大氣的增溫和冷卻課件

1、第二節(jié) 大氣的增溫和冷卻2022/10/111第二節(jié) 大氣的增溫和冷卻2022/10/101一、海陸的增溫和冷卻的差異 同樣的太陽輻射到達地面也會因下墊面性質(zhì)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。2022/10/112一、海陸的增溫和冷卻的差異 同樣的太陽輻射到達(1)二者對太陽輻射的吸收和反射不同；原因： 在同樣的太陽輻射強度之下，海洋所吸收的太陽能多于陸地所吸收的太陽能，這是因為陸面對太陽光的反射率大于水面。平均而論，陸面和水面的反射率之差約為1020。換句話說，同樣條件下的水面吸收的太陽能比陸面吸收的太陽能多10

2、20。2022/10/113(1)二者對太陽輻射的吸收和反射不同；原因： (2)能量分布的厚度不同；原因： 陸地所吸收的太陽能分布在很薄的表面上，而海水所吸收的太陽能分布在較厚的層次。 這是因為陸地表面的巖石和土壤對于各種波長的太陽輻射都是不透明的，而水除了對紅色光線和紅外線可以說是不透明的外，對于紫外線和波長較短的可見光線來說，卻是相當透明的。2022/10/114(2)能量分布的厚度不同；原因： 陸地所吸收的太 同時，陸地所得太陽能主要依靠傳導向地下傳播，而水還有其他更有效的方式，包括波浪、洋流和對流作用。這些作用使得水的熱能發(fā)生垂直的和水平的交換。 因此，陸面所得太陽輻射集中于表面一薄層

3、，以致表面急劇增溫，也就加強了陸面和大氣之間的顯熱交換；反之，水面所得太陽輻射分布在較厚的一個層次，以致水溫不易增高，也就相對地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。砂所得的太陽輻射，傳給空氣的約占半數(shù)，而水所得的太陽輻射，傳給空氣的不過0.5。2022/10/115 同時，陸地所得太陽能主要依靠傳導向地下傳播，(3)水汽含量不同；原因： 海面有充分水源供應，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，也使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發(fā)而有較多的水汽，以致空氣本身有較大的吸收地面輻射的能力，也就使得氣溫不易降低。 陸地上的情況則正好相反。2022/10/116(3)水汽含量不同；原因： 海面有充分水源供應(4

4、)陸地比熱小于海洋比熱；原因：2022/10/117(4)陸地比熱小于海洋比熱；原因：2022/10/107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12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”2022/10/118結論：陸地受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大。海洋好像大氣熱量二、空氣的增溫和冷卻 空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，它實質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)。 空氣內(nèi)能變化有兩種情況： 一是由于空氣與外界有熱量交換而引起的，稱為非絕熱變化； 二是由于外界壓力的變化使空氣膨脹或壓縮而引起

5、的，空氣與外界沒有熱量交換，稱為絕熱變化。2022/10/119二、空氣的增溫和冷卻 空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，它實質(zhì)上是2.1 氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化(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2022/10/11102.1 氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化傳導2022/10/(1)傳導：就是依靠分子的熱運動將熱能從一個分子傳遞給另一分子，而分子本身并沒有因此發(fā)生位置的變化。 空氣與地面之間，空氣團與空氣團之間，當有溫度差異時，就會因為傳導作用而交換熱量。(2)輻射：是物體之間依各自溫度不停地以輻射方式交換著熱量的傳熱方式。 大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時，地

6、面也吸收大氣放出的長波輻射，這樣它們之間就通過長波輻射的方式不停地交換著熱量。 空氣團之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。2022/10/1111(1)傳導：就是依靠分子的熱運動將熱能從一個分子傳遞給另一分(3)對流：當暖而輕的空氣上升時，周圍冷而重的空氣便下降來補充，這種升降運動，稱為對流。 通過對流、上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交換。使低層的熱量傳遞到較高的層次，這是對流層中的熱量交換的重要方式。 (4)湍流：是空氣的不規(guī)則運動稱為湍流，又稱亂流。 湍流是空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時產(chǎn)生的。 有湍流時，相鄰空氣團之間發(fā)生混合，熱量也就得到了交換。 湍流是摩擦層中

7、熱量交換的重要方式。2022/10/1112(3)對流：當暖而輕的空氣上升時，周圍冷而重的空氣便下降來補(5)蒸發(fā)(升華)和凝結(升華) ： 水在蒸發(fā)(或冰在升華)時要吸收熱量； 相反，水汽在凝結(或凝華)時，又會放出潛熱。 如果蒸發(fā)(升華)的水汽，不是在原處凝結(凝華)，而是被帶到別處去凝結(凝華)，就會使熱量得到傳送。 例如，從地面蒸發(fā)的水汽，在空中發(fā)生凝結時，就把地面的熱量傳給了空氣。 因此，通過蒸發(fā)(升華)和凝結(凝華)，也能使地面和大氣之間，空氣團與空氣團之間發(fā)生潛熱交換。由于大氣中的水汽王要集中在5公里以下的氣層中，所以這種熱量交換主要在對流層下半層起作用。2022/10/1113

8、(5)蒸發(fā)(升華)和凝結(升華) ：2022/10/10132.2 氣溫的絕熱變化 大氣中所進行的各種過程，通常伴有不同形式的能量轉換。在能量轉換過程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。 在氣象學上，任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，叫做絕熱過程。2022/10/11142.2 氣溫的絕熱變化 大氣中所進行的各種過程(1)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

9、冷卻。(2)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。2022/10/1115(1)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2.2.1 熱流量方程：大氣科學中常用的熱力學第一定律表達式，即熱流量方程。絕熱過程：dQ=0；非絕熱過程：dQ02022/10/11162.2.1 熱流量方程：2022/10/10162.2.2 干絕熱變化、干絕熱直減率： 干絕熱變化：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

10、的溫度變化過程叫干絕熱變化。 干絕熱方程： 干絕熱直減率(d)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。泊松方程2022/10/11172.2.2 干絕熱變化、干絕熱直減率：泊松方程2022/100m干絕熱直減率:d=0.98/100m2022/10/1118100m干絕熱直減率:d=0.98/100m2022/1注意： 干絕熱直減率氣溫直減率異同 氣溫直減率是周圍大氣溫度隨著距離地面越來越遠得到的熱量越來越少； 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。2022/10/1119注意：干絕熱直減率氣溫直減率異同 氣溫直

11、減率是周圍大氣溫度隨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： Z：兩高度高度差，T兩高度相應的氣溫差；負號表示氣溫垂直分布的方向。 0，氣溫隨高度的增加而降低；0，氣溫隨高度的增高而升高。的絕對值越大，氣溫隨高度變化差異越大。2022/10/1120對流層氣溫的垂直變化 (復習、鞏固概念) 氣溫直減率 2.2.3 濕絕熱變化、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： 氣團中的干空氣上升體積膨脹降溫，也是每上升100m溫度降低0.98； 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

12、，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d，這整個過程就是大氣溫度的濕絕熱變化。 2022/10/11212.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率：2022/10/1022.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率： 濕絕熱方程： 濕絕熱直減率(m)：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。m0.98/100m是一個變數(shù)。各項物理意義2022/10/11222.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率：各項物理意義202濕絕熱直減率是一個變數(shù)，它的大小是氣壓和溫度的函數(shù)100m在體積、氣壓相等的情況下，溫度高的飽和空氣含水量大，所以降低同樣的溫度，要

13、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: 20 19飽和空氣凝結出1g/m3水 0 -1飽和空氣凝結出0.33g/m3水高溫：凝結水多，放熱多(T大)m=1-Tm小低溫：凝結水少，放熱少(T小)m=1-Tm大結論：當兩塊飽和空氣氣壓相同，容積相等而氣溫不同時 氣溫高的飽和空氣m小 氣溫低的飽和空氣m大2022/10/1123濕絕熱直減率是一個變數(shù)，它的大小是氣壓和溫度的函數(shù)100m在氣壓大小對濕絕熱直減率的影響P小P大假設溫度相同則空氣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

14、溫作用會不同。P 大：等量的熱量引起的升溫要小些(T小) m=1-Tm大P 小：等量的熱量引起的升溫要大些(T大) m=1-Tm小結論：在溫度相等的情況下 氣壓高的飽和空氣m大 氣壓低的飽和空氣m小 2022/10/1124氣壓大小對濕絕熱直減率的影響P小P大假設溫度相同則空氣所含的干、濕絕熱的比較T(干) T(濕)100m0干絕熱直減率d近似于常數(shù)，故是一直線；m是一個變量，所以是一條曲線。 濕絕熱直減率曲線始終在干絕熱線的右方。 m T(干)m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。因為大氣下層溫度高，m小，隨高度上升溫度下降慢；大氣上部溫度低，m大，隨著高度上升溫度下降快。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m= d ，從而使兩條線近于平行。2022/10/1125干、濕絕熱的比較T(干) FGFGFA: d 不穩(wěn)定合力方向判斷方法2022/10/1129擾動方向高度（m）10020030013121113對于未飽和空氣d 不穩(wěn)定；=d 中性；m 不穩(wěn)定；=m 中性；d 時，大氣為絕對不穩(wěn)定，且愈大，大氣愈不穩(wěn)定；md 時，大氣為絕對穩(wěn)定，且愈小，大氣愈穩(wěn)定；md 不穩(wěn)定；=d 中性；d 穩(wěn)4.3 不穩(wěn)定能量的概念不穩(wěn)定能量就是氣層中可