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第四章大氣的熱力學(xué)過程-wenkub.com

2024-08-22 20:33 本頁面
   

【正文】 如果前者的作用大,氣溫呈現(xiàn)出周期變化;相反,就呈現(xiàn)非周期變化。v 例如, 4月正是華北地區(qū)春暖花開之時(shí),卻常常因冷空氣的活動(dòng)而轉(zhuǎn)冷。v 天氣情況:陰雨天氣出現(xiàn)多可使氣溫年較差減小。圖給出了不同緯度氣溫年變化的情況。v 緯度:氣溫年較差隨緯度的升高而增大。就北半球來說,中、高緯度內(nèi)陸的氣溫以 7月為最高, 1月為最低。冬季在約 ,日振動(dòng)已不明顯,但夏季日振動(dòng)可擴(kuò)展到 2km高度處 天氣狀況對(duì)氣溫日變化的影響v 氣溫的年變化 v 1)氣溫的年變化v 地球繞太陽公轉(zhuǎn)時(shí),地軸的傾斜造成了日射強(qiáng)度的年周期變化,從而產(chǎn)生了氣溫的年周期變化,形成了氣候季節(jié)。v 天氣狀況:如果有云層存在,則白天地面得到太陽輻射少,最高氣溫比晴天低。v 地形:凹下的地形氣溫日較差大于凸出的地形。v 季節(jié):夏季太陽高度角大,白晝時(shí)間長(zhǎng),因此日較差夏季大于冬季,但最大值并不出現(xiàn)在夏至日。氣溫日較差的大小與緯度、季節(jié)和其它自然地理?xiàng)l件有關(guān)。由于地面的熱量傳遞給空氣需要一定的時(shí)間,所以最高氣溫出現(xiàn)在 14時(shí)左右。v 到了正午太陽輻射達(dá)到最強(qiáng)。若凈得熱量則溫度升高,若凈失熱量則溫度降低。v 氣溫還會(huì)因大氣的運(yùn)動(dòng)而有非周期變化。v 從長(zhǎng)時(shí)間平均來看,熱量得失相當(dāng),所以地面平均溫度保持不變。地面和大氣間熱交換是引起局地氣溫日變化和年變化的主要因子。在地面與空氣之間,最主要的是輻射。 水的蒸發(fā)和凝結(jié)進(jìn)行的熱量交換稱為潛熱交換,因?yàn)橹挥性谒职l(fā)生相變時(shí),才能吸收或釋放熱量,使空氣加熱。v (5)蒸發(fā)(升華)和凝結(jié)(凝華)v 水在蒸發(fā)(或冰在升華)時(shí)要吸收熱量;相反,水汽在凝結(jié)(或凝華)時(shí),又會(huì)放出潛熱。湍流熱交換也稱為顯熱交換,因?yàn)樗鼈鬟f的熱量直接導(dǎo)致空氣溫度的升高。湍流是由于空氣粘滯力產(chǎn)生的。v (3)對(duì)流v 當(dāng)暖而輕的空氣上升時(shí),周圍的冷空氣便下來補(bǔ)充,這種升降運(yùn)動(dòng),稱為對(duì)流。對(duì)于較大規(guī)模的熱量傳遞來說,可以忽略不計(jì)。通過這些方式,空氣與地面、空氣與空氣之間交換熱量,空氣的溫度發(fā)生變化。v 非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化v 代表空氣非絕熱熱量交換引起的局地氣溫變化,即大氣的熱流入量引起的氣溫的改變,該項(xiàng)的作用為:熱量收入使溫度升高,熱量支出使溫度降低。冷暖平流的強(qiáng)弱由水平溫度梯度及風(fēng)速在其方向上的分量所決定。v 式中 為垂直于等溫線方向上的單位向量。v 常用的 熱 流量方程 也可寫 為 :v 式中, 為氣溫的局地變化??紤]了上述兩方面因子的共同影響后,就可以預(yù)報(bào)北京溫度在 36小時(shí)后要降溫 10℃ 。我國(guó)北京和蒙古之間的溫差愈大,西北風(fēng)愈強(qiáng),由于平流所造成的單位時(shí)間內(nèi)的降溫就愈大;v另一方面,還要考慮當(dāng)冷空氣由蒙古移到北京的過程中空氣本身溫度的變化。氣象站在不同時(shí)間所觀測(cè)的,或是自記儀器所記錄的氣溫變化都是某一固定地點(diǎn)的空氣溫度隨時(shí)間的變化。v因此,在分析逆溫的成因時(shí),必須注意到當(dāng)時(shí)的具體條件 。在這種情況下,同一數(shù)值的等溫線的位置在暖 空氣中要比在冷空氣中高,當(dāng)它穿過鋒面時(shí),便發(fā)生轉(zhuǎn)折,當(dāng)冷暖空氣的溫度差別很大時(shí),就可以出現(xiàn)逆溫v 地形逆溫 v 由于局部特殊的地形條件形成的。v 下沉逆溫多出現(xiàn)在高氣壓區(qū)內(nèi),范圍很廣,厚度也較大,在離地?cái)?shù)百米或數(shù)千米的高空都可能出現(xiàn)。v 下沉逆溫 v 如圖,當(dāng)某一層空氣發(fā)生下沉運(yùn)動(dòng)時(shí),因氣壓逐漸增大,以及因空氣向水平方向的輻散,使其厚度減小。這種因空氣平流產(chǎn)生的逆溫,稱平流逆溫。所以,空氣經(jīng)過充分的湍流混合,氣層的溫度直減率就逐漸趨近干絕熱直減率。經(jīng)過湍流混合以后,氣層的溫度分布將逐漸接近于干絕熱直減率。v 最有利于形成逆溫層的是晴朗無風(fēng)的夜晚,因?yàn)闊o云有利于地面輻射能向上空發(fā)散;無風(fēng)使上層空氣的熱量難以通過湍流作用下傳,這些條件都使地面氣溫很快下降而形成逆溫。v 在研究大氣的污染擴(kuò)散問題時(shí),常需測(cè)定逆溫層的高度、厚度以及出現(xiàn)和消失的時(shí)間。v 干絕熱線和假絕熱線同時(shí)又是等位溫線和等相當(dāng)位溫線 , 所以也有以下判據(jù): 靜力穩(wěn)定度類型 v 對(duì)流層大氣的溫度一般隨高度而降低,但在有些條件下,某些氣層的溫度會(huì)隨高度而增加,即 , 這些氣層稱為逆溫層。 v“ 絕對(duì)不穩(wěn)定 ” 一詞是指對(duì)于未飽和氣塊和飽和氣塊都適用。v ② 當(dāng) 時(shí),不論空氣是否達(dá)飽和,大氣總是處于穩(wěn)定狀態(tài),因而稱為 絕對(duì)穩(wěn)定 ;當(dāng) 時(shí)則相反,因而稱為 絕對(duì)不穩(wěn)定。v 如將以上結(jié)論用層結(jié)曲線(即大氣溫度隨高度變化曲線)和狀態(tài)曲線(即上升空氣塊的溫度隨高度變化曲線)表示出來,則如圖所示( 為空氣團(tuán)溫度; 為周圍空氣溫度)。vB團(tuán)空氣受到外力作用以后,不管上升或睛降,其本身溫度均與周圍空氣溫度相等,它的加速度等于零。v 當(dāng) ,若 ,則 ,加速度與位移方向相反,層結(jié)是穩(wěn)定的;v 當(dāng) ,若 ,則 ,加速度與位移方向一致,層結(jié)是不穩(wěn)定的;v 當(dāng) ,若 ,層結(jié)是中性的。v 判斷大氣穩(wěn)定度的基本方法 v 大氣是否穩(wěn)定,通常用周圍空氣的氣溫直減率( )與上升空氣塊的干絕熱直減率( )或濕絕熱直減率( )的對(duì)比來判斷。v 如果這樣一團(tuán)空氣上升時(shí),變得比周圍空氣冷一些,它就重一些。v 某一氣層是否穩(wěn)定,實(shí)際上就是某一運(yùn)動(dòng)的空氣塊比周圍空氣是輕還是重的問題。以 B表示。它表示在大氣層中的個(gè)別空氣塊中否安于原在的層次,是否易于發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng),即是否易于發(fā)生對(duì)流。v 在不同地區(qū)和不同的地形條件下,焚風(fēng)形成的主要原因有所不同。v 氣流越過山頂以后,由于水分已全部降落或部分降落,將干絕熱下沉或先濕絕熱下沉待剩余水分蒸發(fā)完后再干絕熱下沉。但是若焚風(fēng)過強(qiáng),也可使植物干枯而死,并且容易引發(fā)森林火災(zāi)。最初專指阿爾卑斯山區(qū)的焚風(fēng)。在對(duì)流層頂及平流層內(nèi),因是等溫或逆溫,所以等 ? 線非常密集。v 平均溫度、平均位溫和平均相當(dāng)位溫的全球全年緯向平均剖面圖 v 由圖 a可看出,溫度在對(duì)流層中隨高度增加而迅速減小,直到對(duì)流層頂。v 可以看出, 是氣壓、溫度和濕度的函數(shù) v 如圖所示,設(shè)有一氣塊,其溫、壓、濕分別為 T, p, q。為了理解潛熱對(duì)氣塊的作用,可假設(shè)一種極端的情況,即水汽一經(jīng)凝結(jié),其凝結(jié)物即脫離原上升的氣塊而降落,而把潛熱留在氣塊中來加熱氣團(tuán),這種過程稱假絕熱過程。這些在討論大氣穩(wěn)定度時(shí)是重要的關(guān)系式 v 假相當(dāng)位溫 v 位溫只是把氣塊的氣壓,溫度考慮進(jìn)去的特征量,并且只有在干絕熱過程中才具有保守性。 v 由于它們不隨氣塊高度(或壓強(qiáng))的改變而改變,好象是一種性質(zhì)穩(wěn)定的示蹤物,便于我們追溯氣塊或氣流的源地以及研究它們以后的演變。v位溫 : 就是把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)氣壓時(shí)應(yīng)有的溫度。v 右圖所示為干絕熱線與濕絕熱線的比較,干絕熱直減率近于常數(shù),故成一直線;v 而濕絕熱線,因 ,故在干絕熱線的右方,并且下部因?yàn)闇囟雀撸? 小,上部溫度低, 大,這樣形成上陡下緩的一條曲線。v 這是因?yàn)闅鉁馗邥r(shí),飽和空氣的水汽含量大,每降溫1℃ ,水汽的凝結(jié)量比氣溫低時(shí)多。因此,凝 結(jié) 作用可抵消一部分由于氣 壓 降低而引起的溫度降低。設(shè)單位質(zhì)量飽和濕空氣中含有水汽 qs(g), 絕熱上升,凝結(jié)了 dqs(g)水汽,所釋放出的潛熱為v 式中 L表示水汽的凝結(jié)潛熱。v 如果氣塊的起始溫度為 ,干絕熱上升 高度后,其溫度 為: v 濕空氣的絕熱方程v 飽和濕空氣的上升過程中,與外界沒有熱量交換,該過程稱為濕絕熱過程。v 對(duì)于干空氣和未飽和的濕空氣來說,則稱干絕熱直減率,以 表示,即v 假設(shè)大氣處于流體靜力平衡狀態(tài),由準(zhǔn)靜力條件將氣塊內(nèi)外
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