《干絕熱過程》PPT課件

6.2 干絕熱過程和位溫,6.2.1 絕熱過程,任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態(tài)變化過程，叫做絕熱過程(Adiabatic process) 。 干空氣或未飽和濕空氣塊絕熱變化時，氣塊內(nèi)部沒有發(fā)生水相變化，稱作干絕熱過程(Dry adiabatic process)。例如，干空氣塊升降，未飽和濕空氣塊的升降過程。 飽和濕空氣塊絕熱變化時，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且凝結(jié)物全部留在氣塊內(nèi)，稱作濕絕熱過程(Wet adiabatic process)。 飽和濕空氣塊絕熱變化時，氣塊內(nèi)部有發(fā)生水相變化且凝結(jié)物部分或全部降落離開氣塊，稱作假絕熱過程(Pseudo adiabatic process)。,第3章 大氣熱力學(xué),6.2.2 干絕熱方程,對于干絕熱過程，dQ=0, 因此，干空氣熱力學(xué)第一定律為：,或,從初始狀態(tài)(T0,P0)到任意狀態(tài)(T,P)積分，得：,上式就是干空氣或未飽和濕空氣的絕熱方程，即干絕熱方程，也稱為泊松方程,它反映了干絕熱過程中，氣塊溫度和氣壓間關(guān)系,有時也使用泊松方程的近似式：,考慮到實際大氣中的比濕 q<0.04 kg/kg,所以（6.2.2）式可近似表示為,k = 0.286,對于未飽和濕空氣,二、干絕熱減溫率,定義：作干絕熱升降運動的氣塊溫度隨高度的變化率，稱為干絕熱遞減率。對于未飽和濕空氣塊的干絕熱減溫率為V 公式為:,2. 對于干潔大氣，d的數(shù)值,在熱流量方程中令dQ = 0, 并整理得,把準(zhǔn)靜力條件，大氣靜力方程和環(huán)境空氣狀態(tài)方程代入，有,由于,因此可近似為,所以,三、位溫,1. 定義：把空氣塊干絕熱膨脹或壓縮到標(biāo)準(zhǔn)氣壓時應(yīng)有的溫度。用表示，未飽和濕空氣和干潔大氣位溫其定義式為,同樣，可以定義一個虛位溫v ：,虛位溫與位溫的關(guān)系是:,上式中 應(yīng)是T、p和q的函數(shù)，p00是標(biāo)準(zhǔn)氣壓（常取1000hPa）。,虛位溫與位溫的關(guān)系是大氣熱力學(xué)、大氣動力學(xué)、邊界層氣象學(xué)和云霧降水物理學(xué)中非常有用的一個參數(shù)。,2. 位溫的守恒性,(6.2.8)兩邊取對數(shù)然后微分，可得,對熱流量方程 兩邊同除以cpT, 則有,比較上兩式可得，,由上式可以得出結(jié)論：空氣塊吸收熱量時位溫增加；放出熱量時位溫降低；干絕熱過程是等熵過程，位溫保持不變，即干絕熱過程中位溫是守恒量。,熱力學(xué)第一定律的形式之一,溫度對數(shù)壓力圖解：橫坐標(biāo)溫度T，縱坐標(biāo)對數(shù)壓力-lnp，該圖上干絕熱過程線為一直線，稱為干絕熱線。干絕線上位溫是不變的，因此又稱等位溫線。,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。位溫在研究大氣過程時是很重要的。由于它不隨氣塊高度（或壓強）的改變而改變，好像是一種性質(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。,(6.2.8)式兩邊取對數(shù)再對z求導(dǎo)，得,3. 位溫垂直分布與大氣垂直減溫率,其中 稱為大氣溫度直減率。 因此，位溫的垂直變化率是和(d)成正比的。在對流層內(nèi)，一般情況下大氣垂直減溫率 <d，所以有 ,即位溫是隨高度增加而增加的。,常用來表示大氣的層結(jié)，在討論大氣穩(wěn)定度時是一個重要的關(guān)系式。,4. 抬升凝結(jié)高度,未飽和濕空氣塊被外力強迫抬升時，因為上升速度快，可以認為是絕熱的。氣塊上升時的干絕熱減溫率遠大于它的露點遞減率，氣塊的溫度和露點將逐漸接近，在某一高度達到飽和并發(fā)生凝結(jié)。這個濕空氣塊因絕熱抬升而達到飽和的高度稱為抬升凝結(jié)高度(簡稱LCL)。,用e Td Lv分別代替方程中的p T L，且由于 2 1,又由 取對數(shù)求導(dǎo)可得，,（1）露點隨高度變化,（2） 抬升凝結(jié)高度的估算公式,若取 Te=288K Td=280K, 則,抬升凝結(jié)高度的估算公式為：,上式可用來估算對流云底高度。但由于地面的溫度露點差對zc值的影響很大，而它在一天中可變化幾度，不易選擇恰當(dāng)?shù)臄?shù)值；再加上對氣塊垂直運動所作的絕熱假定與實際情況有一定差距，因此推算的云底高度與實測的云底高度有時相差很大。,結(jié)果說明：干絕熱過程中露點以1.7K/km的變化率向上遞減，但氣塊溫度9.8K/km變化，下降得更快，在溫度和露點相等的高度就會達到凝結(jié)。,（6.2.23）,濕絕熱直減率（ ）：濕絕熱過程中，氣塊溫度隨高度的遞減率。,可證明：,第3章 大氣熱力學(xué),3.3 濕絕熱過程,3.3.2 濕絕熱直減率,特征： I） ，故濕絕熱線總在干絕熱線之右； II）不是常數(shù)，是氣溫和氣壓的函數(shù)。 III）高溫時，比濕大、凝結(jié)量多，故小，低溫時相反。,dT,dT,假絕熱過程特點：未飽和濕空氣塊剛開始上升時，按干絕熱直減 率降溫，至凝結(jié)高度后，若繼續(xù)上升，則按濕絕熱直減率降溫，此時 發(fā)生水汽凝結(jié)，若凝結(jié)物部分或全部降落離開氣快，則當(dāng)其下降時， 將按干絕熱直減率或介于干、濕絕熱直減率之間的直減率升溫，當(dāng)其 回到原來高度時，溫度將高于上升前的溫度，這個過程是不可逆過 程，即這種狀態(tài)變化過程中位溫不再守衡。因此，需定義一個新物理 量，能在所有絕熱過程中都守衡，即假相當(dāng)位溫。,第四節(jié) 大氣中的濕絕熱過程,大氣中有相變發(fā)生的絕熱過程,一、兩種極端情況,1. 可逆濕絕熱過程,水汽相變所產(chǎn)生的水成物不脫離原氣塊，始終跟隨氣塊上升或下降，所釋放的潛熱也全部保留在氣塊內(nèi)部。,2. 假絕熱過程,水汽相變產(chǎn)生的水成物全部脫離氣塊，但所釋放的潛熱仍留在氣塊中。,注：實際大氣的濕絕熱過程往往處于以上兩者之間。,此式即是常用的討論飽和氣塊上升運動時的熱量方程，這三項可認為分別代表了顯熱、膨脹功和潛熱。,可逆飽和絕熱過程可用含液態(tài)水飽和氣塊的等熵過程表達式,由于rw= 0，故將上式中水質(zhì)物混合比rt換成飽和水汽混合比rs ，即可得到假絕熱方程為,一般情況下 ，所以可得近似的假絕熱方程,二、濕絕熱減溫率s,濕絕熱過程的溫度遞減率在各種情形之間的差異不大，故用假絕熱過程的溫度遞減率來近似所有濕絕熱情形下的溫度遞減率。,未飽和濕空氣干絕熱上升達到凝結(jié)高度以后，水汽就開始凝結(jié)并放出潛熱。如果此飽和氣塊繼續(xù)上升，則由于釋放的潛熱能加熱氣塊，氣塊的溫度遞減率將小于d。,對z求導(dǎo)數(shù),三、假相當(dāng)位溫se,1. 公式,在上升過程中，由于drs0. 當(dāng)drs=0時，se達最大，現(xiàn)在求這個最大的se。,定義：未飽和濕空氣塊上升，直到氣塊內(nèi)水汽全部凝結(jié)降落后，再按干絕熱下沉到1000百帕處，此時氣塊所具有的溫度稱為該氣塊的假相當(dāng)位溫，通常以se表示。也就是說se相當(dāng)于濕空氣通過假絕熱過程把它包含的水汽全部凝結(jié)降落完后所具有的位溫。,考慮到濕絕熱上升過程中，T的變化不大，故設(shè),所以上式化為,兩邊積分，rs: rsc0；:cse（從凝結(jié)高度開始積分）,或者 rs: rs0；:se（從高于凝結(jié)高度的任意高度開始積分）,2. 性質(zhì)：se在氣塊升降過程中是個保守量。,對方程（6.3.8）取對數(shù)，并對z求導(dǎo)得假相當(dāng)位溫遞減率,上式說明，在飽和氣層中假相當(dāng)位溫是一個常數(shù)。,同樣地，根據(jù)（6.3.8），對于未飽和濕空氣塊，假相當(dāng)位溫亦不變（請自學(xué)）。綜上所述，假相當(dāng)位溫在干、濕絕熱過程中均是保守的。由于假相當(dāng)位溫的保守性，天氣學(xué)上常用它作氣團和鋒面的分析。,焚風(fēng)（Foehn Wind）是指氣流過山以后形成的干而暖的地方性風(fēng)，最初專指阿爾卑斯山區(qū)的焚風(fēng)。從地中海吹來的濕潤氣流到達阿爾卑斯山南坡，受到山脈的阻擋而逐漸爬升，水汽凝結(jié)且部分降落，氣流過山后下沉增溫，形成焚風(fēng)。山脈北麓的氣溫比南麓同高度處平均約高1012，相對濕度平均下降4050%。焚風(fēng)干而暖的氣流在寒冷季節(jié)能促使冰雪溶化，在溫暖季節(jié)能促使作物早熟。但是若焚風(fēng)過強，也可使植物干枯而死，并且容易引發(fā)森林火災(zāi)。,假絕熱過程的例子:,四、溫濕參量,1. 相當(dāng)溫度和濕球溫度：討論由未飽和濕空氣和水組成的單位質(zhì)量系統(tǒng)，通過等壓絕熱過程，引入很重要的兩個溫濕特征量，即（等壓）濕球溫度和（等壓）相當(dāng)溫度，簡稱濕球溫度和相當(dāng)溫度。,等壓絕熱過程是等焓過程中，某個狀態(tài)（p, T）的比焓是,另一個狀態(tài)（p, T）的比焓是,由于是等焓過程, h=h, 所以,式中的cpdT 和cpdT 分別是上述兩種狀態(tài)的干空氣比焓，氣象學(xué)上稱為顯熱能；Lvr和 Lvr 被稱為潛熱能。(6.7.2)式表明，等壓絕熱過程中顯熱能與潛熱能之和近似不變。在等壓絕熱蒸發(fā)過程中，顯熱能不斷轉(zhuǎn)變成潛熱能，顯熱能減少，而潛熱能增加。 下面討論兩種極端情況：,（1）假設(shè)系統(tǒng)經(jīng)過等壓絕熱凝結(jié)過程（假想的過程）成為干燥空氣，水汽全部凝結(jié)并放出潛熱使空氣升溫，空氣的最終溫度Te應(yīng)為 Te被稱為相當(dāng)溫度或等壓相當(dāng)溫度。但是，由于在絕熱的孤立系中，水汽未飽和時不可能自動凝結(jié)，只會自動蒸發(fā)，故自然界中并不存在等壓絕熱凝結(jié)過程，只存在其逆過程即等壓絕熱蒸發(fā)過程。因此可將相當(dāng)溫度定義成為：系統(tǒng)經(jīng)等壓絕熱蒸發(fā)過程成為濕空氣（p,T, r）以前，絕對干燥的空氣所應(yīng)具有的溫度。也就是說相當(dāng)溫度是這個等壓絕熱蒸發(fā)過程中所可能有過的最高溫度。 類似的，可以定義相當(dāng)位溫。 基本不用,（2）假設(shè)系統(tǒng)由等壓絕熱蒸發(fā)過程達到飽和，此時液態(tài)水尚未蒸發(fā)完，溫度已不再下降，此時有 式中Tw稱為濕球溫度，這是在等壓絕熱蒸發(fā)過程中，系統(tǒng)內(nèi)的液態(tài)水蒸發(fā)使空氣降溫，達到飽和時空氣所具有的溫度，是這個過程中的最低溫度。這是理論上的濕球溫度，也稱等壓濕球溫度。 下面將介紹與它們差別不大卻容易由圖解確定的兩個溫濕參量絕熱相當(dāng)溫度和絕熱假濕球溫度，即假相當(dāng)溫度和假濕球溫度。,假濕球溫度和假濕球位溫,在?，攬D上圖6.12，空氣由原來的狀態(tài)A沿干絕熱線上升，到達抬升凝結(jié)高度C后再沿假絕熱線下降到原來的氣壓處B，則B處的溫度即為假濕球溫度或稱絕熱濕球溫度，以Tsw表示。 假濕球位溫sw就是將假濕球溫度Tsw沿著假絕熱線降到1000hPa處所具有的溫度。顯然，假濕球位溫在干絕熱和濕絕熱過程中都是保守的。,假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)溫度,各溫濕參量間的關(guān)系： Tsw < Tw < T < Te < Tse， sw < < se,第四節(jié)小結(jié),濕絕熱過程定義以及兩種極端過程。 濕絕熱減溫率與干絕熱減溫率之間的大小關(guān)系，會解釋其原因。 假相當(dāng)位溫和假相當(dāng)溫度的定義。 假相當(dāng)位溫的保守性。 焚風(fēng)效應(yīng)(現(xiàn)象)的定義和原因。,第五節(jié) 熱力學(xué)圖解,優(yōu)點：簡單、直觀,缺點：誤差比公式計算的大,熱力學(xué)圖解法適用于：,1）精度要求不高的業(yè)務(wù)工作；,2）需要獲得直觀認識的場合,公式法適用于理論研究，精度要求高的業(yè)務(wù)工作。,常用的熱力學(xué)圖解有T-lnp圖、溫熵圖等,自學(xué) !,