大氣的熱能和溫度-第三節(jié)

第三節(jié)大氣的增溫和冷卻

第三章大氣的熱能和溫度王錫平河北師范大學(xué)大氣接受或支出差額輻射之后，增加或減少的輻射能==

？效應(yīng)一、海陸的增溫和冷卻的差異大氣的熱能主要來自地面。地面差異明顯，因而對大氣的增溫冷卻過程顯著不同。海洋和陸地高山和深谷高原和平原林地和草地濕區(qū)和干區(qū)海洋和陸地的差異最大。海洋與大陸的熱差異1、反射率差異（差異約為10—20％）：海洋吸收更多太陽輻射。2、透射率差異：陸地所吸收的太陽能分布在很薄的表面上，而海水所吸收的太陽能分布在較厚的層次。而水對紫外線和波長較短的可見光線相當(dāng)透明（水對紅色光線和紅外線可以說是不透明）。3、海洋熱傳播更有效：熱能在水體以更有效的方式傳播如括波浪、洋流和對流作用。陸面表面溫度急劇變化，增加陸面和大氣之間的顯熱交換；水體內(nèi)熱能分布在較厚的層次，水溫增高少，減弱水面和大氣之間的顯熱交換。所得的太陽輻射，陸面?zhèn)鹘o空氣的約一半，水不過0.5％。4、水分相變：水體蒸發(fā)失熱，使水溫變化變緩。另外增加了空氣水分，增加吸收地面輻射的能力，使氣溫不易降低。陸面正好相反。5、巖石和土壤的比熱小于水的比熱。以上熱特性差異造成的結(jié)果：

海陸熱力過程互不相同。

大陸受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大；而海洋上溫度則變化緩慢，如大洋中年最高最低氣溫的出現(xiàn)要比大陸延遲一兩個月。二、空氣的增溫和冷卻引起空氣內(nèi)能變化的原因：非絕熱變化：由于空氣與外界有熱量交換引起絕熱變化：空氣與外界沒有熱量交換，而是由于外界壓力的變化對空氣做功，使空氣膨脹或者壓縮引起空氣的冷熱程度只是一種現(xiàn)象，它實質(zhì)上是空氣內(nèi)能大小的表現(xiàn)空氣狀態(tài)方程？？（一）空氣溫度的非絕熱變化1、傳導(dǎo)（conduction）：依靠分子的熱運動將能量從一個分子傳遞給另外一個分子，從而達(dá)到熱量平衡的傳熱方式。有溫差時才會以這種方式交換熱量。由于地面和大氣都是熱的不良導(dǎo)體，所以通過這種方式交換的熱量很少，其作用僅在貼地氣層中較為明顯。熱交換，方式：2、輻射（radiation）：物體之間依靠各自溫度以輻射方式交換熱量的傳熱方式。任何物體只要溫度高于零下273.15℃就能向外界發(fā)射輻射能。大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，地面也吸收大氣逆輻射，這樣它們之間就通過長波輻射的方式不停地交換熱量?？諝鈭F(tuán)之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。3、對流（convection）：依靠介質(zhì)本身的有規(guī)律的升降運動而進(jìn)行的熱量傳遞方式。當(dāng)?shù)孛媾p的空氣上升時，周圍冷而重的空氣就下降來補充，這種升降運動稱為對流。對流能使空氣上下層的熱量得到交換。對流，是對流層中熱量交換的重要方式。4、湍流(turbulence)：空氣的不規(guī)則運動（又叫亂流）。湍流是在空氣層相互之間發(fā)生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時產(chǎn)生。有湍流時，相鄰空氣團(tuán)之間發(fā)生混合，熱量就得到了交換。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。實際是具有不同能量的空氣分子帶著其能量進(jìn)行混合所導(dǎo)致的能量混合5、水分相變(evaporationandcondensation)：水在蒸發(fā)（或冰在升華）時要吸收熱量；相反，水汽在凝結(jié)（或凝華）時，又會放出潛熱；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），就會使熱量得到傳送。6、平流（advection）：大規(guī)?？諝獾乃竭\動稱為平流?？諝饨?jīng)常發(fā)生大規(guī)模的水平流動，當(dāng)冷空氣流經(jīng)暖的區(qū)域時，可使流經(jīng)區(qū)域溫度下降；反之，當(dāng)暖空氣流經(jīng)冷的區(qū)域時，可使該區(qū)域的溫度升高。空氣的平流運動對緩和地區(qū)之間和緯度之間的溫度差異有很大作用，是水平方向上傳遞熱量的主要方式。（二）空氣溫度的絕熱變化

在氣象學(xué)上，任一氣塊與外界之間無熱量交換，也沒有質(zhì)量交換的狀態(tài)變化過程，稱為絕熱過程

空氣團(tuán)在絕熱上升過程中，由于外界壓力的不斷減小，空氣團(tuán)體積膨脹對外界做功，因空氣團(tuán)與外界無熱量交換，所以做功所消耗的能量，使空氣團(tuán)因消耗內(nèi)能而降溫，這種現(xiàn)象稱為絕熱冷卻

空氣團(tuán)在絕熱下沉過程中，因為外界壓力的不斷增大，空氣團(tuán)被壓縮體積縮小，外界對氣團(tuán)做功，在絕熱條件下，所作的功只能用于增加氣團(tuán)的內(nèi)能，因而氣團(tuán)溫度升高，這種現(xiàn)象稱為絕熱增溫

沒有與周圍介質(zhì)之間的熱交換絕熱變化可以分為干絕熱變化和濕絕熱變化1）、干絕熱變化：干空氣或未飽和濕空氣團(tuán)，在絕熱上升或下降過程中沒有發(fā)生水分相變現(xiàn)象，稱為干絕熱變化。在干絕熱過程中氣團(tuán)上升單位高度空氣溫度的變化稱為干絕熱直減率（?d），?d≈0.98℃/100m≈1℃/100m。也就是說，在干絕熱過程中，空氣團(tuán)（氣塊）每上升或下降100m，溫度要降低或升高1℃。干絕熱方程（泊松方程-P38）描述干絕熱過程中氣溫隨壓強的變化規(guī)律：

2）、濕絕熱變化：飽和濕空氣團(tuán)，在絕熱升降運動過程中會有水的相變，這種絕熱變化稱為濕絕熱變化。在濕絕熱過程中其溫度隨高度的變化率稱為濕絕熱直減率（即濕絕熱垂直減溫率），常用?m表示.?m

隨溫度和氣壓而變化在對流層中，?m

平均值為0.5℃/100m

溫度氣壓－30－20－10010203010000.930.860.760.630.540.440.389000.930.850.740.610.520.430.378000.920.830.710.580.500.41

7000.910.810.690.560.470.38

6000.900.790.660.520.44

5000.890.760.620.480.41

4000.870.720.570.44

3000.850.660.510.38

濕絕熱直減率（℃/100米）隨溫度和氣壓的變化≈1℃/100m≈0.5℃/100m為什么呢？

與0.65是一回事嗎？干空氣濕空氣空氣塊上升膨脹對外界做功消耗內(nèi)能溫度降低空氣塊上升膨脹對外界做功消耗內(nèi)能溫度降低但在上升時氣溫降低的水汽凝結(jié)釋放潛熱，補償了一部分由于壓力變化造成的內(nèi)能消耗

水汽含量濕絕熱直減率表達(dá)式（P40）：

?m

在氣壓一定的條件下隨溫度升高而減小原因：氣溫高時，空氣的飽和水汽壓大，水汽含量多，每降低1℃所凝結(jié)的水汽量比低溫時多，釋放出來的凝結(jié)潛熱也較多的緣故

?m

在溫度一定的條件下隨氣壓的升高而增大隨氣壓和溫度的變化規(guī)律干絕熱直減率

濕絕熱直減率氣溫直減率和是指某氣團(tuán)升降過程中，氣團(tuán)本身的溫度變化率，表示實際大氣層中溫度隨高度的變化率。物理意義是否相同？3）、

位溫和假相當(dāng)位溫把某個高度層中的氣塊循著干絕熱的程序訂正到一個標(biāo)準(zhǔn)高度（1000hΡa）處，這時氣塊所具有的溫度稱為位溫，以θ表示。泊松方程：

氣塊在循干絕熱升降時，其位溫是恒定不變的。

假相當(dāng)位溫假設(shè)一種極端的情況，即水汽一經(jīng)凝結(jié)，其凝結(jié)物便脫離原上升的氣塊而降落，而把潛熱留在氣塊中加熱氣團(tuán)，這種過程稱假絕熱過程。當(dāng)氣塊中含有的水汽全部凝結(jié)降落時，所釋放的潛熱就使氣塊的位溫提高到了極值，這個位溫稱為假相當(dāng)位溫，用θse表示。

θse絕熱變化和非絕熱變化事實是，同一時間對同一團(tuán)空氣而言，溫度的變化常常是絕熱變化和非絕熱變化兩種原因共同引起的。當(dāng)空氣團(tuán)停留在某地或在地面附近作水平運動時，氣溫的非絕熱變化是主要的。空氣團(tuán)作升降運動時，氣溫的絕熱變化是主要的。三、空氣溫度的個別變化和局地變化單位時間內(nèi)個別空氣質(zhì)點溫度的變化稱作空氣溫度的個別變化。某一固定地點空氣溫度隨時間的變化稱作空氣溫度的局地變化?？諝鉁囟鹊木值刈兓梢韵氯矫嬉蜃記Q定：空氣平流運動傳熱過程空氣垂直運動傳熱過程與外界熱交換量：輻射、湍流、水汽相變等四、大氣靜力穩(wěn)定度（一）

大氣穩(wěn)定度的概念大氣穩(wěn)定度是指氣塊受任意方向擾動后，返回或遠(yuǎn)離平衡位置的趨勢和程度。它表示在大氣層中個別空氣塊是否安于原在的層次，是否易于發(fā)生垂直運動、發(fā)生對流的趨勢。??γdγmγ穩(wěn)定層結(jié)：氣塊受到垂直方向沖擊力離開原來的位置后大氣層結(jié)使它獲得的加速度方向與位移方向相反，加速度有使氣塊返回原來位置的趨勢不穩(wěn)定層結(jié)：氣塊受到垂直方向沖擊力離開原來的位置后大氣層結(jié)使它獲得的加速度方向與位移方向相同，加速度有使氣塊離開原來位置的趨勢中性層結(jié)：氣塊受到垂直方向沖擊力離開原來的位置后大氣層結(jié)使它獲得的加速度為0，則氣塊既不遠(yuǎn)離平衡位置也無返回原平衡位置的趨勢，而是保持慣性作用作等速運動（一）大氣靜力穩(wěn)定度的定義

下標(biāo)i表示氣團(tuán)下標(biāo)e表示周圍大氣氣團(tuán)i受到的外力（層結(jié)內(nèi)力）包括浮力和重力：浮力單位質(zhì)量的空氣塊所受的力就是加速度判定穩(wěn)定度的基本公式

大氣靜力穩(wěn)定度的公式分析狀態(tài)方程準(zhǔn)靜力條件浮力與重力之差（1）當(dāng)時，氣塊比周圍大氣暖和，

氣塊獲得向上的加速度，氣塊加速。

（2）當(dāng)時，氣塊比周圍大氣冷，

氣塊獲得向下的加速度，氣塊減速。

（3）當(dāng)時，氣塊和周圍大氣無溫度差，

氣塊和周圍大氣處于相對平衡狀態(tài)。

（二）大氣靜力穩(wěn)定度的判別方法（二）大氣靜力穩(wěn)定度的判別方法作垂直運動的氣塊達(dá)到新高度時所獲得的垂直加速度為：起始高度處由于氣塊的溫度和周圍空氣的溫度差異而引起的垂直加速度

（1）當(dāng)時，氣塊比周圍大氣暖和，

氣塊獲得向上的加速度，氣塊加速。

（2）當(dāng)時，氣塊比周圍大氣冷，

氣塊獲得向下的加速度，氣塊減速。

（3）當(dāng)時，氣塊和周圍大氣無溫度差，

氣塊和周圍大氣處于相對平衡狀態(tài)。

在原始高度時：氣塊垂直運動已產(chǎn)生時是否能夠繼續(xù)發(fā)展，將取決于氣塊在升降運動的過程中溫度直減率和周圍環(huán)境空氣溫度的直減率的對比。初始運動到新高度獲得的新的加速度：，當(dāng)時，，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相同，氣塊上升時，，氣塊將加速上升；若氣塊下沉?xí)r，，此時，氣塊將加速下沉。說明這種氣層是不穩(wěn)定的。當(dāng)時，，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相反，氣塊上升時，，氣塊有返回原來位置的趨勢；若氣塊下沉?xí)r，，此時，氣塊將減速下沉。說明這種氣層是穩(wěn)定的。判斷穩(wěn)定度當(dāng)時，，此時如果沒有摩擦力存在，氣塊將作勻速運動，大氣層結(jié)屬于中性的。未飽和濕空氣（相當(dāng)于干空氣）的穩(wěn)定度判據(jù)未飽和濕空氣的穩(wěn)定度判據(jù)比較飽和濕空氣的穩(wěn)定度判據(jù)比較飽和濕空氣穩(wěn)定度的判據(jù)當(dāng)時，，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相同，氣層對于飽和濕空氣是不穩(wěn)定的。當(dāng)時，，垂直加速度的方向與氣塊位移方向相反，氣層對于飽和濕空氣是穩(wěn)定的。當(dāng)時，，氣層對于飽和濕空氣是中性的。飽和濕空氣穩(wěn)定度的判據(jù)（1）當(dāng)時，對于未飽和濕空氣，還是飽和濕空氣，都是不穩(wěn)定的，因此稱為絕對不穩(wěn)定氣層。穩(wěn)定度判定總結(jié)（2）當(dāng)時，無論對于未飽和濕空氣，還是飽和濕空氣，都是穩(wěn)定的。這種氣層稱為絕對穩(wěn)定氣層。（3）當(dāng)時，對于未飽和濕空氣是中性層結(jié)，由于，所以對于飽和濕空氣是不穩(wěn)定的。（4）當(dāng)時，對于飽和濕空氣是中性層結(jié)。由于，所以對于未飽和濕空氣而言是穩(wěn)定氣層。穩(wěn)定度判定總結(jié)（5）當(dāng)時，對于未飽和濕空氣是穩(wěn)定的，而對于飽和濕空氣是不穩(wěn)定的。稱為條件性不穩(wěn)定氣層。?越大，層結(jié)越不穩(wěn)定（三）