《气象学与气候学》PPT课件

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1、气 象 学 与 气 候 学第 二 章 大 气 的 热 能 和 温 度大 气 温 度 的 时 间 变 化 和 空 间 分 布 2006-9-30 2 大 气 稳 定 度 (atmospheric stability) 空 气 在 上 升 过 程 中 的 绝 热 变 化 是 大 气 中 降 温 最 快的 过 程 ； 上 升 过 程 中 的 绝 热 变 化 会 导 致 水 汽 的 凝 结 ， 这 是大 气 中 云 、 雾 、 雨 、 雪 形 成 的 最 重 要 的 原 因 ； 因 此 ， 判 断 大 气 中 是 否 会 产 生 云 雾 ， 主 要 就 是 看大 气 中 是 否 会 产 生 上 升 运

2、 动 ； 判 断 空 气 是 否 会 产 生 上 升 运 动 ， 就 要 看 空 气 在 铅直 方 向 上 位 置 稳 定 的 程 度 ， 即 大 气 稳 定 度 。 2006-9-30 3 大 气 稳 定 度 (atmospheric stability) 大 气 稳 定 度 是 指 气 块 受 任 意 方 向 扰 动 后 ， 返 回 或 远 离 原 平衡 位 置 的 趋 势 和 程 度 。 它 表 示 在 大 气 层 中 的 个 别 空 气 块 是 否 安 于 原 在 的 层 次 ， 是否 易 于 发 生 垂 直 运 动 ， 即 是 否 易 于 发 生 对 流 。 假 如 有 一 团空 气

3、 受 到 对 流 冲 击 力 的 作 用 ， 产 生 了 向 上 或 向 下 的 运 动 ，那 末 就 可 能 出 现 三 种 情 况 ：1、 如 果 空 气 团 受 力 移 动 后 ， 逐 渐 减 速 ， 并 有 返 回 原 来 高 度的 趋 势 ， 这 时 的 气 层 ， 对 于 该 空 气 团 而 言 是 稳 定 的(stable) ；2、 如 空 气 团 一 离 开 原 位 就 逐 渐 加 速 运 动 ， 并 有 远 离 起 始 高度 的 趋 势 ， 这 时 的 气 层 ， 对 于 该 空 气 团 而 言 是 不 稳 定 的(unstable) ；3、 如 空 气 团 被 推 到 某

4、一 高 度 后 ， 既 不 加 速 也 不 减 速 ， 这 时的 气 层 ， 对 于 该 空 气 团 而 言 是 中 性 气 层 (neutral) 。 2006-9-30 4 判 断 大 气 稳 定 度 的 基 本 方 法 0 , P0 , T0 0 , P0 , T0 , P, T , P , T z 用状态方程代入： gTTTa 由此可见空气的稳定度取决于气块与周围空气的温度差。 2006-9-30 5 RTRT = TT gmTTTgmgmVgGF 11 设 气 块 在 起 始 位 置 高 度 的 温 度 和 环 境 温 度 相 同 ， 均 等 于 T 0， 于 是 ： 0 dTTT

5、dTTT 0 将 dZdTd 与 dZdT 代 入 上 式 有 ： dZTT d 0 ， dZTT 0 （ 对 于 未 饱 和 空 气 干 空 气 按 d变 化 ） dZTT d)( 将 代 入 式 ， 得 gdZmTGF d 1 2006-9-30 6 讨 论 ： 0 d 气 块 上 升 时 ， dZ ， 001 aGF ， 符 合 不 稳 定 条 件 ； 气 块 下 降 时 ， dZ 。 001 aGF ， 符 合 不 稳 定 条 件 。 0 d 无 论 上 升 、 下 降 均 属 于 不 稳 定 状 态 。 0 d 气 块 上 升 ， dZ ， 001 aGF ， 稳 定 状 态 ； 气

6、 块 下 降 ， dZ 。 001 aGF ， 稳 定 状 态 。 在 此 状 态 下 ， 不 易 扩 散 。 =0 等 温 ； 0 逆 温 是 稳 定 状 态 中 更 稳 定 的 状 态 。 0 d 001 aGF ， 中 性 状 态 。 2006-9-30 7 2006-9-30 8 判 断 大 气 是 否 稳 定 ： 对 于 未 饱 和 空 气 、 干 空 气 ， 可 利 用 0d 来 判 断 ； 而 对 饱 和 空 气 而 言 ， 用 0m 来 判 别 ， 一 般 实 验 时 用 此 法 ， 但 不 实 用 ， 实 际 应 用 中 常 用 另 一 种 方 法 。 用 位 温 梯 度 判

7、 别 dTZ 时 ， 气 层 中 性， 时 ， 气 层 不 稳 定， 时 ， 气 层 稳 定， dddZZZ 000 2006-9-30 9 用 层 结 曲 线 （ 大 气 温 度 随 高 度 变 化 曲 线 ） 和 状 态 曲 线 （ 即 上升 空 气 块 的 温 度 随 高 度 的 变 化 曲 线 ） 的 分 布 来 判 断 大 气 稳 定 度 。 2006-9-30 10 稳 定 度 的 综 合 判 定 方 法 :综合干空气和未饱和湿空气的判定方法，可归纳如下： m 绝对稳定 m d 绝对不稳定。 以上判定方法可用如下的数轴表示：m d绝对稳定绝对不稳定条件性不稳定干稳湿中性干中性湿不稳

8、 2006-9-30 11 不 稳 定 能 量 不 稳 定 能 量 就 是 气 层 中 可 使 单 位 质 量 空 气块 离 开 初 始 位 置 后 作 加 速 运 动 的 能 量 。 气 层 能 提 供 给 气 块 的 不 稳 定 能 可 分 为 下 述三 种 情 况 ： 2006-9-30 12 大 气 稳 定 度 对 大 气 污 染 的 影 响 大 气 稳 定 度 对 烟 流 扩 散 有 很 大 的 影 响 ， 不 同 稳 定 度 导 致 从 烟 囱排 出 的 烟 羽 形 状 不 同 。 下 面 是 与 稳 定 度 有 关 的 五 种 典 型 烟 流 ： 平 展 型 漫 烟 型 波 浪

9、型 熏 烟 型 扇 型 锥 型 爬 升 型 屋 脊 型 2006-9-30 13 大 气 温 度 随 时 间 的 变 化 气 温 随 时 间 的 变 化 有 两 种 周 期 ： 年 变 化 和日 变 化 。 气 温 的 周 期 性 变 化 类 似 于 正 弦 函 数 的 变 化 ，因 此 可 用 与 正 弦 函 数 类 似 的 几 个 特 征 量 来表 示 其 变 化 规 律 。 表 示 正 弦 函 数 的 特 征 量 有 ： 平 均 值 振 幅 位 相 2006-9-30 14 类 似 地 可 引 出 表 示 温 度 变 化 的 特 征 量 ： 平 均 温 度 (mean temperatu

10、re)： 日 平 均 温 度 、 年平 均 温 度 振 幅 (amplitude) 又 叫 变 幅 、 较 差 (range)， 即一 个 周 期 中 最 高 值 与 最 低 值 之 差 。 日 较 差 (diurnal range) ： 一 天 中 气 温 最 高 值 与 最低 值 之 差 。 年 较 差 (annual range) ： 一 年 内 最 热 月 与 最 冷 月的 月 平 均 温 度 之 差 。 位 相 (phase)： 温 度 最 高 值 与 最 低 值 出 现 的 时 间 。 2006-9-30 15 气 温 的 周 期 性 变 化 2006-9-30 16 影 响 气

11、温 日 较 差 的 因 素 ： 1) 纬 度 (latitude)： 日 较 差 随 纬 度 减 小 。 因 高 纬 度白 天 气 温 低 、 夜 间 有 效 辐 射 少 。 2) 季 节 (season) ： 夏 季 大 、 冬 季 小 ， 但 最 大 在 春季 ， 最 小 在 冬 季 3) 地 形 (geographical relief)： 凸 地 变 幅 小 ， 凹 地变 幅 大 ， 因 为 凹 地 白 天 散 热 慢 ， 夜 间 有 效 辐 射 强 4) 下 垫 面 性 质 (features of underlying surface)：水 面 上 日 较 差 小 ， 陆 地 上

12、大 5) 天 气 (weather)： 晴 天 日 较 差 大 于 阴 天 2006-9-30 17 (2)气 温 的 年 变 化 (annual variation) 特 点 ： 回 归 线 以 外 的 地 区 为 单 波 型 ： 最 高 为 7月 ,最 低 为 1月 ,海 上 落 后 一 个 月 ； 回 归 线 之 间 赤 道 附 近 地 区 为 双 波 型 ： 最 高为 4、 10月 ， 最 低 为 7， 1月 。 原 因 ： 太 阳 直 射 点 的 季 节 变 化 ， 在 赤 道 附近 地 区 ， 一 年 有 两 次 太 阳 直 射 。 2006-9-30 18 辐射日总量(J/m 2

13、d)夏至秋分冬至春分冬至0102030405060708090纬度 2006-9-30 19 2006-9-30 20 2006-9-30 21 2.气 温 的 非 周 期 性 变 化 (non-periodic variation of air temperature) 变 化 原 因 ： 天 气 突 变 大 规 模 冷 暖 空 气 的 活 动 2006-9-30 22 大 气 温 度 的 空 间 分 布 气 温 垂 直 梯 度 ： 气 温 随 高 度 的 分 布 ， 称 为 温 度 层 结(temperature stratification)。 大 气 温 度 的 铅 直 分布 一 般

14、用 气 温 垂 直 梯 度 （ 气 温 直 减 率 ， vertical temperature gradient） 来 表 示 。 气 温 直 减 率 （ ） ： 实 际 气 层 中 高 度 每 变 化 单 位高 度 时 气 温 的 降 低 值 。 在 对 流 层 中 ， 气 温 随 高 度的 升 高 而 降 低 ， 0 。 但 的 值 是 随 时 、 随 地 改 变 的 ， 不 是 常 数 ！ 请 注 意 与 d 、 m的 区 别 ！ 2006-9-30 23 逆 温1、 定 义 ： 温 度 随 高 度 的 增 加 而 增 加 ， 此 时 。2、 逆 温 与 研 究 污 染 有 关 的 因

15、 素 ： 逆 温 层 的 消 失 时 间 ； 逆 温 层 底 的 高 度 ； 逆 温 层 的 厚 度 ； 逆 温 的 强 度 （ 温 度 随 高 度 的 变 化 情 况 ） 。 不 同 季 节 都 应 掌 握 上 述 数 据 。 逆 温 的 最 危 险 状 况 是 逆 温 层 正 好 处 于 烟 囱 排 放 口 。3、 逆 温 形 成 的 过 程 形 成 逆 温 的 过 程 多 种 多 样 ， 最 主 要 有 以 下 几 种 ： 辐 射 逆 温 （ 较 常 见 ） ； 平 流 逆 温 ； 锋 面 逆 温 ； 湍 流 逆 温 ； 下 沉 逆 温 。 0dZdT 2006-9-30 24 辐 射

16、逆 温 (radiation inversion)： 晴 朗 微 风的 夜 晚 ， 地 面 因 强 烈 的 有 效 辐 射 而 降 温 ，形 成 温 度 上 高 下 低 的 现 象 。 平 流 逆 温 (advection inversion) ： 暖 空 气 流到 冷 的 下 垫 面 上 而 形 成 的 逆 温 。 下 沉 逆 温 (subsidence inversion) ： 由 于 空气 下 沉 ， 绝 热 增 温 而 形 成 的 逆 温 。 锋 面 逆 温 (frontal inversion) ： 在 冷 暖 空 气的 过 渡 带 形 成 的 逆 温 。 2006-9-30 25祝 同 学 们 假 期 快 乐 ， 注 意 安 全 ! 2006-9-30 26 作 业 写 出 等 温 大 气 压 高 方 程 的 表 达 式 ， 举 例 说明 其 应 用 的 方 面 。 求 出 气 压 为 1000hPa， 气 温 分 别 为 30 和 30 的 饱 和 湿 空 气 的 虚 温 差 。 说 明 虚 温差 在 高 温 ， 高 湿 时 大 ， 还 是 低 温 ， 低 湿 时大 ？ 为 何 湿 绝 热 直 减 率 小 于 干 绝 热 直 减 率 ？ 的 大 小 与 什 么 有 关 ?如 何 通 过 ， ， 判断 大 气 的 层 结 稳 定 度 ?m mm d