大气物理学总结计划大气物理学第六章大气热力学根基一、热力学根本规律1、空气状态的变化和大气中所进行的各样热力过程都按照热力学的一般规律，所以热力学方法及结果被宽泛地用来研究大气，称为大气热力学。2、开放系和关闭系(1) 开放系：一个与外界互换质量的系统(2) 关闭系：和外界互不互换质量的系统(3) 独立系：与外界隔断的系统，即不互换质量也不互换能量的系统。3、准静态过程和准静力条件(1) 准静态过程 : 系统在变态过程中的每一步都处于均衡状态(2) 准静力条件： PPe 系统内部压强 p 全等于外界压强 Pe4、气块微团模型气块微团模型是指宏观上足够小而微观上含有大批分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。气块微团模型就是从大气中取一体细小的空气块，作为对实质空气块的近似。5、气象上常用的热力学第必定律形式Q=cdT -dp=cdT-pp【比定压热容 cp 和比定容热容cv 的关系 cp=cv+R ，R 比气体常数】6、热力学第二定律议论的是过程的自然方向和热力均衡的简洁判据，1/15它是经过态函数来达成的。7、理解熵、焓从均衡态x0 开始而停止于另一个均衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增添的方向进行；等焓过程:绝热和等压；物理意义：在等压过程中 , 系统焓的增添值等于它所汲取的热量8、大气能量的根本形式：1 内能；2势能；3 动能；4潜热能9、大气能量的组合形式1 显热能：单位质量空气的显热能就是比焓。2 温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。（ 3静力能 : 对单位质量的干湿空气，干湿静力能： 4全势能 : 势能和内能之和称全势能10 、大气总能量1干空气的总能量 : Ed=U+Ek=cpT+gz+V2212 湿空气的总能量 : Em=U+ +Ek+Lq=cpT+gz+V+Lq2二、大气中的干绝热过程1、系统如一气块与外界无热量互换Q=0) 的过程，称为绝热过程。 1dp Tpp()对未饱和湿空气= d=R/Cp=0.286 计算大气的干绝热过程 T0p0p0例：如干空气的初态为p=1000hpa,T0=300K，当它绝热膨胀，气压分别降到 900hpa和800hpa时温度分别为多少？2、干绝热减温率定义：未饱和湿空气块温度随高度的变化率的负值为干绝热减温率 v ，单位 /100m2/15gd1oC/100m cpd3、位温 定义 :把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压常取1000hpa 时应有的温度称位温。1000d1000Cpd10000.286)T()T()未饱和湿空气大小：T( ppp【位温在干绝热过程中保持不变， 称为在干绝热过程中拥有守旧性。 】4、抬升凝固高度 Zc(LCL):湿空气块因绝热抬升而水汽抵达饱和并开始凝固的高度。Rd(z)T010(zz0)123(T抬升凝固的估量公式 z cT 0d 0 )T0 和 Tdo 分别为地面的气平和露点2(z)Td010(zz0)三、可逆的饱和绝热过程和假绝热过程1、假定空气块在上涨过程中是绝热的，所有凝固水都保留在气块内，气块在下沉时凝固的水分又会蒸发，仍旧沿绝热过程回到本来状态，这个过程湿绝热过程。 又称可逆的饱和绝热过程、 可逆的湿绝热过程。2、空气块在上涨过程中是绝热的，当饱随和块在上涨过程中，水汽凝固开释潜热。凝固物一旦形成，随即所有离开原上涨气块，气块做湿绝热上涨；当气块转为下降运动时，因无水汽凝固物供蒸发，气块呈未饱和状态，做干绝热下降。这类过程假绝热过程。又称不行逆的湿绝热过程。自然界的焚风是最常有的假绝热过程例子。3、焚风：气流过山后在背风坡形成的干热风，称为焚风。试计算在山麓处温度为25oC 气流，翻越一座 4000 米的高峰，抵达山3/15脚时的温度变成多少？设凝固高度为1000 米，米有一气流，温度为 15 ，超出高度为 2000 米的山脉。设凝固高度为 800 米，凝固物所有下降，假定湿绝热减温率为 s=0.5 100 米，问气流翻越高峰后温度变成多少？4、湿绝热方程饱和湿空气的热力学第必定律cdTRTdlnpLdr0pdddvs5、湿绝热减温率 s 为饱和湿空气随高度的变化率的负值：rs湿绝热减温率与干绝热减温率及饱和比湿垂直散布的关系：dT dzrsdrLdrdTrdVs 因饱和比湿往常随高度减少， s0 所以可知 rsrd dzdzcpddz6、假相当位温 se ：se 就是湿空气经过假绝热过程把它包含的水汽所有凝结下降完后，下降到 1000hpa的温度称为假相当位温。假湿球位温 sw ：sw 就是湿空气经过可逆的饱和绝热过程下降到1000hpa的温度，称为假湿球位温。相同能够证明，se和 sw 不论是干绝热过程仍是湿绝热过程，其值保持不变，拥有守旧性。Hm1 h1m2h2 0h1cp1(TT1)cpd1(10.86q1)(TT1)hwcp T2T)ecpdT(1和)(T T各温湿参量关系： Tsw2T2(T2sesw2m1T1m2T2 四、大气热力学图解见附4/15加资料由 上 两 式 可 得 ： m 五 、 绝 热 混 合 过 程m1T1 m2T20.86(mT1q2T2)meme22m11qT1mm12T1122T) ：两个温度和湿度各不相同的空气块绝热等压混淆的状况。1、绝热等压混淆 ( 水平混淆 Te m(10.86q)m 混淆结果 : 混淆后的 T、q 、e 、 都可由初值的质量加权均匀获取。mmqmqm1e1m2e2m1 1m2 2m1T1 m2T2eqTmmmm实例：湿度较大的未饱和空气块混淆后，有可能发生凝固。见p145 图 6.9 mmeme11221122 【冬天水面上的蒸汽雾；飞机云迹； 开水壶口喷出的雾】emm六、大气的静力稳固度1 、鉴别大气稳固度的根本方法一气块法m11m22在气层中随意选用一空气块， 使其上下挪动。 依据该气层对空气块的垂直运动的影响状况mTT2)se来判气绝层的稳固度。 这类方法称为气块法。大气层结稳固度判据：1当 时，为不稳固大气层结2当 = 时，为中性大气层结 3当 d 时，绝对不稳固当 d s 时，条件性不稳固当 s 时，绝对稳固如大气层结散布与烟云扩散形态的关系：扇型；熏烟型；环链型 ；5/15锥型 ； 屋脊型2、鉴别条件性不稳固大气稳固度的根本方法二不稳固能量法净浮力将单位质量气块从z0 移到 z 所作的功：z 12TTve12ww0Ekgvdzz 202Tve利用静力学方程可得：ppp00ER(TT)d(lnp)R(TT)d(ln)kdvvedvvep0p0p可见，大气层结的能量由状态曲线、层结曲线、等压线p0 和 p 所包围的面积确立：当 Tv Tve ，即状态曲线在层结曲线的右侧面积A为正；图见 p156 当 Tv Tve，即状态曲线在层结曲线的左侧面积 A 为负。3、条件性不稳固的种类图见 P157 层结曲线和状态曲线的第一个交点F 为自由对流高度 LFC)第二个交点 D 为均衡高度此处速度最大，加快度为零对流有效势能 CAPE为 F 和 D 之间的正面积区对流克制能量 CIN 为 LFC 以下的负面积区 大气底部的气块要达到 LFC 起码需从其余门路获取的能量下限温度层结曲线与低层等饱和比湿线的交点为对流凝固高度CCL)状态曲线的第一个折点为抬升凝固高度LCL)4、大气三种根本种类：1潜伏不稳固型；2绝对稳固型；3 绝对不稳固型。此中 1真潜伏不稳固型：正面积大于负面积；2 假潜伏不稳固6/15型：正面积小于负面积所以，在相同的温度层结下，湿度愈大，愈有益于垂直运动的展开。5、热雷雨是指气团内因下垫面( 丛林、沙地、湖泊受热不均，由热力抬升作用形成的雷雨。CCL 即为温度层结曲线和低层等饱和比湿 q0 线的交点。要展望当日可能发生热雷雨的可能性，需从对流凝固高度沿干绝热线下延至地面， 以确立当日可能发生热对流的下限温度 Tt ，一般以为，假如几日来天气条件没有太大变化，且头几日地面最高气温靠近或靠近 Tt ，那么当日气温便可能抵达或超出 Tt ，产生热雷雨的可能性就比较大。七、整层气层起落时稳固度的变化1、整层气层起落会致使大气温度递减率和湿度垂直散布的变化，从而负气层的稳固度发生变化，致使激烈对流或许负气层更稳固。稳固度议论【 v2 将怎样变化，取决于 (1-p2A2/P1A1)】1 当 v1P1A1 那么 v2 v1 ，气层稳固度将趋势更稳固，甚至出现逆温。假如 气 层 被抬 升且 伴 随有 水 平辐 合时 ， 有 p2A2v1 ，致负气层的稳固性减少。假如 P2/P1 和 A2/A1 二者的变化趋势相反 ( 即上涨辐散，下降辐合 ，2当 v