大气科学导论第三讲.ppt

1,Ch03、大气热力学和稳定性,气体状态方程热力学第一定律大气静力平衡干绝热和湿绝热过程 大气的静力稳定度阅读：Meteorology Today，第5和7章,大气热力学,热力学理论是经典物理学的一个里程碑，它闪耀的光芒照着我们去探索现代科学的许多未知的角落。它的不仅对物理和化学有着重要的作用，对生物和地球科学也同样有着重要的作用。热力学的有关知识几乎可以完全应用到大气科学，只需要一些特殊的变化即可以。,2,1、气体状态方程,对于右面的两个方程，大气科学专业通常使用第二个方程。对于干空气来说，其平均分子量是28.97 克/mole，所以，,3,2、热力学第一定律,热力学第一定律是一个能量守恒定律。它考虑的是一个封闭系统与周围环境之间的能量交换。关于热力学第一定律的精确讨论，我们会在物理学以及大气科学后面的相关课程中学习，在这里我们仅简单地给出他的公式。,4,第一热力学定律,单位质量气体内能的变化等于该单位质量气体的热量变化及其对外所做的功之和(3)。通常情况下，热力学第一定律可以写成方程（4）。,5,3、大气静力平衡方程,大气静力平衡是大气科学中的一个重要概念，它指的是一个气块在所受的各种力的作用下处于平衡状态。在中小尺度范围（100公里以下），大气其实经常处于不稳定状态，这是为神门我们经常可以看到积云对流运动。但对较大的空间尺度，我们一般认为大气处于准稳定状态。,6,静力平衡方程,考虑一个单位面积的气块，如果该气块所受的向上的力下与向下的力相等，我们说该气块处于静力平衡状态。对于右图所示的气块，我们有：,7,位势高度(Geopotential Height),位势高度是一个经常出现的概念，这一概念可以通过静力平衡方程来给出。首先，我们来介绍位势(Geopotential)这一概念。位势相当于物理中所说的势能，也就是把1 kg物体升高一定距离所做的功。对（6）进行积分，我们可以得到位势（7）。,8,位势高度,在方程（8）中，重力加速度g是在积分号里面的，也就是考虑了g随高度的变化。位势除以地球表面的重力加速度g0便是位势高度。位势高度和实际高度在近地面基本相等，但随着高度升高，它们之间的差别变大。,9,4、干绝热和湿绝热过程,在高中和大学的物理课程里，我们已知道绝热过程或绝热变化的物理意义。绝热过程意味着一个物体在物理变化过程没有得到和失去热量。对大气的绝热过程，我们通常考虑两种情况：干绝热和湿绝热。前者是指没有水汽情况下的干空气，后者是指包含水汽的湿空气。,10,干绝热温度递减率,我们在第二章学习到，大气主要吸收地面放出的长波辐射，所以，越靠近地面，大气的温度越高，向上逐步递减（辐射达到平衡时，温度随高度的分布可以通过辐射传输的知识得到）。但如果地面被加热得太热，近地面空气密度将变得太小，大气处于不稳定状态，而产生对流上升运动。,11,干绝热温度递减率,右图所示的是一个气块在垂直运动时温度和体积的变化。如果该气块是上升的，由于气压不断降低，该气块的体积将不断膨胀，而温度将降低。相反，如果该气块是下沉，其体积被压缩，但温度升高。,12,干绝热温度递减率,考虑一个干空气气块做绝热垂直上升运动，并且满足静力平衡关系，那么它的温度递减率如何呢？这可以从热力学第一定律和静力平衡方程得到。,13,干绝热温度递减率,把g=9.81 ms-2和cp=1004 JK-1kg-1代入到（9），我们可以得到干绝热递减率（10）。需要指出的是，上面的温度递减率是根据绝热条件得出的，在实际大气中，温度的递减率大约是6.5 K/km。,14,湿绝热递减率,考虑大气中含有水汽，在气块上升过程中，温度随高度降低，空气将最终达到饱和而凝结，并释放潜热。根据绝热的条件，该气块何周围没有热量交换的话，释放的潜热将加热该气块，所以，其膨胀降温应比干绝热慢，湿绝热递减率比干绝热递减率较小。定量的推导超出了本课程的范围，我们只简单地给出湿绝热温度递减率的值：在近地面大约是4K/km，在高层稍小于干绝热递减率。,15,抬升凝结高度(Lifting condensation level,LCL),在前面，我们提到不饱和湿空气在上升过程中由于降温将达到饱和而凝结。如果由于外力的作用把一个气块绝热地抬升到某一高度而使气块达到饱和和凝结，这一高度称为抬升凝结高度。右图所示的是过山气流在迎风坡北山地被抬升产生凝结和降水。在背风坡下沉，由于被压缩而增温。,16,迎风坡湿润和背风坡干燥,17,在我国，由于降水通常是由于南方输送的水汽造成的，所以，一个常见的现象是在山地的南面（迎风坡），湿润和多植被，山地的北面（背风坡）干燥几乎是荒漠。喜马拉雅山的南麓多森林，北麓非常干燥。,过山气流背风坡的波动,过山气流会在背风坡产生波动，气流上升的地方降温使得水汽凝结产生云，下沉的地方增温，天气晴朗，产生有规则排列的云街。,18,美国东海岸一次云街天气,19,强风速切变气流在背风坡形成的重力波云系,20,背风坡处形成的碟状云,21,造成空气抬升的4种情况,（a）地面热力抬升，（b）山地抬升，（c）地面辅合抬升，（d）锋面冷空气抬升暖空气,22,云层高度取决于大气的水汽含量,如果大气中水汽含量较高，容易达到饱和，抬升凝结高度较低，所以，云的高度也较低。相反，抬升凝结高度较高，云只能在较高的高度形成。,23,5、大气的静力稳定度,大气静力稳定度指的是大气在垂直方向相对于扰动的稳定程度。大气静力稳定度取决于大气温度的垂直分布。如果大气是稳定的，则天气晴好；相反，将出现阴天或降水。,24,稳定和不稳定示意图,25,稳定状态：给一个物体扰动，该物体仍能回到原点；不稳定状态：给一个物体扰动，将永远离开原点。,稳定的大气层结,如果环境大气温度递减率是-4，无论是干绝热或是湿绝热，它们的递减率均大于环境大气的递减率。在这种情况下，如果以干绝热或湿绝热抬升一个气块，该气块的温度都将低于环境温度，气密度较环境大气重，该气块将下沉回到原点。如果把该气块向下拉，它的温度将高于环境温度，密度较小，它将上升回到原点。,26,不稳定的大气层结,如果环境大气温度递减率是-11，无论是干绝热或是湿绝热，它们的递减率均小于环境大气的递减率。在这种情况下，如果以干绝热或湿绝热抬升一个气块，该气块的温度都将高于环境温度，密度较小，该气块将不断上升。如果把该气块向下拉，它的温度将低于环境温度，密度较大，它将不断下沉。,27,条件性不稳定,如果环境大气温度递减率是-7，该递减率小于干绝热递减率，但大于湿绝热递减率。对于未饱和大气来说，大气是稳定的。但当气块被抬升到凝结高度之后，变为湿绝热过程。假定湿绝热递减率是-6，它小于环境温度递减率，所以是不稳定的。,28,绝对稳定和绝对不稳定,如果大气温度递减率大于干绝热递减率，空气是绝对不稳定的，稍微扰动可以导致强对流发生；如果大气温递减率小于湿绝热递减率，大气是绝对稳定的；如果大气温度递减率界于干绝热和湿绝热温度递减率之间，大气是条件不稳定。,29,对流混合趋于降低大气温度递减率和大气的不稳定度,对流运动把低层较暖的空气带到高层，并与高层较冷得空气混合。热量混合的结果使得大气低层不至于太暖，高层大气不至于太冷。,30,积云对流的形成过程,某一地面较周围环境暖，空气上升，当达到凝结高度时，云开始形成。周围空气下沉。,31,积云对流的形成过程,未饱和湿空气被热力抬升到凝结高度后形成积云。由于高层存在逆温，大气是稳定的，所以，云无法向更高层发展。,32,大气层结和积云的发展,(a)如果大气中高层比较稳定，积云较薄，一般形成淡积云；(b)如果大气比较不稳定，可能出现浓积云；(c)如果大气很不稳定，将出现积雨云（常伴随雷暴发生）。,33,大气边界层不稳定形成的淡积云,边界层不稳定形成对流，但边界层上层的逆温层限制对流的发展，形成很薄的淡积云。,34,较强的大气不稳定形成的积雨云,当大气不稳定较强时，对流比较旺盛，云层比较浓厚。,35,较强的大气不稳定形成的积雨云,36,当大气不稳定较强时，对流比较旺盛，云层比较浓厚。,37,作业：,什么是大气静力平衡？什么是大气干绝热过程，大气的干绝热递减率是多少？实际大气的温度递减率是多少？什么是湿绝热过程，湿绝热递减率大约是多少？他是如何随高度变化的？在什么样的条件下，大气是绝对稳定、绝对不稳定和条件性不稳定？画图说明强雷暴天气对应的温度层结廓线。,38,思考题：,1、根据气体状态方程、第一热力学定律和静力平衡关系推导大气干绝热递减率。2、热带大气的湿度较大，轻微的抬升便可以使空气达到凝结高度，释放的潜热使气块变热和变轻，上升运动加强。加强的对流导致更多的潜热释放，对流将更加强烈，从而形成是一个正反馈过程。你能否比较热带与温带大气的湿度和温度层结，并证明这一正反馈过程。,