9干絕熱過程匯總

6.2干絕熱過程和位溫絕熱過程任一氣塊與外界之間無熱量交換時(shí)的狀態(tài)變化過程，叫做絕熱過程(Adiabaticprocess)。干空氣或未飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部沒有發(fā)生水相變化，稱作干絕熱過程(Dryadiabaticprocess)。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過程。飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且分散物全部留在氣塊內(nèi)，稱作濕絕熱過程(Wetadiabaticprocess)。飽和濕空氣塊絕熱變化時(shí)，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且分散物局部或全部降落離開氣塊，稱作假絕熱過程(Pseudoadiabaticprocess)。第3章大氣熱力學(xué)干絕熱方程對于干絕熱過程，dQ=0,因此，干空氣熱力學(xué)第肯定律為：或從初始狀態(tài)(T0,P0)到任意狀態(tài)(T,P)積分，得：上式就是干空氣或未飽和濕空氣的絕熱方程，即干絕熱方程，也稱為泊松方程,它反映了干絕熱過程中，氣塊溫度和氣壓間關(guān)系有時(shí)也使用泊松方程的近似式：考慮到實(shí)際大氣中的比濕q<0.04kg/kg,所以〔〕式可近似表示為k=0.286對于未飽和濕空氣二、干絕熱減溫率定義：作干絕熱升降運(yùn)動(dòng)的氣塊溫度隨高度的變化率，稱為干絕熱遞減率。對于未飽和濕空氣塊的干絕熱減溫率為γV

公式為:2.對于干潔大氣，γd的數(shù)值在熱流量方程中令dQ=0,并整理得把準(zhǔn)靜力條件，大氣靜力方程和環(huán)境空氣狀態(tài)方程代入，有由于因此可近似為所以T0、P0T、Pz0T0TzT三、位溫1.定義：把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)應(yīng)有的溫度。用θ表示，未飽和濕空氣和干潔大氣位溫其定義式為

同樣，可以定義一個(gè)虛位溫

v：虛位溫與位溫的關(guān)系是:上式中應(yīng)是T、p和q的函數(shù)，p00是標(biāo)準(zhǔn)氣壓〔常取1000hPa〕。虛位溫與位溫的關(guān)系是大氣熱力學(xué)、大氣動(dòng)力學(xué)、邊界層氣象學(xué)和云霧降水物理學(xué)中特別有用的一個(gè)參數(shù)。2.位溫θ的守恒性(6.2.8)兩邊取對數(shù)然后微分，可得對熱流量方程兩邊同除以cpT,則有比較上兩式可得，由上式可以得出結(jié)論：空氣塊吸取熱量時(shí)位溫增加；放出熱量時(shí)位溫降低；干絕熱過程是等熵過程，位溫保持不變，即干絕熱過程中位溫θ是守恒量。熱力學(xué)第肯定律的形式之一1000T0T-lnpθ溫度對數(shù)壓力圖解：橫坐標(biāo)溫度T，縱坐標(biāo)對數(shù)壓力-lnp，該圖上干絕熱過程線為始終線，稱為干絕熱線。干絕線上位溫是不變的，因此又稱等位溫線。位溫在干絕熱過程中保持不變，稱為在干絕熱過程中具有保守性。位溫在爭論大氣過程時(shí)是很重要的。由于它不隨氣塊高度〔或壓強(qiáng)〕的轉(zhuǎn)變而轉(zhuǎn)變，似乎是一種性質(zhì)穩(wěn)定的示蹤物，便于我們追溯氣塊或氣流的源地以及爭論它們以后的演化。(6.2.8)式兩邊取對數(shù)再對z求導(dǎo)，得3.位溫垂直分布與大氣垂直減溫率其中稱為大氣溫度直減率。因此，位溫的垂直變化率是和(d)成正比的。在對流層內(nèi)，一般狀況下大氣垂直減溫率<d，所以有,即位溫是隨高度增加而增加的。常用來表示大氣的層結(jié)，在爭論大氣穩(wěn)定度時(shí)是一個(gè)重要的關(guān)系式。4.抬升分散高度未飽和濕空氣塊被外力強(qiáng)迫抬升時(shí)，由于上升速度快，可以認(rèn)為是絕熱的。氣塊上升時(shí)的干絕熱減溫率遠(yuǎn)大于它的露點(diǎn)遞減率，氣塊的溫度和露點(diǎn)將漸漸接近，在某一高度到達(dá)飽和并發(fā)生分散。這個(gè)濕空氣塊因絕熱抬升而到達(dá)飽和的高度稱為抬升分散高度(簡稱LCL)。zBT0Tz凝結(jié)高度B用eTdLv分別代替方程中的pTL，且由于α

2>>α

1又由取對數(shù)求導(dǎo)可得，〔1〕露點(diǎn)隨高度變化〔2〕抬升分散高度的估算公式假設(shè)取Te=288KTd=280K,則抬升分散高度的估算公式為：上式可用來估算對流云底高度。但由于地面的溫度露點(diǎn)差對zc值的影響很大，而它在一天中可變化幾度，不易選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值；再加上對氣塊垂直運(yùn)動(dòng)所作的絕熱假定與實(shí)際狀況有肯定差距，因此推算的云底高度與實(shí)測的云底高度有時(shí)相差很大。結(jié)果說明：干絕熱過程中露點(diǎn)以1.7K/km的變化率向上遞減，但氣塊溫度9.8K/km變化，下降得更快，在溫度和露點(diǎn)相等的高度就會到達(dá)分散?！病碀窠^熱直減率〔〕：濕絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率。可證明：T、Pz0T0、P0T0Tz第3章大氣熱力學(xué)3.3濕絕熱過程3.3.2濕絕熱直減率特征：I），故濕絕熱線總在干絕熱線之右；II）不是常數(shù)，是氣溫和氣壓的函數(shù)。III）高溫時(shí)，比濕大、凝結(jié)量多，故小，低溫時(shí)相反。dTdT假絕熱過程特點(diǎn)：未飽和濕空氣塊剛開頭上升時(shí)，按干絕熱直減率降溫，至分散高度后，假設(shè)連續(xù)上升，則按濕絕熱直減率降溫，此時(shí)發(fā)生水汽分散，假設(shè)分散物局部或全部降落離開氣快，則當(dāng)其下降時(shí)，將按干絕熱直減率或介于干、濕絕熱直減率之間的直減率升溫，當(dāng)其回到原來高度時(shí)，溫度將高于上升前的溫度，這個(gè)過程是不行逆過程，即這種狀態(tài)變化過程中位溫不再守衡。因此，需定義一個(gè)新物理量，能在全部絕熱過程中都守衡，即假相當(dāng)位溫。第3章大氣熱力學(xué)3.4假絕熱過程和假相當(dāng)位溫3.4.1假絕熱過程第四節(jié)大氣中的濕絕熱過程大氣中有相變發(fā)生的絕熱過程一、兩種極端狀況1.可逆濕絕熱過程水汽相變所產(chǎn)生的水成物不脫離原氣塊，始終跟隨氣塊上升或下降，所釋放的潛熱也全部保存在氣塊內(nèi)部。2.假絕熱過程水汽相變產(chǎn)生的水成物全部脫離氣塊，但所釋放的潛熱仍留在氣塊中。注：實(shí)際大氣的濕絕熱過程往往處于以上兩者之間。此式即是常用的爭論飽和氣塊上升運(yùn)動(dòng)時(shí)的熱量方程，這三項(xiàng)可認(rèn)為分別代表了顯熱、膨脹功和潛熱?？赡骘柡徒^熱過程可用含液態(tài)水飽和氣塊的等熵過程表達(dá)式由于rw=0，故將上式中水質(zhì)物混合比rt換成飽和水汽混合比rs，即可得到假絕熱方程為一般狀況下，所以可得近似的假絕熱方程二、濕絕熱減溫率γs濕絕熱過程的溫度遞減率在各種情形之間的差異不大，故用假絕熱過程的溫度遞減率來近似全部濕絕熱忱形下的溫度遞減率。未飽和濕空氣干絕熱上升到達(dá)分散高度以后，水汽就開頭分散并放出潛熱。假設(shè)此飽和氣塊連續(xù)上升，則由于釋放的潛熱能加熱氣塊，氣塊的溫度遞減率將小于d。對z求導(dǎo)數(shù)

三、假相當(dāng)位溫θse1.公式在上升過程中，由于drs<0,所以dθse>0.當(dāng)drs=0時(shí)，θse達(dá)最大，現(xiàn)在求這個(gè)最大的θse。定義：未飽和濕空氣塊上升，直到氣塊內(nèi)水汽全局部散降落后，再按干絕熱下沉到1000百帕處，此時(shí)氣塊所具有的溫度稱為該氣塊的假相當(dāng)位溫，通常以θse表示。也就是說θse相當(dāng)于濕空氣通過假絕熱過程把它包含的水汽全局部散降落完后所具有的位溫?？紤]到濕絕熱上升過程中，T的變化不大，故設(shè)所以上式化為兩邊積分，rs:rsc→0；θ:θc→θse〔從分散高度開頭積分〕或者rs:rs→0；θ:θ→θse〔從高于分散高度的任意高度開頭積分〕2.性質(zhì)：Θse在氣塊升降過程中是個(gè)保守量。對方程〔〕取對數(shù)，并對z求導(dǎo)得假相當(dāng)位溫遞減率上式說明，在飽和氣層中假相當(dāng)位溫是一個(gè)常數(shù)。同樣地，依據(jù)〔〕，對于未飽和濕空氣塊，假相當(dāng)位溫亦不變〔請自學(xué)〕。綜上所述，假相當(dāng)位溫在干、濕絕熱過程中均是保守的。由于假相當(dāng)位溫的保守性，天氣學(xué)上常用它作氣團(tuán)和鋒面的分析。焚風(fēng)〔FoehnWind〕是指氣流過山以后形成的干而暖的地方性風(fēng)，最初專指阿爾卑斯山區(qū)的焚風(fēng)。從地中海吹來的潮濕氣流到達(dá)阿爾卑斯山南坡，受到山脈的阻擋而漸漸爬升，水汽分散且局部降落，氣流過山后下沉增溫，形成焚風(fēng)。山脈北麓的氣溫比南麓同高度處平均約高10~12℃，相對濕度平均下降40~50%。焚風(fēng)干而暖的氣流在嚴(yán)寒季節(jié)能促使冰雪溶化，在暖和季節(jié)能促使作物早熟。但是假設(shè)焚風(fēng)過強(qiáng)，也可使植物枯槁而死，并且簡潔引發(fā)森林火災(zāi)。假絕熱過程的例子:四、溫濕參量1.相當(dāng)溫度和濕球溫度：爭論由未飽和濕空氣和水組成的單位質(zhì)量系統(tǒng)，通過等壓絕熱過程，引入很重要的兩個(gè)溫濕特征量，即〔等壓〕濕球溫度和〔等壓〕相當(dāng)溫度，簡稱濕球溫度和相當(dāng)溫度。等壓絕熱過程是等焓過程中，某個(gè)狀態(tài)〔p,T〕的比焓是另一個(gè)狀態(tài)〔p,T”〕的比焓是由于是等焓過程,h=h”,所以式中的cpdT和cpdT′分別是上述兩種狀態(tài)的干空氣比焓，氣象學(xué)上稱為顯熱能；Lvr和Lvr′被稱為潛熱能。(6.7.2)式說明，等壓絕熱過程中顯熱能與潛熱能之和近似不變。在等壓絕熱蒸發(fā)過程中，顯熱能不斷轉(zhuǎn)變成潛熱能，顯熱能削減，而潛熱能增加。下面爭論兩種極端狀況：〔1〕假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過等壓絕熱分散過程〔假想的過程〕成為枯燥空氣，水汽全局部散并放出潛熱使空氣升溫，空氣的最終溫度Te應(yīng)為Te被稱為相當(dāng)溫度或等壓相當(dāng)溫度。但是，由于在絕熱的孤立系中，水汽未飽和時(shí)不行能自動(dòng)分散，只會自動(dòng)蒸發(fā)，故自然界中并不存在等壓絕熱分散過程，只存在其逆過程即等壓絕熱蒸發(fā)過程。因此可將相當(dāng)溫度定義成為：系統(tǒng)經(jīng)等壓絕熱蒸發(fā)過程成為濕空氣〔p,T,r〕以前，確定枯燥的空氣所應(yīng)具有的溫度。也就是說相當(dāng)溫度是這個(gè)等壓絕熱蒸發(fā)過程中所可能有過的最高溫度。類似的，可以定義相當(dāng)位溫。根本不用〔2〕假設(shè)系統(tǒng)由等壓絕熱蒸發(fā)過程到達(dá)飽和，此時(shí)液態(tài)水尚未蒸發(fā)完，溫度已不再下降，此時(shí)有式中Tw稱為濕球溫度，這是在等壓絕熱蒸發(fā)過程中，系統(tǒng)內(nèi)的液態(tài)水蒸發(fā)使空氣降溫，到達(dá)飽和時(shí)空氣所具有的溫度，是這個(gè)過程中的最低溫度。這是理論上的濕球溫度，也稱等壓濕球溫度。下面將介紹與它們差異不大卻簡潔由圖解確定的兩個(gè)溫濕參量－絕熱相當(dāng)溫度和絕熱假濕球溫度，即假相當(dāng)溫度和假濕球溫度。假濕球溫度和假濕球位溫在埃瑪圖上圖6.12，空氣由原來的狀態(tài)A沿干絕熱線上升，到達(dá)抬升分散高度C后再沿假絕熱線下降到原來的氣壓處B，則B處的溫度即為假濕球溫度或稱絕熱濕球溫度，以Tsw表示。假濕球位溫θsw就是將假濕球溫度Tsw沿著假絕熱線降到1000hPa處所具有的溫度。明顯，假濕球位溫在干絕熱和濕絕熱過程中都是保守的。假相當(dāng)位溫順假相當(dāng)溫度各溫濕參量間的關(guān)系：Tsw<Tw<T<Te<Tse，