第四章 大气的热力学过程

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1、第四章大气的热力学过程⑴气温非绝热变化空气与外界有热量交换，称为非绝热变化；⑵气温绝热变化空气与外界没有热量交换，称为绝热变化。垂直运动（绝热变化）水平运动（非绝热变化）气块（团）气块（团）一、大气垂直运动中的热力学过程（一）气温的非绝热变化：空气与外界有热量交换，热量交换方式主要有五种：1.热传导：依靠分子的微观热运动来传递热量。空气密度小，导热系数小，所以分子热传导只能影响到紧贴地面的一薄层，对较大规模的热量传递来讲可忽略不计。2.辐射：辐射是地面和大气之间热量传递的主要方式，但在完全没有空气运动时，地面辐射传热所及的高度也只是离地

2、面较近的气层内。因空气块运动而进行的热量交换。按促使空气运动的不同原因可分对流、湍流3、.对流：对流层中热量由低层向高层传送的重要方式。大气层不稳定时，对流热交换的高度可达对流层顶。对流在夏季和午后较强，而冬季和清晨较弱。4、湍流：空气的不规则运动称湍流。湍流交换的热量远远大于分子传导交换的热量。湍流不仅在热交换中起重要作用，蒸发、扩散等的大小也取决于湍流运动5、蒸发（升华）和凝结（凝华）水在蒸发（或冰在升华）时要吸收热量；相反，水汽在凝结（或凝华）时，又会放出潜热。如果蒸发（升华）的水汽，不是在原处凝结（凝华），而是被带到别处去凝结（

3、凝华），就会使热量得到传送。热量传递和蒸发使大气获得热量，引起大气的温度变化。这是大气温度变化的一个方面，叫非绝热变化（二）气温的绝热变化1、绝热过程与泊松方程：当一个孤立系统得到dQ热量后，一部分用于增加内能dE，另一部分用于气体体积膨胀，克服外压强作功dw；dQ=dE+dw当气压不变时,气体体积不变，叫等容过程，作功为零。增加的热量全部用来提高温度增加内能，此时可以证明：或上式是热力学第一定律在气象中的常用形式。该式说明：①气块的温度变化与外界所施热量有关，得热增温；失热降温。②气块的温度变化与气压变化有关。当所施热量一定时，体积被

4、压缩，增温剧烈，体积膨胀消耗热量，升温缓慢，或降温绝热过程：当dQ=0时（2.29）式将成为：a、干绝热过程：干空气和未饱和湿空气做垂直升降运动时，称为干绝热过程。干绝热方程（泊松方程）对（2-30）式从初态（T0、P0）到终态（P、T）积分可得干绝热方程：干绝热过程中，温度变化完全取决于气压的变化。Cp=1.005J/gKR=0.287J/gK2、干绝热直减率和湿绝热直减率1）、干绝热直减率干绝热过程中气块温度随高度的变化叫干绝热减温率。用表示。按定义可推导得（过程略）：γd=0.98℃/100m气象工作中常把γd看作常数,近似有γd

5、=1℃/100m说明在干绝热过程中，气块每上升100米，气温约下降1℃必须注意：γd与γ（气温直减率）的含义是完全不同的。γd是干空气在绝热上升过程中气块本身的降温率，它近似于常数；而γ是表示周围大气的温度随高度的分布情况。大气中随地-气系统之间热量交换的变化，γ可有不同数值，即可以大于、小于或等于γd如果气块的起始温度为T0，干绝热上升△Z高度后，其温度T为T=T0-γd△Z2）湿绝热直减率饱和湿空气绝热上升时，如果只是膨胀降温，亦应每上升100m减温1℃。但是，水汽既已饱和了，就要因冷却而发生凝结，同时释放凝结潜热，加热气块。所以饱

6、和湿空气绝热上升时因膨胀而引起的减温率恒比干绝热减温率小。饱和湿空气绝热上升的减温率，称为湿绝热直减率，以γm表示。饱和湿空气的垂直运动过程称为湿绝热过程。湿绝热方程：说明：饱和湿空气上升时，温度变化是由两方面作用造成的①气压降低膨胀作功，②潜热释放使气块增加热量。这两项作用相反，所以湿绝热过程的减温率比干绝热过程小。湿绝直减率γm的表达式可写成：因为总有左图为干、湿绝热线的比较，干绝热线直减率近于常数，故呈一直线；而湿绝热线，因γm＜γd，故在干绝热线的右方，并且下部因为温度高，γm小，上部温度低，γm大，这样形成上陡下缓的一条曲线。

7、到高层水汽凝结愈来愈多，空气中水汽含量便愈来愈少，γm愈来愈和γd值相接近，使干、湿绝热线近于平行。3.位温和假相当位温引入位温的意义：比较不同气块间的热力性质。定义：把不同高度的气块按干绝热过程移动到1000百帕等压面，气块在这个高度的温度称为位温，用θ表示。表达式：式中，T、P分别为干绝热过程起始时刻的温度和气压位温的意义和保守性：位温高的气块是暖气块，位温低的是冷气块。干绝热过程是可逆的，位温是不变的。气块在循干绝热升降时，其位温是恒定不变的。这是位温的重要性质。只有在干绝热过程中才具有保守性。假相当位温θse在湿绝热过程中，由于

8、有潜热的释放或消耗，位温是变化的。大气中的水汽达到凝结时，假设一种极端的情况，即水汽一经凝结，其凝结物便脱离原上升的气块而降落，而把潜热留在气块中来加热气团，这种过程称假绝热过程。当气块中含有的水汽全部凝结