第三节 大气的增温和冷却

第三节大气的增温和冷却
一、海陆的增温和冷却的差异
1、在太阳辐射强度相同的条件下，海洋吸收的太阳能多于陆地。

（原因）—————————。

2、陆地吸收的太阳能分布在很薄的地表面，海水吸收的太阳能分布在较厚的水层中。

（原因）-------------------
3、海面蒸发量大，失热多，水温不易升高。

4、岩石和土壤的比热小于水的比热。

二、空气的增温和冷却
（一）空气的非绝热变化
空气与外界交换热量的方式：
1、传导: 交换的热量很少。

2、辐射
（1）是地气间交换热量的主要方式。

（2）大气主要依靠吸收地面的长波辐射而增热。

3、对流
是对流层中热量交换的重要方式。

4、湍流
是摩擦层中气团间热量交换的重要方式。

5、蒸发（升华）和凝结（凝华）
是对流层下半层地气间及气团间潜热交换的方式。

总结：
（1）地气间的热量交换主要是通过辐射。

（2）气团间的热量交换主要依靠对流和湍流，其次是通过蒸发和凝结。

（二）气温的绝热变化
1、绝热过程与泊松方程
（1）绝热过程：
dQ=CpdT - RTdP/P = 0
CpdT = RTdP/P (2-30)
式（2-30）将气体的压力变化和温度变化联系了起来。

空气上升，压力减少，dP﹤0，CpdT﹤0，温度降低。

空气下沉，压力增加，dP﹥0，CpdT﹥0，温度升高。

（2-32）
（2-32）式是干绝热方程，又叫泊松方程。

它给出了绝热变化时温度随气压变化的具体规律。

2、干绝热直减率(rd=1℃/100m)
绝热垂直减温率（绝热直减率）：
指空气块绝热上升单位距离时的温度降低值。

干绝热直减率：
指干空气和未饱和的湿空气上升单位距离时的温度降低值。

rd与r（气温直减率）的含义完全不同。

rd是干空气在绝热上升过程中气块本身的降温率，近于常数。

r是表示周围大气的温度随高度的分布情况。

r可以大于、小于或等于rd。

湿绝热直减率(rm) ：
饱和湿空气上升时，温度随高度的变化是由两种作用引起的：
（1）由气压变化引起的。

（2）由水汽凝结时释放潜热引起的。

有水汽凝结时，空气上升所引起的降温将比没有水汽凝结时要缓慢。

湿绝热直减率rm的表达式如下：
（2-41）
当饱和湿空气上升时，dZ﹥0,dqs﹤0; 下降时，dZ﹤0,dqs﹥0。

所以，rm总小于rd。

rm﹤rd, rm不是常数，是气压和温度的函数。

rm随温度升高和气压减小而减小。

饱和空气每上升同样的高度，在温度高时比温度低时能释放出更多的潜热。

因此，在气压一定的条件下，高温时空气湿绝热直减率比低温时小一些。

在气温一定的条件下，气压高时空气湿绝热直减率比气压低时大一些。

3、位温和假相当位温
（1）位温：把各层中的气块循着干绝热的程序订正到一个标准高度（1000hPa）处，这时所具有的温度称为位温，
根据泊松方程，位温的表达式如下：
（2-24）
上式中，T、P分别为干绝热过程起始时刻的温度和气压。

在干绝热过程中，气块的位温不变。

在湿绝热过程中，由于有潜热的释放或消耗，位温是变化的。

假绝热过程：
假设水汽一经凝结，其凝结物便脱离原上升的气块而降落，而把潜
热留在气块中来加热气团，这种过程称为假绝热过程。

假相当位温（）：
在假绝热过程中，当气块中含有的水汽全部凝结降落时，所释放
的潜热使原气块的位温提高到极值，这个数值称为假相当位温。

（2-43）
式中，q是气块在1000hPa处，1g湿空气所含的水汽量。

在同一时间对同一团空气而言，其温度的变化是空气块的绝热变化和非绝热变化共同引起的。

当空气团停留在某地或在地面附近作水平运动时，气温的非绝热变化为主。

空气团作升降运动时，气温的绝热变化为主。

三、空气温度的个别变化和局地变化
1、空气温度的个别变化：
指单位时间内个别空气质点温度的变化。

包括空气块在运行中随时间的绝热变化和非绝热变化。

2、气温的局地变化：
指某一固定地点气温随时间的变化。

3、温度的平流变化：
由于空气的移动所造成的某地温度的变化。

4、温度的局地变化决定于三方面因子：
（1）温度的平流变化
（2）温度的垂直变化
（3）热流入量的影响
四、大气静力稳定度
（一）大气稳定度的概念
1、大气稳定度：
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。

（2-59）
上式是判别稳定度的基本公式。

当空气块温度比周围高时，即Ti﹥T，则它将受到一个向上的加速度而上升；当Ti﹤T时，将受到向下的加速度；当Ti = T时，垂直运动将不会发展。

（二）判断大气稳定度的基本方法
（2-60）
当r﹤rd，若﹥0，则a﹤0，加速度与位移方向相反，气层稳定。

当r ﹥rd，若﹥0，则a ﹥0，加速度与位移方向一致，气层不稳定。

当r = rd，a = 0，气层是中性的。

结论：
1、r越大，大气越不稳定；r越小，大气越稳定。

如果r很小。

甚至等于零（等温）或小于零（逆温），将阻碍对流发展。

2、当r﹤rm时，大气绝对稳定；
当r﹥rd时，大气绝对不稳定。

3、当rd﹥r﹥rm时，对于作垂直运动的饱和空气来说，大气不稳定；对于作垂直运动的未饱和空气来说，大气又是稳定的。

（三）不稳定能量的概念
1、不稳定能量：
指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。

2、气层提供给气块的不稳定能分为三种情况：
（1）不稳定型：气块温度始终高于周围大气温度。

（2）稳定型：气块稳定始终低于周围大气的温度。

（3）潜在不稳定型：
（四）位势不稳定
当整层空气被抬升时造成的气层不稳
定，称为位势不稳定。