大氣物理學(xué)總結(jié)

大氣物理學(xué)第六章大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)一、熱力學(xué)基本規(guī)律1、空氣狀態(tài)的變化和大氣中所進(jìn)行的各種熱力過程都遵循熱力學(xué)的一般規(guī)律，所以熱力學(xué)方法及結(jié)果被廣泛地用來研究大氣，稱為大氣熱力學(xué)。2、開放系和封閉系(1)開放系：一個與外界交換質(zhì)量的系統(tǒng)(2)封閉系：和外界互不交換質(zhì)量的系統(tǒng)(3)獨立系：與外界隔絕的系統(tǒng)，即不交換質(zhì)量也不交換能量的系統(tǒng)。3、準(zhǔn)靜態(tài)過程和準(zhǔn)靜力條件(1)準(zhǔn)靜態(tài)過程:系統(tǒng)在變態(tài)過程中的每一步都處于平衡狀態(tài)(2)準(zhǔn)靜力條件：P≡Pe系統(tǒng)內(nèi)部壓強(qiáng)p全等于外界壓強(qiáng)Pe4、氣塊（微團(tuán)）模型氣塊（微團(tuán)）模型是指宏觀上足夠小而微觀上含有大量分子的空氣團(tuán)，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)水。氣塊（微團(tuán)）模型就是從大氣中取一體微小的空氣塊，作為對實際空氣塊的近似。5、氣象上常用的熱力學(xué)第一定律形式δQ=cdT-αdp=cdT-pp【比定壓熱容cp和比定容熱容cv的關(guān)系cp=cv+R，（R比氣體常數(shù)）】6、熱力學(xué)第二定律討論的是過程的自然方向和熱力平衡的簡明判據(jù)，它是通過態(tài)函數(shù)來完成的。7、理解熵、焓（從平衡態(tài)x0開始而終止于另一個平衡態(tài)x的過程，將朝著使系統(tǒng)與外界的總熵增加的方向進(jìn)行；等焓過程:絕熱和等壓；物理意義：在等壓過程中,系統(tǒng)焓的增加值等于它所吸收的熱量）8、大氣能量的基本形式：（1）內(nèi)能；（2）勢能；（3）動能；（4）潛熱能9、大氣能量的組合形式（1）顯熱能：單位質(zhì)量空氣的顯熱能就是比焓。（2）溫濕能：單位質(zhì)量空氣的溫濕能是顯熱能和潛熱能之和。（3）靜力能:對單位質(zhì)量的干（濕）空氣，干（濕）靜力能：（4）全勢能:勢能和內(nèi)能之和稱全勢能10、大氣總能量1干空氣的總能量:Ed=U+Φ+Ek=cpT+gz+V2212濕空氣的總能量:Em=U+Φ+Ek+Lq=cpT+gz+V+Lq2二、大氣中的干絕熱過程1、系統(tǒng)（如一氣塊）與外界無熱量交換（δQ=0)的過程，稱為絕熱過程。1dpρTpp()d()0.286（對未飽和濕空氣κ=κd=R/Cp=0.286計算大氣的干絕熱過程）T0p0p0例：如干空氣的初態(tài)為p=1000hpa,T0=300K，當(dāng)它絕熱膨脹，氣壓分別降到900hpa和800hpa時溫度分別為多少？2、干絕熱減溫率定義：未飽和濕空氣塊溫度隨高度的變化率的負(fù)值為干絕熱減溫率γv，單位°/100mgd9.8K/km0.98k/100m1oC/100mcpd2T)：兩個溫度和濕度各不相同的空氣塊絕熱等壓混合的情況。1、絕熱等壓混合(水平混合Tem(10.86q)m混合結(jié)果:混合后的T、q、e、θ都可由初值的質(zhì)量加權(quán)平均得到。mmqmqm1e1m2e2m11m22m1T1m2T2eqTmmmm實例：濕度較大的未飽和空氣塊混合后，有可能發(fā)生凝結(jié)。（見p145圖6.9）mmeme11221122【冬季水面上的蒸汽霧；飛機(jī)云跡；開水壺口噴出的霧】emm六、大氣的靜力穩(wěn)定度1、判別大氣穩(wěn)定度的基本方法一氣塊法m11m22在氣層中任意選取一空氣塊，使其上下移動。根據(jù)該氣層對空氣塊的垂直運(yùn)動的影響情況mTT2)se來判斷氣層的穩(wěn)定度。這種方法稱為氣塊法。大氣層結(jié)穩(wěn)定度判據(jù)：（1）當(dāng)Γ>γ時，為不穩(wěn)定大氣層結(jié)（2）當(dāng)Γ=γ時，為中性大氣層結(jié)（3）當(dāng)Γ<γ時，為穩(wěn)定大氣層結(jié)特別地，對于未飽和氣塊，γ=γd；對于飽和氣塊，γ=γs大氣層結(jié)穩(wěn)定度總判據(jù)當(dāng)Γ>γd時，絕對不穩(wěn)定當(dāng)γd>Γ>γs時，條件性不穩(wěn)定當(dāng)Γ<γs時，絕對穩(wěn)定如大氣層結(jié)分布與煙云擴(kuò)散形態(tài)的關(guān)系：扇型；熏煙型；環(huán)鏈型；錐型；屋脊型2、判別條件性不穩(wěn)定大氣穩(wěn)定度的基本方法二不穩(wěn)定能量法凈浮力將單位質(zhì)量氣塊從z0移到z所作的功：z12TTve12ww0Ekgvdzz202Tve利用靜力學(xué)方程可得：ppp00ER(TT)d(lnp)R(TT)d(ln)kdvvedvvep0p0p可見，大氣層結(jié)的能量由狀態(tài)曲線、層結(jié)曲線、等壓線p0和p所包圍的面積確定：當(dāng)Tv＞Tve，即狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的右邊面積A為正；（圖見p156）當(dāng)Tv＜Tve，即狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的左邊面積A為負(fù)。條件性不穩(wěn)定的類型（圖見P157）層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線的第一個交點F為自由對流高度（LFC)第二個交點D為平衡高度（此處速度最大，加速度為零）對流有效勢能（CAPE）為F和D之間的正面積區(qū)對流抑制能量（CIN）為LFC以下的負(fù)面積區(qū)（大氣底部的氣塊要達(dá)到LFC至少需從其他途徑獲得的能量下限）溫度層結(jié)曲線與低層等飽和比濕線的交點為對流凝結(jié)高度（CCL)狀態(tài)曲線的第一個折點為抬升凝結(jié)高度（LCL)4、大氣三種基本類型：（1）潛在不穩(wěn)定型；（2）絕對穩(wěn)定型；（3）絕對不穩(wěn)定型。其中（1）真潛在不穩(wěn)定型：正面積大于負(fù)面積；（2）假潛在不穩(wěn)定型：正面積小于負(fù)面積因此，在相同的溫度層結(jié)下，濕度愈大，愈有利于垂直運(yùn)動的發(fā)展。5、熱雷雨是指氣團(tuán)內(nèi)因下墊面(森林、沙地、湖泊）受熱不均，由熱力抬升作用形成的雷雨。CCL即為溫度層結(jié)曲線和低層等飽和比濕q0線的交點。要預(yù)測當(dāng)天可能發(fā)生熱雷雨的可能性，需從對流凝結(jié)高度沿干絕熱線下延至地面，以確定當(dāng)天可能發(fā)生熱對流的下限溫度Tt，一般認(rèn)為，如果幾天來天氣條件沒有太大變化，且前幾天地面最高氣溫接近或接近Tt，那么當(dāng)天氣溫就可能達(dá)到或超過Tt，產(chǎn)生熱雷雨的可能性就比較大。七、整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化1、整層氣層升降會導(dǎo)致大氣溫度遞減率和濕度垂直分布的變化，從而使氣層的穩(wěn)定度發(fā)生變化，導(dǎo)致強(qiáng)烈對流或者使氣層更穩(wěn)定。穩(wěn)定度討論【Γv2將如何變化，取決于(1-p2A2/P1A1)】（1）當(dāng)Γv1<γd,如果氣層下沉且伴隨有橫向擴(kuò)散，有p2A2>P1A1則Γv2<Γv1，氣層穩(wěn)定度將趨向更穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)逆溫。如果氣層被抬升且伴隨有水平輻合時，有p2A2<P1A1則Γv2>Γv1，導(dǎo)致氣層的穩(wěn)定性減少。如果P2/P1和A2/A1兩者的變化趨勢相反(即上升輻散，下降輻合），（2）當(dāng)Γv1=γd,則Γv2=Γv1=γd,原氣層在升降過程中保持干絕熱減溫率不變。（3）當(dāng)Γv1>γd,所得結(jié)論與(1)相反。但這種處于絕對不穩(wěn)定狀態(tài)的氣層在實際大氣中是極少見的。2、對流性不穩(wěn)定：上干下濕氣層：整層氣層上升并先后凝結(jié)后，飽和氣層的垂直減溫率將變得大于γs，成了不穩(wěn)定層結(jié)，稱對流性不穩(wěn)定。上濕下干氣層：氣層的垂直減溫率將變小甚至為零或逆溫，成了穩(wěn)定層結(jié)，稱對流性穩(wěn)定。第十一章云霧形成的宏觀條件及一般特征一、1、云云和降水的分類和生成條件2、云霧生成的宏觀條件水汽由未飽和達(dá)到飽和而生成云霧有兩途徑：（1）增加空氣中的水汽（2）降溫（*絕熱上升冷卻凝結(jié)、等壓冷卻凝結(jié)、絕熱混合凝結(jié)）【上升氣流和充足的水汽是云生成的必要條件】上升運(yùn)動的形式不同，形成不同的云型：1)大范圍輻合抬升：鋒面云系(圖12.1)，低壓、冷渦、切變線產(chǎn)生輻合抬升2)局地不穩(wěn)定層結(jié)的對流運(yùn)動：局地不穩(wěn)定3)地形抬升:暖濕氣流被山地抬升4)波動:高空穩(wěn)定層下的風(fēng)速切變5)湍流:大氣邊界層的湍流使熱量、動量和水汽的重新分布3、對流云一般分為形成CuCucong（上升氣流為主、提供豐富的水汽，10-15min）cong成熟CuCb（出現(xiàn)降水,10-30min）消散CbSc,Cinot（云下出現(xiàn)下沉氣流,幾min）單個氣團(tuán)雷暴的生命期約為1-2小時二、局地強(qiáng)風(fēng)暴天氣系統(tǒng)1、颮線定義：集合成帶狀排列的雷雨云，寬數(shù)公里，長可達(dá)一二百公里。2、超級單體風(fēng)暴定義：由一個龐大的單體構(gòu)成,尺度可達(dá)50km壽命長達(dá)7-8h。3、多單體風(fēng)暴和傳播式單體風(fēng)暴定義：由許多個單體所組成的風(fēng)暴云。4、降水的宏觀特征（1）水平范圍變化較大（2）一次降水，降水量一般大于云中總含水量，（3）對于一次降水，降水量一般小于入云水汽量三、云霧降水的微觀特征1、云和降水是由大量離散的液態(tài)或固態(tài)粒子所構(gòu)成的包括云滴、雨滴、冰雪晶、雪花、霰、冰雹等。它們的微觀特征主要指粒子的大小及其數(shù)密度（或稱濃度）。2、云霧滴譜分布特征：（1）不同云云滴譜差異較大；（2）積狀云比層狀云滴譜寬；（3）對流強(qiáng)的濃積云的云滴譜較寬，云滴數(shù)密度較小而尺度較大。3、冰雪晶微觀特征——（1）粒子分類：冰晶、雪晶、雪花、霰粒或雪丸、小雹粒和冰雨冰晶的基本形狀是對稱的六角棱柱狀。（2）冰雪晶的尺度：柱狀冰晶的長度和板狀冰晶的直徑范圍在10m和1mm之間，最大可達(dá)幾毫米。4、降水粒子的譜分布：雨滴在空氣中降落時，其形狀由大小決定【了解】第十二章云霧降水形成的微物理過程（云霧降水粒子的生成、增長，直到形成降水的微物理過程。）一、云粒子的均質(zhì)核化1、作為新的相態(tài)中出現(xiàn)的初始胚胎，應(yīng)為穩(wěn)定存在的最小新相元素，它是物態(tài)的一種轉(zhuǎn)變過程，稱為核化。核化分為兩類:均質(zhì)核化和異質(zhì)核化：均質(zhì)核化指單一相態(tài)中的分子中某些分子組成以聚合形式出現(xiàn)的純初相胚胎，無其他物質(zhì)參與。異質(zhì)核化指有其他物質(zhì)參與核化作用，正是由于其他物質(zhì)的存在，為新相產(chǎn)生提供基底，構(gòu)成核心，才利于新相的產(chǎn)生。(所謂的其他物質(zhì)就是大氣氣溶膠粒子。)2、彎曲液面（胚滴）上平衡水汽壓與溫度和曲率的關(guān)系eres(T)21)（er和es(T)分別為半徑為r，溫度為T時的水滴和平水面的飽和wRvTr水汽壓，σ是水的表面張力系數(shù)，ρw是液水的密度，Rv為水汽比氣體常數(shù)。）3、新相胚滴的臨界半徑：（生存的尺度）r*=2/ρwRvTln(e/es)srt溫度越低，飽和比越大，越易形成同質(zhì)核化?！咀匀粭l件下不可能出現(xiàn)水汽同質(zhì)核化。】4、水滴同質(zhì)核化凍結(jié)——說明在自然界存在水滴同質(zhì)核化凍結(jié)現(xiàn)象。二、云粒子的異質(zhì)核化1、云凝結(jié)核(CCN)——是指在s=1.001-1.01,即f=100.1%-100.01%的水汽條件下能凝結(jié)核的核。包括可溶性核（主要尺度范圍r=0.01-0.1μm）和不可溶性核（尺度范圍r≥0.1μm的核相對有效）。crcne=e(1+-3)2、溶液滴表面的平衡水汽壓en公式（寇拉方程）nsrr可見，en由溫度效應(yīng)、曲率效應(yīng)、溶液效應(yīng)三因素決定。3、冰晶的異質(zhì)核化（冰核通常是不可溶的，其結(jié)晶結(jié)構(gòu)類似于冰，而且尺度越大越有效。）三、冰晶的凝華增長dm4CD(vw)1、水汽擴(kuò)散方程（麥克斯韋公式）dt冰晶的三種基本形態(tài)：針狀、平面狀、六角柱狀2、蒸—凝過程（冰晶效應(yīng)）——在-12℃增長最快。3、在重力作用下，水滴的下降速度不斷提高，與此同時，阻力也隨之增加，當(dāng)水滴受力達(dá)到平衡時，水滴勻速下降，此時的下降速度稱為下降末速度。(1)r50m取斯托克斯近似CD24/Re(2)50mr500m(3)r500mCD12/ReCD0.6vwAr2vwBrvwCr分別求出半徑為40μm，500μm，1000μm的水滴的下落末速度。并對照p333表12.11。四、云滴和雨滴的碰并增長1、重力碰并：是指水滴之間在重力場中因下降末速度不同而導(dǎo)致的碰并現(xiàn)象。qwEvw1則云滴半徑隨高度的增長率為:dr1dZ4(vw1)云厚2km，具有均勻的液態(tài)水含量0.5g/m3，云頂有半徑為0.1mm的云滴穿云下落，已知平均碰并系數(shù)為0.8，計算：（1）忽略云中氣流，計算云滴從云底落出時的尺度。（2）云滴穿過云層所需的時間。（3）設(shè)云中上升氣流為20cm/s,計算云滴長到直徑0.5mm時所需的最小云厚。2、云滴的隨機(jī)碰并增長（云滴通過隨機(jī)碰并增長模式增長，可以出現(xiàn)少量的大雨滴，增長速度較快。）例：有1000個小云滴通過隨機(jī)碰并增長，概率是1/20，兩個時間段后，大中小尺度的云滴各為多少個？五、冰雪晶的碰并增長1、碰凍增長（冰晶凇附增長）指冰晶與過冷水滴碰撞并凍結(jié)的增長過程，也稱凇附增長。這就是霰形成增長的基本過程，也是冰晶碰并云滴產(chǎn)生碰凍增長的基本特征。2、叢集增長過程（冰晶碰連增長）叢集增長指通過冰晶之間的相互粘連作用而增長的過程，這也是雪花的形成過程。3、冰晶的繁生由冰晶的異質(zhì)核化推理：一個冰核最多只能產(chǎn)生一個冰晶胚胎。六、層狀云降水的形成1、暖性層狀云的降水由水滴組成的暖云主要是通過云滴的重力碰并過程而長大成降水粒子的，這就是所謂的暖云過程。2、混合層狀云降水：冰晶層（<-20—-5℃）→冰晶、過冷水滴層（-5℃<溫度<0℃）→水滴層（溫度>0℃）3、暖云降水的重要機(jī)制：云粒通過凝結(jié)、碰并增長→小雨，毛毛雨（雨層云例外）4、冷云（混合云）的降水機(jī)制：云?！A）→雪花松附→（碰連，聚集增長）→大雪播種→供水（混合云可降大暴雨，大暴雪）七、冰雹的形成1、冰雹包括三種降水物：霰、冰粒和雹霰：凇冰，結(jié)凇形成的冰，松散，不透明冰粒：水滴凍結(jié)形成的透明冰，堅硬，不易碎雹：是以霰、冰粒為核心，外部是透明層不透明層的分層結(jié)構(gòu)，3-5層，最多28層。2、構(gòu)成冰雹明暗層次的有三種冰：疏松冰（密度低，不透明，凍滴和大量小氣泡）結(jié)實冰（密度高，透明，冰晶和小量氣泡）松軟冰（密度很高，透明，冰和水混合物）3、冰雹生成的微物理過程：全部過冷水滴在冰晶上凍結(jié)稱為“干增長”，僅有一部分過冷水滴在冰晶上凍結(jié)稱為“濕增長”。4、冰雹的形成機(jī)制循環(huán)增長理論：在超級單體中，形成有組織的上升氣流和下沉氣流，組成一對互不干擾的氣流場，長時間維持。（強(qiáng)風(fēng)暴云）可以使降水粒子在其中上下往返多次而循環(huán)增長。該理論解釋了干濕增長、分層結(jié)構(gòu)、冰雹分選等現(xiàn)象。缺點是：缺乏量化計算，