風能資源的大氣熱力學探索水蒸汽凝結輻射特性研究課件

2023年9月4日華北電力大學周少祥水蒸汽凝結輻射特性及其對氣候變化的影響2023年8月3日華北電力大學周少祥水蒸汽凝結輻主要內容1.全球氣候變暖中夜間增溫速率大于白天的物理機制問題2.為什么水汽變化會被排除在氣候變化問題研究之外？3.水蒸汽凝結的經典解釋及其存在的問題4.水蒸汽凝結輻射特性及其溫室效應5.水蒸汽凝結輻射的證據(jù)6.水蒸汽凝結輻射特性及其對氣候變化的影響7.中國氣候歷史不支持全球氣候變暖論8.結束語2023年9月4日主要內容1.全球氣候變暖中夜間增溫速率大于白天的物理機１．全球氣候變暖中夜間增溫速率

大于白天的物理機制問題IPCC第三次報告(2001):自1860年使用儀器進行氣候觀測以來，全球地表氣溫增加了0.6±0.2℃；——不斷被強化！自從21世紀50年代以來，全天最高和最低氣溫測量已覆蓋50%以上的全球陸地面積；

——其實實際只占地球表面積的15%!平均日平均最低氣溫的增溫速率是最高氣溫的2倍，全天溫度范圍減小0.8℃?！颈缓鲆暬蜻z忘！2023年9月4日為什么夜間增溫幅度高于白天？基于CO2的溫室效應理論無法解釋?。保驓夂蜃兣幸归g增溫速率

大于白天的物理機制問題IPC２．為什么水汽變化會被排除在

氣候變化問題研究之外？大氣物理學權威、英國著名氣象學家B.J.梅森建立的水蒸汽凝結方程，認為幾乎全部凝結潛熱從云滴表面通過周圍空氣傳導而耗散。——理論上于是乎，水從地表蒸發(fā)(對地表的一種冷卻)，升騰到達高空凝結成云，潛熱傳給高空的大氣，因此對地表不再有影響?！S多人有這樣的感覺地球表面70%是海洋，大氣中的水蒸汽主要來自海洋蒸發(fā)，人為因素很少?！獙嶋H情況長時間跨度的降水量變化基本無從考證(？!)據(jù)此，IPCC將水汽變化的影響排除在氣候變化問題研究之外，認定氣候變暖是人為活動導致的。2023年9月4日是否可以說氣候變暖是IPCC的主觀認定？把全球氣候變化及其對策研究帶入了歧途？２．為什么水汽變化會被排除在

氣候變化問題研究之外？大氣物理３．水蒸汽凝結的經典解釋

及其存在的問題“水汽凝結釋放的潛熱既升高了云滴表面溫度，又向外傳導熱量”

——引自《大氣物理學》教材，與梅森觀點同其完整熱力學意義是：低溫大氣中的水汽凝結在高溫的云滴上，一方面使云滴表面溫度升高，另一方面又反過來通過熱傳導將潛熱傳給包括低溫水汽在內的周圍大氣。違反了熱力學第二定律——可以通過多元體系化學勢和相平衡原理予以證明因此，這樣熱傳導不可能進行現(xiàn)在的問題是，水蒸汽在高空凝結了，潛熱也一定釋放出去了，又不能熱傳導(對流和導熱)給周圍的大氣，那么，潛熱去了哪兒呢？2023年9月4日３．水蒸汽凝結的經典解釋

及其存在的問題“水汽凝結釋放的潛熱４．水蒸汽凝結輻射特性

及其溫室效應顯然，水蒸汽凝結輻射釋放潛熱是唯一可能的途徑大部分(55%?)向宇宙空間，是對地球的一種冷卻——地氣系統(tǒng)的一種負熵流，是維持其宏觀時空有序結構的關鍵(符合普里戈金的耗散結構理論)小部分(45%)向地表，構成地氣系統(tǒng)溫室效應的主體全球多年平均降水量5.77×1014m3，潛熱量1.44×1021kJ，折合輻射強度約40W/m2(L=2500kJ/kg)CO2等溫室氣體總共才2.43W/m2(可能是被高估的數(shù)據(jù))與玻璃暖房的溫室效應有異曲同工的效果(玻璃反射紅外線)因此，水蒸汽凝結輻射對地表產生直接影響

——與“感覺”是不同的2023年9月4日假定全球降水增加0.5%，其中45%的潛熱被大氣吸收，則大氣升溫0.61℃，與IPCC報告的0.6±0.2℃持平。混于大氣多元體系中，作用大幅度減小，且不能單方面釋放輻射能４．水蒸汽凝結輻射特性

及其溫室效應顯然，水蒸汽凝結輻射釋放５．水蒸汽凝結輻射的證據(jù)76Hz-9MHz頻段大氣無線電背景噪聲具有明顯的水蒸汽凝結特性——國內外文獻的初步查詢結果夜間高于白天、夏天高于冬天、海洋高于陸地——水蒸汽更多下午高于上午——水蒸汽擴散到達高空需要時間大風高于無風——水汽大量凝結的必然結果

(換句話說，氣候(天氣)突變的信號隱藏在水蒸汽凝結輻射特性之中)2023年9月4日注：高頻背景噪聲與水蒸汽凝結特性不符，最大的可能是其背景性(周向均勻性)不強所致，如東邊日出西邊雨，尤其是雷暴等。５．水蒸汽凝結輻射的證據(jù)76Hz-9MHz頻段大氣無線電背景2023年9月4日JJ.Harwood,M.A.,“AtmosphericRadioNoiseatFrequenciesbetween10kc/sand30kc/s”,IEEEXplore,TheInstitutionofElectricalEngineersofEngland,

PaperNo.2619R1958:293-300.1955.51955.11955.41955.61955.71955.81955.91953.71953.81953.91953.101954.11954.21954.31955.51955.61955.71955.81955.91955.110kc/s23-25kc/s23-25kc/s33kc/s2023年8月3日JJ.Harwood,M.A.,“2023年9月4日典型等效噪聲日變化曲線7月5月12月10月超低頻78Hz(美國東北部康涅狄格州，1976-78年)王小京，“超低頻信號場強與大氣噪聲研究”，《艦船電子工程》，2009年第9期：79-83。2023年8月3日典型等效噪聲日變化曲線7月5月12月10月６．水蒸汽凝結輻射特性

及其對氣候變化的影響幾乎所有監(jiān)測到的全球氣候變暖都是由于夜間增溫所致IPCC報告：全球氣候變暖中，夜間增溫速率是白天的2倍《氣候變化與氣候過程》：夜間增溫幅度約0.84℃，日間0.28℃[EdwardBryant(澳),CambridgeUniversityPress,1997]從冬到夏的年度氣候變暖中，也是夜間增溫幅度高于白天，并且南方高于北方。海洋氣候地區(qū)的日較差小于內陸。2023年9月4日中國南北主要城市日較差表城市1月4月7月10月年哈爾濱11.613.09.911.511.7北京11.212.99.311.911.4武漢8.78.77.69.68.6廣州8.66.67.48.47.6單位：℃年度CO2變化非常小，其影響可以排除；冬夏水汽變化很大卻是一個明顯的事實。因此氣候變化的主導因素是水汽變化。由于水汽主要來自海洋蒸發(fā)，因此氣候變化由自然因素決定，而非人為活動。IPCC第三次報告：“從北半球中高緯度陸地大的和極端降水事件推斷，總降水以一定比例迅速增大很可能已經發(fā)生了”。６．水蒸汽凝結輻射特性

及其對氣候變化的影響幾乎所有監(jiān)測到的７．中國氣候歷史不支持

全球氣候變暖論(一)中國是人類文明古國，幅員遼闊，歷史記載全面豐富和翔實，中國的氣候變化在全球具有非同尋常的代表性。丁一匯院士團隊的文章“中國氣候變化的檢測和預估”中國氣候的顯著特征：周期變化——變暖？沁園春·雪誕生年注：站點太少？如果站點多一些，會更接近平均值?７．中國氣候歷史不支持

全球氣候變暖論(一)中國是人類文明古７．中國氣候歷史不支持

全球氣候變暖論(二)竺可楨先生關于中國氣候變化的描述(1973年)我國近五千年中的最初二千年(即從仰韶文化到安陽殷墟)，大部分時間的年平均溫度高于現(xiàn)在2℃左右。一月溫度大約比現(xiàn)在高3-5℃。在那以后，有一系列的上下擺動，其最低溫度在公元前1000年、公元400年、1200年和1700年，擺動的范圍為1-2℃。在每一個四百至八百年的期間里，可以分出五十至一百年為周期的小循環(huán)，溫度升降范圍是0.5-1℃。……，還有很多的證據(jù)中國氣候的顯著特征：周期變化——變暖？2023年9月4日７．中國氣候歷史不支持

全球氣候變暖論(二)竺可楨先生關于中8．結束語水蒸汽凝結輻射特性——是一種尚未被認知的大氣溫室效應機制？是一項值得研究的重大基礎性科學問題。全球氣候變化的主導因素是水汽變化所致，主要驅動力是自然的(即太陽的作用)，而非人為。——因此，我們的應對策略一定要得當。2023年9月4日8．結束語水蒸汽凝結輻射特性2023年8月3日謝謝大家！歡迎批評指正！2023年9月4日謝謝大家！2023年8月3日F.需要進一步研究的問題(一)

大氣熱力學新理論體系的構建（1）大氣熱力學分析的新理論和方法（2）氣體上升運動的大氣熱力學分析（3）風能資源的大氣熱力學探索水蒸汽凝結輻射特性研究（1）水蒸汽凝結輻射特性的測試（2）水蒸汽凝結輻射特性的規(guī)律性分析，并與大氣無線電噪聲對比（3）測試水蒸汽凝結強度與輻射強度的內在關系基于水蒸汽凝結輻射特性的大氣輻射特性研究（1）氣候變化過程及其信息傳輸特性研究（2）基于水蒸汽凝結輻射特性的大氣透過率特性研究（3）氣候突變特征信號的分析氣候變化機制的再研究與氣候模擬（1）大氣水汽循環(huán)中的水蒸汽凝結輻射特性分布規(guī)律（2）基于水蒸汽凝結輻射特性的溫室氣體組成及多元體系化學勢的協(xié)同作用機制（3）溫室氣體效應與氣候變化的關聯(lián)性研究（4）基于水蒸汽凝結輻射特性的氣候變化歷史實例分析2023年9月4日屬于重大基礎性科學研究——物質相變電磁特性及其影響F.需要進一步研究的問題(一)大氣熱力學新理論體系的構建2F.需要進一步研究的問題(二)2023年9月4日15℃的飽和大氣，氣溫升高2℃濕空氣含濕量凈增加Δd=1.3g/kggCO2在大氣中質量分數(shù)只有0.58g/kg1atm濕空氣焓濕圖氣候變暖與大氣焓濕圖(？)F.需要進一步研究的問題(二)2023年8月3日15℃的飽和F.需要進一步研究的問題(三)基于“水”的氣候變遷歷史考證——與水有關的歷史典故、俗語和歷史事件等很多很多。冰點為0℃，液態(tài)水意味著氣溫高于0℃。遠古洪荒，海田滄桑大禹治水——氣候溫暖？黃河改道——水多，時間跨度？一九二九不出手，三九四九冰上走，五九六九沿河看柳，……——何時出現(xiàn)？“河”指哪？準確解釋？北國風光，千里冰封，萬里雪飄。望長城內外，惟余莽莽。大河上下，頓失滔滔。……，[毛澤東主席詩詞<沁園春·雪>，1936年2月]……，2023年9月4日只有18天能在河冰上走？F.需要進一步研究的問題(三)基于“水”的氣候變遷歷史考證—F1.化學勢與分子擴散的方向滲透與反滲透——膜分離技術的理論基礎同溫同壓下，多元體系中組元的化學勢小于純組元的化學勢，因此在化學勢差的作用下，純組元的物質必然向多元體系擴散

——滲透過程：滲透壓∞濃度差反滲透——在多元體系側加壓，提高分離組元的化學勢，克服滲透壓溫度對于反滲透過程的影響這意味著云滴也是多元體系，不是純水。純物質化學勢該物質在多元體系中的化學勢F1.化學勢與分子擴散的方向滲透與反滲透——膜分離技術的理大氣是一種含有水蒸汽的多元體系(有時稱為濕空氣)如果將濕空氣冷卻到某一定溫度時，其中的水蒸汽開始凝結，這一溫度稱為露點溫度濕空氣結露是一種相變熱力學過程，當多元體系達到熱力學平衡態(tài)，則滿足如下相平衡條件：根據(jù)熱力學第二定律：熱只能自發(fā)地從高溫向低溫傳遞；物質只能由化學勢高的地方向化學勢低的地方擴散。水蒸汽凝結是我們關注的問題，水滴的化學勢與大氣中水蒸汽的化學勢相等。因此，化學勢是分析大氣中水蒸汽凝結過程的有力武器。大氣系統(tǒng)中任何熱力學過程都必須遵循熱力學第二定律，否則其結論就是錯誤的。F2.大氣(濕空氣)露點的相平衡條件大氣是一種含有水蒸汽的多元體系(有時稱為濕空氣)F2.大氣(F3.大氣能量平衡和水蒸汽凝結

的有關問題大氣的能量平衡太陽能是大氣的主要能量來源大氣向宇宙空間的凈熱輻射是維持大氣溫度基本穩(wěn)定的關鍵大氣能量平衡——動態(tài)過程大氣物理學的水蒸汽凝結模型若潛熱完全被周圍大氣吸收，云滴與空氣的容積比大氣的能量平衡萬米高空全球57.7萬km3的降水量，潛熱量1.44×1021kJ(2500kJ/kg)，若全部被大氣吸收，大氣溫度將升高272.4℃——這顯然不是事實。意味著大氣溫度不變大氣中有這樣的條件嗎？——天空大部云覆蓋F3.大氣能量平衡和水蒸汽凝結

的有關問題大氣的能量平衡大氣F4.大氣水蒸汽凝結過程的簡單描述大氣沿高度有相對穩(wěn)定的溫度差、密度差和壓力差；水從地表蒸發(fā)，這時大氣中水蒸汽的化學勢高于高空大氣中的水蒸汽(其他氣體隨溫度升高有類似情況)；在化學勢差作用下，水蒸汽向上擴散，速度將高于其他氣體(？涉及大氣動力學)；隨著擴散過程中大氣向外層空間的凈熱輻射，大氣溫度逐漸降低；即到達一定高度之后，水蒸汽開始凝結(露點溫度)；隨著凝結的進行，大氣中水蒸汽分壓力降低，其化學勢將隨之降低，因此要求遷移至更低大氣壓和溫度區(qū)域凝結；而凝結形成負壓引起氣流上升，加上對外凈熱輻射，迎合了這一要求。(赤道對流層更高de原因？）2023年9月4日F4.大氣水蒸汽凝結過程的簡單描述大氣沿高度有相對穩(wěn)定的溫度F5.水蒸汽凝結輻射放熱

的微觀物理學機制太陽上氫核聚變的能量通過輻射向宇宙?zhèn)鞑ト紵瘜W反應水蒸汽凝結：地球是通過輻射不斷向外傳播能量的宇宙間的能量傳輸——輻射原子級變化，太劇烈，不可控聚合過程分子級變化、劇烈、可控物理變化、熱烈E=m·C2——輻射的物理學基礎F5.水蒸汽凝結輻射放熱

的微觀物理學機制原子級變化，太劇F6.大氣熱力結構簡述大氣熱力結構——對流層、平流層、中間層、熱層水汽的蒸發(fā)與凝結(凝華)主要發(fā)生在對流層對流層頂部高度極地上空約為8～14km赤道上空約為15～20km雖然赤道地區(qū)地面溫度比極地高很多，但極地對流層頂?shù)臏囟葏s比赤道地區(qū)高15～25K平均垂直溫度遞減率約6.5-9K/km地球大氣中傳熱學尺度上的溫差是非常小的2023年9月4日F6.大氣熱力結構簡述大氣熱力結構——對流層、平流層、中間層F7.大規(guī)模二氧化碳的技術減排

——無法實施的工程根據(jù)我國的經濟發(fā)展及能源資源等條件，進行二氧化碳減排是一項沉重的負擔。我國鐵路貨運能力的50％以上在運煤C+O2→CO2——質量增加3.67干冰或壓縮氣體？——遠離平衡態(tài)