第四章 大氣的熱力學過程

第四章大氣的熱力學過程第1頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.1熱力學第一定律在大氣中的應用

熱力學第一定律任何一種形式的能量，在一定條件下，可以從一種形式轉(zhuǎn)換成另一種形式。但在轉(zhuǎn)化過程中能量的總值始終保持不變。

第2頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.1.1熱力學第一定律的一般表達式

初、終兩態(tài)相差無限小----無限小過程第3頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.1.2熱力學第一定律

在氣象上的應用形式第4頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四定容比熱:在等容過程中則：對于理想氣體，其內(nèi)能只決定于溫度T，而與比容無關(guān)（焦耳定律）第5頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四熱力學第一定律在氣象上的

應用形式之一

第6頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四熱力學第一定律在氣象上的

應用形式之二

依狀態(tài)方程取微分得:

將代入得:第7頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四熱力學第一定律在氣象上的

應用形式之二---熱流量方程

在等壓的情況下，得：定壓比熱應用形式之二：或：第8頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四預備知識：系統(tǒng)與外界：所研究的物體或物體系稱為系統(tǒng)；而其余的與這個系統(tǒng)可能發(fā)相互作用的物質(zhì)環(huán)境稱為“外界”或“環(huán)境”。系統(tǒng)與外界間互相影響方式：作功、熱傳遞、交換質(zhì)量三種方式。根據(jù)系統(tǒng)與外界是否交換物質(zhì)分為開放系和封閉系。大氣熱力學中所討論的系統(tǒng)？封閉系第9頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四大氣熱力學中所討論的系統(tǒng)主要有兩類A、未飽和濕空氣系統(tǒng)，可以當作由干空氣和水汽組成的二元單相系。B、含液態(tài)水（或固態(tài)水）的飽和濕空氣系統(tǒng)。是指由水滴或（和）固態(tài)水質(zhì)料組成的云霧系統(tǒng)，是含有干空氣和水物質(zhì)的二元多相系。第10頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四準靜態(tài)過程和準靜力條件準靜態(tài)過程：一個封閉系統(tǒng)若其經(jīng)歷的某過程進行得無限緩慢，以至于系統(tǒng)在此過程中的每一步都處于平衡態(tài)，則稱此過程為準靜態(tài)過程。準靜力條件：P=Pe

P代表系統(tǒng)內(nèi)部壓強，Pe代表外界壓強。第11頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2大氣中的干絕熱過程4.2.1氣塊的概念和基本假定氣塊或空氣微團是指宏觀上足夠小而微觀上含有大量分子的空氣團，作為對實際空氣的近似。絕熱過程：僅因氣體膨脹和壓縮所引起空氣溫度的增熱和冷卻過程稱絕熱過程。規(guī)定：1、此氣塊內(nèi)溫度、壓強和濕度等都呈均勻分布，各物理量服從熱力學定律和狀態(tài)方程。第12頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.1氣塊的概念和基本假定2、氣塊運動時是絕熱的，遵從準靜力條件，環(huán)境大氣處于靜力平衡狀態(tài)。

和

但應指出，氣塊內(nèi)部的溫度、密度、濕度不一定和外界的相等。第13頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.2大氣中的干絕熱過程（1）條件：

1）未飽和濕空氣（無相變）

2）在絕熱過程中，，若討論的是未飽和濕空氣（無相變），這樣的過程稱為干絕熱過程。熱流量方程：令：積分上式：第14頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.2大氣中的干絕熱過程（2）

1）干絕熱過程是可逆過程2）絕熱過程中溫度的改變完全由環(huán)境氣壓的改變決定第15頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3干絕熱減溫率（1）

假設(shè)大氣處于流體靜力平衡狀態(tài)，由準靜力條件將氣塊內(nèi)外氣壓相聯(lián)系，利用靜力學方程，未飽和濕空氣絕熱方程：第16頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四利用濕空氣狀態(tài)方程，上式可寫成：可認為Tv/Tve1第17頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3干絕熱減溫率（2）因此未飽和濕空氣的干絕熱減溫率為：對于干潔大氣,干絕熱減溫率為

=9.76K/gpkm9.8K/gpkm顯然第18頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3干絕熱減溫率（3）應注意：表示氣塊在作絕熱升降運動時，氣塊本身溫度隨高度的變化率，它基本上是一個常數(shù)。而氣塊四周環(huán)境空氣溫度隨高度的變化率，我們可以從無線電探空求得，即四周環(huán)境空氣溫度的垂直梯度，其值可以大于，也可能小于?；虻扔?，并隨高度變化，不是一個常數(shù)。第19頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.3干絕熱減溫率（4）兩個概念：1）狀態(tài)曲線：氣塊在做垂直運動時，其溫度隨高度的變化曲線稱為狀態(tài)曲線。干絕熱過程的狀態(tài)曲線稱為干絕熱線。2）層結(jié)曲線：環(huán)境空氣溫度隨高度的分布曲線，稱為層結(jié)曲線。第20頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四T干絕熱線LnP第21頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四在T_LnP圖上繪制層結(jié)曲線

大氣中，實際大氣溫度隨高度的變化曲線。由探空資料：P(hpa)1000925850700500300250T(℃)2320.58-10-25-35-37第22頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四LnPT℃(1000,23)(925,20.5)(850,10)(700,-10)(500,-25)(300,-35)(250,-37)P(hpa)1000925850700500300250T(℃)2320.58-10-25-35-37由探空資料：第23頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.4位溫（1）位溫：將空氣塊按干絕熱過程移至標準氣壓（1000hPa）時氣塊成具有的溫度，又稱為位置溫度，常以絕對溫標表示。同樣可以定義一個虛位溫

v

第24頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第25頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.4位溫（2）---位溫與熱量收支第26頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四空氣塊收入熱量時位溫增加；放出熱量時位溫降低位溫在干絕熱過程中保持不變，稱為在干絕熱過程中具有保守性。第27頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四熵熵：標志能量轉(zhuǎn)化為功的程度。表示氣塊收入熱量的多少。收入熱量時位溫增加，放出熱量時位溫降低。干絕熱過程位溫不變，所以它是一個等熵過程，稱為在干絕熱過程中具有保守性，在研究大氣過程中非常重要，它們不隨氣塊的高度（或壓強）的變化而變化，便于我們追蹤氣塊或氣流源地以及研究它們以后的演變。第28頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四T干絕熱線LnP1000hPa第29頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.4位溫（3）---位溫垂直分布與大氣垂直減溫率

對位溫公式取對數(shù)，再對高度求偏導數(shù)第30頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四如果說某一層大氣的減溫率則整層大氣的位溫相等在對流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率所以有：即位溫是隨高度增加而增加的第31頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.5

干絕熱上升時的露點變化和抬升凝結(jié)高度(1)氣塊上升時的干絕熱減溫率遠大于它的露點遞減率，氣塊的溫度和露點將逐漸接近，在某一高度達到飽和并發(fā)生凝結(jié)。這個濕空氣塊因絕熱抬升而達到飽和的高度稱為抬升凝結(jié)高度。水汽壓e是露點Td所對應的飽和水汽壓，兩者有函數(shù)關(guān)系第32頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.5

干絕熱上升時的露點變化和抬升凝結(jié)高度(2)克拉珀龍－克勞修斯方程,以e和Td代替方程中的es和T，則有:將取對數(shù)，再對高度求導數(shù)，得:第33頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.5

干絕熱上升時的露點變化和抬升凝結(jié)高度(3)若取Tv＝288K，Td＝280K，則有:

K/km上式結(jié)果說明,干絕熱過程中露點以1.7K/km的變化率向上遞減。但氣塊溫度以9.8K/km變化，下降得更快。在溫度和露點相等的高度就會達到凝結(jié)。第34頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.2.5

干絕熱上升時的露點變化和抬升凝結(jié)高度(4)令T0和Td0分別為地面的氣溫和露點:可得抬升凝結(jié)高度zc的估算公式是

米第35頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3飽和濕空氣的絕熱過程未飽和濕空氣絕熱上升到達凝結(jié)高度后便變成飽和空氣。始終保持飽和狀態(tài)的氣塊所作的絕熱過程我們稱為濕絕熱過程。當濕空氣到達凝結(jié)高度后如繼續(xù)上升，其中的水汽就要發(fā)生凝結(jié)并放出潛熱，在絕熱情況下，放出的潛熱可使此上升的飽和空氣塊溫度升高，從而使它的溫度遞減率小于干絕熱遞減率。第36頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.1可逆濕絕熱過程和假絕熱過程（1）為了研究方便，認為飽和濕空氣塊在絕熱上升過程中可能出現(xiàn)兩種極端情況，一種情況是認為氣塊絕熱上升時所產(chǎn)生的凝結(jié)物全部留在氣塊內(nèi)，隨氣塊一起上升，當氣塊從上升運動轉(zhuǎn)為下降時，絕熱增溫又會引起水滴的蒸發(fā)，以維持氣塊呈飽和狀態(tài)。由于氣塊絕熱上升過程中水汽凝結(jié)所得到的潛熱與氣塊絕熱下降過程中水滴蒸發(fā)所失去的潛效相等，因此，氣塊上升時的減溫率與氣塊下降時的增溫率相等，過程是可逆的，稱為可逆濕絕熱過程。第37頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.1可逆濕絕熱過程和假絕熱過程（2）另一種情況是認為：氣塊上升時所產(chǎn)生的凝結(jié)物全部陸續(xù)掉出氣塊，這樣，當氣塊從上升運動轉(zhuǎn)為下沉運動時，絕熱增溫將使氣塊呈不飽和狀態(tài)。由于氣快上升過程是濕絕熱過程，而下沉時卻是干絕熱過程，因此，當氣塊下降到原來起始高度時，溫度將比原來的高。所以這種過程是不可逆的，而且由于凝結(jié)物脫離了氣塊，說明氣塊與外界已有了熱量交換，也不是嚴格絕熱的，因此認為氣塊經(jīng)歷了一個假絕熱過程。實際大氣中所發(fā)生的濕絕熱過程，介于可逆濕絕熱過程和假絕熱過程之間，即部分凝結(jié)物脫離氣塊，部分凝結(jié)物留在氣塊內(nèi)隨氣快上升，這相當于既存在云也同時有降水的情況。第38頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.2濕絕熱垂直減溫率（1）濕絕熱垂直減溫率或稱濕絕熱直減率，以表示取單位質(zhì)量的飽和濕空氣，其中含有單位水汽,()單位的干空氣，若在起始高度z處飽和濕空氣塊的壓強為p，溫度為T，其飽和比濕為，上升到z＋dz高度處，壓強變?yōu)閜＋dp，溫度為T＋dT，飽和比濕為，凝結(jié)出單位水汽，放出潛熱。則氣塊獲得的熱量為：

第39頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.2濕絕熱垂直減溫率（2）式中L表示水汽的凝結(jié)潛熱。熱力學第一定律--濕絕熱方程:第40頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.2濕絕熱垂直減溫率（3）第41頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.2濕絕熱垂直減溫率（4）由：得：注意：的值不是常數(shù)，而是由壓強和溫度所決定的（見書）第42頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四TLnPZcγdγs第43頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.3假相當位溫和假濕球位溫(1)在干絕熱過程中，位溫具有保守性，但在濕絕熱過程中，由于有凝結(jié)潛熱釋放（或產(chǎn)生蒸發(fā)耗熱現(xiàn)象），位溫就失去了保守性，為了既考慮氣壓的影響，又考慮潛熱的影響，氣象上常應用假相當位溫()和假濕球位溫()兩個概念。第44頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四假相當溫度（Tse）：令氣塊干絕熱上升，到達凝結(jié)高度后又按假絕熱過程上升，直到所以水汽耗盡，再沿干絕熱過程下降到原來的氣壓處所應具有的溫度，假相當溫度也稱為絕熱相當溫度，也可以證明它永遠大于相當溫度。假相當位溫:濕空氣塊絕熱上升到水汽全部凝結(jié)降落后，再沿干絕熱過程下降到1000hpa時所具有的溫度稱為假相當位溫4.3.3假相當位溫和假濕球位溫(2)第45頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第46頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.3假相當位溫和假濕球位溫(3)空氣由原來的狀態(tài)A沿干絕熱線上升，到達抬升凝結(jié)高度C后再沿假絕熱線下降到原來的氣壓處B，則B處的溫度即為假濕球溫度或稱絕熱濕球溫度，以表示。假濕球位溫就是將假濕球溫度沿著假絕熱線降到1000hPa處所具有的溫度。第47頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.4假相當位溫和假濕球位溫(4)1）假相當位溫、假濕球位溫在干絕熱、濕絕熱和假絕熱過程中都具有保守性。2）假濕球溫度和假濕球位溫之值也可直接從溫度對數(shù)壓力圖解中查得。3）用途比位溫更廣泛，在天氣學中常用它們分析氣團、鋒以及氣層的穩(wěn)定度。第48頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四LnPTPcP1P00TZcγdγsTseθseTswθswθ第49頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.3.4焚風焚風是指氣流過山以后形成的干而暖的地方性風。第50頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四溫度——對數(shù)壓力圖溫度高度濕絕熱線假相當位溫線(se)干絕熱線等位溫線()

等飽和比濕線(qs)第51頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4溫度-對數(shù)壓力圖解及其應用LnP第52頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.1溫度-對數(shù)壓力圖的結(jié)構(gòu)(1)—坐標橫坐標是溫度，即X=T°C(TK)，自左向右增高縱坐標是氣壓的對數(shù)說明1000hpa和200hpa等壓線之間的距離與250hpa到50hpa等壓線之間的距離是相等的(都是等于1n5單位)，所以可將1000hpa等壓線當作250hpa等壓線，200hpa等壓線當作50hpa等壓線重復使用。第53頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.1溫度-對數(shù)壓力圖的結(jié)構(gòu)(2)—基本線條

1、等溫線2、等壓線3、等飽和比濕線:自右下方向左上方傾斜的綠色實線，它是飽和濕空氣的比濕等值線4、干絕熱線干絕熱線又稱等位溫線或等熵線，在溫度對數(shù)壓力圖中為黃色斜實線5、濕絕熱線濕絕熱線在圖上以綠色虛線表示，假相當位溫第54頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.2溫度-對數(shù)壓力田的點繪和應用1、繪制溫度層結(jié)曲線2、繪制露點層結(jié)曲線3、繪制狀態(tài)曲線：表示氣塊在絕熱上升過程中溫度隨高度的變化情況第55頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四第56頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.2溫度-對數(shù)壓力田的點繪和應用（1）1、確定濕度參量：飽和比濕和實際比濕第57頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四飽和水汽壓（E）和實際水汽壓（e）qs=622e/E飽和水汽壓和實際水汽壓第58頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四求相對濕度（f）和抬升凝結(jié)高度（zc）相對濕度：f=q/qs*100%抬升凝結(jié)高度（zc）：zc=123（T0-Td0）（米）第59頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四虛溫（Tv）虛溫：濕空氣因有水汽存在，它比同溫同壓下的干空氣密度小，如果在壓強不變的條件下，升高干空氣的溫度（以代替水汽對空氣密度的影響），使其密度與濕空氣密度相等，這個升高后的干空氣的溫度為虛溫。第60頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四溫度——對數(shù)壓力圖第61頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.2溫度-對數(shù)壓力田的點繪和應用（2）求第62頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.2溫度-對數(shù)壓力田的點繪和應用（3）確定氣壓平均溫度（1）()將狀態(tài)方程代入靜力學方程得：積分上式：或第63頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.4.2溫度-對數(shù)壓力田的點繪和應用（3）確定氣壓平均溫度（2）以代表P1與P2間氣層的氣壓平均溫度上式的右端，在T-lnp圖中代表矩形AEFD的面積因此面積ABCD和面積AEFD相等第64頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四確定各主要等壓面的厚度及主要等壓面離地面的距離各主要等壓面之間的厚度：850-1000hPa700-850hPa500-700hPa300-500hPa200-300hPa各主要等壓面離地面的高度第65頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四溫度——對數(shù)壓力圖第66頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5空氣溫度的局地變化4.5.1空氣溫度的個別變化和局地變化（1）個別變化：單位時間內(nèi)個別空氣質(zhì)點溫度的變化稱作空氣溫度的個別變化，包括絕熱變化和非絕熱變化。局地變化：某一固定地點的空氣溫度隨時間的變化稱作空氣溫度的局地變化。固定地點大氣溫度隨時間的變化第67頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.1空氣溫度的個別變化和局地變化（2）舉例，當預報北京的溫度時，發(fā)現(xiàn)在蒙古人民共和國地區(qū)近地層氣溫為-20℃，高空為西北氣流，當時北京近地層氣溫為0℃，考慮如下：1、平流變化：空氣的移動所造成的某地溫度的變化稱為溫度的平流變化。2、個別變化：還要考慮當冷空氣由蒙古移到北京的過程中空氣本身溫度的變化。這部分變化實際上就是溫度的個別變化。第68頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.1空氣溫度的個別變化和局地變化（3）局地變化=個別變化+平流變化局地變化個別變化平流變化-20℃

10℃

-10℃

注意：本例中沒有考慮氣團內(nèi)的垂直運動第69頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.2影響空氣溫度局地變化的因素（1）熱力學第一定律，邊除以dt

在x,y,p坐標系下，天氣、氣候中常用的熱流量方程的形式為：第70頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.2影響空氣溫度局地變化的因素（2）常用的熱流量方程也可寫為：影響空氣溫度局地變化的因素：1、平流變化2、垂直運動的影響3、非絕熱影響第71頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.2影響空氣溫度局地變化的因素（2）討論：

1、平流變化溫度的水平平流變化，它能從天氣圖上加以確定，可簡稱為溫度平流。暖平流、冷平流

第72頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.2影響空氣溫度局地變化的因素（2）討論：2、垂直運動的影響式中,，，因此空氣垂直運動引起的氣溫變化由和兩者決定。在一般情況下，，因而。當出現(xiàn)上升運動時，溫度降低；當出現(xiàn)下沉運動時，溫度升高；如，則空氣的垂直運動不引起局地氣溫的變化。第73頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四4.5.2影響空氣溫度局地變化的因素（2）討論：3、非絕熱影響代表空氣非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化熱量收入使溫度升高，熱量支出使溫度降低傳熱的方式有如下幾種：傳導、輻射、對流、湍流和蒸發(fā)凝結(jié)（包括升華、凝華）

第74頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四傳導：依靠分子的熱運動將能量從一個分子傳遞給另一個分子。輻射：物體之間各自的溫度以輻射方式交換熱量的傳熱方式。對流：當暖而輕的空氣上升時，周圍的冷空氣便下來補充，這種升降運動，稱為對流。湍流：空氣的不規(guī)則運動，又稱亂流。第75頁，共83頁，2023年，2月20日，星期四蒸發(fā)凝結(jié)：水在蒸發(fā)（或冰在升華）時要吸收熱量；相反，水汽在凝結(jié)（或凝華），又會放出熱量。使地面和大氣之間，空氣團和空氣團之間發(fā)生熱量交換。這種蒸發(fā)凝結(jié)所導致的熱量交換稱為潛熱交換。熱量交換通宵是多種作用共同影響的結(jié)果。在地面和空氣之間，最主要的是輻射。在氣層（氣團）之間，主要依靠對流和湍流，其次通過蒸發(fā)、凝結(jié)的潛熱交換方式進行熱量交換。第76頁，共83頁，2023年，2月20日，星