白河防洪整治工程監(jiān)理周報(bào)第一期

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熱量收支地面和土壤溫度空氣溫度我國(guó)的溫度分布2第一節(jié)熱量收支

熱量平衡過(guò)程地球外表吸收太陽(yáng)輻射能后，會(huì)通過(guò)各種熱量收支方式，產(chǎn)生能量的轉(zhuǎn)換和輸送而到達(dá)平衡，這樣的物理過(guò)程稱為熱量平衡過(guò)程。一、物質(zhì)的熱屬性

熱容量

定義：

在一定過(guò)程中，物體溫度變化１℃所需吸收或放出的熱量。

分類(lèi)：質(zhì)量熱容量〔比熱、比熱容〕容積熱容量3

輻射熱交換

任何溫度在絕對(duì)零度以上的物體，通過(guò)輻射的放射和吸收而進(jìn)行的熱量交換方式。

分子傳導(dǎo)熱交換

物質(zhì)通過(guò)分子碰撞，所產(chǎn)生的表現(xiàn)為熱量傳導(dǎo)的動(dòng)能交換方式。

這是地球和太陽(yáng)、地球與宇宙空間之間能量交換的唯一方式，也是地面和大氣之間能量交換的主要方式。

土壤中熱交換的主要方式，也是貼地氣層和地面之間熱量交換的重要方式。4

流體運(yùn)動(dòng)熱交換

流體在各個(gè)方向上流動(dòng)時(shí)，熱量隨流體運(yùn)動(dòng)而輸送的熱量交換方式。

分類(lèi)：

對(duì)流：根據(jù)流體流動(dòng)的方向性分為：對(duì)流、平流和亂流。

定義：流體在垂直方向上有規(guī)律的升降運(yùn)動(dòng)。

分類(lèi)：熱力對(duì)流動(dòng)力對(duì)流

作用：使上下層空氣混合，產(chǎn)生熱量交換。是地面和低層大氣的熱量向高層傳遞的重要方式。

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定義：流體在水平方向上的流動(dòng)。

平流：

作用：對(duì)大規(guī)模的熱量傳遞和緩和地區(qū)之間、緯度之間溫度的差異起著很大作用。

亂流〔湍流〕：定義：流體在各方向上的不規(guī)那么運(yùn)動(dòng)。

分類(lèi)：熱力亂流動(dòng)力亂流6

近地氣層亂流強(qiáng)度的時(shí)空變化：

陸地比海面強(qiáng)

山地比平原強(qiáng)

白天比夜間強(qiáng)

夏季比冬季強(qiáng)

潛熱交換物質(zhì)在進(jìn)行相態(tài)變化時(shí)所發(fā)生的熱量交換。7三、熱量收支(平衡)

活動(dòng)層和活動(dòng)面活動(dòng)層〔作用層〕：

定義：

能夠調(diào)節(jié)自身內(nèi)部及相鄰其它物質(zhì)層的輻射、熱量、水分分布的物質(zhì)層。

不同物質(zhì)活動(dòng)層厚度：

砂土：幾mm

水：幾m～幾十m

雪被和冰域：幾分之一mm

疏松的耕地：幾cm農(nóng)田：作物層

8活動(dòng)面〔作用面〕：

定義：輻射能、熱能和水分交換最活潑，并能調(diào)節(jié)鄰近氣層〔或土層〕的輻射收支、溫度上下或濕度大小的物質(zhì)面。農(nóng)田內(nèi)、外活動(dòng)面〔作物封行后〕：

外活動(dòng)面：作物最密集的部位

內(nèi)活動(dòng)面：地面9

地面熱量收支RLEPBRLEPB（白天）

地表面熱量收支示意圖

（夜間）地外表晝夜熱量收支平衡方程：白天：R-P-B-LE=0夜間：-R+P+B+LE=0P66P—感熱通量；B—土壤熱通量；LE—潛熱通量；R—輻射收支差額。10

地表層晝夜熱量收支平衡方程：Q

-Q

RLEPBLERPB（白天）（夜間）地表層熱量收支示意圖白天：R-P-B-LE=Q夜間：-R+P+B+LE=-Q11第二節(jié)地面和土壤溫度

表征溫度變化的幾個(gè)物理量

較差：指一定周期內(nèi)，溫度最高值與最低值之差。

日較差：一日內(nèi)最高溫度與最低溫度之差。

年較差：一年中最熱月平均溫度與最冷月平均溫度之差。

絕對(duì)年較差：年極端最高氣溫與極端最低氣溫之差。

位相：最高溫度與最低溫度出現(xiàn)的時(shí)間。

12一、地面溫度和熱量收支的關(guān)系地面溫度變化與地面熱量收支示意圖1．地面溫度日變化曲線；2．地面熱量支出日變化曲線；3．地面熱量收入日變化曲線。Tm：地面最低溫度；TM：地面最高溫度

一天中地面最高溫度、地面最低溫度出現(xiàn)在地面熱量收支相抵〔平衡〕的時(shí)刻。

對(duì)于北半球而言,一年中地面最熱月溫度，一般出現(xiàn)在７月或８月，地面最冷月溫度一般出現(xiàn)在１月或２月。

13二、土壤溫度的變化

時(shí)間變化

日變化日恒溫層〔土溫日不變層〕：土壤溫度日較差為零時(shí)的深度。

日恒溫層深度：一般深度約為40～80㎝，平均為60㎝。

日恒溫層的影響因子：緯度、季節(jié)、土壤熱特性14

土壤溫度的年變化年恒溫層〔年溫度不變層〕：土壤溫度的年較差為零時(shí)的深度。

土壤溫度位相落后于地面溫度，土層越深，位相落后越多。

土壤溫度位相：

低緯度深度淺：5-20m隨緯度而不同：高緯度深度深：25-30m15

土溫垂直分布

日垂直分布日射型〔受熱型〕：土壤溫度垂直分布圖中13時(shí)輻射型〔放熱型〕：圖中01時(shí)上午轉(zhuǎn)變型〔由輻射型向日射型過(guò)渡〕：圖中07時(shí)黃昏轉(zhuǎn)變型〔由日射型向輻射型過(guò)渡〕：圖中19時(shí)16

影響土溫變化的因素

土壤本身的物理特性：

土壤含水量、熱容量、導(dǎo)熱率、導(dǎo)溫率

土壤顏色、土壤機(jī)械組成及腐殖質(zhì)

外界條件：

地形起伏、地面覆蓋物

天氣、氣候條件

緯度、季節(jié)、太陽(yáng)高度角17同樣的太陽(yáng)輻射下，海洋吸收的太陽(yáng)能多于陸地吸收的太陽(yáng)能；海陸增溫和冷卻差異陸地吸收的太陽(yáng)能分布在很薄的地外表上，而海水吸收的太陽(yáng)能分布在較厚的水層中；海面蒸發(fā)量大，失熱較多，水溫不易升得太高；而陸面溫度容易升高；巖石和土壤的比熱小于水的比熱。

18第三節(jié)空氣溫度一、大氣中的熱量交換方式

交換方式以平流熱交換、對(duì)流熱交換、亂流熱交換、潛熱交換為主。

作用

平流：主宰季節(jié)更替和天氣冷暖變化。

對(duì)流：是對(duì)流性降水的主要原因。

亂流：對(duì)一些低云和霧的生消起重要的作用。

潛熱交換：對(duì)氣溫的升降、大氣中水分的三態(tài)相變起著不可替代的作用。19

氣溫的周期性變化日變化二、空氣溫度的時(shí)間變化

近地層氣溫的變化主要取決于下墊面溫度的變化，變化特點(diǎn)有：

1、位相比地面落后，且隨高度的升高而推遲。1.5m高處日最高溫度出現(xiàn)在14~15時(shí)左右，最低氣溫出現(xiàn)在日出前后。2、日較差隨高度的升高而減小。季節(jié)最高氣溫最低氣溫夏季14～15h日出前后冬季13～14h日出前后20

影響氣溫日較差的因子

緯度：隨φ

↑而↓

(h↓);φ↑,t白低，夜間有效輻射小

天氣狀況：陸地＞海洋裸地＞覆蓋地沙土、深色土、干松土＞粘土、淺色土、潮濕土

下墊面性質(zhì)：晴天＞陰天

地形：凹地＞平地＞凸地

季節(jié)：夏季＞冬季，一年中春季氣溫日較差最大21年變化特點(diǎn)：回歸線以外的地區(qū)為單波型：最高為7月,最低為1月,海上落后一個(gè)月；回歸線之間赤道附近地區(qū)為雙波型：最高為4、10月，最低為7，1月。原因：太陽(yáng)直射點(diǎn)的季節(jié)變化，在赤道附近地區(qū)，一年有兩次太陽(yáng)直射。22

氣溫年較差的影響因子

緯度：隨緯度增加而增大。

距海遠(yuǎn)近：遠(yuǎn)海區(qū)＞近海區(qū)

地形及天氣狀況：同與日較差氣溫的非周期變化

由大規(guī)模冷暖空氣活動(dòng)所引起,出現(xiàn)在季節(jié)交替之際。由氣候異常如厄爾尼諾效應(yīng)、拉尼娜效應(yīng)引起。23三、氣溫的空間變化氣溫的水平分布等溫線大局部〔尤其是南半球〕趨向于接近東西向排列，氣溫從赤道向兩極逐漸降低。世界1月海平面氣溫〔°C〕的分布24冬季北半球的等溫線在大陸上大致凸向赤道，在海洋上大致凸向極地，而夏季那么相反。世界7月海平面氣溫〔°C〕的分布25

最高溫度不位于赤道，冬季在5～10°N，夏季在20°N。

赤道附近的氣溫年變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅度增加。

世界冷極在南極，為－90℃，熱極在索馬里境內(nèi)，為63℃。南半球不管冬夏，最低溫度都出現(xiàn)在南極；而北半球僅夏季最低溫度出現(xiàn)在極地附近，冬季最冷地區(qū)出現(xiàn)在東部西伯利亞和格陵蘭地區(qū)。26

對(duì)流層氣溫的垂直變化

氣溫直減率

定義：氣溫隨高度變化的程度。單位為℃·hm-1

表達(dá)式：

ΔZ：兩高度高度差，ΔT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。γ＞0，氣溫隨高度的增加而降低；γ＜0，氣溫隨高度的增高而升高。γ的絕對(duì)值越大，氣溫隨高度變化差異越大。27

空氣干絕熱變化

熱力學(xué)第一定律

任一孤立系統(tǒng)由狀態(tài)Ⅰ微小變化至狀態(tài)Ⅱ時(shí)，從外界吸收的熱量dＱ，等于該系統(tǒng)內(nèi)能的變化dＵ和對(duì)外作功dＷ之和。四、空氣絕熱變化28

干絕熱過(guò)程的幾個(gè)概念

干絕熱過(guò)程空氣是干空氣或未飽和的濕空氣〔沒(méi)有水汽凝結(jié)〕，與外界之間無(wú)熱量交換時(shí)〔dQ=0〕的狀態(tài)變化過(guò)程。

絕熱增溫因氣塊下沉而使溫度上升的現(xiàn)象，稱為絕熱增溫。

氣塊下沉：體積↓，外界對(duì)空氣塊做功→內(nèi)能↑→T↑→絕熱增溫。29

絕熱冷卻因氣塊絕熱上升而使溫度下降的現(xiàn)象，稱為絕熱冷卻。干絕熱直減率〔γd〕

在大氣靜力平衡的條件下，干空氣和未飽和的濕空氣因作干絕熱升降運(yùn)動(dòng)而引起氣塊溫度隨高度的變化率，稱之為干絕熱直減率。氣塊上升：體積↑，對(duì)外做功→內(nèi)能↓→T↓→絕熱冷卻。d

=0.98℃/100m1℃/100m30

概念

濕絕熱過(guò)程

飽和濕空氣在上升或下降的絕熱變化過(guò)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(guò)程為濕絕熱過(guò)程。

濕絕熱過(guò)程中的溫度變化率。

對(duì)γm變化的解釋?duì)胢不是常數(shù)，它是氣壓和溫度的函數(shù)，隨著氣壓的減小、溫度的升高而減小。

空氣濕絕熱變化濕絕熱直減率〔γm〕31

大氣靜力穩(wěn)定度的概念處在靜力平衡狀態(tài)中的空氣塊因受外力因子的擾動(dòng)后，大氣層結(jié)〔溫度和濕度的垂直分布〕有使其返回或遠(yuǎn)離原來(lái)平衡位置的趨勢(shì)或程度，稱之為大氣靜力穩(wěn)定度。

定義

分類(lèi)假設(shè)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：32

中性假設(shè)既無(wú)回到原位，又無(wú)繼續(xù)加速先前的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，而是保持原有運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)于該氣塊而言是中性的。

不穩(wěn)定假設(shè)氣塊按原方向加速運(yùn)動(dòng)，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)于該氣塊而言是不穩(wěn)定的。

穩(wěn)定假設(shè)氣塊逐漸減速，趨于回到原位，這時(shí)氣塊所處的氣層，對(duì)于該氣塊而言是穩(wěn)定的。33

大氣靜力穩(wěn)定度的判斷

判斷標(biāo)準(zhǔn)通常用氣溫直減率〔γ〕與上升氣塊的干絕熱直減率〔γd〕或濕絕熱直減率〔γm〕的比照來(lái)判斷。擾動(dòng)方向高度（m）10020030013℃12℃11℃13℃12℃11℃13℃12℃11℃γ=0.8γ=1.0γ=1.211.2℃12.0℃12.8℃11.0℃12.0℃13.0℃10.8℃12.0℃13.2℃G>FG<FG=FG=FG>FG<FA:γ<γd穩(wěn)定B:γ=γd中性C:γ>γd不穩(wěn)定合力方向

判斷方法：氣塊法γd=134

對(duì)于未飽和空氣γ>γd不穩(wěn)定；γ=γd中性；γ<γd穩(wěn)定。

對(duì)于飽和濕空氣γ>γm不穩(wěn)定；γ=γm中性；γ<γm穩(wěn)定。

綜合判據(jù)γ>γd

時(shí)，大氣為絕對(duì)不穩(wěn)定，且γ愈大，大氣愈不穩(wěn)定；γ＜γm＜γd時(shí)，大氣為絕對(duì)穩(wěn)定，且γ愈小，大氣愈穩(wěn)定；

γm<γ<γd時(shí)，大氣為條件性不穩(wěn)定。35以上判定方法可用如下的數(shù)軸表示：md絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)不穩(wěn)定條件性不穩(wěn)定干穩(wěn)濕中性干中性濕不穩(wěn)36五、大氣中的逆溫

概念

逆溫

在一定條件下，氣溫隨高度的增高而增加，氣溫直減率為負(fù)值的這種現(xiàn)象稱為逆溫。

阻塞層當(dāng)發(fā)生逆溫時(shí)，冷而重的空氣在下，暖而輕的空氣在上，不易形成對(duì)流運(yùn)動(dòng)，使氣層處于穩(wěn)定狀態(tài)，阻礙了空氣垂直運(yùn)動(dòng)向上開(kāi)展，因而又稱阻塞層。37逆溫的分類(lèi)〔按成因〕輻射逆溫、湍流〔即亂流〕逆溫、平流逆溫、下沉逆溫、地形逆溫、鋒面逆溫和融雪逆溫等。

輻射逆溫

定義：夜間由地面、雪面或冰面、云層頂部等輻射冷卻形成的逆溫。

厚度：一般為200～300ｍ。高緯地區(qū)冬季有時(shí)可達(dá)2,000ｍ左右。

出現(xiàn)時(shí)間：大陸上常年都可出現(xiàn)，以冬季最強(qiáng)，夏季最弱。38

湍流逆溫

定義：由于空氣的湍流混合而形成的逆溫。

形成過(guò)程高度溫度BACDE逆溫層湍流混合層（γ<γd）（湍流減弱層）AB:氣層原來(lái)的氣溫分布CD:湍流混合后的氣溫分布DE:逆溫層的氣溫分布39

平流逆溫

定義暖空氣平流到冷的地面或冷的水面上，會(huì)發(fā)生接觸冷卻，愈近地外表的空氣降溫愈多，而上層空氣受冷地面的影響小，降溫較少，于是產(chǎn)生了逆溫現(xiàn)象，這種逆溫稱為平流逆溫。

日變化夜間加強(qiáng)，白天減弱。

冷的下墊面暖空氣暖空氣40

下沉逆溫

定義

因整層空氣下沉而造成的逆溫，稱為下沉逆溫。

形成過(guò)程h1h2下沉（輻散）h1>h2很厚的氣層下沉→壓縮變扁→頂部增溫比底部多41

其他逆溫

鋒面逆溫冷暖空氣相遇時(shí)，較輕暖空氣爬到冷空氣上方，在冷暖空氣交界面附近〔即鋒面附近〕出現(xiàn)的逆溫，稱為鋒面逆溫。逆溫層冷空氣暖空氣42

融雪逆溫在積雪地區(qū)，因暖空氣流經(jīng)冰、雪外表產(chǎn)生融冰、融雪現(xiàn)象，而冰雪的融化需要從近地面氣層吸收大量的熱量，從而使貼近地層的氣溫較低，形成逆溫，這種逆溫稱為融雪逆溫。暖空氣吸熱融雪冰雪面43

地形逆溫

在山區(qū)夜間，由于山上冷空氣沿斜坡向下移動(dòng)到低洼地區(qū)并聚積于底部，使原來(lái)在洼地底部的較暖空氣被迫抬升形成的逆溫，稱為地形逆溫。冷空氣暖空氣冷空氣暖空氣在山區(qū)進(jìn)行綜合開(kāi)發(fā)利用，選擇廠址、設(shè)計(jì)煙囪高度等要考慮逆溫層的高度，盡可能防止逆溫層對(duì)大氣污染物的不利影響。逆溫層非常穩(wěn)定，可以阻礙空氣垂直運(yùn)動(dòng)的開(kāi)展，阻止