《大氣物理學(xué)》學(xué)習(xí)資料：大氣熱力學(xué)基礎(chǔ)

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1、12一、預(yù)備知識(shí)1、開(kāi)放系和封閉系系統(tǒng)與外界間互相影響方式：作功、熱傳遞、交換質(zhì)量三種方式。1）系統(tǒng)與外界：系統(tǒng)即指所研究的給定質(zhì)量和成分的任何物質(zhì)，而其余與這個(gè)系統(tǒng)可能發(fā)生相互作用的物質(zhì)環(huán)境稱(chēng)之為外界或環(huán)境。32）大氣熱力學(xué)中所討論的系統(tǒng)主要有兩類(lèi)：a)未飽和濕空氣系統(tǒng)。可當(dāng)作由干空氣和水汽組成的二元單相系。b)含液態(tài)水（或固態(tài)水）的飽和濕空氣系統(tǒng)。是指由水滴或（和）固態(tài)水質(zhì)粒組成的云霧系統(tǒng)，是含有干空氣和水物質(zhì)的二元多相系。3）開(kāi)放系與封閉系依據(jù)系統(tǒng)與外界是否交換物質(zhì)分為開(kāi)放系和封閉系42、準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程和準(zhǔn)靜力條件1）準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程一個(gè)封閉系統(tǒng)若其經(jīng)歷的某過(guò)程進(jìn)行得無(wú)限緩慢，以至于系統(tǒng)在此過(guò)程中

2、的每一步都處于平衡態(tài)，則稱(chēng)此過(guò)程為準(zhǔn)靜態(tài)過(guò)程。2）準(zhǔn)靜力條件：eppp 代表系統(tǒng)內(nèi)部壓強(qiáng)，pe 代表外界壓強(qiáng)。5、氣塊（微團(tuán)）模型）定義：是指宏觀上足夠小而微觀上又大到含有大量分子的封閉空氣團(tuán)，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)水。）規(guī)定（使用氣模型時(shí)的約定）a)此氣塊內(nèi)、濕度等都呈均勻分布，各物理量服從熱力學(xué)定律和狀態(tài)方程。b)氣塊運(yùn)動(dòng)時(shí)是絕熱的，遵從準(zhǔn)靜力條件，環(huán)境大氣處于靜力平衡狀態(tài)。eppeedpgdz 6）缺陷a)氣塊是封閉系統(tǒng)的假定不合實(shí)際情況。b)環(huán)境大氣靜力平衡的假定實(shí)際上未考慮氣塊移動(dòng)造成的環(huán)境大氣的運(yùn)動(dòng)，與實(shí)際不符。7二、熱力學(xué)第一定律、無(wú)限小過(guò)程中熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式設(shè)某系

3、統(tǒng)（質(zhì)量為）經(jīng)歷一個(gè)無(wú)限小過(guò)程，內(nèi)能改變量+dU：正號(hào)表示系統(tǒng)內(nèi)能增加；從外界吸熱+Q:正號(hào)表示系統(tǒng)從外界吸熱;外界作功 +A:正號(hào)表示外界對(duì)系統(tǒng)作功。8焓焓1 1）定義）定義H U PV2 2）物理意義：在等壓過(guò)程中，系統(tǒng)焓的增量）物理意義：在等壓過(guò)程中，系統(tǒng)焓的增量值等于它所吸收的熱量。值等于它所吸收的熱量。3 3）定壓比熱）定壓比熱c cp p()pppQHCdTT900limlimVTTVVVQUUCTTT 00limlimpTTVpppQUp VUVCpTTTT 10HUp V 在等壓過(guò)程中系統(tǒng)從外界吸收的熱量等于態(tài)函數(shù)焓的增加量。這是焓的重要特性。對(duì)于理想氣體，有，VdUCdTpp

4、HCTpdHCdT 根據(jù)焓的定義和理想氣體狀態(tài)方程，有，HUpVUnRTpVCCnRT 結(jié)合以上三式可得，11二、熱力學(xué)第一定律、無(wú)限小過(guò)程中熱力學(xué)第一定律的表達(dá)式設(shè)某系統(tǒng)（質(zhì)量為）經(jīng)歷一個(gè)無(wú)限小過(guò)程，內(nèi)能改變量+dU：正號(hào)表示系統(tǒng)內(nèi)能增加；從外界吸熱+Q:正號(hào)表示系統(tǒng)從外界吸熱;外界作功 +A:正號(hào)表示外界對(duì)系統(tǒng)作功。12假設(shè)僅考慮體脹功，又氣塊滿(mǎn)足準(zhǔn)靜力條件，即epp負(fù)號(hào)表示 V 與A符號(hào)相反，系統(tǒng)膨脹時(shí)，dV 0，外界作負(fù)功。熱力學(xué)第一定律的表示式:常溫常壓下的大氣可以看成是理想氣體,內(nèi)能僅是溫度T的函數(shù)。對(duì)于單位質(zhì)量的濕空氣系統(tǒng)，第一定律就成為cV 是濕空氣的比定容熱容，為比體積，Q為

5、單位質(zhì)量空氣的熱量。ApdV 6.1.2dUQpdV6.1.3vdQc dTpd13由于空氣體積不是直接測(cè)量的氣象要素，上式不便應(yīng)用。根據(jù)濕空氣狀態(tài)方程，以及比定壓熱容cp和比定容熱容cV的關(guān)系 利用關(guān)系式pvpRTandccR可得到ddppcTRTp()vQcR dTdp1ppQc dTdpc dTd14一.熱力學(xué)第二定律的表述 二.熱力學(xué)第二定律的實(shí)質(zhì) 指出了自然界中一切與熱現(xiàn)象有關(guān)的實(shí)際過(guò)程都是不可逆過(guò)程，它們有一定的自發(fā)進(jìn)行的方向。不可能把熱量從低溫物體傳到高溫物體而不引起其它變化。不可能從單一熱源吸熱使之完全變成有用的功而不引起其它變化。（或：第二類(lèi)永動(dòng)機(jī)是不可能造成的。）克勞修斯(

6、Clausius)說(shuō)法：開(kāi)爾文(Kelvin)說(shuō)法：熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律151、熱力學(xué)第二定律的兩種表述熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述（1850）：不可能把熱量從低溫物體自動(dòng)地傳到高溫物體而不引起其他變化?？藙谛匏贡硎鲋该鳠醾鲗?dǎo)過(guò)程是不可逆的。克勞修斯（Rudolf Clausius，1822-1888），德國(guó)物理學(xué)家，對(duì)熱力學(xué)理論有杰出的貢獻(xiàn)，曾提出熱力學(xué)第二定律的克勞修斯表述和 熵的概念，并得出孤立系統(tǒng)的熵增加原理。他還是氣體動(dòng)理論創(chuàng)始人之一，提出統(tǒng)計(jì)概念和自由程概念，導(dǎo)出平均自由程公式和氣體壓強(qiáng)公式，提出比范德瓦耳斯更普遍的氣體物態(tài)方程。161718開(kāi)爾文（W.Thomson.Lo

7、rd.Kelvin，1824-1907），原名湯姆孫，英國(guó)物理學(xué)家，熱力學(xué)的奠基人之一。1851年表述了熱力學(xué)第二定律。他在熱力學(xué)、電磁學(xué)、波動(dòng)和渦流等方面卓有貢獻(xiàn)，1892年被授予開(kāi)爾文爵士稱(chēng)號(hào)。他在1848年引入并在1854年修改的溫標(biāo)稱(chēng)為開(kāi)爾文溫標(biāo)。為了紀(jì)念他，國(guó)際單位制中的溫度的單位用“開(kāi)爾文”命名。熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述（熱力學(xué)第二定律的開(kāi)爾文表述（1851）：）：不可能制造出這樣一種循環(huán)工作的熱機(jī)，它只使單一熱源冷卻來(lái)作功，而不放出熱量給其它物體，或者說(shuō)不使外界產(chǎn)生任何變化。開(kāi)氏表述指明功變熱的過(guò)程是不可逆的。19一、態(tài)函數(shù)對(duì)于系統(tǒng)態(tài)函數(shù)包括溫度、內(nèi)能、熵、焓、吉布斯函數(shù)、自由

8、能等20212223 熵(Entropy)的態(tài)函數(shù)態(tài)函數(shù)熵的定義為其中，(dQ)表示無(wú)窮小可逆過(guò)程中，系統(tǒng)所吸收的熱量(x0)和(x)是系統(tǒng)給定的兩個(gè)平衡態(tài)，積分路線(xiàn)沿(x0)到(x)的任意可逆過(guò)程進(jìn)行，S0是初態(tài)時(shí)的熵，S是終態(tài)時(shí)的熵。上式表示兩平衡態(tài)的熵之差與積分路徑無(wú)關(guān)，只由初、終兩個(gè)平衡態(tài)確定。無(wú)窮小可逆過(guò)程中，()RdQdST00()xRxdQSST240 ABSS1.熱力學(xué)第二定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式 TQSdd BAABTQSSd或2.熵增加原理如果是絕熱過(guò)程，則有：經(jīng)絕熱過(guò)程后，系統(tǒng)的熵永不減少，經(jīng)可逆絕熱過(guò)程后熵不變，經(jīng)不可逆絕熱過(guò)程后熵增加。熵增加原理 25熵和焓都是廣延量，總熵和

9、總焓與系統(tǒng)的質(zhì)量或摩爾數(shù)成正比。對(duì)于某種物質(zhì)質(zhì)量為m的單相系，有總熵S=ms及總焓 H=m h，其中s和h是單位質(zhì)量的焓和熵，分別稱(chēng)為比熵和比焓。比熵和比焓的計(jì)算通常以p、T為自變量，因此將它們寫(xiě)成以下的全微分形式，6.1.226.1.23pTpTssdsdTdpTThhdhdTdpTp263、吉布斯函數(shù)1）定義G U PV TS2）吉布斯函數(shù)判據(jù)：把熱力學(xué)第一、二定律一并考慮，可得判據(jù)dGSdTVdp 若過(guò)程是等溫、等壓的，則有0dG 可用來(lái)判定自發(fā)化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向27態(tài)函數(shù)的全微分形式dUTdSpdVdFSdTpdV dHTdSVdpdGSdTVdp 2829克拉柏龍克勞修斯方程12dd

10、1212126.1.37(,)(,)TTTpppT pT p26.1.42sv svdeLedTRT111222psTps T二、相變潛熱與比焓有一系統(tǒng)質(zhì)量為1，假設(shè)相變過(guò)程中由1相變化到同溫同壓的2相，根據(jù)熱力學(xué)第一定律，所吸收的熱量，即相變潛熱L應(yīng)等于比內(nèi)能的增量加上系統(tǒng)對(duì)外所做的功，即212121()Luuphh所以在定溫定壓的封閉系中，相變潛熱可由比焓的變化來(lái)度量。30三、克拉柏龍克勞修斯方程1mol（或1g）物質(zhì)的吉布斯函數(shù)通常稱(chēng)為化學(xué)勢(shì)，用來(lái)表示：根據(jù)熱力學(xué)理論，當(dāng)水和水汽兩相平衡時(shí)，必須滿(mǎn)足熱平衡條件、力學(xué)平衡條件和相變平衡條件：6.1.356.1.36upTsdsdTdp 12

11、12126.1.37(,)(,)TTTpppT pT p31下面將利用相平衡曲線(xiàn)上兩相化學(xué)勢(shì)相等的性質(zhì)來(lái)推導(dǎo)克拉柏龍克勞修斯方程，當(dāng)沿著相平衡曲線(xiàn)由（T,p)變到（T+dT,p+dp)時(shí)，兩相的化學(xué)勢(shì)變化應(yīng)相等，即12dd1122sdTdps dTdp即2121(6.1.38)ssdpdT3233即即2121(6.1.38)ssdpdT應(yīng)用化學(xué)勢(shì)的定義式（應(yīng)用化學(xué)勢(shì)的定義式（6.1.35），由相變平），由相變平衡條件，可得衡條件，可得111222psTpsT于是有22112121()()6.1.39pphhLssTTT代入（6.1.38）中，有216.1.40()dpLadTT上式給出了相平衡

12、曲線(xiàn)的斜率，下標(biāo)1和2分別代表水和水汽。因?yàn)橛懻摰氖撬南嘧儯簯B(tài)水的比容和水汽的比容相比較可以忽略，有12，所以上式可簡(jiǎn)化成 把壓強(qiáng)p換成習(xí)慣上使用的飽和水汽壓符號(hào)es，利用水汽狀態(tài)方程，則得 26.1.41vLdpdTT26.1.42sv svdeLedTRT3435TcuVgz2222k21)(21VwuEvLqEL3637干絕熱過(guò)程：絕熱過(guò)程：系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換的過(guò)程叫絕熱過(guò)程。是指沒(méi)有相變發(fā)生的絕熱過(guò)程。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過(guò)程38干絕熱過(guò)程：絕熱過(guò)程：系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換的過(guò)程叫絕熱過(guò)程。是指沒(méi)有相變發(fā)生的絕熱過(guò)程。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過(guò)程

13、39一、干絕熱方程在熱流量方程中令dQ=0,然后兩邊積分后整理，得000(6.2.2)mpRcTppTppmpRTdQ c dTdpp40公式（6.2.2）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(chēng)為泊松方程。有時(shí)也使用泊松方程的近似式：(6.2.2)(1 0.608)1 0.608(1 0.86)1 0.86mddppdRRqqccqq中，41考慮到實(shí)際大氣中的比濕q0.04kg/kg,10.608110.86qq2870.2861004ddpdRc 42（6.2.2）式可近似表示為0.28600(6.2.4)TpTp43二、干絕熱遞減率1、定義：作干絕熱升降運(yùn)動(dòng)的氣塊溫度隨高度

14、的變化率，稱(chēng)為干絕熱遞減率。ddTdz 442、d的數(shù)值在熱流量方程中令dQ=0,并整理得mpR TdpdTcp把準(zhǔn)靜力條件、大氣靜力方程、環(huán)境空氣的狀態(tài)方程代入，有mepeeeR TgdzdTcR T45由于,emeppdTT RR CC近似為pdgdTdzc 9.8/10040.98/100dpddTgKmdzc 46三、位溫1、定義氣塊經(jīng)過(guò)干絕熱過(guò)程氣壓變?yōu)?000hPa時(shí)，氣塊所具有的溫度。用表示，其定義式為1000Tp在精度要求不高的計(jì)算中常用kd代k計(jì)算。472、的守恒性(6.2.8)兩邊取對(duì)數(shù)然后微分，可得(6.2.12)ddTdpTp對(duì)熱流量方程 兩邊同除以cpT,則有mpR

15、TdQc dTdppmppRdQdTdpc TTcp比較上兩式，可得(6.2.14)pddQc T因?yàn)樵诟山^熱過(guò)程中，dQ=0,所以d=0，即干絕熱過(guò)程中位溫是守恒量。483、應(yīng)用1）可用于追溯氣塊或氣流的源地以及研究它們以后的演變2）用于判斷氣層靜力穩(wěn)定度49（6.2.8）式兩邊取對(duì)數(shù)再對(duì)z求導(dǎo)，得111TpzTzpz 利用準(zhǔn)靜力條件，周?chē)髿忪o力平衡，周?chē)髿鉅顟B(tài)方程，上式化為11eee egTzTzRT 四、位溫垂直梯度50由于 ，所以上式可化為,emeTT RR()(6.2.15)dpTgazTzcT 其中 稱(chēng)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。如果某一層大氣的

16、減溫率=d，則整層大氣位溫必然相等。在對(duì)流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率 122(6.2.18)vvvvdddvddLLeLdeRTdTTRTTe53又由 可得，vep11(6.2.19)dedpe dzp dz 22ddvdvveev de dpdTdTRTdegp dzeLdzdedzLRTRT266.3 10deTT 543、抬升凝結(jié)高度的估算公式若取Te=288K,Td=280K,則0.0017/ddTK mdz推出抬升凝結(jié)高度的估算公式為002123()()(0.980.17)10ddddTThTTm注意：有時(shí)誤差很大。5556熱力學(xué)第一定律熱流量方程pTcpTcQppd1ddd(6

17、.2.14)pddQc T57熱力學(xué)第二定律熱力學(xué)第二定律dUTdSpdVdFSdTpdV dHTdSVdpdGSdTVdp 58克拉柏龍克勞修斯方程26.1.42sv svdeL edTRT212121()Luuphh定溫定壓的封閉系中，相變潛熱可由比焓的變化來(lái)度量。59大氣熱力學(xué)中所討論的系統(tǒng)主要有兩類(lèi)：a)未飽和濕空氣系統(tǒng)?？僧?dāng)作由干空氣和水汽組成的二元單相系。b)含液態(tài)水（或固態(tài)水）的飽和濕空氣系統(tǒng)。是指由水滴或（和）固態(tài)水質(zhì)粒組成的云霧系統(tǒng)，是含有干空氣和水物質(zhì)的二元多相系。氣塊（微團(tuán)）模型）定義：是指宏觀上足夠小而微觀上又大到含有大量分子的封閉空氣團(tuán)，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)

18、水。）規(guī)定（使用氣模型時(shí)的約定）a)此氣塊內(nèi)、濕度等都呈均勻分布，各物理量服從熱力學(xué)定律和狀態(tài)方程。b)氣塊運(yùn)動(dòng)時(shí)是絕熱的，遵從準(zhǔn)靜力條件，環(huán)境大氣處于靜力平衡狀態(tài)。eppeedpgdz 6061絕熱過(guò)程：系統(tǒng)與外界無(wú)熱量交換的過(guò)程叫絕熱過(guò)程。干絕熱過(guò)程：是指沒(méi)有相變發(fā)生的絕熱過(guò)程。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過(guò)程62一、干絕熱方程在熱流量方程mpRTdQ c dTdpp000(6.2.2)mpRcTppTpp0.28600(6.2.4)TpTp泊松方程63二、干絕熱遞減率ddTdz mepeeeR TgdzdTcR T9.8/10040.98/100dpddTgKmdzc 64三

19、、位溫氣塊經(jīng)過(guò)干絕熱過(guò)程氣壓變?yōu)?000hPa時(shí)，氣塊所具有的溫度。用表示，其定義式為1000Tp干絕熱過(guò)程中位溫是守恒量。65位溫垂直梯度()(6.2.15)dpTgazTzcT 其中 稱(chēng)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。如果某一層大氣的減溫率=d，則整層大氣位溫必然相等。在對(duì)流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率 d，所以有 。Tz 0z66五、抬升凝結(jié)高度1、定義：未飽和濕空氣塊因絕熱抬升而達(dá)到飽和的高度稱(chēng)為抬升凝結(jié)高度2、求露點(diǎn)隨高度變化0.0017/ddTK mdz推出抬升凝結(jié)高度的估算公式為002123()()(0.980.17)10ddddTThTTm定義：大

20、氣中有相變發(fā)生的絕熱過(guò)程一、兩種極端情況1、可逆濕絕熱過(guò)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留在氣塊內(nèi)部。2、假絕熱過(guò)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(guò)程往往處于以上兩者之間。67二、濕絕熱溫度遞減率s濕絕熱過(guò)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(guò)程的溫度遞減率來(lái)近似所有濕絕熱情形下的溫度遞減率。(6.3.6)vssdpdLdrrrcdzsdrr68三、假相當(dāng)位溫se1、公式vsdQL dr pddQc T在上升過(guò)程中，由于drs0.當(dāng)drs=0時(shí)，達(dá)最大，現(xiàn)在求這個(gè)最大的。svpd

21、drdLc T69考慮到濕絕熱上升過(guò)程中，T的變化不大，故設(shè)ssdrrdTT所以上式化為lnvspdLrddcT70兩邊積分，rs:rsc0；:cse（從凝結(jié)高度開(kāi)始積分）或者 rs:rs0；:se（從高于凝結(jié)高度的任意高度開(kāi)始積分）exp(6.3.8)vssepdLrcT712、定義：se就是濕空氣絕熱上升至所含水汽全部凝結(jié)脫落，所含潛熱全部釋放后，再按干絕熱過(guò)程下降到1000hPa時(shí)氣塊所具有的溫度3、性質(zhì)se在氣塊升降過(guò)程中是個(gè)保守量四、假相當(dāng)溫度72焚風(fēng)（Foehn wind）是指氣流過(guò)山以后形成的干而暖的地方性風(fēng)，最初是指阿爾卑斯山區(qū)的焚風(fēng)。7374五、焚風(fēng)效應(yīng)五、焚風(fēng)效應(yīng)1、定義：

22、氣流過(guò)山后在背風(fēng)坡所形、定義：氣流過(guò)山后在背風(fēng)坡所形成的干熱風(fēng)成的干熱風(fēng)2、成因：、成因：139頁(yè)頁(yè)75優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)單、直觀缺點(diǎn)：誤差比公式計(jì)算的大熱力學(xué)圖解法適用于：1）精度要求不高的業(yè)務(wù)工作；2）需要獲得直觀認(rèn)識(shí)的場(chǎng)合公式法適用于理論研究，精度要求高的業(yè)務(wù)工作。常用的熱力學(xué)圖解有T-lnp圖、溫熵圖等76一、T-lnp圖的結(jié)構(gòu)T-lnp圖又稱(chēng)?，攬D（Emagram)Energy per unit mass diagram1、坐標(biāo)系,lnx T yp2、基本線(xiàn)條等溫線(xiàn)、等壓線(xiàn)、等線(xiàn)（干絕熱線(xiàn)）、等qs線(xiàn)（等飽和比濕線(xiàn)）、等se線(xiàn)（假絕熱線(xiàn)）。77 對(duì)泊松方程求對(duì)數(shù)，1000lnlnlnTkp 將

23、x=T,y=-lnp 代入上式得，1lnlnln1000yxk 在干絕熱過(guò)程中，為保守量。取一組不同的值就能得到一組等溫線(xiàn)，顯然是一組對(duì)數(shù)曲線(xiàn)，斜率為，*當(dāng)T變化不大時(shí)，k變化也不大，故干絕熱線(xiàn)近似為直線(xiàn)。11dydxkxkT 78 等飽和比濕線(xiàn)：一組近似為直線(xiàn)的（綠色）雙曲線(xiàn)。假絕熱線(xiàn)：（綠色）虛曲線(xiàn)79二、T-lnp圖的應(yīng)用1、點(diǎn)繪層結(jié)曲線(xiàn)2、作氣塊絕熱變化過(guò)程的狀態(tài)變化曲線(xiàn)803、求各溫濕特征量1）位溫2）飽和比濕qs,實(shí)際比濕q3)相對(duì)比濕 f4)抬升凝結(jié)高度LCL5)假相當(dāng)位溫se816）假濕球位溫sw和假濕球溫度Tsw（150頁(yè))a)sw：空氣由狀態(tài)（p,t,td)按干絕熱上升到凝

24、結(jié)高度后，再沿濕絕熱線(xiàn)下降到1000hpa時(shí)所具有的溫度。b)Tsw:空氣由狀態(tài)（p,t,td)按干絕熱上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線(xiàn)下降到氣壓p時(shí)所具有的溫度。824、求等壓面間的厚度和高度1）先用等面積法求出p1,p2間的平均溫度vT2112lnlnlnpvpvT dpTpp2）再用公式12102ln1.6.8d vRTpHHgp（）求等壓面間的位勢(shì)厚度3）用疊加法求各規(guī)定等壓面的位勢(shì)高度83二、T-lnp圖的應(yīng)用1、點(diǎn)繪層結(jié)曲線(xiàn)2、作氣塊絕熱變化過(guò)程的狀態(tài)變化曲線(xiàn)將高空觀察所得的氣壓、溫度繪在T-lnp連接各點(diǎn)即得溫度層結(jié)曲線(xiàn)。若把高空觀測(cè)的露點(diǎn)或相對(duì)濕度值點(diǎn)繪在T-lnp圖上，連接成曲

25、線(xiàn)就得到表示濕度分布的層結(jié)曲線(xiàn)。狀態(tài)曲線(xiàn)表示空氣上升下降過(guò)程中狀態(tài)（溫度）的變化，它是未飽和濕空氣先沿干絕熱線(xiàn)上升至凝結(jié)高度，然后沿濕絕熱線(xiàn)上升所構(gòu)成的曲線(xiàn)843、求各溫濕特征量1）位溫2）飽和比濕qs,實(shí)際比濕q3)相對(duì)比濕 f4)抬升凝結(jié)高度LCL5)假相當(dāng)位溫se過(guò)抬升凝結(jié)高度的等se線(xiàn)的數(shù)值853、求各溫濕特征量1）位溫 通過(guò)A點(diǎn)的干絕熱線(xiàn)與1000hPa等 壓線(xiàn)相交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的溫度 位溫為守恒量，直接讀取通過(guò)A點(diǎn)的干絕熱線(xiàn)上的位溫?cái)?shù)值即可例：A點(diǎn)p=1010hPa,t=220C863、求各溫濕特征量2）飽和比濕qs,實(shí)際比濕q飽和比濕(qs),直接讀取沒(méi)有等飽和比濕線(xiàn)可通過(guò)內(nèi)插法求得通

26、過(guò)（p，td）點(diǎn)的飽和比濕即為實(shí)際比濕q例：A點(diǎn)p=1010hPa,t=220C，td=140C873、求各溫濕特征量3)相對(duì)比濕 f用圖解法和公式相結(jié)合的方式求出。先用圖解法求出實(shí)際比濕和飽和比濕，在利用公式q/qs100%計(jì)算例：A點(diǎn)p=1010hPa,t=220C，td=140C883、求各溫濕特征量4)抬升凝結(jié)高度LCL通過(guò)（p，td）的飽和比濕就是狀態(tài)A（p，t，td）的實(shí)際比濕，因此由A點(diǎn)的干絕熱線(xiàn)上升，直到與通過(guò)（p，td）點(diǎn)的等飽和比濕線(xiàn)相交點(diǎn)即為凝結(jié)高度例：A點(diǎn)p=1010hPa,t=220C，td=140C893、求各溫濕特征量5)假相當(dāng)位溫se氣塊沿干絕熱線(xiàn)上升到凝結(jié)高度

27、后，在沿視覺(jué)熱線(xiàn)上升，直至水氣全部凝結(jié)（濕絕熱線(xiàn)和感覺(jué)熱線(xiàn)平行），在沿感覺(jué)熱線(xiàn)下降到1000hPa時(shí)的溫度。凝結(jié)高度的假相當(dāng)位溫906）假濕球位溫sw和假濕球溫度Tsw（150頁(yè))a)sw：空氣由狀態(tài)（p,t,td)按干絕熱上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線(xiàn)下降到1000hpa時(shí)所具有的溫度。b)Tsw:空氣由狀態(tài)（p,t,td)按干絕熱上升到凝結(jié)高度后，再沿濕絕熱線(xiàn)下降到氣壓p時(shí)所具有的溫度。914、求等壓面間的厚度和高度1）先用等面積法求出p1,p2間的平均溫度vT2112lnlnlnpvpvT dpTpp2）再用公式12102ln1.6.8d vRTpHHgp（）求等壓面間的位勢(shì)厚度3）用疊

28、加法求各規(guī)定等壓面的位勢(shì)高度925、判斷氣層靜力穩(wěn)定度（見(jiàn)下節(jié)）本節(jié)小結(jié):1、T-lnp圖的結(jié)構(gòu)2、T-lnp圖的應(yīng)用：點(diǎn)繪層結(jié)、狀態(tài)變化曲線(xiàn)，求溫濕特征量（1）-（5），判斷氣層靜力穩(wěn)定度（詳見(jiàn)后面章節(jié)）。93一、大氣（層結(jié)）靜力穩(wěn)定度的概念在天氣學(xué)中用來(lái)判斷對(duì)流運(yùn)動(dòng)發(fā)展與否在污染氣象學(xué)中，有助于判斷湍流發(fā)展與否941、大氣層結(jié)是指大氣中溫度和濕度的垂直分布2、大氣層結(jié)穩(wěn)定度簡(jiǎn)稱(chēng)大氣穩(wěn)定度，是指大氣層結(jié)是否有利于對(duì)流，湍流運(yùn)動(dòng)發(fā)展的度量。分為靜力穩(wěn)定度和動(dòng)力穩(wěn)定度。3、大氣（層結(jié)）靜力穩(wěn)定度在處于靜力平衡的氣層中，假設(shè)一些空氣團(tuán)塊產(chǎn)生了垂直運(yùn)動(dòng)，如果大氣層結(jié)促進(jìn)這種偏離其平衡位置的垂直運(yùn)動(dòng)的

29、發(fā)展，則稱(chēng)該氣層的大氣層結(jié)是靜力不穩(wěn)定的；相反，如果抑制這種垂直運(yùn)動(dòng)的發(fā)展，則稱(chēng)該氣層的大氣層結(jié)是靜力穩(wěn)定的；如果既不促進(jìn)也不抑制，則稱(chēng)該氣層的大氣層結(jié)是中性的（152頁(yè)第一自然段）。95二、判斷氣層靜力穩(wěn)定度的基本方法 在處于靜力平衡的氣層中，任取一氣塊，若此氣塊處于不穩(wěn)定平衡，則該氣層靜力不穩(wěn)定；若此氣塊處于中性或穩(wěn)定平衡，則該氣層為中性或靜力穩(wěn)定。氣塊法如何判定？96假定：1）氣層始終靜止；2）氣塊是個(gè)封閉絕熱系統(tǒng)；3）滿(mǎn)足準(zhǔn)靜力條件，即epp缺陷：1）當(dāng)大氣中有氣流運(yùn)動(dòng)時(shí)，環(huán)境空氣不可能保持靜止。薄層法對(duì)此進(jìn)行了修正。2）氣塊與環(huán)境的物質(zhì)交換有時(shí)很強(qiáng)烈，需要考慮夾卷作用。97任取單位體

30、積氣塊，取鉛直向上方向?yàn)檎U直方向上的運(yùn)動(dòng)方程為edwggdt(6.8.2)edwgdt1、氣塊運(yùn)動(dòng)方程98根據(jù)狀態(tài)方程，eee emppRTR T以及eemp pRR有(6.8.4)eeT TdwgdtT可以由此式判斷氣層靜力穩(wěn)定度這是最基本的判定方程。992、直減率法判斷薄氣層靜力穩(wěn)定度的方法1）薄氣層定義：氣層的厚度足夠薄，以至于氣層的 為常數(shù)，則稱(chēng)該氣層為薄氣層。eTz 1002）基本判別式設(shè)氣塊從溫度為T(mén)0的平衡位置處作一虛擬的微小位移dz后，其溫度就變成0dTTTdzdz環(huán)境大氣溫度為0eTTdz 101把上兩式代入（6.8.4）中，有1()(6.8.6)edwdTgdz dtd

31、zT（6.8.6）式為適用于薄氣層靜力穩(wěn)定度的基本判別式102由于干濕絕熱減溫率不同，故需分別討論：氣塊垂直位移時(shí)按干絕熱變化，垂直減溫率ddTdz 3）薄氣層靜力穩(wěn)定度的基本判據(jù)dTdz 穩(wěn)定中性不穩(wěn)定103氣塊垂直位移時(shí)按濕絕熱變化，垂直減溫率sdTdz 4）利用埃瑪圖判斷6.8.1012ddss ，絕對(duì)不穩(wěn)定，條件性不穩(wěn)定（），絕對(duì)穩(wěn)定104105()dpTgzTzcT ()seseszT 利用下列兩個(gè)關(guān)系由判據(jù)（6.8.10-12）可以得到如下判據(jù)：0,00,6.8.13150,sesezzzz 絕 對(duì) 不 穩(wěn) 定且條 件 性 不 穩(wěn) 定（）絕 對(duì) 穩(wěn) 定1063、不穩(wěn)定能量法1）不穩(wěn)

32、定能量定義：如果氣塊在不穩(wěn)定氣層里做垂直運(yùn)動(dòng)，那么其垂直速度會(huì)不斷增大，也就是氣塊的垂直運(yùn)動(dòng)動(dòng)能會(huì)不斷增加，氣塊所增加的這部分動(dòng)能可看作由不穩(wěn)定大氣對(duì)氣塊作功而來(lái)。轉(zhuǎn)化為氣塊運(yùn)動(dòng)動(dòng)能的那部分能量稱(chēng)為大氣的不穩(wěn)定能量。1072）利用T-lnp圖估計(jì)不穩(wěn)定能量由氣塊運(yùn)動(dòng)方程eeT TdwgdtT推導(dǎo)出動(dòng)能方程21()()(ln)2eedwR TT dp兩邊積分，w:w0w1；p:p0p1,有1081100221011(ln)(ln)22ppeeppwwRTdpT dp不穩(wěn)定能量為12eWRSS不穩(wěn)定能量的計(jì)算方法：在T-lnp圖上，1cm2面積相當(dāng)于74.5J/kg，所以先計(jì)算面積（cm2），然后

33、乘以74.5，即得不穩(wěn)定能量。1093）厚氣層靜力穩(wěn)定度分型由不穩(wěn)定能量的計(jì)算公式可知，不穩(wěn)定能量的正負(fù)和大小，與層結(jié)曲線(xiàn)和狀態(tài)曲線(xiàn)的配置有關(guān)，由此可將厚氣層穩(wěn)定度性質(zhì)分為潛在不穩(wěn)定型、絕對(duì)穩(wěn)定型、絕對(duì)不穩(wěn)定型。見(jiàn)157頁(yè)圖6.194）熱雷雨的預(yù)報(bào)見(jiàn)158頁(yè)圖6.21110三、整層升降對(duì)氣層靜力穩(wěn)定度的影響1、若氣層升降過(guò)程中始終保持未飽和，穩(wěn)定度性質(zhì)的變化1)氣層下沉?xí)r，原來(lái)穩(wěn)定的將變得更穩(wěn)定；原來(lái)不穩(wěn)定的將更不穩(wěn)定；中性的仍為中性。2)氣層被抬升時(shí)，則與上面相反。1112、未飽和的穩(wěn)定氣層絕熱抬升到整層飽和的云層時(shí)，穩(wěn)定度性質(zhì)可能會(huì)發(fā)生變化1)對(duì)流性不穩(wěn)定（或位勢(shì)不穩(wěn)定）氣層某一未飽和穩(wěn)定

34、氣層，假如被抬升到整層飽和且形成云層時(shí)，變成不穩(wěn)定氣層，則稱(chēng)該未飽和穩(wěn)定氣層為對(duì)流性不穩(wěn)定（或位勢(shì)不穩(wěn)定）氣層。00seandzz1122)對(duì)流性穩(wěn)定（或位勢(shì)穩(wěn)定）氣層某一未飽和穩(wěn)定氣層，假如被抬升到整層飽和且形成云層時(shí)，仍然是穩(wěn)定氣層，則稱(chēng)該未飽和穩(wěn)定氣層為對(duì)流性穩(wěn)定（或位勢(shì)穩(wěn)定）氣層。00seandzz1133)對(duì)流性中性（或位勢(shì)中性）氣層某一未飽和穩(wěn)定氣層，假如被抬升到整層飽和且形成云層時(shí)，變成中性氣層，則稱(chēng)該未飽和穩(wěn)定氣層為對(duì)流性中性（或位勢(shì)中性）氣層。00seandzz114115一、水平混合濕度較大的未飽和空氣混合后，有可能發(fā)生凝結(jié)。定性解釋見(jiàn)145頁(yè)圖6.9與云霧形成有關(guān)的大氣熱

35、力過(guò)程除了絕熱上升冷卻過(guò)程以外，還有絕熱混合過(guò)程、等壓冷卻過(guò)程。116有關(guān)大氣現(xiàn)象：1、混合霧的形成：兩團(tuán)溫度不同、而都接近與飽和的空氣混合后，如果達(dá)到飽和則形成混合霧。例如鋒際云霧2、噴氣式飛機(jī)尾跡：145頁(yè)3、開(kāi)水壺口噴出的霧氣：145頁(yè)117二、垂直混合及湍流混合考慮某絕熱氣層內(nèi)因湍流產(chǎn)生的垂直混合，當(dāng)整層空氣充分均勻混合后，位溫和比濕會(huì)趨于一致。示意圖見(jiàn)146頁(yè)圖6.10有關(guān)大氣現(xiàn)象：1、有些層云是在逆溫層下的混合層里形成2、晴天夏季午后低層大氣的溫度分布往往近似為 干絕熱變化118有聯(lián)系的大氣現(xiàn)象：露和霜的形成；平流霧的形成；輻射霧的形成。熱量損失和溫度變化、飽和水汽壓變化、飽和比濕

36、變化之間的定量關(guān)系見(jiàn)147頁(yè)公式（6.6.3）、（6.6.4）、（6.6.8）1191201、掌握熱流量方程、掌握熱流量方程2、知道克拉柏龍克勞修斯方程、知道克拉柏龍克勞修斯方程3、理解大氣中的干絕熱過(guò)程定義、知道干絕、理解大氣中的干絕熱過(guò)程定義、知道干絕熱方程、記住干絕熱遞減率數(shù)值、理解位溫定熱方程、記住干絕熱遞減率數(shù)值、理解位溫定義及保守性、知道位溫垂直梯度、理解抬升凝義及保守性、知道位溫垂直梯度、理解抬升凝結(jié)高度的定義、了解抬升凝結(jié)高度的估算公式結(jié)高度的定義、了解抬升凝結(jié)高度的估算公式1211.已知某地某時(shí)的探空部分記錄如下表已知某地某時(shí)的探空部分記錄如下表根據(jù)該記錄，利用根據(jù)該記錄，利

37、用T-lnp 圖完成下列各問(wèn)（圖完成下列各問(wèn)（結(jié)果保留一位小數(shù)）：結(jié)果保留一位小數(shù)）：課外練習(xí)課外練習(xí)1221、求、求920hPa的的q、qs、zc（用（用hPa表示）、表示）、se；2、判別從、判別從1000hPa700hPa這一厚氣層的穩(wěn)定度類(lèi)型；這一厚氣層的穩(wěn)定度類(lèi)型；3、判別、判別1000hPa920hPa氣層屬于對(duì)流性（位勢(shì)）不穩(wěn)氣層屬于對(duì)流性（位勢(shì)）不穩(wěn)定、對(duì)流性（位勢(shì)）中性、還是對(duì)流性（位勢(shì)）穩(wěn)定氣定、對(duì)流性（位勢(shì)）中性、還是對(duì)流性（位勢(shì)）穩(wěn)定氣層。層。123（1）q=12.6g/kg；qs=18.0 g/kg；zc=840hPa；=29.1；se=70（2）絕對(duì)穩(wěn)定型；）絕對(duì)穩(wěn)定型；（3）1000hPa：=19，se=60 920 hPa：=29.1，se=70可見(jiàn)可見(jiàn)0,0sezz所以所以1000hPa920hPa氣層屬于對(duì)流性（位勢(shì)）氣層屬于對(duì)流性（位勢(shì)）穩(wěn)定氣層穩(wěn)定氣層