氣象學(xué)第3周教案課件

1、第3周教案（第二章 第五、六節(jié)、第三章 第一至六節(jié)）課時(shí)：4教學(xué)目標(biāo)：1. 通過學(xué)習(xí)了解地面熱量平衡及地氣系統(tǒng)的熱量收支。2.了解地面溫度和氣溫的變化。3.重點(diǎn)掌握干、濕絕熱過程、位溫、假絕熱過程和大氣中的逆溫。4.了解熱力圖及其應(yīng)用。5.理解大氣層結(jié)穩(wěn)定度。周教案內(nèi)容分配：第一次課：（第二章5.6節(jié)）2014.09.15第二次課：（第三章 1.2節(jié)）2014.09.181.本周教學(xué)學(xué)生課下學(xué)習(xí)量：22.本周大作業(yè)設(shè)計(jì)：思考題第三周 第一次課（2課時(shí)）第二章 第五、六節(jié) 第三章 第一、二節(jié)時(shí)間：（具體時(shí)間2014年 月 日）課時(shí)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)重點(diǎn)掌握干絕熱過程、位溫。備注：師生互動(dòng)：采用問答式

2、講授教學(xué)重點(diǎn)：干絕熱過程、位溫。教學(xué)難點(diǎn)：干絕熱過程、位溫。教學(xué)過程設(shè)計(jì)：復(fù)習(xí)與提問：回顧上次課主要內(nèi)容，提問：1.什么是地面有效輻射？2.什么是地面及地氣系統(tǒng)的輻射差額？新課導(dǎo)入：通過本次課我們學(xué)習(xí)地面熱量平衡及地氣系統(tǒng)的熱量收支、地面溫度和氣溫的變化。溫度是大氣的重要狀態(tài)參量之一，是天氣預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)項(xiàng)目之一，由溫度會(huì)引起熱量的轉(zhuǎn)換，因此，熱力學(xué)第一定律和干絕熱位溫也是我們這節(jié)課要給大家介紹的內(nèi)容。新課講授 以教師講授與課堂提問學(xué)生回答相結(jié)合的方式進(jìn)行第二章 第五、六節(jié) 第三章 第一、二節(jié)內(nèi)容的教學(xué)活動(dòng)。本次課內(nèi)容主要包括以下幾部分：第二章 輻射與熱量平衡第五節(jié) 地面熱量平衡及地氣系統(tǒng)的熱量收

3、支第六節(jié) 地面溫度和氣溫的變化第三章 大氣熱力學(xué)第一節(jié) 熱力學(xué)第一定律在大氣中的應(yīng)用第二節(jié) 干絕熱過程和位溫課程小結(jié)：總結(jié)本次課主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)本次課重點(diǎn)與難點(diǎn)部分。布置課下活動(dòng)內(nèi)容及下次課課前預(yù)習(xí)內(nèi)容課時(shí)內(nèi)容（教學(xué)內(nèi)容）：詳案附后教學(xué)參考資料推薦：氣象學(xué)與氣候?qū)W教程葛朝霞學(xué)生課下活動(dòng)設(shè)計(jì)：1. 赤道地區(qū)的溫度年變化小而日變化大，在極地則相反，為什么？2. 為什么冬季高低緯之間的溫度差大，在夏季該差??？3. 氣溫的日年變化特征和地理分布特征？課后反思：課時(shí)內(nèi)容（教學(xué)內(nèi)容）：2.5地面熱量平衡及地氣系統(tǒng)的熱量收支地面有了輻射差額，熱量就有盈余和虧損，但并沒有出現(xiàn)熱量盈余虧損的地區(qū)的溫度不斷上升現(xiàn)象

4、。說明熱量是可以發(fā)生轉(zhuǎn)換的，結(jié)果使得熱量的收入和支出達(dá)到了平衡，這就是熱量平衡。一、 地面熱量平衡方程地面熱量平衡方程可寫成下列形式：R+LE+P+A=0R為地面輻射差額，LE為地面與大氣間的潛熱傳輸量，（L為蒸發(fā)潛熱E為蒸發(fā)量或凝結(jié)量），P為地面和大氣間的湍流顯熱交換，A為地表面與其下層間的熱傳輸量B和平流輸送量C之和。2.6地面溫度和氣溫的（周期性或日、年）變化地表從太陽輻射得到大量熱量，同時(shí)又以長波輻射、顯熱和潛熱的形式將部分熱量傳輸給大氣，從而失去熱量。從長時(shí)間平均來看，熱量得失相當(dāng)，所以地面平均溫度保持不變。但在某一段時(shí)間內(nèi)，熱量收入可能大于支出，地面因有熱量積累而升溫，而當(dāng)熱量之差

5、大于收入時(shí)，地面將出現(xiàn)降溫，地面溫度的變化會(huì)通過非絕熱過程傳遞給大氣，大氣溫度也會(huì)相應(yīng)變化。由于在熱量收支平衡中，太陽輻射處于主導(dǎo)地位，因此，隨著日夜、冬夏的交替，地面溫度、氣溫也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的日變化和年變化，這是周期性變化。另外，氣溫還會(huì)因大氣的運(yùn)動(dòng)而有非周期變化。一、地面溫度的變化1、水陸表面熱力情況差異（1）水體與陸地的比熱不同水的比熱平均要比陸地大3倍，因此對(duì)于等量的水路兩面，上升同樣的溫度，水比陸地需要吸收更多的熱量，在地面受熱期間，水體增溫遲緩，陸地劇烈，在地面冷卻期間，水體的降溫緩慢，陸地的降溫迅速。大氣的熱能主要來自地面，而地面情況有很大的差別。不同的地面情況對(duì)大氣的增溫和冷卻有

6、不同的影響。海洋和陸地、高山和深谷、高原和平原、林地和草地、濕區(qū)和干區(qū)等對(duì)大氣的增溫和冷卻有不同的影響，其中海洋和陸地的差異最大。首先，在同樣的太陽輻射強(qiáng)度下，海洋所吸收的太陽能多于陸地所吸收的太陽能，這是因?yàn)殛懨鎸?duì)太陽光的反射率大于水面。就平均狀況而論，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1020。其次，陸地所吸收的太陽能分布在很薄的地表面上，而海水所吸收的太陽能分布在較厚的水層中。這是因?yàn)殛懙乇砻娴膸r石和土壤對(duì)于各種波長的太陽輻射都是不透明的，而水除了對(duì)紅色光和紅外線不透明外，對(duì)于紫外線和波長較短的可見光是相當(dāng)透明的。同時(shí)，陸地所獲

7、的太陽能主要依靠傳導(dǎo)向地下傳播，而水還有其它更有效的方式，如波浪、洋流和對(duì)流作用。這些作用使得水的熱能發(fā)生垂直和水平的交換。因此，陸面所得太陽輻射集中于表面一薄層，以致地表急劇增溫，這也就加強(qiáng)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(gè)層次，以致水溫不易增高，也就相對(duì)地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。據(jù)測(cè)陸面所得的太陽輻射傳給大氣的約占半數(shù)，而水體所得的太陽輻射傳給空氣的不過0.5。此外，海面有充分水源供應(yīng)，以致蒸發(fā)量較大，失熱較多，這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熱量的能力，也就使得氣溫不易降低。陸地上的情況則正好相反

8、。最后，巖石和土壤的比熱小于水的比熱。一般常見的巖石比熱大約是0.8374J/g·K，而水的比熱是4.1868J/g·K。因此對(duì)等量熱能的接受，如果使1g水的溫度變化1，則使1g巖石的溫度變化大約是5。常見巖石（例如花崗巖）的密度約2.5g/cm3。因此，如果等量熱能使一定體積水的溫度發(fā)生1的變化，那末該熱能可使同體積巖石發(fā)生2的變化。由于上述差異，海陸熱力過程的特點(diǎn)是互不相同的。大陸受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大。而海洋上則溫度變化緩慢。如大洋中，年最高及最低氣溫的出現(xiàn)要比大陸延遲一兩個(gè)月。（2）水體和陸地透射太陽輻射的性能不同水面透明，太陽輻射可以投射到水的深處，1米

9、處為36%，10米處為18%；陸面不透明，對(duì)太陽輻射的反射率大于水面，吸收太陽輻射的深度僅限于數(shù)毫米的表層。（3）水體和陸地導(dǎo)熱方式不同陸地為固體，特亮傳送靠分子傳導(dǎo)，水體有水平和垂直運(yùn)動(dòng)，可以迅速交換熱量。（4）水面的蒸發(fā)大于陸地海水有充足的水源，它的蒸發(fā)量大，是熱較多，水溫不易升高。海面之上水汽較多，故氣溫不易下降。陸面正好相反。例如：北半球冬季最冷月份陸地為1月，海洋為2月；北半球夏季最熱月份陸地為7月，海洋為8月。也即海面溫度總是比陸面溫度變化的和緩。海陸的這種熱力差異，明顯的影響著低層大氣溫度的變化。由于以上種種原因，當(dāng)海面和陸面吸收同樣的熱量，陸面升溫快，升溫幅度大，洱海文則相反。

10、當(dāng)它們都失去同樣多的熱量時(shí)，陸面降溫快，降溫幅度大。二、氣溫隨時(shí)間的變化1、大氣傳熱的方式空氣與外界交換熱量有如下幾種方式，即傳導(dǎo)、輻射、對(duì)流、湍流和蒸發(fā)凝結(jié)（包括升華、凝華）。1.傳導(dǎo)空氣是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)將能量從一個(gè)分子傳遞給另一分子，從而達(dá)到熱量平衡的傳熱方式?？諝馀c地面之間，空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間，當(dāng)有溫度差異時(shí)，就會(huì)以傳導(dǎo)方式交換熱量。但是地面和大氣都是熱的不良導(dǎo)體，所以通過這種方式交換的熱量很少，其作用僅在貼地氣層中較為明顯。因在貼地氣層中，空氣密度大，單位距離內(nèi)的溫度差異也較大。2.輻射是物體之間依各自溫度以輻射方式交換熱量的傳熱方式。大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時(shí)，地面

11、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?？諝鈭F(tuán)之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。3.對(duì)流當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí)，周圍冷而重的空氣便下降來補(bǔ)充（圖2·18），這種升降運(yùn)動(dòng)，稱為對(duì)流。通過對(duì)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(duì)流層中熱量交換的重要方式。4.湍流空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)稱為湍流，又稱亂流（圖2·19）。湍流是在空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時(shí)產(chǎn)生的。有湍流時(shí)，相鄰空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，熱量也就得到了交換。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。5.蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華）水在蒸發(fā)（

12、或冰在升華）時(shí)要吸收熱量；相反，水汽在凝結(jié)（或凝華）時(shí)，又會(huì)放出潛熱。如果蒸發(fā)（升華）的水汽，不是在原處凝結(jié)（凝華），而是被帶到別處去凝結(jié)（凝華），就會(huì)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(jié)時(shí)，就把地面的熱量傳給了空氣。因此，通過蒸發(fā)（升華）和凝結(jié)（凝華），也能使地面和大氣之間、空氣團(tuán)與空氣團(tuán)之間發(fā)生潛熱交換。由于大氣中的水汽主要集中在5km以下的氣層中，所以這種熱量交換主要在對(duì)流層下半層起作用。 以上分別討論了空氣與外界交換熱量的方式，事實(shí)上，同一時(shí)間對(duì)同一團(tuán)空氣而言，溫度的變化常常是幾種作用共同引起的。哪個(gè)為主，哪個(gè)為次，要看具體情況。在地面與空氣之間，最主要的是

13、輻射。在氣層（氣團(tuán)）之間，主要依靠對(duì)流和湍流，其次通過蒸發(fā)、凝結(jié)過程的潛熱出入，進(jìn)行熱量交換。 2、大氣溫度隨時(shí)間的變化地表從太陽輻射得到大量熱量，同時(shí)又以長波輻射、顯熱和潛熱的形式將部分熱量傳輸給大氣，從而失去熱量。從長時(shí)間平均看，熱量得失總和應(yīng)該平衡，因此地面的平均溫度維持不變。但在某一段時(shí)間內(nèi)，可能得多于失，地面有熱量累積而升溫，從而導(dǎo)致支出增加，趨于新的平衡。反之，當(dāng)失多于得時(shí)，地面將伴隨著降溫過程。由于在這種熱量收支平衡過程中，太陽輻射處于主導(dǎo)地位，因此隨著日夜、冬夏的交替，地面的溫度也會(huì)相應(yīng)地出現(xiàn)日變化和年變化，且變化的幅度與緯度、天氣及地表性質(zhì)等影響熱量平衡的控制因子有

14、關(guān)。此外地面溫度的變化也會(huì)通過非絕熱因子傳遞給大氣，大氣溫度也會(huì)相應(yīng)出現(xiàn)變化。（一）氣溫的日變化近地層氣溫日變化的特征是：1、在一日內(nèi)有一個(gè)最高值，一般出現(xiàn)在午后14時(shí)左右，一個(gè)最低值，一般出現(xiàn)在日出前后。變化原因：一天中正午太陽高度角最大，太陽輻射最強(qiáng)，但最高氣溫卻出現(xiàn)在午后兩點(diǎn)鐘左右。（為什么？）這是因?yàn)榇髿獾臒崃恐饕獊碓从诘孛?。地面一方面吸收太陽的短波輻射而得熱，一方面又向大氣輸送熱量而失熱。若凈得熱量，則溫度升高。若凈失熱量，則溫度降低。這就是說地溫的高低并不直接決定于地面當(dāng)時(shí)吸收太陽輻射的多少，而決定于地面儲(chǔ)存熱量的多少。從圖2·30中看出，早晨日出以后隨著太陽輻射的增強(qiáng)，

15、地面凈得熱量，溫度升高。此時(shí)地面放出的熱量隨著溫度升高而增強(qiáng)，大氣吸收了地面放出的熱量，氣溫也跟著上升。到了正午太陽輻射達(dá)到最強(qiáng)。正午以后，地面太陽輻射強(qiáng)度雖然開始減弱，但得到的熱量比失去的熱量還是多些，地面儲(chǔ)存的熱量仍在增加，所以地溫繼續(xù)升高，長波輻射繼續(xù)加強(qiáng)，氣溫也隨著不斷升高。到午后一定時(shí)間，地面得到的熱量因太陽輻射的進(jìn)一步減弱而少于失去的熱量，這時(shí)地溫開始下降。地溫的最高值就出現(xiàn)在地面熱量由儲(chǔ)存轉(zhuǎn)為損失，地溫由上升轉(zhuǎn)為下降的時(shí)刻。這個(gè)時(shí)刻通常在午后13時(shí)左右。由于地面的熱量傳遞給空氣需要一定的時(shí)間，所以最高氣溫出現(xiàn)在午后14時(shí)左右。隨后氣溫便逐漸下降，一直下降到清晨日出之前地面儲(chǔ)存的熱

16、量減至最少為止。所以最低氣溫出現(xiàn)在清晨日出前后，而不是在半夜。 2、氣溫日變化的另一特征是日較差的大小與緯度、季節(jié)和其它自然地理?xiàng)l件有關(guān)。（1）日較差：一天中氣溫最高值與最低值之差。（2）影響因素：緯度：低緯正午太陽高度角最大，高緯正午太陽高度角最??；所以低緯氣溫日較差最大，中緯次之，高緯最小。據(jù)統(tǒng)計(jì)熱帶地區(qū)的平均日較差約為12，溫帶約為89，極圈內(nèi)為34。季節(jié)：在一年中，夏季太陽高度最大，冬季最小所以夏季日較差最大冬季最小，這一變化在中緯地區(qū)最明顯。但最大值并不出現(xiàn)在夏至日。這是因?yàn)闅鉁厝蛰^差不僅與白天的最高溫度值有關(guān)，還取決于夜間的最低溫度值。夏至日，中午太陽高度角雖最高，但夜間

17、持續(xù)時(shí)間短，地表面來不及劇烈降溫而冷卻，最低溫度不夠低。所以，中緯度地區(qū)日較差最大值出現(xiàn)在初夏，最小值出現(xiàn)在冬季。地形：凹下的地形（盆地和谷地），在白天空氣與地面的接觸面比平地大，因而空氣增溫強(qiáng)烈，再加上地形閉塞，通風(fēng)不良，熱量不易擴(kuò)散，所以白天凹地比平地氣溫高；夜間冷空氣在凹地內(nèi)堆積，氣溫低。因此，凹地氣溫日較差最大，平地要小。在春秋兩季凹地很容易受霜凍的危害（俗語：霜打洼地）由于坡度及空氣很少流動(dòng)之故，白天增熱與夜間冷卻都較大，日較差大。而小山峰等凸出地形區(qū)，地表面對(duì)氣溫影響不大，日較差小。下墊面的性質(zhì)：海洋上日較差小于大陸。天氣情況：有云層存在，則白天地面得到的太陽輻射少，最高氣溫比晴天

18、低。而在夜間，云層覆蓋又不易使地面熱量散失，最低氣溫反而比晴天高。所以陰天的氣溫日較差比晴天?。▓D2·31）。 由此可見，在任何地點(diǎn)，每一天的氣溫日變化，既有一定的規(guī)律性，又不是前一天氣溫日變化的簡單重復(fù)，而是要考慮上述諸因素的綜合影響。氣溫日變化的極值出現(xiàn)時(shí)間隨離地面的高度增大而后延，振幅隨離地高度的增大而減小。冬季約在0.5km高度處日振動(dòng)已不明顯，但夏季日振動(dòng)可擴(kuò)展到1.5km到2km高度處。（二）氣溫的年變化氣溫的年變化和日變化類似，如地球上絕大部分地區(qū)，在一年中月平均氣溫有一個(gè)最高值和一個(gè)最低值。由于地面儲(chǔ)存熱量的原因，使氣溫最高和最低值出現(xiàn)的時(shí)間，不是在太陽輻射

19、最強(qiáng)和最弱的一天（北半球夏至和冬至），也不是在太陽輻射最強(qiáng)和最弱一天所在的月份（北半球6月和12月），而是比這一時(shí)段要落后12個(gè)月。大體而論，海洋上落后較多，陸地上落后較少。沿海落后較多，內(nèi)陸落后較少。就北半球來說，中、高緯度內(nèi)陸的氣溫以7月為最高，1月為最低。海洋上的氣溫以8月為最高，2月為最低。年較差隨緯度變化的情況是：低緯最小，高緯最大。同一緯度，海上小，陸上大。同一緯度的海陸相比，大陸區(qū)域冬夏兩季熱量收支的差值比海洋大，所以陸上氣溫年較差比海洋大得多。在一般情況下，溫帶海洋上年較差為11，大陸上年較差可達(dá)到2060。 根據(jù)溫度年較差的大小及最高、最低值出現(xiàn)的時(shí)間，可將氣溫的年

20、變化按緯度分為四種類型。1.赤道型它的特征是一年中有兩個(gè)最高值，分別出現(xiàn)在春分和秋分以后，因赤道地區(qū)春秋分時(shí)中午太陽位于天頂。兩個(gè)最低值出現(xiàn)在冬至與夏至以后，此時(shí)中午太陽高度角是一年中的最小值。這里的年較差很小，在海洋上只有1左右，大陸上也只有510左右。這是因?yàn)樵摰貐^(qū)一年內(nèi)太陽輻射能的收入量變化很小之故。2.熱帶型其特征是一年中有一個(gè)最高（在夏至以后）和一個(gè)最低（在冬至以后），年較差不大（但大于赤道型），海洋上一般為5，在陸地上約為20左右。3.溫帶型一年中也有一個(gè)最高值，出現(xiàn)在夏至后的7月。一個(gè)最低值出現(xiàn)在冬至以后的1月。其年較差較大，并且隨緯度的增加而增大。海洋上年較差為1015，內(nèi)陸一

21、般達(dá)4050，最大可達(dá)60。另外，海洋上極值出現(xiàn)的時(shí)間比大陸延后，最高值出現(xiàn)在8月，最低值出現(xiàn)在2月。4.極地型一年中也是一次最高值和一次最低值，冬季長而冷，夏季短而暖，年較差很大是其特征。這里特別要指出的是，隨著緯度的增高，氣溫日較差減小而年較差卻增大。這主要是由于高緯度地區(qū)，太陽輻射強(qiáng)度的日變化比低緯度地區(qū)小，即緯度高的地區(qū)，在一天內(nèi)太陽高度角的變化比緯度低的地區(qū)小，而太陽輻射的年變化在高緯地區(qū)比低緯地區(qū)大的緣故。三、大氣溫度的空間分布大氣溫度在水平方向上和垂直方向上的分布都是不均勻的。比如冬季我國東北地區(qū)已是白雪茫茫冰封大地，而海南則仍是郁郁蔥蔥，百花爭(zhēng)艷，同一時(shí)刻兩地氣溫可相差幾十度。

22、再如珠峰，山下是茂密的森林，山中部是綠油油的草原。山上常年積雪。山上、山下景色截然不同，足見氣溫的垂直變化（泰山）。1、氣溫的水平分布（1）影響分布的因素氣溫的水平分布取決于太陽輻射、海陸分布、大氣環(huán)流以及海拔高度等因素的綜合影響。1、太陽輻射：由于太陽輻射隨緯度有明顯的變化所以地溫、氣溫的分布也是由赤道向兩極遞減。2、海陸分布：地球表面最大差異為海陸分布。由于海陸熱力差異同一緯度上海陸氣溫分布是不同的。3、大氣環(huán)流：大氣環(huán)流是熱量的水平輸送者，它的作用是調(diào)劑海洋和陸地，高緯和低緯的熱量差異。4、海拔高度：它的影響表現(xiàn)為在同一地區(qū)，高度不同氣溫明顯不同。在上述影響下，地球上氣溫就出現(xiàn)了P54、

23、55兩圖所描繪的分布狀況。第三章 大氣熱力學(xué)3.1熱力學(xué)第一定律在大氣中的應(yīng)用一、熱力學(xué)第一定律熱力學(xué)第一定律是能量守恒定律在理想氣體中的應(yīng)用，表示某一系統(tǒng)的輸入或輸出能量與它的內(nèi)能和做功三者之間能量轉(zhuǎn)換的定量關(guān)系。給予m質(zhì)量的大氣塊傳遞熱量dQ，其中一部分熱量使得該大氣的內(nèi)能增加mcvdT，另一部分熱量消耗于該大氣塊對(duì)抗外力而做的功pdV。數(shù)學(xué)表達(dá)式：dQ=mcvdT+pdV （3-1）熱力學(xué)第一定律表示式式中：cv=0.716J/（gK），為空氣的比熱容，即當(dāng)該空氣的容積不變時(shí)，1克空氣溫度升高1所需要的能量的焦耳數(shù)；T為氣體溫度，p為壓力，V表示體積。干空氣和水汽都可近似看成理想氣體，因

24、此，熱力學(xué)第一定律可以直接應(yīng)用于干空氣和水汽。二、干空氣的熱力學(xué)第一定律對(duì)于單位質(zhì)量的干空氣而言，熱力學(xué)第一定律可寫成dQ=cvdT+pd （3-2）式中，為比容，即1g空氣所占的體積，在大氣中，因?yàn)楸热莶灰诇y(cè)得，需用氣體狀態(tài)方程代換，將狀態(tài)方程p=RT微分后代入（3-2），并利用cv+R=cp，則得到dQ= cp dT (RT/p) dp （3-3）式中：dQ為單位質(zhì)量空氣由于輻射、湍流等引起的熱量變化；R為比氣體常數(shù)，對(duì)于干空氣R=0.287 J/(gK)；cp=1.005J/(gK)，為干空氣的定壓比熱，即在氣壓變時(shí)，1g干空氣溫度上升1所需的能量的焦耳數(shù)。式（3-3）為干空氣熱力學(xué)第一

25、定律的表示式?？梢姡髿鉁囟鹊淖兓痙T除與外界熱交換有關(guān)，還與本身的氣壓變化dp有關(guān)。實(shí)際大氣可近似為濕空氣，但當(dāng)濕空氣為到達(dá)飽和之前，其狀態(tài)變化基本上和干空氣的狀態(tài)變化一樣，所以也適用于未飽和的濕空氣。三、飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律濕空氣達(dá)到飽和時(shí)，就有部分水汽凝結(jié)，并且釋放潛熱，溫度為t的單位質(zhì)量水汽凝結(jié)成同溫度的液體，釋放出的熱量稱為凝結(jié)潛熱L，其量為 L=2499.5-2.39t(J/g)熱力學(xué)定律：dQ 1Ldqs=cpdT (RT/p)dp3.2 干絕熱過程和位溫一、概念如果一個(gè)封閉系統(tǒng)在變化過程中與外界不發(fā)生熱量交換，這種過程為絕熱過程，簡稱絕熱。在實(shí)際大氣中，運(yùn)動(dòng)中的一團(tuán)空氣吸

26、收太陽短波輻射、地球大氣的長波輻射，并且和周圍空氣之間有熱量交換，這些熱量使得實(shí)際空氣的熱量有所增加，故稱之為非絕熱過程。但一般說來，在短時(shí)間內(nèi)，這種非絕熱過程造成的影響比空氣團(tuán)因升降運(yùn)動(dòng)引起的氣壓變化造成的影響要小很多，所以氣塊在快速升降過程中溫度的變化可看作絕熱過程。實(shí)際上大氣中的垂直運(yùn)動(dòng)都可看作是絕熱過程，其原因有兩個(gè)，一是空氣是熱的不良導(dǎo)體，做升降運(yùn)動(dòng)的氣塊的熱量不易向四周傳輸；二是作垂直運(yùn)動(dòng)的氣塊與周圍空氣接觸時(shí)間短，它還來不及向四周傳達(dá)熱量就有上升了。氣溫的絕熱變化又是氣塊內(nèi)有無水的三態(tài)變化而分為兩種情況：一是如果氣塊在升降過程中無水的三態(tài)變化，而與外界物熱量交換，這叫干絕熱變化；

27、二是入股氣塊在垂直運(yùn)動(dòng)過程中有水的三態(tài)變化，則叫濕絕熱變化。二、干絕熱（一）干絕熱方程（泊松方程）和干絕熱直減率1. 干絕熱方程干絕熱過程，即在式（3-3）中，dQ=0，cp dT (RT/p) dp=0或dT = (RT/cpp) dp （3-5）式（3-5）為干絕熱方程，表明干空氣在絕熱變化過程中，其溫度變化dT與氣壓變化dp的關(guān)系，當(dāng)氣壓增大時(shí)，其溫度升高；反之，氣壓減小時(shí)，其溫度降低。對(duì)式（3-5）從初態(tài)p0、t0到狀態(tài)p、t積分，得T/T0=（p/p0）0.288式中，T0,P0表示做升降運(yùn)動(dòng)的氣塊起始高度上的溫度和壓強(qiáng)，T、P分別表示空氣塊運(yùn)動(dòng)到某一高度上的溫度和壓強(qiáng)，其中已知三個(gè)

28、量就能求出另一個(gè)量的大小。上式也成為泊松（Poisson）方程,也是干絕熱方程的另一種形式。泊松方程的意義：（1）干絕熱過程中氣塊溫度變化唯一地決定于氣壓變化。（2）T0,P0一定，p升高或下降，t呈指數(shù)升高或降低。（3）氣塊絕熱上升或下降，溫度呈指數(shù)下降或上升。在研究大氣的垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)，常用到該類計(jì)算。對(duì)于未飽和濕空氣來說，只要在上升過程中未達(dá)到飽和，雖然R/cp與干空氣有差異，但差異極小，可濾去不計(jì)，因此其狀態(tài)的變化也基本服從于干絕熱方程。2.干絕熱直減率定義：干空氣塊上升或下降單位距離時(shí)的溫度變化值，稱干絕熱直減率，以d表示：數(shù)值：根據(jù)計(jì)算， 實(shí)際工作中取d=1/100m。這就是

29、說，在干絕熱過程中，氣塊每上升（下降）100m，溫度約降低（升高）1，在氣壓、溫度坐標(biāo)系中，將不同高度（氣壓）溫度點(diǎn)練成的先稱之為干絕熱線。二、 位溫當(dāng)一塊空氣絕熱上升時(shí)，其溫度隨氣壓而變化，因此在不同氣壓條件下，兩個(gè)空氣塊的熱力學(xué)性質(zhì)就不好加以鑒別。為了把不同氣壓條件下氣塊的溫度進(jìn)行比較，氣象上引進(jìn)“位溫”的概念定義：氣塊沿著干絕熱過程移動(dòng)到標(biāo)準(zhǔn)氣壓處所具有的溫度。第三周 第二次課（2課時(shí)）第三章 第三至六節(jié)時(shí)間：（具體時(shí)間2014年 月 日）課時(shí)目標(biāo)：通過學(xué)習(xí)重點(diǎn)掌握濕、假絕熱過程和大氣層節(jié)穩(wěn)定度。備注：教學(xué)重點(diǎn)：濕絕熱過程和假絕熱過程。教學(xué)難點(diǎn)：大氣層節(jié)穩(wěn)定度。教學(xué)過程設(shè)計(jì)：復(fù)習(xí)與提問：

30、回顧上次課主要內(nèi)容，提問：1.簡述干絕熱過程？2.什么是位溫？新課導(dǎo)入：上一次課我們學(xué)習(xí)了干絕熱過程和位溫，本節(jié)課我們重點(diǎn)要學(xué)習(xí)濕絕熱過程和假絕熱過程，以及大氣層節(jié)穩(wěn)定度，對(duì)這些內(nèi)容的學(xué)習(xí)為短期氣溫預(yù)報(bào)奠定基礎(chǔ)。新課講授 以教師講授與課堂提問學(xué)生回答相結(jié)合的方式進(jìn)行第三章 第三至六節(jié)內(nèi)容的教學(xué)活動(dòng)。本次課內(nèi)容主要包括以下幾部分：第三節(jié) 濕絕熱過程 第四節(jié) 假絕熱過程和假相當(dāng)位溫第五節(jié) 熱力圖簡介和部分應(yīng)用第六節(jié) 大氣層節(jié)穩(wěn)定度 課程小結(jié)：總結(jié)本次課主要內(nèi)容，強(qiáng)調(diào)本次課重點(diǎn)與難點(diǎn)部分。 布置課下活動(dòng)內(nèi)容及下次課課前預(yù)習(xí)內(nèi)容課時(shí)內(nèi)容（教學(xué)內(nèi)容）：詳案附后教學(xué)參考資料推薦：氣象學(xué)葛朝霞學(xué)生課下活動(dòng)設(shè)

31、計(jì)：1. 什么是干絕熱過程，什么是濕絕熱過程？什么是假絕熱過程？2. 為什么濕絕熱直減率小于干絕熱直減率，濕絕熱直減率大小與社么有關(guān)？3. 什么是位溫？什么是假相當(dāng)位溫？假相當(dāng)位溫什么時(shí)候等于位溫？4. 為什么暖濕氣流越過高山后，某一高度上溫度要比山前同一高度上溫度高？課后反思：課時(shí)內(nèi)容（教學(xué)內(nèi)容）：3.3濕絕熱過程一、凝結(jié)高度未飽和的濕空氣塊絕熱上升，氣塊的水汽壓小于其溫度下的飽和水汽壓；當(dāng)氣塊繼續(xù)上升，其溫度降低，飽和水氣壓也隨之減小，這樣，在某一高度上，其飽和水氣壓等于氣塊的水汽壓，水汽開始發(fā)生凝結(jié)，把這個(gè)高度稱為抬升凝結(jié)高度，簡稱凝結(jié)高度。實(shí)際上，未飽和空氣被抬升到凝結(jié)高度未必一定開始

32、凝結(jié)，這是因?yàn)榇髿庵锌沙霈F(xiàn)過飽和狀態(tài)。但濕空氣絕熱上升時(shí)，在這個(gè)高度上有產(chǎn)生凝結(jié)的可能。凝結(jié)高度一般可以作為云底高度的近似，但有時(shí)任會(huì)有偏離，因?yàn)樗懻摰纳仙龤鈮K還可能與四周空氣相混合。凝結(jié)高度近似計(jì)算公式：h=123(T0-Td 0)式中：h為抬升凝結(jié)高度；T0、Td 0為抬升前氣塊的溫度和露點(diǎn)，一般用地面溫度和露點(diǎn)代替。由于沒有考慮與周圍空氣的混合作用，用該式計(jì)算出的云底高度比實(shí)際情況低。二、濕絕熱過程和濕絕熱直減率濕空氣中的水汽凝結(jié)后，過程的進(jìn)行可能有兩種情況：一是凝結(jié)成的水滴和冰晶仍留在氣塊內(nèi)，而且隨著氣塊垂直向上；二是凝結(jié)物雨滴、雪花等一部分或全部降落。實(shí)際大氣中這兩種過程都有可能出

33、現(xiàn)。1.定義飽和濕空氣在上升或下降的絕熱變化過程中，會(huì)產(chǎn)生水的相變，從而釋放或吸收熱量使空氣塊的內(nèi)能發(fā)生變化，稱此過程為濕絕熱過程。與上述的一過程相對(duì)應(yīng)。2.濕絕熱方程由飽和濕空氣的熱力學(xué)第一定律dQ 1Ldqs=cpdT (RT/p)dp絕熱條件下，dQ 1=0得 -Ldqs=cpdT -(RT/p)dp得 dT= (RT/ cp)dp/pLdqs/cp上式考慮了濕空氣相變產(chǎn)生熱量的影響，沒有外界熱量的影響，所以稱為濕絕熱方程。該方程表明，飽和濕空氣在絕熱情況下溫度的變化與兩種因子作用有關(guān)：一種是與氣壓變化有關(guān)，如氣塊上升伴隨氣壓降低，dq<0，氣塊溫度將降低，dT<0；另一種與

34、凝結(jié)潛熱有關(guān)，氣塊上升時(shí)水汽凝結(jié)，dqs<0，引起溫度升高dT>0?？梢?，有水汽凝結(jié)時(shí)，氣塊上升所引起的降溫要慢些。3.濕絕熱直減率如果氣塊有水，并且已經(jīng)飽和這時(shí)的空氣叫飽和濕空氣。飽和濕空氣在垂直方向上上升或下降單位距離的溫度變化值為濕絕熱直減率。用m表示飽和時(shí)空氣作上升運(yùn)動(dòng)時(shí)，同樣會(huì)消耗內(nèi)能，氣溫下降。而氣溫下降又會(huì)使水汽凝結(jié)，水汽凝結(jié)要釋放熱量，從而使得空氣上升單位距離溫度的降低筆干空氣要少一些。所以時(shí)空氣直減率永遠(yuǎn)小于d即rmrd=1/100m.r、rd、rm三者含義：r：為整個(gè)對(duì)流層的平均氣溫直減率r=0、651/100m。rd：為干空氣塊作絕熱升降運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣溫直減率是氣

35、塊內(nèi)部本身氣溫的變化d=1/100m。rm：為濕空氣塊作絕熱升降運(yùn)動(dòng)時(shí)的氣溫直減率rm可能大于r，也可能小于r，但永遠(yuǎn)小于rd。 3.4假絕熱過程和假相當(dāng)位溫一、假絕熱過程潮濕空氣塊上升，飽和前溫度按干絕熱直減率減小，飽和后按濕絕熱直減率減小，當(dāng)氣塊中水汽凝結(jié)，成為雨滴、雪花等部分或全部降落后，氣塊中水分含量減少，下降的過程按干絕熱直減率或介于干濕絕熱之間的直減率增溫，氣塊回到原來高度上時(shí)，其溫度就變成另一個(gè)較高的溫度，這個(gè)過程是不可逆的過程，嚴(yán)格的說是非絕熱的過程，所以稱為假絕熱過程。二、假相當(dāng)位溫定義：未飽和濕空氣從已知狀態(tài)A點(diǎn)開始，沿干絕熱線rd上升到凝結(jié)高度B點(diǎn)，再沿與B點(diǎn)相

36、應(yīng)的濕絕熱線rs繼續(xù)上升到氣塊中的全部水汽凝結(jié)成水滴、冰晶，并全部脫離該氣塊，即成為干空氣時(shí)，再按rd線下降到1000hPa處，此處（D）點(diǎn)氣塊具有的溫度稱為假相當(dāng)位溫（se）。即考慮了氣塊中原有水汽全部凝結(jié)降落后，所釋放的潛熱保留在氣塊中，是氣塊的位溫提高到了極值，這個(gè)數(shù)字就是假相當(dāng)位溫。三、焚風(fēng)焚風(fēng)可以作為假絕熱過程的例子，氣流遇山被迫抬升，在達(dá)到凝結(jié)高度以前，按干絕熱直減率降溫，達(dá)到凝結(jié)高度后，按濕絕熱直減率降溫，其凝結(jié)物以降水的形式降落脫離氣流，到山頂時(shí)空氣的濕度已很小，氣流在背風(fēng)坡下沉?xí)r，因?yàn)闆]有凝結(jié)物的蒸發(fā)，空氣呈未飽和狀態(tài)，因此，按干絕熱直減率增溫，顯然在山后與山前同一高度上，空

37、氣的溫度和濕度就會(huì)有較大的差別。山后的溫度較高，濕度較小，形成干而熱的焚風(fēng)。3.5 熱力圖簡介和部分應(yīng)用一、T-lnp圖簡介目前我國氣象部門用的最多的是溫度-對(duì)數(shù)壓力圖，亦稱T-lnp圖。1.坐標(biāo)：橫坐標(biāo)是溫度，縱坐標(biāo)是氣壓的對(duì)數(shù)值。2.線條：圖中有五條線條：（1）平行于縱坐標(biāo)的黃色實(shí)線為等溫線。（2）平行于橫坐標(biāo)的黃色實(shí)線為等壓線。（3）傾斜的黃色斷線，為干絕熱線（根據(jù)干絕熱方程繪出），也是等位溫線。（4）傾斜的綠色斷線，為濕絕熱線（根據(jù)濕絕熱方程繪出），也是假相當(dāng)位溫線。（5）傾斜得較小的綠色實(shí)線，為等飽和比濕線（根據(jù)飽和比濕公式繪出）。3.6大氣層結(jié)穩(wěn)定度對(duì)流運(yùn)動(dòng)是是對(duì)“層流”大氣中經(jīng)常

38、發(fā)生的一種空氣運(yùn)動(dòng)，他對(duì)一個(gè)地區(qū)天氣的變化有很大影響。對(duì)流運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)弱和維持時(shí)間的長短往往與大氣穩(wěn)定度有關(guān)。（一）大氣穩(wěn)定度的概念表示大氣層是否易于發(fā)生發(fā)生對(duì)流運(yùn)動(dòng)的方法就叫大氣穩(wěn)定度。所謂大氣層結(jié)，是指大氣溫度和濕度的垂直分布。假如有一塊空氣在外力的作用下，產(chǎn)生垂直運(yùn)動(dòng)，但外力除去后，那末就可能出現(xiàn)三種情況：1.空氣團(tuán)受力移動(dòng)后，逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢(shì)，這時(shí)的氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是穩(wěn)定的；稱之為穩(wěn)定層結(jié)2.氣團(tuán)一離開原位就逐漸加速運(yùn)動(dòng)，并有遠(yuǎn)離起始高度的趨勢(shì)，這時(shí)的氣層，對(duì)于該空氣團(tuán)而言是不穩(wěn)定的；稱之為不穩(wěn)定層結(jié)3.空氣團(tuán)被推到某一高度后，既不加速也不減速，這時(shí)的氣層，對(duì)于該空氣

39、團(tuán)而言是中性氣層。稱為中性層結(jié)。由此可見，大氣穩(wěn)定度表示的不是大氣中已經(jīng)存在的對(duì)流運(yùn)動(dòng)，而是描述大氣的結(jié)構(gòu)在什么情況下有利于對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生，什么情況下不利于對(duì)流運(yùn)動(dòng)的發(fā)生。（二）大氣穩(wěn)定度的判斷1、基本公式：任何一團(tuán)空氣在地球的重力場(chǎng)中都要受到在垂直方向上的兩個(gè)力，即重力和空氣層對(duì)他的浮力，分別用G和f表示。G=mg=pvg F在數(shù)值上等于該空氣團(tuán)排開的空氣的重量。F=mg=pvg如果向上是正值這樣氣塊在垂直方向上受到的合力F就可表示為：F=f-G= pvg- pvg= vg（p-p）該氣塊在F方向上的加速度為a，F(xiàn)=ma a=F/mTI和T是很容易觀測(cè)到的，上式就是判斷大氣穩(wěn)定度的基本公式。由上兩式，當(dāng)<或T>TI，a>0，氣塊有垂直向上的加速度，向上運(yùn)動(dòng)將要發(fā)展，氣層層結(jié)靜力不穩(wěn)定，當(dāng)>或T<TI，a<0，氣塊向上運(yùn)動(dòng)受到抑制，氣層層結(jié)靜力穩(wěn)定，當(dāng)=或T=TI，a=0，氣塊對(duì)垂直運(yùn)動(dòng)不起作用，氣層層結(jié)靜力穩(wěn)定，為中性?？梢娕袛嗄骋粴鈱邮欠穹€(wěn)定，實(shí)際上就是判斷某一運(yùn)動(dòng)的氣塊比周圍空氣是輕還是重的