《大气热力学》PPT课件

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1、第3章大气热力学3.1热力学第一定律3.2干绝热过程和位温3.3湿绝热过程3.4假绝热和假相当位温3.5热力图简介和应用3.6大气层结稳定度3.7局地温度变化的影响因素分析与判断3.8大气中的逆温思考题气象学与气候学热力学第一定律是能量守衡定律在理想气体中的应用。对于质量为m的理想气体（热力学系统），外界传递给系统热量dQ，等于系统内能增加mCvdT与系统对外界作工pdV之和，即第3章大气热力学3.1热力学第一定律在气象中的应用3.1.1热力学第一定律dQ=mCvdT+pdV其中，Cv为定容比热，单位为

2、Jg-1K-1，T,p和V分别为热力学温度、气压和体积。第3章大气热力学3.1热力学第一定律在气象中的应用3.1.2干空气的热力学第一定律对于单位质量的干空气，热力学第一定律为dQ=CvdT+pdα其中，α为干空气比容（m3/kg）。R=287JK-1kg-1干空气比气体常数；Cv=716JK-1kg-1干空气定容比热；Cp=1005JK-1kg-1干空气定压比热。其中利用干空气状态方程pα=RT，并考虑到Cv+R=Cp,，则得到常用的干空气热力学第一定律形式：dW=PdαT0、P0α0T、Pα热流量d

3、QdU=CVdTdU当湿空气达到饱和时，将发生凝结，水汽凝结量为-dqs，释放潜热dQ2=-Ldqs其中，L为凝结潜热L=2499.5-2.39t(J/g)第3章大气热力学3.1热力学第一定律在气象中的应用3.1.3饱和湿空气的热力学第一定律对于单位质量的饱和湿空气，若外界传递给系统热量为dQ，则热力学第一定律为第3章大气热力学3.2干绝热过程和位温3.2.1绝热过程任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程，叫做绝热过程(Adiabaticprocess)。干空气或未饱和湿空气块绝热变化时，气块内部

4、没有发生水相变化，称作干绝热过程(Dryadiabaticprocess)。饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物全部留在气块内，称作湿绝热过程(Wetadiabaticprocess)。饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物部分或全部降落离开气块，称作假绝热过程(Pseudoadiabaticprocess)。第3章大气热力学3.2干绝热过程和位温3.2.2干绝热方程对于干绝热过程，dQ=0,因此，干空气热力学第一定律为或从初始状态(T0,P0)到任意状态(T,P)积分

5、，得上述方程称为泊松方程（Poisson）,它反映了干绝热过程中，气块温度和气压间关系干绝热过程中，气块温度随高度的递减率，T0、P0T、Pz0T0TzT所以：证明：第3章大气热力学3.2干绝热过程和位温3.2.3干绝热直减率气块按干绝热过程变化到标准大气压（取1000hPa）时所具有的温度，称为位温θ。所以：第3章大气热力学3.2干绝热过程和位温3.2.4位温根据泊松方程，令p0=1000hPa,T0=θ，则1000T0T-lnpθ温度对数压力图解：横坐标温度T，纵坐标对数压力-lnp，该图上干绝热过

6、程线为一直线，称为干绝热线。干绝线上位温是不变的，因此又称等位温线。第3章大气热力学3.3湿绝热过程3.3.1凝结高度zBT0Tz凝结高度未饱和湿空气块按干绝热过程从地面上升时，随着气块温度下降，饱和水汽压迅速减小，到一定高度饱和水汽压等于水汽压，气块达到饱和，该高度称为（抬升）凝结高度(ZB)。B湿绝热直减率（）：湿绝热过程中，气块温度随高度的递减率。可证明：T、Pz0T0、P0T0Tz第3章大气热力学3.3湿绝热过程3.3.2湿绝热直减率特征：I），故湿绝热线总在干绝热线之右；II）不是常数，是气温

7、和气压的函数。III）高温时，比湿大、凝结量多，故小，低温时相反。dTdT假绝热过程特点：未饱和湿空气块刚开始上升时，按干绝热直减率降温，至凝结高度后，若继续上升，则按湿绝热直减率降温，此时发生水汽凝结，若凝结物部分或全部降落离开气快，则当其下降时，将按干绝热直减率或介于干、湿绝热直减率之间的直减率升温，当其回到原来高度时，温度将高于上升前的温度，这个过程是不可逆过程，即这种状态变化过程中位温不再守衡。因此，需定义一个新物理量，能在所有绝热过程中都守衡，即假相当位温。第3章大气热力学3.4假绝热过程和假

8、相当位温3.4.1假绝热过程未饱和湿空气块从A上升，按干绝热直减率降温，至凝结高度B后，继续上升至C，按湿绝热直减率降温，期间全部水汽凝结并降落离开气块，则当其从C按干绝热直减率下降至1000hPa（D）具有的温度，称为假相当位温。第3章大气热力学3.4假绝热过程和假相当位温3.4.2假相当位温：1000T-lnpABCD假相当位温计算公式：TBZB图中C是唯一的，即当全部水汽凝结并离开气块时的高度，从C按下降到D具有的温度也就唯一，因此，