【正文】 第三章 大氣熱力學(xué) ，發(fā)生在大氣中的各種熱力過程和狀態(tài)變化可以廣泛地應(yīng)用熱力學(xué)定律和方法來進行研究。大氣溫度、濕度和穩(wěn)定度在大氣的熱力過程和狀態(tài)變化中起著十分重要的作用。 ，但它是參與大氣變化過程的最重要氣體，其中最明顯的例子是云和降水的形成直接與水汽及其相變有關(guān)。然而，云和降水的形成首先必須通過空氣的垂直運動，而空氣的垂直上升運動又是在一定的大氣層結(jié)穩(wěn)定度條件下才能產(chǎn)生。同時，溫度、濕度和穩(wěn)定度之間還存在著互相依存和互相影響的關(guān)系。這些就是本章所要涉及的內(nèi)容。 第 1節(jié) 大氣溫度 一 .平均氣溫和氣溫極值 ? 日平均氣溫 是一晝夜的 24次、 8次或 4次觀測值的平均數(shù)據(jù)。 ? 月平均氣溫 是一月內(nèi)各天日平均氣溫相加，然后除以該月的天數(shù)所得的值。 ? 12個月的月平均氣溫相加，除以 12所得結(jié)果就是 年平均氣溫 。 ? 某氣象要素的極值是指有觀測記錄以來該氣象要素的極端數(shù)值或在某特定時段的極端數(shù)值。實際應(yīng)用中，有平均極值、極端值和一定保證率的極值等三種極值。 ? 平均極值 是指對每天觀測到的某項極值 (如最高溫度 )進行旬、月、年或多年平均的結(jié)果。 ? 極端極值 是以某要素在某時段內(nèi)的全部極值觀測記錄中挑選出的最極端的數(shù)值。 表 亞洲 54 Tirat Tsvi,以色列 217 澳大利亞 53 Cloncurry,昆士蘭州 187 歐洲 50 Seville,西班牙 8 中國 吐魯番，新疆 南美 49 Rivadavia,阿根廷 1 203 大洋洲 42 Tuguegarao,菲律賓 22 南極洲 15 Vanda站 8 極端最低氣溫的世界記錄為 88 3℃ ，它出現(xiàn)在 1960年8月 24日南極洲的東方站；我國的極端最低氣溫為 523℃ ，出現(xiàn)在 1969年 2月 13日黑龍江省的漠河站。 二 . 影響地面氣溫的因子 ?緯度 ?水、陸加熱率差異 ?洋流影響 ?高度 ?地理位置 。 、陸加熱率差異 ? 對太陽輻射的吸收、反射和透射率差異導(dǎo)致太陽能在陸面和水面分布厚度的不同。 ?水的比熱平均要比陸地大三倍 ?水面的蒸發(fā)大于陸面的蒸發(fā)，導(dǎo)致水體失熱過多，水溫不易升高。 以上各種因子的綜合結(jié)果，使得水體增溫緩慢，能儲存更多的熱能， 同時其冷卻也比陸地緩慢。 表 南、北半球氣溫的平均年較差 (℃ ) 緯度 北半球 南半球 緯度 北半球 南半球 0 0 0 60 30 11 15 3 4 75 32 26 30 13 7 90 40 31 45 23 6 南半球氣溫年較差明顯小于北半球 ? 受暖 (冷 )洋流影響的陸地氣溫比不受影響的地方高(低 ) 好幾度。 ? 例如，受暖高爾夫洋流 (Golf Stream)影響的倫敦 (北緯 51176。 N)一月份平均氣溫比不受暖洋流影響的紐約(北緯 40176。 N)高 ℃ 。受美國西海岸冷性加利福尼亞洋流的影響，加利福尼亞南部沿海的夏季氣溫要比美國東海岸 (不受此冷洋流影響 )緯度相當?shù)牡胤降?6℃ 或更多 . ?測站高度對平均氣溫有影響 ?高山站的實際氣溫要比按平均遞減率計算的結(jié)果高 ?例如，厄瓜多爾海撥 12m的 Quayaquil年平均氣溫為 ℃ ，與其相鄰的海撥 2800m的Quito年平均氣溫只有 ℃ 。然而，按平均氣溫遞減率計算， Quito的氣溫應(yīng)該比Quayaquil低 ℃ ，而現(xiàn)在僅比它低 ℃ ? 地理位置可對氣溫產(chǎn)生大的影響。盛行向岸風(fēng)的沿海站，因受海洋氣流影響具有涼夏、暖冬的溫度特征；而盛行離岸風(fēng)的沿海站有著更多的陸地溫度特征。 三 . 全球海平面氣溫分布 海平面氣溫分布的基本特征 ? 等溫線大部分 (尤其是南半球 )趨向于接近東西向排列，同時溫度從赤道向極地降低。這說明地表和大氣加熱過程中起主要作用的入射太陽輻射是緯度的函數(shù)。此外，在北半球，等溫線 1月比 7月密集，說明北半球的南北溫差冬季大于夏季。這是由于太陽直射點位置 1月份位于南半球、 7月份位于北半球的 ? 冬季北半球等溫線在大陸上向赤道方向凸出，海洋上向極地方向凸出，而夏季則相反。南半球等溫線較平直，在有陸地的地方，等溫線也發(fā)生與 ? 各經(jīng)線上具有最高氣溫的各點的連線，稱為 熱赤道 。然而，熱赤道并非位于赤道，而是 1月份位于5～ 10176。 N， 7月份北移至 20176。 N。這是由于北半球陸地面積廣大，使氣溫強烈受熱，以及夏季太 ? 赤道附近的氣溫年變化很小，隨著緯度的增加，年變化幅度也增大。氣溫年變化幅度還隨著大陸 大氣中的水汽含量 全球有 140萬萬億噸的水 海水 （ 咸水） 占 97％ 淡水占 3％ 冰雪占2％ 其它占1％ 地下水占 ％ 表面水占 1％ 空中水占 ％ （約 28萬億噸 ） 水汽占 95％ 云雨占 5％ 大氣中的水汽約為 28萬億噸 95％ ～ 噸 。 全球平均氣柱內(nèi)的水汽總量為 27kg/m2 第 2節(jié) 水 (分 )循環(huán) 相變 大氣中的水汽隨著溫度、氣壓有劇烈的變化 ?在阿拉伯半島的沙加海濱水汽混合比可高達35克 /千克 （濕空氣中水汽質(zhì)量和干空氣質(zhì)量之比），這是濕度最大值。而在南極的蘇聯(lián)東方站，相應(yīng)的水汽混合比為 104克 /千克 與最大值相差 5個量級。我國 新疆的吐魯番年降水量僅 16mm，也是非常干旱的地區(qū)。 水汽的空間分布 ?水汽絕大部分集中在對流層下半部，隨高度增加而急劇減少，水汽實際上隨地區(qū)和季節(jié)的差異有很大的變化。 (1)大氣中的水汽含量歲高度增加而明顯減少 。 觀測表明 :在 ,水汽含量已減少為地面的 50%,至 5KM高度處 ,只有地面的 10%,再向上就更少了。 (2) 大氣中的水汽含量還與地理緯度 .海岸線分布、地勢的高低、季節(jié)及天氣條件密切相關(guān)。 一 .水 (分 )循環(huán) ? 雖然任何時刻大氣中的水汽含量只占地球總水量的很少一部分，但在一年內(nèi)通過大氣循環(huán)的絕對水量是巨大的，體積足以復(fù)蓋整個地球表面100cm深的厚度。據(jù)估計，在北美，大氣中通過氣流攜帶的水分比全部陸地上河流輸送的水要多 6倍多。 ? 全球的平均降水量必須等于蒸發(fā)的水量。 ? 全球大陸降水量超過蒸發(fā)量；海洋上蒸發(fā)超過降水。 二 .水的相變和相平衡 ?在相態(tài)變化之中，供給物質(zhì)的熱量并非用于物質(zhì)的溫度變化 ,所以稱它為潛熱 (隱藏的意思 ) 。潛熱在很多大氣過程中起著重要作用。 ? “蒸發(fā)是一個冷卻過程” ?凝結(jié)必須釋放凝結(jié)潛熱 , 云和霧的形成離不開凝結(jié)，而潛熱的釋放在強天氣 (雷暴、臺風(fēng)等 )形成過程中起著重要的作用，同時，還能將大量來自熱帶的熱量向極地輸送。 ?水汽在固體物 (如草地或玻璃窗 )上凝華，通常稱這些凝華物為白霜，簡稱霜。 ?升華或凝華過程的能量收支等于融解和蒸發(fā)，或凝結(jié)和凍結(jié)兩個過程的能量之和 (態(tài) )平衡 物質(zhì)的相態(tài)及其變化由溫度和壓強決定 蒸發(fā)線 升華線 融解線 三相點 臨界溫度374℃ 臨界溫度374℃ 臨界壓強 ? 如果我們很小心地使水冷卻，則純水可以在℃ 以下并不凍結(jié)，這時的水稱為過冷水，過冷水的飽和水汽壓與溫度的關(guān)系如 OB′線表示。過冷水與水汽的平衡稱為 亞穩(wěn)平衡 3. 飽和水汽壓與溫度的關(guān)系 (1)克拉珀龍 — 克勞修斯 (ClapeyronClausius)方程 2TARLEdTdEV?)]12731(e xp[0 TARLEEV??(2)純水平面上的飽和水汽壓 (3) 冰面飽和水汽壓 將克勞修斯 —克拉伯龍方程中蒸發(fā)潛熱 L換成升華潛熱 Ls Ld：凍結(jié) (溶解 )潛熱 ds LLL ??)]12731(e xp[0TARLLEEVdi ???討論： （ 1） 因為 t0， ， 所以 ， 同溫度 下 ， 冰面飽和水汽壓小于過冷水面飽和水汽 壓； （ 2） 與溫度有關(guān) ， 當 t=時 有 1?EEiiEEE ???h P aE )( m a x ??(4)曲面純水的飽和水汽壓 實驗公式 (Thomson公式 ) 1871年 ， Thomson根據(jù)毛細管實驗數(shù)據(jù)提出 Rv：水汽比氣體常數(shù) )e xp()2e xp( rCETrREE rvlr ?? ??TRCvlr ??2?討論： 令 Cr與 T、 等有關(guān)，由于 與 r有關(guān)，故 Cr 與 r也有關(guān)，但實際計算中常不考慮 Cr 與 r 的關(guān)系。將 Thomson公式展開，忽略高次 項： TRcvlr ??2?? ?)e x p ( rCEE rr ?)1(rCE r??r（ cm） 108 107 106 105 104 103 Er/E 表 ：水滴飽和水汽壓與半徑的關(guān)系（ 0℃ ） t ℃ 20 10 0 10 20 Cr（ 107cm） 表 ： Cr與溫度 T的關(guān)系 結(jié)論： 對凸面， r ﹥ 0， ? 水滴表面飽和水汽壓隨半徑減小而迅速增大。 ? 實際大氣中， e/E﹤ ，故大氣中 r ﹤ 105cm的水滴均不能存在。 對凹面， r ﹤ 0，則 ? 在植物表面毛細管上容易凝結(jié) )1(rCEE rr ?? 實際大氣中的云滴是水汽在凝結(jié)核上凝結(jié)而成。凝結(jié)核通常是一些鹽類物質(zhì)，如 Nacl、（ NH4） 。故云滴實際上是一個溶液滴，其表面飽和水汽壓受溶質(zhì)的影響，大小由 拉烏爾定律 確定 。 ?拉烏爾定律：溶液表面溶劑的飽和蒸氣壓（ Es） 正比于溶液中溶劑的摩爾分數(shù)。 EE s ??χ ：溶劑的摩爾分數(shù)， Es：溶劑的飽和蒸汽壓（飽和水汽壓）； E：純?nèi)軇┑娘柡驼羝麎骸? swwnnn???nw— 溶劑的摩爾質(zhì)量數(shù)， ns— 溶質(zhì)的摩爾質(zhì)量數(shù)。 其中： ? 由于溶液 χ 總是小于 1，所以 Es總是小于 E，表示溶液飽和水汽壓總小于純水面飽和水汽壓。 ? 從例題計算結(jié)果可以看出，溶質(zhì)對溶液表面飽和蒸汽壓的影響主要體現(xiàn)在濃溶液階段，對稀溶液，其影響較小。 結(jié)論： (6)溶液滴的飽和水汽壓 ——科勒曲線 考慮稀溶液滴（假定溶質(zhì)單一） ErcrcErcrcE nrnrnr )1()1)(1( 33, ??????iMMmcLn21243???31 rcrC nr ????EE nr, 科勒方程 Cn是一個與溶劑、溶質(zhì)物理屬性及濃度有關(guān)的參數(shù)。 定義飽和比 則 為曲率項。表示 微滴的飽和比比平水面 飽和比的增加量。 為溶液項。表示由于存在溶質(zhì)而使液滴 表面飽和水汽壓的降低量。 ??EES nr , 31 rcrCS nr ???rCr3r討論 a、溶質(zhì)效應(yīng)和曲率效應(yīng)對飽和水汽壓影響相反。 初期以溶質(zhì)效應(yīng)為主， 后期以曲率效應(yīng)為主 . 坎。 第 3節(jié) 熱流量方程 熱流量方程是