《大氣運動方程》課件

大氣運動方程大氣運動方程描述了空氣質(zhì)量在空間和時間中的變化規(guī)律。其中包括動量方程、連續(xù)性方程以及熱量方程等,全面反映了大氣運動的基本物理過程。課程簡介課程概述本課程將深入探討大氣運動的基本理論和方程式,幫助學生全面理解大氣環(huán)境的動力學特征。學習目標通過本課程的學習,學生將掌握大氣環(huán)境的數(shù)學模型和基本物理過程,為后續(xù)氣象和環(huán)境學習奠定基礎。教學內(nèi)容課程涵蓋流體力學、熱力學、數(shù)學物理等多個學科,以大氣環(huán)境的實際應用為導向進行教學。大氣運動基本概念大氣組成大氣主要由氮、氧、二氧化碳、水蒸氣等氣體成分組成,每種成分都對大氣運動有重要影響。溫度分層地球大氣由對流層、平流層、中層氣球、熱層等幾個層次組成,每層溫度都有特點。風力驅(qū)動大氣運動主要由溫度差異、地球自轉(zhuǎn)和地形等因素造成的氣壓差引起,從而形成復雜的風系。水循環(huán)過程水蒸氣的凝結(jié)和降水過程是大氣熱傳輸和循環(huán)的重要組成部分,影響著大氣的熱量和動量。流體力學基本方程連續(xù)性方程描述流體質(zhì)量的守恒性,表示流體在任何控制體內(nèi)質(zhì)量的輸入和輸出之差等于該控制體內(nèi)質(zhì)量的變化率。動量方程描述流體受到的外力作用會導致流體的速度發(fā)生變化,根據(jù)牛頓第二定律可以建立動量方程。能量方程描述流體在流動過程中能量的變化,包括內(nèi)能、勢能和動能,反映了流體受到的外界能量輸入和輸出。狀態(tài)方程描述流體幾何性質(zhì)、物理性質(zhì)和熱力學性質(zhì)之間的關(guān)系,如溫度、壓力、密度等。連續(xù)性方程連續(xù)性方程描述了流體中的質(zhì)量守恒原理。它表明流體在任何一個微小單元格內(nèi)，流入的質(zhì)量和流出的質(zhì)量是相等的。這是流體運動中的基本方程，為動量和能量方程的推導奠定了基礎。連續(xù)性方程確保流體在任何一個控制體內(nèi)的質(zhì)量守恒，為后續(xù)計算動量、能量等提供了基礎。動量方程動量方程概述描述物體在外力作用下的運動狀態(tài)變化。包括牛頓第二定律和歐拉方程。牛頓第二定律力等于質(zhì)量乘以加速度，描述物體受到合力時的運動變化。歐拉方程描述流體在外力作用下的運動變化。與牛頓第二定律類似，但適用于流體。動量方程是描述物體或流體受外力作用時的運動狀態(tài)變化的基本方程，包括牛頓第二定律和歐拉方程兩種形式。它們反映了力與質(zhì)量、加速度之間的關(guān)系，為后續(xù)大氣運動方程的推導奠定了基礎。能量方程能量方程描述了物理系統(tǒng)內(nèi)部能量的平衡和轉(zhuǎn)換過程。它是流體力學中的基本方程之一，表示了一個流體微元內(nèi)部的能量守恒。$1E+10熱量$1E+8動能$1E+6位能$1E+4內(nèi)能能量方程體現(xiàn)了系統(tǒng)內(nèi)熱量、動能、位能和內(nèi)能之間的平衡關(guān)系。它描述了這些不同形式的能量如何在系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)化和交換。該方程可應用于氣象、地球物理等諸多領域的分析和建模。狀態(tài)方程狀態(tài)方程是描述氣體狀態(tài)與溫度、壓力、密度等參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學表達式。常見的狀態(tài)方程包括理想氣體狀態(tài)方程和范德華狀態(tài)方程。狀態(tài)方程可以幫助我們預測和分析大氣環(huán)境中氣體的運動特性。這些關(guān)鍵氣體參數(shù)在大氣環(huán)境中變化會影響大氣運動情況。狀態(tài)方程可用于分析和預測這些變化對大氣環(huán)境產(chǎn)生的影響。邊界條件大氣邊界層大氣邊界層是大氣中距離地表最低的一層,受地表影響較大,是大氣運動方程的重要邊界條件。地表邊界條件地表溫度、濕度、動量通量等是大氣運動方程的重要邊界條件,直接影響大氣環(huán)流。上邊界條件大氣上層邊界條件也是大氣運動方程的重要參數(shù),如大氣靜穩(wěn)、上層輻射通量等。簡化假設物理機制簡化為了方便分析大氣運動,在建立數(shù)學模型時通常會對一些物理機制進行簡化處理,如忽略垂直速度與水平速度相比較小的假設。邊界條件簡化在大氣邊界層內(nèi),可以假設地表邊界條件為光滑平面,而不考慮地表的真實起伏特征。參數(shù)化處理一些難以精確描述的過程,如湍流擴散、云雨過程等,采用參數(shù)化方法進行近似表達。局地均勻假設在一定空間尺度內(nèi),可以假設大氣物理量在水平方向上具有均勻分布特征。納維-斯托克斯方程納維-斯托克斯(Navier-Stokes)方程是描述流體運動的基本方程,由法國工程師Claude-LouisNavier和英國數(shù)學家GeorgeGabrielStokes共同建立。該方程描述了流體的質(zhì)量、動量和能量的守恒性,是流體力學和大氣物理學的基礎。1連續(xù)性描述流體質(zhì)量守恒的方程3動量描述流體動量守恒的方程1能量描述流體能量守恒的方程通過求解納維-斯托克斯方程組,可以得到流體的速度場、壓力場等物理量,從而預測和分析復雜的流體運動過程。該方程是流體力學研究的核心,在大氣科學、航空航天、海洋學等領域廣泛應用。廣義坐標系網(wǎng)格系統(tǒng)廣義坐標系使用網(wǎng)格系統(tǒng)來描述空間中的位置和運動。這種系統(tǒng)更加靈活和適應性強。坐標變換可以進行從直角坐標系到廣義坐標系的靈活變換,更好地描述復雜的幾何形態(tài)。物理量描述廣義坐標系能夠更好地描述物理量的分布和演變,有助于分析復雜的物理過程。坐標變換1定義坐標系建立適合描述大氣物理過程的坐標系,如慣性坐標系、地球坐標系或旋轉(zhuǎn)坐標系等。2變換方程明確不同坐標系之間的變換關(guān)系,包括位置、速度、加速度等物理量的變換。3簡化過程根據(jù)實際問題,采用適當?shù)淖鴺讼岛喕髿膺\動方程的推導和求解。熱力學第一定律熱力學第一定律是描述熱量與其他形式的能量之間關(guān)系的基本定律。它說明了能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系,熱量可以轉(zhuǎn)換為其他形式的能量,如機械能、電能等。定義熱量的增加等于系統(tǒng)的內(nèi)能增加與系統(tǒng)的功作功之和公式Q=ΔU+W應用用于分析熱力學系統(tǒng)中能量的轉(zhuǎn)換過程,在工程設計中廣泛應用熱力學第二定律熱力學第二定律:熱量只能從溫度較高的物體流向溫度較低的物體,不能自發(fā)地從溫度較低的物體流向溫度較高的物體。對應概念:自發(fā)過程的熵增原理,熱機定理,卡諾循環(huán),卡諾效率等。應用:熱機、制冷機的工作原理,建筑物能源利用效率評估等。熱力學過程等溫過程溫度保持不變,系統(tǒng)只做功或吸收熱量。在等溫過程中,內(nèi)能變化等于熱量變化。絕熱過程系統(tǒng)與外界完全隔離,不交換熱量。在絕熱過程中,系統(tǒng)只做功或吸收功。等容過程體積保持不變,系統(tǒng)只做功或吸收熱量。等容過程中,內(nèi)能變化等于熱量變化。等壓過程壓力保持不變,系統(tǒng)只做功或吸收熱量。等壓過程中,焓變等于熱量變化。大氣環(huán)境熱平衡能量收支平衡地球環(huán)境存在能量收支平衡,地表吸收和發(fā)射的太陽輻射與大氣層內(nèi)部傳熱過程達到動態(tài)平衡,維持著地球整體的熱力學穩(wěn)定。溫室效應大氣中的溫室氣體吸收和反射部分地表輻射,導致地表溫度升高,形成溫室效應,是維持地球溫度適宜的關(guān)鍵機制。熱量垂直分布由于太陽輻射和地表散熱的差異,大氣溫度隨高度呈現(xiàn)出復雜的垂直分布特征,形成不同的對流層、平流層等熱力學結(jié)構(gòu)。大氣環(huán)境能量平衡能量收支大氣環(huán)境持續(xù)地從地面接收太陽輻射、吸收地表熱量,同時也向地面釋放長波輻射,形成復雜的能量收支平衡。熱量交換大氣環(huán)境通過輻射、對流和導熱等過程不斷地與地表、海洋和其他大氣層進行熱量交換,維持整體能量的平衡。溫室效應大氣中的溫室氣體如二氧化碳和甲烷等吸收大氣輻射熱,參與能量平衡,造成溫室效應。熱量通量熱量通量是描述熱傳遞的一個重要概念。它表示單位時間內(nèi)通過單位面積的熱量傳遞率。熱量通量由溫度梯度和熱導率決定,可分為熱量傳導、對流和輻射三種形式。了解熱量通量對于分析大氣熱力學過程、能量平衡等至關(guān)重要。大氣環(huán)境中熱量傳輸?shù)闹饕问桨崃總鲗?、對流和輻?它們各自占據(jù)一定比重。了解熱量通量在不同傳熱形式之間的分布對于分析大氣熱力學過程至關(guān)重要。熱量傳導0.1熱導率物質(zhì)內(nèi)部熱量的傳導速率2導熱方式通過分子熱運動進行傳遞1.6K導熱系數(shù)不同物質(zhì)的熱量傳導能力熱量傳導是通過物質(zhì)內(nèi)部分子熱運動的方式將熱量從高溫區(qū)域傳遞到低溫區(qū)域。熱導率越高的物質(zhì)熱量傳導越快。導熱系數(shù)是反映物質(zhì)導熱能力的重要參數(shù)。熱量對流熱量傳導熱量通過分子間的碰撞和振動傳播熱量輻射熱量以電磁波的形式傳播熱量對流熱量隨流體(如空氣或水)流動而傳播熱量對流是熱量傳播的主要方式之一。流體(如空氣或水)在溫度差的驅(qū)動下流動,帶動熱量在不同區(qū)域之間傳播。這種方式能快速、有效地傳遞熱量,在許多自然過程和工程應用中都發(fā)揮重要作用。輻射傳熱輻射傳熱是通過電磁波形式在空間中傳播的一種熱量傳輸機制。它不需要物質(zhì)介質(zhì)就可以傳播,能量以光速傳播。輻射傳熱在大氣環(huán)境中起著關(guān)鍵作用,決定著地球的熱量收支平衡。1KW/m2500km300°K—輻射通量厄尼-玻爾人定理定義厄尼-玻爾人定理是描述氣體分子在非均勻溫度場中的行為的統(tǒng)計力學理論。它說明了氣體分子在溫度梯度作用下的流動規(guī)律。原理該定理指出,氣體分子在高溫區(qū)域具有較大的動能,容易向低溫區(qū)移動,從而形成熱流。這種分子熱運動引起的熱量傳遞過程稱為熱擴散。應用厄尼-玻爾人定理在氣象、化工、航空航天等領域得到廣泛應用,為研究大氣環(huán)境中的熱量傳遞過程提供了理論基礎。意義該定理闡明了氣體熱傳導的微觀機理,為分析大氣環(huán)境中的熱傳輸過程奠定了理論基礎。熱力學函數(shù)1內(nèi)能內(nèi)能是物質(zhì)粒子的熱運動產(chǎn)生的能量總和,反映了物質(zhì)的熱狀態(tài)。2焓焓是系統(tǒng)的內(nèi)能與原始體積和壓力的乘積之和,用于描述熱過程中的能量變化。3熵熵代表了物質(zhì)系統(tǒng)無序程度的度量,反映了熱過程中能量的可用性降低。4吉布斯自由能吉布斯自由能結(jié)合了內(nèi)能、壓力-體積功和熵,用于評估自發(fā)過程的可能性。熱力學參量溫度溫度是衡量物質(zhì)熱量或熱能狀態(tài)的標準參量,直接反映物質(zhì)中分子的熱運動強度。壓力壓力表示氣體或液體對單位面積的作用力,是大氣環(huán)境中重要的熱力學參量。密度密度反映物質(zhì)的物理屬性,是熱力學分析和熱量傳輸?shù)闹匾獏?shù)。焓焓是表示物質(zhì)內(nèi)部熱能和功能量的綜合參量,對于大氣熱力過程分析很重要。地球大氣熱力學結(jié)構(gòu)地球大氣層的熱力學結(jié)構(gòu)由多個特征明顯的層次組成,包括對流層、平流層、中間層和熱層等。這些層次由不同的溫度變化特征和熱量傳輸方式?jīng)Q定,反映了大氣中復雜的能量交換過程。理解大氣熱力學結(jié)構(gòu)對于研究大氣環(huán)境和氣候變化至關(guān)重要。地球大氣熱力學過程1大氣吸收地球大氣吸收來自太陽的輻射能量2大氣加熱吸收的太陽輻射能量使大氣加熱3大氣對流大氣升溫后產(chǎn)生對流運動4大氣放熱大氣通過輻射和對流方式釋放熱量地球大氣發(fā)生復雜的熱力學過程,包括吸收太陽輻射能量、大氣加熱、對流運動及最終通過輻射和對流方式釋放熱量。這些過程共同維持了地球大氣的熱平衡,影響著地球整體的熱量收支和氣候變化。大氣運動方程應用天氣預報大氣運動方程是天氣預報的基礎,能準確預測風、溫度、降水等要素變化。氣候模擬借助大氣運動方程,可以構(gòu)建復雜的氣候模擬系統(tǒng),預測未來氣候變化趨勢?？諝馕廴痉治龃髿膺\動方程可用于分析污染物擴散過程,為制定空氣污染治理策略提供依據(jù)。大氣動力學大氣運動方程是描述大氣動力學過程的基礎,可用于研究風暴、氣旋等大氣現(xiàn)象。大氣環(huán)境建模1數(shù)學建模基于大氣運動方程建立數(shù)學模型,模擬大氣環(huán)境的動力學過程。2數(shù)值模擬利用高性能計算機進行數(shù)值求解,模擬大氣環(huán)境的