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(yáng)輻射到達(dá)地面也會(huì)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(duì)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(yáng)輻射到達(dá)(1)二者對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收和反射不同；原因： 在同樣的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度之下，海洋所吸收的太陽(yáng)能多于陸地所吸收的太陽(yáng)能，這是因?yàn)殛懨鎸?duì)太陽(yáng)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(yáng)能比陸面吸收的太陽(yáng)能多10

2、20。2022/10/113(1)二者對(duì)太陽(yáng)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(yáng)能分布在很薄的表面上，而海水所吸收的太陽(yáng)能分布在較厚的層次。 這是因?yàn)殛懙乇砻娴膸r石和土壤對(duì)于各種波長(zhǎng)的太陽(yáng)輻射都是不透明的，而水除了對(duì)紅色光線和紅外線可以說是不透明的外，對(duì)于紫外線和波長(zhǎng)較短的可見光線來說，卻是相當(dāng)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(shí)，陸地所得太陽(yáng)能主要依靠傳導(dǎo)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(duì)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(yáng)輻射集中于表面一薄層

3、，以致表面急劇增溫，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(yáng)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。砂所得的太陽(yáng)輻射，傳給空氣的約占半數(shù)，而水所得的太陽(yáng)輻射，傳給空氣的不過0.5。2022/10/115 同時(shí)，陸地所得太陽(yáng)能主要依靠傳導(dǎo)向地下傳播，(3)水汽含量不同；原因： 海面有充分水源供應(yīng)，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(yīng)(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(jié)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(chǔ)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(gè)月，且日較差和年較差都比陸地小?！瓣懙厥羌毙宰?，海洋是慢性子”2022/10/118結(jié)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(shí)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(shí)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(dǎo)輻射對(duì)流湍流蒸發(fā)凝結(jié)2022/10/11102.1 氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化傳導(dǎo)2022/10/(1)傳導(dǎo)：就是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)將熱能從一個(gè)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(tuán)與空氣團(tuán)之間，當(dāng)有溫度差異時(shí)，就會(huì)因?yàn)閭鲗?dǎo)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(zhǎng)波輻射而增熱，同時(shí)，地

6、面也吸收大氣放出的長(zhǎng)波輻射，這樣它們之間就通過長(zhǎng)波輻射的方式不停地交換著熱量。 空氣團(tuán)之間，也可以通過長(zhǎng)波輻射而交換熱量。2022/10/1111(1)傳導(dǎo)：就是依靠分子的熱運(yùn)動(dòng)將熱能從一個(gè)分子傳遞給另一分(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，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)流層中的熱量交換的重要方式。 (4)湍流：是空氣的不規(guī)則運(yùn)動(dòng)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(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

7、熱量交換的重要方式。2022/10/1112(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)(5)蒸發(fā)(升華)和凝結(jié)(升華) ： 水在蒸發(fā)(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(duì)流層下半層起作用。2022/10/1113

8、(5)蒸發(fā)(升華)和凝結(jié)(升華) ：2022/10/10132.2 氣溫的絕熱變化 大氣中所進(jìn)行的各種過程，通常伴有不同形式的能量轉(zhuǎn)換。在能量轉(zhuǎn)換過程中，空氣的狀態(tài)要發(fā)生改變。 在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無(wú)熱量交換時(shí)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(jìn)行的各種過程(1)當(dāng)某一氣團(tuán)在與外界沒有任何熱量交換的情況下，做上升運(yùn)動(dòng)，如果該氣團(tuán)體積不變上升到某一處，則其內(nèi)部的壓強(qiáng)會(huì)比周圍大氣的要高，氣團(tuán)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(tuán)做功所消耗的能量取自氣團(tuán)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(tuán)作下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，若與外界沒有熱量交換的情況下，由于外界氣壓比起團(tuán)內(nèi)部氣壓高，會(huì)壓縮氣塊使氣團(tuán)體積縮小，同時(shí)氣團(tuán)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(dāng)某一氣團(tuán)在與外界沒有任何熱量交換的情況下，做上升運(yùn)動(dòng)2.2.1 熱流量方程：大氣科學(xué)中常用的熱力學(xué)第一定律表達(dá)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(dāng)一團(tuán)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(yùn)動(dòng)，且氣塊內(nèi)沒有任何水相變化時(shí)

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(shí)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(yuǎn)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(yùn)動(dòng)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(duì)流層氣溫的垂直變化 (復(fù)習(xí)、鞏固概念) 氣溫直減率 定義：氣溫隨高度變化的程度。 表達(dá)式： Z：兩高度高度差，T兩高度相應(yīng)的氣溫差；負(fù)號(hào)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(duì)值越大，氣溫隨高度變化差異越大。2022/10/1120對(duì)流層氣溫的垂直變化 (復(fù)習(xí)、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(dāng)飽和濕空氣在做絕熱上升(或下沉?xí)r)溫度受到兩方面的影響： 氣團(tuán)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(huì)因?yàn)樯仙鋮s而發(fā)生凝結(jié)，凝結(jié)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?yàn)橛心Y(jié)放出熱量的補(bǔ)給，降溫要小于d，這整個(gè)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(gè)變數(shù)。各項(xiàng)物理意義2022/10/11222.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率：各項(xiàng)物理意義202濕絕熱直減率是一個(gè)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(jié)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(jié)出1g/m3水 0 -1飽和空氣凝結(jié)出0.33g/m3水高溫：凝結(jié)水多，放熱多(T大)m=1-Tm小低溫：凝結(jié)水少，放熱少(T小)m=1-Tm大結(jié)論：當(dāng)兩塊飽和空氣氣壓相同，容積相等而氣溫不同時(shí) 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(gè)變數(shù)，它的大小是氣壓和溫度的函數(shù)100m在氣壓大小對(duì)濕絕熱直減率的影響P小P大假設(shè)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(shí)因溫度降低產(chǎn)生的凝結(jié)潛熱是相等的，但熱量不是溫度，對(duì)于空氣密度大小不同的氣團(tuán)，相同的熱量引起的增

14、溫作用會(huì)不同。P 大：等量的熱量引起的升溫要小些(T小) m=1-Tm大P ?。旱攘康臒崃恳鸬纳郎匾笮?T大) m=1-Tm小結(jié)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(duì)濕絕熱直減率的影響P小P大假設(shè)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(gè)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(gè)直線，而且是一條下陡上緩的曲線。因?yàn)榇髿庀聦訙囟雀?，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(jié)越來越多，空氣團(tuán)中的水汽含量越來越少，當(dāng)水汽為零時(shí)，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(dòng)方向高度（m）10020030013121113對(duì)于未飽和空氣d 不穩(wěn)定；=d 中性；m 不穩(wěn)定；=m 中性；d 時(shí)，大氣為絕對(duì)不穩(wěn)定，且愈大，大氣愈不穩(wěn)定；md 時(shí)，大氣為絕對(duì)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