第四章大气热力学
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dQ == mCvdT + PdV
热力学第一定律在大气中的应用
(二）干空气的热力学第一定律
干空气的状态方程
PV = mRT
Thus, d（PV）= VdP + PdV = mRdT
PdV = mRdT -- VdP = mRdT -- （mRT/P)dP
and Cv + R = Cp , So, we have: dQ = mCpdT -- (mRT/P)dP dq == CpdT -- (RT/P)dP
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
气块在受到扰动后上升z高度后自身产生的加速度取 决于气块受到的合力。
1 p g d
z
dt
p p,, p p, ,g z z
d 1 (,g) g g (, )
dt
,
p, RT ,
d dt
g
T
T, T,
T, T0 dz T T0 ddz
气象学与气候学 Meteorology and Climatology
第四章 大气热力学
主讲：蔡绪贻
中国地质大学（北京）
热力学第一定律在大气中的应用
(一) 什么热力学第一定律 ? 热力学第一定律就是能量守恒定律在理想气
体中的应用。对某质量为m的大气块，其内 能的变化是由于它吸收外界的热量和反抗 外力所做的功所引起的。
大气层结稳定度
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) 。
是指相对于小尺度扰动的稳定度 4。扰动：动力的扰动因子；热力的扰动因子
举例说明
大气层结稳定度
5。局部气块垂直运动，或成层垂直运动。但不 是大尺度的运动，如大气环流的稳定性分析。
6。复杂系统的稳定性分析是数学的一个分支。 7。大气层结稳定性分析的判据：
温度，位温，不稳定能量等 8。大气层结稳定性分析的意义：
干绝热(上升空气块的）温度的直减率
d
dt dz
g Cp
0.98K /100m
大气实际的温度的直减率
T z
dt dz
d
干絕熱過程和位溫
位温θ 1。定义：就是一个给定的干空气块经过绝热
膨胀或压缩过程，当其压力为一个标准大 气压时所对应的温度。
2。
T(1000)0.286
P
干絕熱過程和位溫
湿绝热过程
气象预报；污染物运移。
大气层结稳定度
• 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：
假相当位温
se
A
EXP
(
Lq A CPTB
)
se
d
EXP
(
sLv CpdT
)
假绝热过程和假相当温度
焚风
大气层结稳定度
1。大气层结 Atmosphere Layer Structure Atmospheric Stratification 温度层结，湿度层结
2。大气层结由什么因素决定的 ？（对流层 ） 3。大气静力稳定度 == 大气层结温定度（Stability）
空气块
周围大气
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空气块的）温度的直减率 力学平衡 P=p；dP=dp；
dP g, dP gdZ dp dZ
绝热
dt Rt dp Rt gdZ
Cpp
Cpp
P RT
dt Rt P gdZ g t P dZ g dz
Cpp RT
Cp T p
Cp
干絕熱過程和位溫
热力学第一定律在大气中的应用
(三）飽和濕氣的熱力學第一定律 dQ—LdC == CpdT—(RT/P)dP
（四）非饱和湿气的热力学第一定律 作业：请推导出非饱和湿气的热力学
第一定律。
干絕熱過程和位溫
（一）概念 封闭体系与开放体系 环境和绝热过程
（二）干絕熱方程
CpdT
RT P
dP
dQ
0
dT T
R Cp
dP P
干絕熱過程和位溫 泊松方程
T T0
Rd
P P0
Cp
P P0
0.288
干绝热温度的直减率
1。绝热直减率 气块绝热上升单位距离时温度的降低值。 2。推导：主要假设 A。周围大气满足静力学方程； B。气块在运动中与周围大气保持力学和
热力学平衡状态。
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空块的）温度的直减率
• 凝结高度 • 湿绝热（上升或下降）过程 • 湿绝热（上升空气快）温度直减率
s
dT dz
源自文库
d
L Cp
dqs dz
dqs d (0.622 es ) F(T, P)
dz dz
P
湿绝热过程
作业：请推导出湿绝热过程露点温度直减率。
假绝热过程和假相当温度
假（拟）绝热过程（Pseudo adiabatic process ）： Saturation adiabatic process in which the condensed water particles are removed from the system. Such a process is represented in meteorology by the removal of precipitation from rising air.
大气层结稳定度
大气层结稳定度
• 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。
假绝热过程和假相当温度
假绝热过程的特点：1。气块不再是 封闭体系；2。有物质质量交换；3。 有能量交换；4。有熵交换；。。。。 5。不再是可逆过程； 但是，这些交换量很小，可不考虑。 可近似地把这气块当作一个封闭体系。
假绝热过程和假相当温度
Z
B A
C D
X
假绝热过程和假相当温度
C D
假绝热过程和假相当位温
热力学第一定律在大气中的应用
(二）干空气的热力学第一定律
干空气的状态方程
PV = mRT
Thus, d（PV）= VdP + PdV = mRdT
PdV = mRdT -- VdP = mRdT -- （mRT/P)dP
and Cv + R = Cp , So, we have: dQ = mCpdT -- (mRT/P)dP dq == CpdT -- (RT/P)dP
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
大气层结稳定度
气块在受到扰动后上升z高度后自身产生的加速度取 决于气块受到的合力。
1 p g d
z
dt
p p,, p p, ,g z z
d 1 (,g) g g (, )
dt
,
p, RT ,
d dt
g
T
T, T,
T, T0 dz T T0 ddz
气象学与气候学 Meteorology and Climatology
第四章 大气热力学
主讲：蔡绪贻
中国地质大学（北京）
热力学第一定律在大气中的应用
(一) 什么热力学第一定律 ? 热力学第一定律就是能量守恒定律在理想气
体中的应用。对某质量为m的大气块，其内 能的变化是由于它吸收外界的热量和反抗 外力所做的功所引起的。
大气层结稳定度
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) 。
是指相对于小尺度扰动的稳定度 4。扰动：动力的扰动因子；热力的扰动因子
举例说明
大气层结稳定度
5。局部气块垂直运动，或成层垂直运动。但不 是大尺度的运动，如大气环流的稳定性分析。
6。复杂系统的稳定性分析是数学的一个分支。 7。大气层结稳定性分析的判据：
温度，位温，不稳定能量等 8。大气层结稳定性分析的意义：
干绝热(上升空气块的）温度的直减率
d
dt dz
g Cp
0.98K /100m
大气实际的温度的直减率
T z
dt dz
d
干絕熱過程和位溫
位温θ 1。定义：就是一个给定的干空气块经过绝热
膨胀或压缩过程，当其压力为一个标准大 气压时所对应的温度。
2。
T(1000)0.286
P
干絕熱過程和位溫
湿绝热过程
气象预报；污染物运移。
大气层结稳定度
• 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：
假相当位温
se
A
EXP
(
Lq A CPTB
)
se
d
EXP
(
sLv CpdT
)
假绝热过程和假相当温度
焚风
大气层结稳定度
1。大气层结 Atmosphere Layer Structure Atmospheric Stratification 温度层结，湿度层结
2。大气层结由什么因素决定的 ？（对流层 ） 3。大气静力稳定度 == 大气层结温定度（Stability）
空气块
周围大气
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空气块的）温度的直减率 力学平衡 P=p；dP=dp；
dP g, dP gdZ dp dZ
绝热
dt Rt dp Rt gdZ
Cpp
Cpp
P RT
dt Rt P gdZ g t P dZ g dz
Cpp RT
Cp T p
Cp
干絕熱過程和位溫
热力学第一定律在大气中的应用
(三）飽和濕氣的熱力學第一定律 dQ—LdC == CpdT—(RT/P)dP
（四）非饱和湿气的热力学第一定律 作业：请推导出非饱和湿气的热力学
第一定律。
干絕熱過程和位溫
（一）概念 封闭体系与开放体系 环境和绝热过程
（二）干絕熱方程
CpdT
RT P
dP
dQ
0
dT T
R Cp
dP P
干絕熱過程和位溫 泊松方程
T T0
Rd
P P0
Cp
P P0
0.288
干绝热温度的直减率
1。绝热直减率 气块绝热上升单位距离时温度的降低值。 2。推导：主要假设 A。周围大气满足静力学方程； B。气块在运动中与周围大气保持力学和
热力学平衡状态。
干絕熱過程和位溫
干绝热（上升空块的）温度的直减率
• 凝结高度 • 湿绝热（上升或下降）过程 • 湿绝热（上升空气快）温度直减率
s
dT dz
源自文库
d
L Cp
dqs dz
dqs d (0.622 es ) F(T, P)
dz dz
P
湿绝热过程
作业：请推导出湿绝热过程露点温度直减率。
假绝热过程和假相当温度
假（拟）绝热过程（Pseudo adiabatic process ）： Saturation adiabatic process in which the condensed water particles are removed from the system. Such a process is represented in meteorology by the removal of precipitation from rising air.
大气层结稳定度
大气层结稳定度
• 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。
假绝热过程和假相当温度
假绝热过程的特点：1。气块不再是 封闭体系；2。有物质质量交换；3。 有能量交换；4。有熵交换；。。。。 5。不再是可逆过程； 但是，这些交换量很小，可不考虑。 可近似地把这气块当作一个封闭体系。
假绝热过程和假相当温度
Z
B A
C D
X
假绝热过程和假相当温度
C D
假绝热过程和假相当位温