現(xiàn)在日出后的2～3h內(nèi)。

年變化：水面最高溫度一般出現(xiàn)在8月，最低溫度則出現(xiàn)在2～3月。

日、年較差：均小于陸地

位相：最高溫度和最低溫度出現(xiàn)的時間，大約每深入60ｍ落后一個月。

第13頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一以上主要介紹增溫和溫度變化的基本概念第14頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第15頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫和冷卻一、海陸的增溫與冷卻的差異

同樣的太陽輻射到達地面也會因下墊面性質的不同而溫度不同，而大氣的熱源主要來自下墊面，所以下墊面的不同對大氣溫度有著深刻的影響。其中海洋與陸地的差異最大。結論：陸地受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大。海洋好像大氣熱量的存儲器和調(diào)節(jié)器升溫和冷卻都較慢，所以年最高氣溫和最低氣溫的出現(xiàn)比大陸延遲1—2個月，且日較差和年較差都比陸地小。陸地是急性子，海洋是慢性子。1、二者對太陽輻射的吸收和反射不同2、能量分布的厚度不同水面與路面的導熱方式不同3、水汽含量不同4、陸地比熱小于海洋比熱第16頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第17頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一二、空氣的增溫與冷卻空氣的溫度高低實質是空氣分子運動快慢（內(nèi)能）的表現(xiàn)，所以空氣既可以通過與外部的能量交換而升高或降低溫度——氣溫的非絕熱變化，也可以通過做功而變化——氣溫的絕熱變化。（一）增溫與冷卻的方式1、氣溫的非絕熱變化（幾種與外界傳遞熱量的方式）傳導輻射對流湍流蒸發(fā)凝結第18頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一熱量收支(交換)方式第19頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（一）增溫與冷卻的方式2、氣溫的絕熱變化當某一氣團在與外界沒有任何熱量交換的情況下，做上升運動，如果該氣團體積不變上升到某一處，則其內(nèi)部的壓強會比周圍大氣的要高，氣團為了與外界大氣相平衡，氣塊體積要膨脹，在膨脹的過程中克服外界壓力而做功，氣團做功所消耗的能量取自氣團內(nèi)部，因此使氣塊溫度降低，以上過程稱為氣溫的絕熱冷卻。反之，氣團作下沉運動時，若與外界沒有熱量交換的情況下，由于外界氣壓比起團內(nèi)部氣壓高，會壓縮氣塊使氣團體積縮小，同時氣團內(nèi)氣體被壓縮做功，內(nèi)能增加，溫度上升，這種現(xiàn)象稱為絕熱增溫。第20頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一當空氣塊上升過程中，因外界氣壓減小，氣塊體積膨脹，對外作功，在絕熱的條件下，作功所需的能量，只能由其本身內(nèi)能來負擔，因而氣塊溫度下降。這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為絕熱冷卻。第21頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

絕熱與非絕熱變化絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，未與外界進行熱量交換。非絕熱變化：空氣內(nèi)能變化過程中，與外界進行熱量交換。第22頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一T0P0T-ΔTTT-ΔTT+ΔTT+ΔT絕熱冷卻絕熱增溫氣溫的絕熱變化干絕熱方程：第23頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第24頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱變化及干絕熱直減率當一團干空氣或未飽和的濕空氣與外界沒有任何熱量交換做升降運動，且氣塊內(nèi)沒有任何水相變化時的溫度變化過程叫干絕熱變化。干絕熱直減率（γd）-------干空氣或未飽和的濕空氣，氣塊絕熱上升（或下沉）單位距離時溫度降低（或升高）的數(shù)值。100mγd=1oC/100m第25頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一注意：原因：氣溫直減率是大氣溫度隨著距離地面越來越遠得到的熱量越來越少。1℃/100m異同干絕熱直減率氣溫直減率干絕熱直減率是干空氣在絕熱上升或絕熱下降運動過程中由于做功氣塊本身的溫度變化.第26頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一對流層氣溫的垂直變化(復習、鞏固概念)

氣溫直減率定義：氣溫隨高度變化的程度。

表達式：

ΔZ：兩高度高度差，ΔT兩高度相應的氣溫差；負號表示氣溫垂直分布的方向。γ＞0，氣溫隨高度的增加而降低；γ＜0，氣溫隨高度的增高而升高。γ的絕對值越大，氣溫隨高度變化差異越大。第27頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

干絕熱過程的幾個概念

干絕熱過程

空氣是干空氣或未飽和的濕空氣（沒有水汽凝結），與外界之間無熱量交換時（dQ=0）的狀態(tài)變化過程。

絕熱增溫

當空氣塊下降過程中，因外界氣壓增大，外界對氣塊作功，在絕熱的條件下，所作的功只能用于增加氣塊的內(nèi)能，因而氣塊溫度升高。這種因氣塊下沉而使溫度上升的現(xiàn)象，稱為絕熱增溫。第28頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

絕熱冷卻

當空氣塊上升過程中，因外界氣壓減小，氣塊體積膨脹，對外作功，在絕熱的條件下，作功所需的能量，只能由其本身內(nèi)能來負擔，因而氣塊溫度下降。這種因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為絕熱冷卻。

干絕熱直減率（γd）

在大氣靜力平衡的條件下，干空氣和未飽和的濕空氣因作干絕熱升降運動而引起氣塊溫度隨高度的變化率，稱之為干絕熱直減率。第29頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第30頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一2、濕絕熱變化及濕絕熱直減率濕絕熱變化過程：當飽和濕空氣在做絕熱上升（或下沉時）溫度受到兩方面的影響(1)氣團中的干空氣上升體積膨脹降溫，也是每上升100米溫度降低1oC。（2）水汽既已是飽和的，它會因為上升冷卻而發(fā)生凝結，凝結就要放熱，所以放出的熱量又使溫度有所回升。所以可以推論，因為有凝結放出熱量的補給，降溫要

小于γd。這整個過程就是大氣溫度的濕絕熱變化。濕絕熱直減率（γm）：飽和濕空氣塊上升（下沉）單位距離使溫度降低（升高）的數(shù)值。

γm

<1oC是一個變數(shù)第31頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一γd=1oC/100mToTo-γd

=To-1To放熱增溫ΔTTo-1oC+ΔT=100mΓm=1oC-ΔTTo-(1oC-ΔT)一團干空氣一團濕空氣第32頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一濕絕熱是一個變數(shù)討論影響因素：第33頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一在體積、氣壓相等的情況下：100m溫度高的（起始的氣塊）飽和空氣含水量大，所以降低同樣的溫度，要比溫度低的飽和空氣凝結出更多的水分，意味著放出更多的熱量來。例如:20oC—19oC飽和空氣凝結出1克水/立方米

0oC1oC飽和空氣凝結出0.33克水/立方米高溫凝結水多放熱多（ΔT大）Γm=1oC-ΔT

Γm小低溫凝結水少放熱少（ΔT?。│=1oC-ΔTΓm大第34頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一濕絕熱直減率是一個變數(shù)，大小和溫度相關（與起始氣團的溫度有關）第35頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一濕絕熱直減率是一個變數(shù)，大小是氣壓和溫度的函數(shù)100m在體積、氣壓相等的情況下，溫度高的（起始的氣塊）飽和空氣含水量大，所以降低同樣的溫度，要比溫度低的飽和空氣凝結出更多的水分，意味著放出更多的熱量來。例如:20oC—19oC飽和空氣凝結出1克水/立方米

0oC1oC飽和空氣凝結出0.33克水/立方米高溫凝結水多放熱多（ΔT大）Γm=1oC-ΔT

Γm小低溫凝結水少放熱少（ΔT?。│=1oC-ΔTΓm大第36頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一結論：當兩塊飽和空氣氣壓相同，容積相等而氣溫不同時，氣溫高的Γm小，溫度變化不大。氣溫低的Γm大，溫度變化較大。第37頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一濕絕熱是一個變數(shù)討論影響因素：討論氣壓的影響第38頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一氣壓大小對濕絕熱直減率的影響P大P小第39頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一假設溫度相同則而這所含的水汽是一定的，于是按濕絕熱上升時因溫度降低產(chǎn)生的凝結潛熱是相等的，但熱量不是溫度，對于空氣密度大小不同的氣團，相同的熱量引起的增溫作用會不同。

P大等量的熱量引起的升溫要小些

（ΔT?。?/p>

Γm=1oC-ΔTΓm大

P小等量的熱量引起的升溫要大些（ΔT大）

Γm=1oC-ΔTΓm小結論：在溫度相等的情況下氣壓高的飽和空氣Γm大，氣壓低的Γm小第40頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第41頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一3、干、濕絕熱線的比較：干絕熱直減率γd近似于常數(shù)，故是一直線。Γm是一個變量，所以是一個曲線。①濕絕熱直減率曲線始終在干絕熱線的右方。γm<γd，上升同樣的高度始終是T(濕）>T（干）

②Γm不是恒定的，因而不是一個直線，而且是一條下陡上緩的曲線。因為大氣層下層溫度高，γm小隨高度上升溫度下降慢；大氣層上部溫度低γm大，隨著高度上升溫度下降快。T(干）T(濕）100m<0濕絕熱第42頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一（3）到了高層，兩條線近于平行。

溫度越降越低，水汽凝結越來越多，空氣團中的水汽含量越來越少，當水汽為零時，飽和空氣也就變?yōu)楦煽諝?，則γm=γd，從而使兩條線近于平行。第43頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一大部份云是由于空氣塊上升

而冷卻，從而產(chǎn)生凝結?？諝鈮K為什么會上升？為什么它們在某些地方上升而在另一些地方不上升？為什么云會有各種不同的形狀？回答這些問題要從了解大氣的穩(wěn)定度開始。第44頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第45頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一氣塊周圍的大氣稱為氣塊的環(huán)境，或稱環(huán)境大氣。環(huán)境大氣的狀態(tài)，包括它的氣壓、溫度和露點隨高度的分布是已知的，而且在以后的討論中假設是不變的。環(huán)境大氣中的溫度或露點隨高度的分布是通過測量得到的，稱為層結曲線。第46頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一第三節(jié)大氣的增溫與冷卻一、地面增溫與冷卻的差異二、大氣的增溫與冷卻（一）增溫冷卻方式（二）干絕熱與濕絕熱

1、干絕熱

2、濕絕熱

3、干、濕絕熱的比較三、大氣穩(wěn)定度非絕熱變化絕熱變化第47頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

三、大氣的穩(wěn)定度許多天氣現(xiàn)象的發(fā)生都和大氣穩(wěn)定度有密切關系，大氣穩(wěn)定度是指氣塊受到任意方向的擾動后返回或遠離平衡位置的趨勢和程度。也即表示空氣是否安于原來的層次，是否易于發(fā)生垂直運動（對流）。如果容易就不穩(wěn)定，不容易就穩(wěn)定。第48頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一大氣穩(wěn)定度穩(wěn)定度：浮力溫度遞減率平衡態(tài)非平衡態(tài)一個空氣塊，當它被移動離開了原來的位置時，它自動會回到原來的位置，大氣就是穩(wěn)定的。相反，氣塊會繼續(xù)向它被移動的方向運動，大氣就是不穩(wěn)定的。第49頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一大氣靜力穩(wěn)定度的概念

處在靜力平衡狀態(tài)中的大氣，空氣因受外力因子的擾動后，大氣層結（溫度和濕度的垂直分布）有使其返回或遠離原來平衡位置的趨勢或程度，稱之為大氣靜力穩(wěn)定度。穩(wěn)定

若氣塊逐漸減速，趨于回到原位，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是穩(wěn)定的。第50頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一中性

若既無回到原位，有無繼續(xù)加速先前的趨勢，而是保持原有運動狀態(tài)，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是中性的。不穩(wěn)定

若氣塊按原方向加速運動，這時氣塊所處的氣層，對于該氣塊而言是不穩(wěn)定的。第51頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定度的判斷：T1P1ρ1T0P0ρ0T0P0ρ0TPρ?ZT1P1ρ1浮力重力氣塊擾動前后的狀態(tài)單位體積氣塊受力示意圖TPρ氣塊周圍環(huán)境第52頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一當氣塊位于平衡位置時，具有與周圍大氣相同的氣壓、溫度和密度T0P0ρ0受擾動后，絕熱上升，經(jīng)?Z后，狀態(tài)為T1P1ρ1，根據(jù)靜力條件p1=p,溫度、密度不同單位氣塊受兩個力：浮力ρg重力ρ1g兩力和力為層結內(nèi)力f=ρg-ρ1g牛頓第二定律：f=ma,對于單位氣塊：ρ1＝ma=(ρ-ρ1/ρ1)g第53頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一浮力—溫度空氣團環(huán)境第54頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一干空氣和未飽和的濕空氣γ<γda<0，加速度與位移的方向相反，層結穩(wěn)定γ>γd，a>0，加速度與位移的方向相同，層結不穩(wěn)定第55頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一飽和濕空氣的穩(wěn)定度判定:γ<γm,層結穩(wěn)定γ>γm,層結不穩(wěn)定Γ＝γm,層結中性第56頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定度的確定現(xiàn)在我們要討論上升氣塊和周圍環(huán)境空氣之間的關系。環(huán)境空氣的層結曲線是由測量得到的。作為一種平均狀態(tài)，標準大氣采用在對流層中空氣溫度每上升一公里下降6.50C。每天的層結曲線都是不同的，一天中不同時刻，層結曲線也會有變化，尤其在近地層變化最大。第57頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定大氣如果環(huán)境大氣的層結曲線溫度遞減率較?。ū热绨礃藴蚀髿猓抗餃囟葴p低6.50C），而氣塊上升時氣塊溫度按干絕熱遞減率，每公里減低100C。這樣，當外力把氣塊抬升一定高度，氣塊的溫度將低于同一高度的環(huán)境大氣。冷空氣密度大，就有下沉的趨勢。因此若外力不再抬了，氣塊會自動的回到原來位置，這時大氣是穩(wěn)定的。第58頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一穩(wěn)定空氣DALR>ELR30°200C100C30°23°16°710環(huán)境溫度第59頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一不穩(wěn)定大氣如果環(huán)境大氣的溫度遞減率(γ)超過干絕熱遞減率(γd)。當氣塊被外力抬升以后，由于氣塊溫度將高于周圍環(huán)境，氣塊會受到一個浮力而續(xù)繼上升。這種大氣被稱為不穩(wěn)定大氣。第60頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一空氣團比空氣暖持續(xù)上升ELR>DALR

γ>γdΓ=12/1000mΓd=10/1000m131211200m100m300m13.21210.8空氣溫度氣塊第61頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一絕對不穩(wěn)定空氣空氣團比環(huán)境暖繼續(xù)上升

γ>γdELR=11oC>第62頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一

γm<γ<γd302520302010300C23161057干空氣飽和，濕空氣第63頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一條件不穩(wěn)定空氣干時，穩(wěn)定ELR<DALR氣團達到飽和時不穩(wěn)定ELR=7oC第64頁，共69頁，2023年，2月20日，星期一