1、大氣物理學（大三）第六章大氣熱力學基礎一、熱力學基本規(guī)律1、空氣狀態(tài)的變化和大氣中所進行的各種熱力過程都遵循熱力學的一般規(guī)律，所以熱力學方法及結果被廣泛地用來研究大氣，稱為大氣熱力學。2、開放系和封閉系（1）開放系：一個與外界交換質(zhì)量的系統(tǒng)（2）封閉系：和外界互不交換質(zhì)量的系統(tǒng)（3）獨立系：與外界隔絕的系統(tǒng)，即不交換質(zhì)量也不交換能量的系統(tǒng)。3、準靜態(tài)過程和準靜力條件（1）準靜態(tài)過程:系統(tǒng)在變態(tài)過程中的每一步都處于平衡狀態(tài)（2）準靜力條件：P三Pe系統(tǒng)內(nèi)部壓強p全等于外界壓強Pe4、氣塊（微團）模型氣塊（微團）模型是指宏觀上足夠小而微觀上含有大量分子的空氣團，其內(nèi)部可包含水汽、液態(tài)水或固態(tài)水。氣

2、塊（微團）模型就是從大氣中取一體微小的空氣塊，作為對實際空氣塊的近似。15、氣象上常用的熱力學第一定律形式8Q=cdT-adp=cdT-_dpppp【比定壓熱容cp和比定容熱容cv的關系cp=cv+R，（R比氣體常數(shù)）】6、熱力學第二定律討論的是過程的自然方向和熱力平衡的簡明判據(jù)，它是通過態(tài)函數(shù)來完成的。7、理解熵、焓（從平衡態(tài)x0開始而終止于另一個平衡態(tài)x的過程，將朝著使系統(tǒng)與外界的總熵增加的方向進行；等焓過程:絕熱和等壓；物理意義：在等壓過程中,系統(tǒng)焓的增加值等于它所吸收的熱量）8、大氣能量的基本形式：（_）內(nèi)能；（2）勢能；（3）動能；（4）潛熱能9、大氣能量的組合形式（_）顯熱能：單位

3、質(zhì)量空氣的顯熱能就是比焓。（2）溫濕能：單位質(zhì)量空氣的溫濕能是顯熱能和潛熱能之和。（3）靜力能:對單位質(zhì)量的干（濕）空氣，干（濕）靜力能：（4）全勢能:勢能和內(nèi)能之和稱全勢能_0、大氣總能量干空氣的總能量：e=U+E=cT+gz+_V2TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark6dkp2_濕空氣的總能量：E=U+E+Lq=cT+gz+-V2+Lqmkp2二、大氣中的干絕熱過程1、系統(tǒng)（如一氣塊）與外界無熱量交換（&Q=0）的過程，稱為絕熱過程。Tpp（）血（）0.286（對未飽和濕空氣K=Kd=R/Cp=0.286計算大氣的干絕熱過程） HYPERLINK l boo

4、kmark12T0p0p0例：如干空氣的初態(tài)為p=1000hpa,T0=300K，當它絕熱膨脹，氣壓分別降到900hpa和800hpa時溫度分別為多少？2、干絕熱減溫率定義：未飽和濕空氣塊溫度隨高度的變化率的負值為干絕熱減溫率Yv，單位/100m丫=-g9.8K/km0.98k/100m，1oC/100mdc3、位溫B定義：把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標準氣壓(常取lOOOhpa)時應有的溫度稱位溫。未飽和濕空氣大?。?，T(1000)滋T(竺)CpdT(1000)0.286ppp位溫在干絕熱過程中保持不變，稱為在干絕熱過程中具有保守性?！縵)=t-098x4、0抬升凝結結高度Z“l(fā)cl)：濕空氣

5、塊因絕熱抬升而水汽達到飽和并開始凝結的高度。；、0cir抬升凝結的估算公式TZ沁123(T0T0)(T和T分別為地面的氣溫和露點)(z)=T-0.17X10-2Z-z丁Jc0d00dod0三、可逆的飽和0絕熱過程和假絕熱過程1、假如空氣塊在上升過程中是絕熱的，全部凝結水都保留在氣塊內(nèi)，氣塊在下沉時凝結的水分又會蒸發(fā)，仍然沿絕熱過程回到原來狀態(tài)，這個過程濕絕熱過程。又稱可逆的飽和絕熱過程、可逆的濕絕熱過程。2、空氣塊在上升過程中是絕熱的，當飽和氣塊在上升過程中，水汽凝結釋放潛熱。凝結物一旦形成，隨即全部脫離原上升氣塊，氣塊做濕絕熱上升；當氣塊轉為下降運動時，因無水汽凝結物供蒸發(fā)，氣塊呈未飽和狀態(tài)

6、，做干絕熱下降。這種過程假絕熱過程。又稱不可逆的濕絕熱過程。自然界的焚風是最常見的假絕熱過程例子。3、焚風：氣流過山后在背風坡形成的干熱風，稱為焚風。試計算在山麓處溫度為25oC氣流，翻越一座4000米的高山，到達山腳時的溫度變?yōu)槎嗌伲?設凝結高度為1000米，Ys=0.6oC/100米)米凝結物全少？Ldr0vs結降落完后，降落到1000hpa的溫度稱為假相當位溫。假濕球位溫0sw:6sw就是濕空氣通過可逆的飽和絕熱過程降落到1000hpa的溫度，稱為假濕球位溫。同樣可以證明，6se和6sw無論是干絕熱過程還是濕絕熱過程，其值保持不變，具有保守性。Hmh,mh01122hc（T-T）c（1,

7、0.86q）（T-T）1p11pd111各溫濕參量關系T朋c（-TT=/T（1和86qT各溫濕參量關系：sw2wp22epd2sesw22sY時，為不穩(wěn)定大氣層結（2）當=時，為中性大氣層結（3）當Yd時，絕對不穩(wěn)定當YdrYs時，條件性不穩(wěn)定當vys時，絕對穩(wěn)定如大氣層結分布與煙云擴散形態(tài)的關系：扇型；熏煙型；環(huán)鏈型；錐型；屋脊型2、判別條件性不穩(wěn)定大氣穩(wěn)定度的基本方法二不穩(wěn)定能量法凈浮力將單位質(zhì)量氣塊從z0移到z所作的功：11zT=ig-z0Tdzw2w2E220k利用靜力學方程可得：ERJp（T-Tkdvve可見，p0大氣層結的能量由狀態(tài)曲線、當TvTve，即狀態(tài)曲線在層結曲線的右邊面積

8、A為正；（圖見P156）當TvVTve，即狀態(tài)曲線在層結曲線的左邊面積A為負。)d(-lnvveTvep)RJp(T-T)d(In厶Hdp0vvep層結曲線、等壓線p0和p所包圍的面積確定:3、條件性不穩(wěn)定的類型（圖見P157）層結曲線和狀態(tài)曲線的第一個交點F為自由對流高度（LFC）第二個交點D為平衡高度（此處速度最大，加速度為零）對流有效勢能（CAPE）為F和D之間的正面積區(qū)對流抑制能量（CIN）為LFC以下的負面積區(qū)（大氣底部的氣塊要達到LFC至少需從其他途徑獲得的能量下限）溫度層結曲線與低層等飽和比濕線的交點為對流凝結高度（CCL）狀態(tài)曲線的第一個折點為抬升凝結高度（LCL）4、大氣三種

9、基本類型：（1）潛在不穩(wěn)定型；（2）絕對穩(wěn)定型；（3）絕對不穩(wěn)定型。其中（1）真潛在不穩(wěn)定型：正面積大于負面積；（2）假潛在不穩(wěn)定型：正面積小于負面積因此，在相同的溫度層結下，濕度愈大，愈有利于垂直運動的發(fā)展。5、熱雷雨是指氣團內(nèi)因下墊面（森林、沙地、湖泊）受熱不均，由熱力抬升作用形成的雷雨。ccl即為溫度層結曲線和低層等飽和比濕q線的交點。要預測當天可能發(fā)生熱雷雨的可能0性，需從對流凝結高度沿干絕熱線下延至地面，以確定當天可能發(fā)生熱對流的下限溫度Tt，一般認為，如果幾天來天氣條件沒有太大變化，且前幾天地面最高氣溫接近或接近T，t那么當天氣溫就可能達到或超過T，產(chǎn)生熱雷雨的可能性就比較大。t七

10、、整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化1、整層氣層升降會導致大氣溫度遞減率和濕度垂直分布的變化，從而使氣層的穩(wěn)定度發(fā)生變化，導致強烈對流或者使氣層更穩(wěn)定。穩(wěn)定度討論【v2將如何變化，取決于（l-p2A2/PlAl）】（1）當v1P1A1則v2vvl，氣層穩(wěn)定度將趨向更穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)逆溫。如果氣層被抬升且伴隨有水平輻合時，有p2A2vl,導致氣層的穩(wěn)定性減少。如果P2/P1和A2/A1兩者的變化趨勢相反（即上升輻散，下降輻合），（2）當v1=Yd,則v2=v1=Yd,原氣層在升降過程中保持干絕熱減溫率不變。（3）當v1Yd,所得結論與（1）相反。但這種處于絕對不穩(wěn)定狀態(tài)的氣層在實際大氣中是極少見的。2、對

11、流性不穩(wěn)定：上干下濕氣層：整層氣層上升并先后凝結后，飽和氣層的垂直減溫率將變得大于Ys,成了不穩(wěn)定層結，稱對流性不穩(wěn)定。上濕下干氣層：氣層的垂直減溫率將變小甚至為零或逆溫，成了穩(wěn)定層結，稱對流性穩(wěn)定。第十一章云霧形成的宏觀條件及一般特征云和降水的分類和生成條件1、云卷枳云層圖:沁-56J；R.E特種云夜光云云積雨云卷云對流厘頂一（12）降溫（絕熱2層溫大范圍輻合抬升：鋒面云系(圖12.1)，低壓、冷渦、切變線產(chǎn)生輻合抬升局地不穩(wěn)定層結的對流運動：局地不穩(wěn)定地形抬升:暖濕氣流被山地抬升波動:高空穩(wěn)定層下的風速切變湍流:大氣邊界層的湍流使熱量、動量和水汽的重新分布3、對流云一般分為形成CuCuco

12、ng(上升氣流為主、提供豐富的水汽，10-15min)成熟CucongCb(出現(xiàn)降水,10-30min)消散CbSc,Cinot(云下出現(xiàn)下沉氣流，幾min)單個氣團雷暴的生命期約為1-2小時二、局地強風暴天氣系統(tǒng)1、颮線定義：集合成帶狀排列的雷雨云，寬數(shù)公里，長可達一二百公里。2、超級單體風暴定義：由一個龐大的單體構成，尺度可達50km壽命長達7-8h。3、多單體風暴和傳播式單體風暴定義：由許多個單體所組成的風暴云。4、降水的宏觀特征(1)水平范圍變化較大(2)一次降水，降水量一般大于云中總含水量，(3)對于一次降水，降水量一般小于入云水汽量三、云霧降水的微觀特征1、云和降水是由大量離散的液

13、態(tài)或固態(tài)粒子所構成的包括云滴、雨滴、冰雪晶、雪花、霰、冰雹等。它們的微觀特征主要指粒子的大小及其數(shù)密度(或稱濃度)。2、云霧滴譜分布特征：(1)不同云云滴譜差異較大；(2)積狀云比層狀云滴譜寬；(3)對流強的濃積云的云滴譜較寬，云滴數(shù)密度較小而尺度較大。3、冰雪晶微觀特征(1)粒子分類：冰晶、雪晶、雪花、霰粒或雪丸、小雹粒和冰雨冰晶的基本形狀是對稱的六角棱柱狀。(2)冰雪晶的尺度：柱狀冰晶的長度和板狀冰晶的直徑范圍在10%和1呦之間，最大可達幾毫米。4、降水粒子的譜分布：雨滴在空氣中降落時，其形狀由大小決定【了解】第十二章云霧降水形成的微物理過程(云霧降水粒子的生成、增長，直到形成降水的微物理

14、過程。)一、云粒子的均質(zhì)核化1、作為新的相態(tài)中出現(xiàn)的初始胚胎，應為穩(wěn)定存在的最小新相元素，它是物態(tài)的一種轉變過程，稱為核化。核化分為兩類:均質(zhì)核化和異質(zhì)核化：均質(zhì)核化指單一相態(tài)中的分子中某些分子組成以聚合形式出現(xiàn)的純初相胚胎，無其他物質(zhì)參與。異質(zhì)核化指有其他物質(zhì)參與核化作用，正是由于其他物質(zhì)的存在，為新相產(chǎn)生提供基底，構成核心，才利于新相的產(chǎn)生。(所謂的其他物質(zhì)就是大氣氣溶膠粒子。)2、彎曲液面(胚滴)上平衡水汽壓與溫度和曲率的關系2,1e二e(T)exp(一-)(er和es(T)分別為半徑為r，溫度為T時的水滴和平水面的飽和rspRTrwv水汽壓，o是水的表面張力系數(shù)，pw是液水的密度，Rv

15、為水汽比氣體常數(shù)。)3、新相胚滴的臨界半徑：(生存的尺度)r*=2/pRTln(e/e)wvs溫度越低，飽和比越大，越易形成同質(zhì)核化。【自然條件下不可能出現(xiàn)水汽同質(zhì)核化。】4、水滴同質(zhì)核化凍結說明在自然界存在水滴同質(zhì)核化凍結現(xiàn)象。二、云粒子的異質(zhì)核化1、云凝結核（CCN）是指在s=1.001-1.01,即f=100.1%-100.01%的水汽條件下能凝結核的核。包括可溶性核（主要尺度范圍r=0.01-0.1pm）和不可溶性核（尺度范圍r0.1pm的核相對有效）。cccc2、溶液滴表面的平衡水汽壓en公式（寇拉方程）e=e（1+-f）nsrr3可見，en由溫度效應、曲率效應、溶液效應三因素決定。

16、3、冰晶的異質(zhì)核化（冰核通常是不可溶的，其結晶結構類似于冰，而且尺度越大越有效。）三、冰晶的凝華增長dm1、水汽擴散方程（麥克斯韋公式）=4兀CD（p-p）dtvw冰晶的三種基本形態(tài)：針狀、平面狀、六角柱狀2、蒸凝過程（冰晶效應）在-12C增長最快。3、在重力作用下，水滴的下降速度不斷提高，與此同時，阻力也隨之增加，當水滴受力達到平衡時，水滴勻速下降，此時的下降速度稱為下降末速度。r50pm取斯托克斯近似C=24/Rv=Ar2Dew(2)50pmr500pmC=0.6v=CrDw分別求出半徑為40pm,500pm,1000pm的水滴的下落末速度。并對照p333表12.11。四、云滴和雨滴的碰并

17、增長1、重力碰并：是指水滴之間在重力場中因下降末速度不同而導致的碰并現(xiàn)象。則云滴半徑隨高度的增長率為：dr=qEv1ww1dZ4p（一v）w1云厚2km,具有均勻的液態(tài)水含量0.5g/m3,云頂有半徑為0.1mm的云滴穿云下落，已知平均碰并系數(shù)為0.8，計算：（1）忽略云中氣流，計算云滴從云底落出時的尺度。（2）云滴穿過云層所需的時間。（3）設云中上升氣流為20cm/s，計算云滴長到直徑0.5mm時所需的最小云厚。2、云滴的隨機碰并增長（云滴通過隨機碰并增長模式增長,可以出現(xiàn)少量的大雨滴,增長速度較快。）例：有1000個小云滴通過隨機碰并增長,概率是1/20,兩個時間段后,大中小尺度的云滴各為

18、多少個？五、冰雪晶的碰并增長1、碰凍增長（冰晶凇附增長）指冰晶與過冷水滴碰撞并凍結的增長過程,也稱凇附增長。這就是霰形成增長的基本過程,也是冰晶碰并云滴產(chǎn)生碰凍增長的基本特征。2、叢集增長過程（冰晶碰連增長）叢集增長指通過冰晶之間的相互粘連作用而增長的過程,這也是雪花的形成過程。3、冰晶的繁生由冰晶的異質(zhì)核化推理：一個冰核最多只能產(chǎn)生一個冰晶胚胎。六、層狀云降水的形成1、暖性層狀云的降水由水滴組成的暖云主要是通過云滴的重力碰并過程而長大成降水粒子的,這就是所謂的暖云過程。2、混合層狀云降水：冰晶層（v-20-5C）-冰晶、過冷水滴層（-5C溫度0C）-水滴層（溫度0C）3、暖云降水的重要機制：

19、云粒通過凝結、碰并增長-小雨，毛毛雨（雨層云例外）4、冷云（混合云）的降水機制：云粒-（凝華）-雪花松附-（碰連，聚集增長）-大雪播種-供水（混合云可降大暴雨，大暴雪）七、冰雹的形成1、冰雹包括三種降水物：霰、冰粒和雹霰：凇冰，結凇形成的冰，松散，不透明冰粒：水滴凍結形成的透明冰，堅硬，不易碎雹：是以霰、冰粒為核心，外部是透明層不透明層的分層結構，3-5層，最多28層。2、構成冰雹明暗層次的有三種冰：疏松冰（密度低，不透明，凍滴和大量小氣泡）結實冰（密度高，透明，冰晶和小量氣泡）松軟冰（密度很高，透明，冰和水混合物）3、冰雹生成的微物理過程：全部過冷水滴在冰晶上凍結稱為“干增長”，僅有一部分過冷水滴在冰晶上凍結稱為“濕增長”。4、冰雹的形成機制循環(huán)增長理論：在超級單體中，形成有組織的上升氣流和下沉氣流，組成一對互不干擾的氣流場，長時間維持。（強風暴云）可以使降水粒子在其中上下往返多次而循環(huán)增長。該理論解釋了干濕增長、分層結構、冰雹分選等現(xiàn)象