大气的增温和冷却课件

第二节第二节 大气的增温和冷却大气的增温和冷却2024/7/91第二节 大气的增温和冷却2023/8/131一、海陆的增温和冷却的差异一、海陆的增温和冷却的差异 同样的太阳辐射到达地面也会因下垫面性质的不同同样的太阳辐射到达地面也会因下垫面性质的不同而温度不同，而而温度不同，而大气的热源主要来自下垫面大气的热源主要来自下垫面，所以下垫，所以下垫面的不同对大气温度有着深刻的影响。其中海洋与陆地面的不同对大气温度有着深刻的影响。其中海洋与陆地的差异最大。的差异最大。2024/7/92一、海陆的增温和冷却的差异 同样的太阳辐射到达(1)二者对太阳辐射的吸收和反射不同二者对太阳辐射的吸收和反射不同；u原因：原因：在同样的太阳辐射强度之下，在同样的太阳辐射强度之下，海洋所吸收的太阳能多于海洋所吸收的太阳能多于陆地所吸收的太阳能陆地所吸收的太阳能，这是因为，这是因为陆面对太阳光的反射率大于陆面对太阳光的反射率大于水面水面。平均而论，陆面和水面的反射率之差约为。平均而论，陆面和水面的反射率之差约为1020。换句话说，同样条件下的水面吸收的太阳能比陆面吸收的太换句话说，同样条件下的水面吸收的太阳能比陆面吸收的太阳能多阳能多1020。2024/7/93(1)二者对太阳辐射的吸收和反射不同；原因：(2)能量分布的厚度不同能量分布的厚度不同；u原因：原因：陆地所吸收的太阳能分布在很薄的表面上陆地所吸收的太阳能分布在很薄的表面上，而，而海水所吸海水所吸收的太阳能分布在较厚的层次收的太阳能分布在较厚的层次。n 这是因为陆地表面的岩石和土壤对于各种波长的太阳辐这是因为陆地表面的岩石和土壤对于各种波长的太阳辐射都是不透明的，而水除了对红色光线和红外线可以说是射都是不透明的，而水除了对红色光线和红外线可以说是不透明的外，对于紫外线和波长较短的可见光线来说，却不透明的外，对于紫外线和波长较短的可见光线来说，却是相当透明的。是相当透明的。2024/7/94(2)能量分布的厚度不同；原因：陆地所吸收的太 同时，同时，陆地所得太阳能主要依靠传导向地下传播陆地所得太阳能主要依靠传导向地下传播，而，而水水还有其他更有效的方式还有其他更有效的方式，包括，包括波浪波浪、洋流洋流和和对流作用对流作用。这些。这些作用使得水的热能发生垂直的和水平的交换。作用使得水的热能发生垂直的和水平的交换。因此，陆面所得太阳辐射集中于表面一薄层，以致表面因此，陆面所得太阳辐射集中于表面一薄层，以致表面急剧增温，也就加强了陆面和大气之间的显热交换；反之，急剧增温，也就加强了陆面和大气之间的显热交换；反之，水面所得太阳辐射分布在较厚的一个层次，以致水温不易增水面所得太阳辐射分布在较厚的一个层次，以致水温不易增高，也就相对地减弱了水面和大气之间的显热交换。砂所得高，也就相对地减弱了水面和大气之间的显热交换。砂所得的太阳辐射，传给空气的约占半数，而水所得的太阳辐射，的太阳辐射，传给空气的约占半数，而水所得的太阳辐射，传给空气的不过传给空气的不过0.5。2024/7/95 同时，陆地所得太阳能主要依靠传导向地下传播，(3)水汽含量不同水汽含量不同；u原因：原因：海面有充分水源供应，以致蒸发量较大，失热较多，也海面有充分水源供应，以致蒸发量较大，失热较多，也使得水温不容易升高。而且，空气因水分蒸发而有较多的水使得水温不容易升高。而且，空气因水分蒸发而有较多的水汽，以致空气本身有较大的吸收地面辐射的能力，也就使得汽，以致空气本身有较大的吸收地面辐射的能力，也就使得气温不易降低。气温不易降低。陆地上的情况则正好相反。陆地上的情况则正好相反。2024/7/96(3)水汽含量不同；原因：海面有充分水源供应(4)陆地比热小于海洋比热陆地比热小于海洋比热；u原因：原因：2024/7/97(4)陆地比热小于海洋比热；原因：2023/8/137u结论结论：陆地受热快，冷却也快，温度升降变化大。：陆地受热快，冷却也快，温度升降变化大。海洋好像大气热量的存储器和调节器升温和冷却都较海洋好像大气热量的存储器和调节器升温和冷却都较慢，所以年最高气温和最低气温的出现比大陆延迟慢，所以年最高气温和最低气温的出现比大陆延迟12个月，且日较差和年较差都比陆地小。个月，且日较差和年较差都比陆地小。n“陆地是急性子陆地是急性子，海洋是慢性子海洋是慢性子”2024/7/98结论：陆地受热快，冷却也快，温度升降变化大。海洋好像大气热量二、空气的增温和冷却二、空气的增温和冷却 空气的冷热程度只是一种现象，它空气的冷热程度只是一种现象，它实质上是空气内能实质上是空气内能大小的表现大小的表现。空气内能变化有两种情况空气内能变化有两种情况：n 一是由于空气一是由于空气与外界有热量交换与外界有热量交换而引起的，称为而引起的，称为非绝热非绝热变化变化；n 二是由于二是由于外界压力的变化使空气膨胀或压缩外界压力的变化使空气膨胀或压缩而引起的，而引起的，空气与外界没有热量交换，称为空气与外界没有热量交换，称为绝热变化绝热变化。2024/7/99二、空气的增温和冷却 空气的冷热程度只是一种现象，它实质上是2.1 气温的非绝热变化气温的非绝热变化气温的非绝热变化气温的非绝热变化(几种与外界传递热量的方式几种与外界传递热量的方式几种与外界传递热量的方式几种与外界传递热量的方式)传导传导传导传导辐射辐射辐射辐射对流对流对流对流湍流湍流湍流湍流蒸发蒸发蒸发蒸发凝结凝结凝结凝结2024/7/9102.1 气温的非绝热变化气温的非绝热变化传导2023/8/1(1)传导传导：就是依靠分子的热运动将热能从一个分子传递：就是依靠分子的热运动将热能从一个分子传递给另一分子，而分子本身并没有因此发生位置的变化。给另一分子，而分子本身并没有因此发生位置的变化。n 空气与地面之间，空气团与空气团之间，当有温度差异空气与地面之间，空气团与空气团之间，当有温度差异时，就会因为传导作用而交换热量。时，就会因为传导作用而交换热量。(2)辐射辐射：是物体之间依各自温度不停地以辐射方式交换：是物体之间依各自温度不停地以辐射方式交换着热量的传热方式。着热量的传热方式。n 大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热，同时，地面大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热，同时，地面也吸收大气放出的长波辐射，这样它们之间就通过长波辐也吸收大气放出的长波辐射，这样它们之间就通过长波辐射的方式不停地交换着热量。射的方式不停地交换着热量。n 空气团之间，也可以通过长波辐射而交换热量。空气团之间，也可以通过长波辐射而交换热量。2024/7/911(1)传导：就是依靠分子的热运动将热能从一个分子传递给另一分(3)对流对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便下降来补充，这种升降运动，称为对流。下降来补充，这种升降运动，称为对流。n 通过对流、上下层空气互相混合，热量也就随之得到交通过对流、上下层空气互相混合，热量也就随之得到交换。使低层的热量传递到较高的层次，这是对流层中的热换。使低层的热量传递到较高的层次，这是对流层中的热量交换的重要方式。量交换的重要方式。(4)湍流湍流：是空气的不规则运动称为湍流，又称：是空气的不规则运动称为湍流，又称乱流乱流。n 湍流是空气层相互之间发生摩擦或空气流过粗糙不平湍流是空气层相互之间发生摩擦或空气流过粗糙不平的地面时产生的。的地面时产生的。n 有湍流时，相邻空气团之间发生混合，热量也就得到有湍流时，相邻空气团之间发生混合，热量也就得到了交换。了交换。n 湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。湍流是摩擦层中热量交换的重要方式。2024/7/912(3)对流：当暖而轻的空气上升时，周围冷而重的空气便下降来补(5)蒸发蒸发(升华升华)和凝结和凝结(升华升华)：n 水在蒸发水在蒸发(或冰在升华或冰在升华)时要吸收热量；时要吸收热量；n 相反，水汽在凝结相反，水汽在凝结(或凝华或凝华)时，又会放出潜热。时，又会放出潜热。n 如果蒸发如果蒸发(升华升华)的水汽，不是在原处凝结的水汽，不是在原处凝结(凝华凝华)，而，而是被带到别处去凝结是被带到别处去凝结(凝华凝华)，就会使热量得到传送。，就会使热量得到传送。p 例如，从地面蒸发的水汽，在空中发生凝结时，就例如，从地面蒸发的水汽，在空中发生凝结时，就把地面的热量传给了空气把地面的热量传给了空气。n 因此，通过蒸发因此，通过蒸发(升华升华)和凝结和凝结(凝华凝华)，也能使地面和，也能使地面和大气之间，空气团与空气团之间发生潜热交换。由于大大气之间，空气团与空气团之间发生潜热交换。由于大气中的水汽王要集中在气中的水汽王要集中在5公里以下的气层中，所以这种公里以下的气层中，所以这种热量交换主要在对流层下半层起作用。热量交换主要在对流层下半层起作用。2024/7/913(5)蒸发(升华)和凝结(升华)：2023/8/13132.2 气温的绝热变化气温的绝热变化 大气中所进行的各种过程，通常伴有不同形式的能大气中所进行的各种过程，通常伴有不同形式的能量转换。在能量转换过程中，空气的状态要发生改变。量转换。在能量转换过程中，空气的状态要发生改变。在气象学上，任一气块与外界之间无热量交换时的状态变在气象学上，任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程，叫做化过程，叫做绝热过程绝热过程。2024/7/9142.2 气温的绝热变化 大气中所进行的各种过程(1)当某一气团在与外界没有任何热量交换的情况下，做上当某一气团在与外界没有任何热量交换的情况下，做上升运动，如果该气团体积不变上升到某一处，则其内部的升运动，如果该气团体积不变上升到某一处，则其内部的压强会比周围大气的要高，气团为了与外界大气相平衡，压强会比周围大气的要高，气团为了与外界大气相平衡，气块体积要膨胀，在膨胀的过程中克服外界压力而做功，气块体积要膨胀，在膨胀的过程中克服外界压力而做功，气团做功所消耗的能量取自气团内部，因此使气块温度降气团做功所消耗的能量取自气团内部，因此使气块温度降低，以上过程称为气温的低，以上过程称为气温的绝热冷却绝热冷却。(2)反之，气团作下沉运动时，若与外界没有热量交换的情反之，气团作下沉运动时，若与外界没有热量交换的情况下，由于外界气压比起团内部气压高，会压缩气块使气况下，由于外界气压比起团内部气压高，会压缩气块使气团体积缩小，同时气团内气体被压缩做功，内能增加，温团体积缩小，同时气团内气体被压缩做功，内能增加，温度上升，这种现象称为度上升，这种现象称为绝热增温绝热增温。2024/7/915(1)当某一气团在与外界没有任何热量交换的情况下，做上升运动2.2.1 热流量方程热流量方程：大气科学中常用的大气科学中常用的热力学第一定律表达式热力学第一定律表达式，即，即热流量方程热流量方程。绝热过程绝热过程：dQ=0；非绝热过程非绝热过程：dQ02024/7/9162.2.1 热流量方程：2023/8/13162.2.2 干绝热变化、干绝热直减率干绝热变化、干绝热直减率：干绝热变化干绝热变化：当一团干空气或未饱和的湿空气与外界当一团干空气或未饱和的湿空气与外界没有任何热量交换做升降运动，且气块内没有任何水相没有任何热量交换做升降运动，且气块内没有任何水相变化时的变化时的温度变化过程温度变化过程叫叫干绝热变化干绝热变化。干绝热方程干绝热方程：干绝热直减率干绝热直减率(d)干空气或未饱和的湿空气，气干空气或未饱和的湿空气，气块绝热上升块绝热上升(或下沉或下沉)单位距离时温度降低单位距离时温度降低(或升高或升高)的数的数值。值。泊松方程泊松方程2024/7/9172.2.2 干绝热变化、干绝热直减率：泊松方程2023/100m干绝热直减率干绝热直减率:d=0.98/100m2024/7/918100m干绝热直减率:d=0.98/100m2023/8注意注意：干绝热直减率干绝热直减率气温直减率气温直减率异同异同 气温直减率气温直减率是是周围大气周围大气温度随着距离地面越来越远得温度随着距离地面越来越远得到的热量越来越少；到的热量越来越少；干绝热直减率干绝热直减率是是干空气干空气在绝热上升或绝热下降运动过在绝热上升或绝热下降运动过程中由于做功气块本身的温度变化。程中由于做功气块本身的温度变化。2024/7/919注意：干绝热直减率气温直减率异同 气温直减率是周围大气温度随对流层气温的垂直变化对流层气温的垂直变化 (复习、巩固概念复习、巩固概念)气温直减率气温直减率 定义定义：气温随高度变化的程度。气温随高度变化的程度。表达式表达式：Z：两高度高度差，：两高度高度差，T两高度相应的气温差；两高度相应的气温差；负号表示气温垂直分布的方向。负号表示气温垂直分布的方向。0，气温随高度的增加而降低；，气温随高度的增加而降低；0，气温随高度的增高而升高。，气温随高度的增高而升高。的绝对值越大，气温随高度变化差异越大。的绝对值越大，气温随高度变化差异越大。2024/7/920对流层气温的垂直变化 (复习、巩固概念)气温直减率 2.2.3 湿绝热变化、湿绝热直减率湿绝热变化、湿绝热直减率：湿绝热变化过程湿绝热变化过程：当饱和湿空气在做绝热上升：当饱和湿空气在做绝热上升(或下沉或下沉时时)温度受到两方面的影响：温度受到两方面的影响：n 气团中的干空气上升体积膨胀降温，也是每上升气团中的干空气上升体积膨胀降温，也是每上升100m温度降低温度降低0.98；n 水汽既已是饱和的，它会因为上升冷却而发生凝结，凝水汽既已是饱和的，它会因为上升冷却而发生凝结，凝结就要放热，所以放出的热量又使温度有所回升。结就要放热，所以放出的热量又使温度有所回升。所以可以所以可以推论推论：因为有凝结放出热量的补给，降温要：因为有凝结放出热量的补给，降温要小于小于d，这整个过程就是大气温度的，这整个过程就是大气温度的湿绝热变化湿绝热变化。2024/7/9212.2.3 湿绝热变化、湿绝热直减率：2023/8/13212.2.3 湿绝热变化、湿绝热直减率湿绝热变化、湿绝热直减率：湿绝热方程湿绝热方程：湿绝热直减率湿绝热直减率(m)：饱和湿空气块上升饱和湿空气块上升(下沉下沉)单位距单位距离使温度降低离使温度降低(升高升高)的数值。的数值。m0.98/100m是一个变数。是一个变数。各项物理意义各项物理意义2024/7/9222.2.3 湿绝热变化、湿绝热直减率：各项物理意义202湿绝热直减率是一个变数，它的大小是气压和温度的函数湿绝热直减率是一个变数，它的大小是气压和温度的函数100m在体积、气压相等的情况下，温度高的饱和空气含水在体积、气压相等的情况下，温度高的饱和空气含水量大，所以降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝量大，所以降低同样的温度，要比温度低的饱和空气凝结出更多的水分，意味着放出更多的热量来结出更多的水分，意味着放出更多的热量来。例如例如:20 19饱和空气凝结出饱和空气凝结出1g/m3水水 0-1饱和空气凝结出饱和空气凝结出0.33g/m3水水高温高温：凝结水多，放热多凝结水多，放热多(T大大)m=1-Tm小小低温低温低温低温：凝结水少，放热少凝结水少，放热少凝结水少，放热少凝结水少，放热少(TT小小小小)mm=1-T=1-T mm大大大大结论结论：当两块饱和空气气压相同，容积相等当两块饱和空气气压相同，容积相等而气温不同时而气温不同时 n 气温高的饱和空气气温高的饱和空气m小小n 气温低的饱和空气气温低的饱和空气m大大2024/7/923湿绝热直减率是一个变数，它的大小是气压和温度的函数100m在气压大小对湿绝热直减率的影响气压大小对湿绝热直减率的影响P P小小小小P P大大大大假设温度相同则空气所含的水汽是一定的，于是按湿绝热上升时因温假设温度相同则空气所含的水汽是一定的，于是按湿绝热上升时因温度降低产生的凝结潜热是相等的，但热量不是温度，对于空气密度大小度降低产生的凝结潜热是相等的，但热量不是温度，对于空气密度大小不同的气团，相同的热量引起的增温作用会不同不同的气团，相同的热量引起的增温作用会不同。P 大大：等量的热量引起的升温要小些等量的热量引起的升温要小些(T小小)m=1-Tm大大P 小小：等量的热量引起的升温要大些等量的热量引起的升温要大些(T大大)m=1-Tm小小结论结论：在温度相等的情况下在温度相等的情况下n 气压高的饱和空气气压高的饱和空气m大大 n 气压低的气压低的饱和空气饱和空气m小小 2024/7/924气压大小对湿绝热直减率的影响P小P大假设温度相同则空气所含的干、湿绝热的比较干、湿绝热的比较T(干干)T(湿湿)100m0干绝热直减率干绝热直减率d近似于常数，故是一直线近似于常数，故是一直线；m是一个变量，所以是一条曲线是一个变量，所以是一条曲线。湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。湿绝热直减率曲线始终在干绝热线的右方。m T(干干)m不不是是恒恒定定的的，因因而而不不是是一一个个直直线线，而而且且是是一一条条下下陡陡上上缓缓的的曲曲线线。因因为为大大气气下下层层温温度度高高，m小小，随随高高度度上上升升温温度度下下降降慢慢；大大气气上上部部温温度低，度低，m大，随着高度上升温度下降快。大，随着高度上升温度下降快。到了高层，两条线近于平行到了高层，两条线近于平行 温温度度越越降降越越低低，水水汽汽凝凝结结越越来来越越多多，空空气气团团中中的的水水汽汽含含量量越越来来越越少少，当当水水汽汽为为零零时时，饱饱和和空空气气也也就就变变为为干干空空气气，则则m=d，从从而而使使两两条条线近于平行。线近于平行。2024/7/925干、湿绝热的比较T(干)FGFGFGFGFGFGFA:d d 不稳定不稳定不稳定不稳定合力方向合力方向合力方向合力方向判断方法判断方法2024/7/929扰动方向高度（m）10020030013121113对于未饱和空气对于未饱和空气d 不稳定；不稳定；=d 中性；中性；m 不稳定；不稳定；=m 中性；中性；d 时，大气为绝对不稳定，且时，大气为绝对不稳定，且愈大，大气愈不稳定；愈大，大气愈不稳定；md 时，大气为绝对稳定，且时，大气为绝对稳定，且愈小，大气愈稳定；愈小，大气愈稳定；md 不稳定；=d 中性；d 稳4.3 不稳定能量的概念不稳定能量的概念不稳定能量不稳定能量就是气层中可使单位质量空气块离开初始就是气层中可使单位质量空气块离开初始位置后作加速运动的能量。位置后作加速运动的能量。气层能提供给气块的不稳定能可分为下述三种情况：气层能提供给气块的不稳定能可分为下述三种情况：2024/7/9314.3 不稳定能量的概念2023/8/1331作业题：作业题：1 1、概念：干绝热直减率、湿绝热直减率、大气稳定度、概念：干绝热直减率、湿绝热直减率、大气稳定度、大气静力稳定度大气静力稳定度2 2、空气在绝热升降过程中温度变化的原因和规律。空气在绝热升降过程中温度变化的原因和规律。3、简述大气静力稳定度的判据与判别方法。、简述大气静力稳定度的判据与判别方法。2024/7/932作业题：2023/8/13322024/7/933Thank You！2023/8/1333