大气物理

第五节绝热混合过程一、水平混合与云雾形成有关的大气热力过程除了绝热上升冷却过程以外，还有绝热混合过程、等压冷却过程。汽液两相平衡曲线湿度较大的未饱和空气混合后，有可能发生凝结。定性解释见145页图6.9有关大气现象：1、混合雾的形成：两团温度不同、而都接近于饱和的空气混合后，如果达到饱和则形成混合雾。例如锋际云雾2、喷气式飞机尾迹：145页3、开水壶口喷出的雾气：145页二、垂直混合及湍流混合层考虑某绝热气层内因对流或湍流产生的垂直混合，当整层空气充分均匀混合后，位温和比湿会趋于一致。示意图见146页图6.10第一阶段温度变化：第二阶段温度变化：代入上式，则有T=第三阶段温度变化：见146页表明绝热垂直混合过程，混合气块最后的温度与参考气压P的大小无关二、垂直混合及湍流混合层有关大气现象：1、有些层云是在逆温层下的混合层里形成2、晴天夏季午后低层大气的温度分布往往近似为干绝热变化第六节等压冷却过程第六节等压冷却过程热量损失和温度变化、饱和水汽压变化、凝结的液态水含量变化之间的定量关系见147页公式（6.6.3）、（6.6.4）、（6.6.8）（148页，6.6.8式）第七节温湿参量定义：气象要素按不同物理过程组合成一些特征量，用来描述空气的状态，统称为温湿参量。•（1）相当温度、湿球温度•通过等压绝热过程引入•（2）假湿球温度、假湿球位温•通过干、湿绝热过程引入•（3）假相当位温、假相当温度•通过干、湿绝热过程引入(1)相当温度、湿球温度1、定义相当温度：在等压情况下，湿空气的水汽全部凝结时，若所释放的潜热全部用于加热空气，气块所达到的温度，称为相当温度，通常用Te表示。湿球温度：在系统（空气加水）的气压保持不变并和外界没有热量交换的情况下，纯净的水蒸发到空气中去，使其达到饱和状态时，系统因蒸发冷却而到达的温度，称为湿球温度,通常用Tw表示。2、性质相当温度在等压绝热过程中是保守的。(2)假湿球温度、假湿球位温1、定义假湿球温度：气块由某高度干绝热上升，达到饱和之后，再湿绝热下降到原来高度时所具有的温度,称为假湿球温度，通常用Tsw表示。假湿球位温：将假湿球温度沿着假绝热线降到1000hpa处所具有的温度。2、性质假湿球位温在干、湿绝热过程中是保守的。（3）假相当位温、假相当温度1、定义假相当位温：湿空气绝热上升至所含水汽全部凝结脱落，所含潜热全部释放后，再按干绝热过程下降到1000hPa时气块所具有的温度，通常用Θse表示。假相当温度：设某气块状态为(p,T),假设它湿绝热上升至所含水汽全部凝结脱落，潜热全部释放后，再按干绝热过程下降到该气块所处压强时气块所应具有的温度，记作Tse。2、性质假相当位温在干、湿绝热过程中是保守的。第八节大气静力稳定度一、大气（层结）静力稳定度的概念在天气学中用来判断对流运动发展与否在污染气象学中，有助于判断湍流发展与否1、大气层结是指大气中温度和湿度的垂直分布2、大气层结稳定度简称大气稳定度，是指大气层结是否有利于对流，湍流运动发展的度量。分为静力稳定度和动力稳定度。3、大气（层结）静力稳定度在处于静力平衡的气层中，假设一些空气团块产生了垂直运动，如果大气层结促进这种偏离其平衡位置的垂直运动的发展，则称该气层的大气层结是静力不稳定的；相反，如果抑制这种垂直运动的发展，则称该气层的大气层结是静力稳定的；如果既不促进也不抑制，则称该气层的大气层结是中性的（152页第一自然段）。二、判断气层静力稳定度的基本方法在处于静力平衡的气层中，任取一气块，若此气块处于不稳定平衡，则该气层静力不稳定；若此气块处于中性或稳定平衡，则该气层为中性或静力稳定。气块法如何判定？假定：1）气层（环境空气）始终静止；2）气块是个封闭绝热系统；3）满足准静力条件，即epp缺陷：1）当大气中有气流运动时，环境空气不可能保持静止。薄层法对此进行了修正。2）气块与环境的物质交换有时很强烈，需要考虑夹卷作用。任取单位体积气块，取铅直向上方向为正，铅直方向上的运动方程为edwggdt(6.8.2)edwgdt1、气块运动方程根据状态方程，eeeemppRTRT以及eemppRR有(6.8.4)eeTTdwgdtT可以由此式判断气层静力稳定度这是最基本的判定方程。2、直减率法—判断薄气层静力稳定度的方法1）薄气层定义：气层的厚度足够薄，以至于气层的为常数，则称该气层为薄气层。eTz2）基本判别式设气块从温度为T0的平衡位置处作一虚拟的微小位移dz后，其温度就变成0dTTTdzdz环境大气温度为0eTTdz把上两式代入（6.8.4）中，有1()(6.8.6)edwdTgdzdtdzT（6.8.6）式为适用于薄气层静力稳定度的基本判别式stableneutralunstabledTdz3）薄气层静力稳定度的基本判据由于干湿绝热减温率不同，故需分别讨论：气块垂直位移时按干绝热变化，垂直减温率ddTdz气块垂直位移时按湿绝热变化，垂直减温率sdTdz综合讨论：气层（环境大气）垂直减温率4）利用埃玛图判断6.8.1012ddssabsolutelyunstableconditionallyunstableabsolutelystable（）0006.8.13150seseabsolutelyunstableconditionallyunstableabsolutelystablezandzzz（）()dpTgzTzcT()seseszT利用下列两个关系由判据（6.8.10-12）可以得到如下判据：3、不稳定能量法3、不稳定能量法-判断厚气层静力稳定度的方法1）不稳定能量定义：如果气块在不稳定气层里做垂直运动，那么其垂直速度会不断增大，也就是气块的垂直运动动能会不断增加，气块所增加的这部分动能可看作由不稳定大气对气块作功而来。转化为气块运动动能的那部分能量称为大气的不稳定能量。2）不稳定能量度量：wd3）利用T-lnp图估计不稳定能量①②①②不稳定能量的计算方法：在T-lnp图上，1cm2面积相当于74.5J/kg，所以先计算面积（cm2），然后乘以74.5，即得不稳定能量。3）厚气层静力稳定度分型由不稳定能量的计算公式可知，不稳定能量的正负和大小，与层结曲线和状态曲线的配置有关，由此可将厚气层稳定度性质分为潜在不稳定型、绝对稳定型、绝对不稳定型。3潜在不稳定型：若交点以下为负面积，交点以上为正面积，这时若气块被强迫抬升到交点以上，气块即开始加速运动，对流运动得以发展，称潜在不稳定型交点的高度称为自由对流高度。若交点以下为正面积，交点以上为负面积，此交点称为对流上限。潜在不稳定还可分为：A、真潜不稳定正面积大于负面积，易于突破稳定层而使对流获得发展；B、假潜不稳定负面积大于正面积，不易突破稳定层对流难以发展。4）热雷雨的预报P146图6.11近地面气层的湍流混合P157图6.19(c)可能的绝对不稳定型因此，利用埃玛图做局地热雷雨预报的方法，见P159。影响气层稳定度的决定因素温度层结和湿度层结，温度层结和湿度层结发生变化，气层稳定度也会发生变化。气层稳定度变化的基本过程有：气层的升降过程大气中常常出现大范围气层的垂直升降运动气层遇到大尺度山地或锋面时抬升运动；在大尺度高压系统内有气层的下层辐散；在发展的气旋（低压）中的辐合上升运动。乱流混合过程加热和冷却过程冷暖平流和干湿平流过程卷挟过程和补偿气流的影响三、整层升降对气层静力稳定度的影响1）两个假定：1、气层在升降过程中是绝热的2、气层在升降过程中不发生上下翻动和混合三、整层升降对气层静力稳定度的影响2）未饱和气层升降时的两种情况：1、升降过程中始终处于未饱和状态时稳定度变化2、升降过程中达到饱和状态发生凝结时稳定度变化1、升降过程中始终处于未饱和状态时稳定度变化升降过程中始终保持未饱和状态气层上升过程中有辐合，气层下降过程中有辐散。分析整层气层垂直上升或垂直下降后稳定度变化的依据：下降过程：由于气层下降和辐散，P2P1,A2A1,则有P2A2P1A1；根据判定依据气层顶部升温大于底部，气层变得稳定。气层原来稳定γ1γd气层更加稳定γ2γ1甚至出现逆温γ20注意：未饱和气层在升降过程中，稳定度可发生变化，但不会发生质的变化，即稳定不会变得不稳定，不稳定不会变得稳定。1)气层下沉时，原来稳定的将变得更稳定；原来不稳定的将更不稳定；中性的仍为中性。2)气层被抬升时，则与上面相反。2、升降过程中达到饱和状态发生凝结时稳定度变化(注意：只讨论原气层稳定且为抬升过程下的情况)1)对流性不稳定（或位势不稳定）气层某一未饱和稳定气层，假如被抬升到整层饱和且形成云层时，变成不稳定气层，则称该未饱和稳定气层为对流性不稳定（或位势不稳定）气层。00seandzz2)对流性稳定（或位势稳定）气层某一未饱和稳定气层，假如被抬升到整层饱和且形成云层时，仍然是稳定气层，则称该未饱和稳定气层为对流性稳定（或位势稳定）气层。00seandzz3)对流性中性（或位势中性）气层某一未饱和稳定气层，假如被抬升到整层饱和且形成云层时，变成中性气层，则称该未饱和稳定气层为对流性中性（或位势中性）气层。00seandzz本节要求•掌握气层静力稳定度定义；•知道气块法缺陷，薄层法是对气块法哪方面缺陷的修正；•知道气块垂直运动方程；•会判断薄气层、厚气层稳定度类型；•会判断一气层是否为对流性不稳定、对流性稳定、对流性中性气层。本章要求1、掌握热流量方程2、知道克拉柏龙－克劳修斯方程3、理解大气中的干绝热过程定义、知道干绝热方程、记住干绝热递减率数值、理解位温定义及保守性、知道位温垂直梯度、理解抬升凝结高度的定义、了解抬升凝结高度的估算公式。•习题–P166：3、–设山高为l000m，rs＝0.65℃/100m（湿绝热减温率），一团末饱和湿空气在迎风坡山脚时的温度为20℃，露点为16.5℃，当它上升到山顶时，水汽已全部凝结并离开气块。求该团空气上升到山顶时的温度是多少?越过山顶后到达背风坡山脚时气温为多少?