大气能量学
动力气象学第七章习题ALL
第七章大气能量学解：内能和动能通过进行转换，位能和动能通过进行转换，解：大气的能量最终来源于太阳辐射，太阳辐射首先增加大气的全位能，然后通过穿越等压线做功才能使得有效位能转换成大气的动能共大气运动消耗。
由于地球的旋转作用产生科氏力，科氏力使得大气不能完全有效地做穿越等压线的运动，降低了气压梯度力的做功效率，所以它降低了大气能量过程的转换效率。
解：不能，要通过穿越等压线做功才能发生转换。
解：解：解：垂直运动可以引起位能和动能转换，但在净力平衡条件下，不能单独存在垂直运动使得这种能量转换发生，因为动能的增加必然使得位能改变，这将破坏内能和位能的比例，这样全位能也不能改变。
解：推导证明。
由定义。
由定义。
由定义。
*,p p hhh v vhv h vR zdp dzp pdz hp c Tdzc I c TdzR so hp I c ρρ***Φ=+=-+=Φ=-+⎰⎰⎰⎰⎰h hp p 0＝**,h vp v p h vR P I hp I I c c c R c so P hp I c *****Φ+=-++=+=-+＝00022222211111222111(1)221*,,(1)2hp p p h p p p aa v vv vhp p v a v vK V dz Vdp V dpg gc c c RM Tdp M c Tdz c g c c c c I c Tdz so K M I c c ρρρ***====-==-⎰⎰⎰⎰⎰⎰h h hp p p 00＝0.3解:22222,)(,)(,)(,)x x x y y x x x y y x x x x x y y y y xββββ∂∇ψ∂ψψ∇ψ+∂∂∂∂∂ψ∂∂ψ∂ψψ∇ψ+∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂∂∂ψ∂ψψψψ∇ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂ψ∂∂ψ∂∂∂ψ∂ψ∂∂ψ∂ψψψ-ψψ∇ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂+J(＝0t +)+J(＝0t +)+J(＝0t t -+)+J(＝0t t t t22211[(][(],)2211[(][(],)221[(],)2x x x y y y x x y x x y y x u v x x y y xβββ∂∂∂ψ∂∂ψ∂∂∂ψ∂∂ψ∂ψψψ-ψψ∇ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂∂ψ∂∂∂ψ∂∂∂ψ∂ψ-+ψψψψ∇ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂∂∂ψ∂ψ+ψψψψ∇ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂222222-)+)+J(＝0t t t t ))＝++J(t t t t )＝++J(t t t 2222221[(]21[(](()21[(](()()21[(](()[2u v v u x x t y y t y x x u v V t x u v V V t x u v V t βββ∂∂∂ψ∂∂∂ψ∂∇ψ∂∇ψ∂ψ+ψψψ+ψ+ψ∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂ψ+∇∙ψ∇ψ∙∇∇ψ+ψ∂∂∂∂∂ψ∂ψ+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ-∇ψ∇∙ψ+ψ∂∂∂∂∂ψ+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ-∂∂22222222)＝++t )＝)+t )＝)+t )＝)+t 22222()()]1[(](()[()(()]21[(](()2()1[(](()[2u v x y x u v u v V V t x y x u v V t xf f y x u v V t x ψψβψψββ∂∂∂ψ∇ψ++ψ∂∂∂∂∂ψ∂∂∂ψ+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ-∇ψ∙∇+++ψ∂∂∂∂∂∂∂ψ∂ψ+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ+ψ∂∂∂∂ψ∂ψ∂-∂∂∂ψ∂∂+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ+ψ+∂∂∂222222)＝)+t )＝)+t )＝)+t 222*]()1[(](()[]2()1[(](()[]21[(](()2yf f y x u v V f f t x y x y x yf f y x u v V t x y u v V f V t K ∂∂ψ∂ψ∂-ψ∂ψ∂∂ψ∂ψ∂ψ∂ψ∂ψ∂∂+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ+ψ++-∂∂∂∂∂∂∂∂∂ψ∂ψ∂-ψ∂ψ∂∂ψ∂∂+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ++∂∂∂∂∂∂ψ+∇∙ψ∇∇∙∇ψψ+∇∙∂∂∂∂=∂∂222222)＝)+t )＝)+t )＝)+t t 2*2*1[(]2(()(()0n n A A A u v d d Vd f Vd tK dA V dA fV dA tK ττττττττ+∂ψ=∇∙ψ∇∇∙ψ∇ψ+∇∙∂∂∂ψ=ψ∇ψ∇ψ-∂∂∂=∂⎰⎰⎰⎰⎰⎰⎰22n )t )+利用格林定理和边界条件)+t 利用边界条件t。
(完整版)第5章大气热力学
2 大气中的干绝热过程
气块概念和基本假定 大气中的干绝热过程
干绝热减温率 位温
干绝热上升时露点变化和抬升凝结高度
2 .1 气块的概念和基本假定
气块或空气微团是指宏观上足够小而微观上含有大量分子 的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。 气块（微团）模型就是从大气中取一体积微小的空气块 （或空气微团），作为对实际空气块的近似。
2020/8/18
δQ= Cν dT+pdν
其中Cv是定容比热，v是比容 这是热力学第一定律在气象上的应用形式之一，也 称为热流量方程。
2020/8/18
δQ= cν dT+pdν
ν=RT/p
pdν+νdp=RdT
δQ=（cν +R）dT-vdp
δQ=（cν +R）dT- RTdp/p
在等压情况下，dp=0
距离（常取100米）温度下降（或升高）的数值。
Q Ldqs
c pv dT
RT
dp p
Q
dp dpe g dz
p pe
Rd Te
c pd dT
T Te
gdz
Ldqs
c pv dT
RT
dp p
Ldqs
取c pv c pd
T 1 Te
s
dT dz
g c pd
L c pd
dqs dz
123(T0
Td 0 )(m)
即 Zc≈123（T0-Td0）米
(T0-Td0):地面的温度露点差； 即估算抬升凝结高度Zc是从T0按干绝热上升，与从 Td0按等饱和比湿线上升，两线的交点。 有时误差很大
2020/8/18
3 饱和湿空气的绝热过程
成信工动力气象学讲义02大气能量学
大气的运动需要外界提供能量，因此，从能量学的观点来揭示和了解大气环流运动的规律无疑有重要意义。
§1大气能量的主要形式§2铅直气柱中各种能量的比较§3能量方程与能量守恒§4大气中的能量转换事实§5大尺度大气运动的能量循环过程重点：大气中能量的主要形式，动能方程，能量转换事实与能量循环。
§1大气中能量的主要形式设E 表示单位质量空气的某种能量，则任意体积空气的能量E *＝(取质量积分)。
Ed τρτ⎰1基本（独立）形式1）内能：I=(2.1）v C T(2.1)’*v I C Td τρτ=⎰2）（重力）位能：（单位质量空气）（2.2）gz Φ=（2.3）*gzd τρτΦ=⎰3）动能：（2.4）()22221122K V u v w ==++ （2.5）2*12K V d τρτ=⎰ 以后的动能多指水平动能:(2.6）()2221122h h K V u v ==+4)潜热能：（q ：比湿，L ：相变潜热）（2.7）H L q=⋅5）压（力）能：（2.8）/ρ==J p RT2常见的组合形式1）全位能：(2.9）v P I C T gz=+Φ=+2）显热能（感热能，焓）：（2.10）v p h C T RT C T =+=3）温湿能（湿焓）：（2.11）h p E C T Lq=+4）静力能：(2.12）p E C T gz Lqσ=++干静力能：（2.13）d p E C T gz =+5）总能量：（2.14）221122t v p p E C T gz V Lq C T gz Lq V ρ=++++=+++干空气总能量：（2.15）212td p E C T gz V =++图2.1地球－大气系统的能量收支与平衡3有效位能(APE,Available Potential Energy)大气能量的诊断计算表明维持大气运动所需的动能来源为：太阳辐射能全位能有效（可用）位能动能→→→大气通过吸收太阳辐射而使其全位能增加，再由全位能转变成动能。
大学物理学：第六章 大气热力学基础
2）物理意义： 在等压过程中，系统焓的增量值等于它所吸收的热量。
3）定压比热Cp
Cp
( Q) p
dT
H T
p
热容量和焓
• 热量是在过程中传递的一种能量，是与过程有关的。一个系统在 某一过程中温度升高1K所吸收热量，称作系统在该过程的热容量。
• 对于等容过程，外界对系统不做功，Q =ΔU，所以
s T
p
1 T
h T
p
cp T
(26)
s
p
T
T
p
ds
s T
p
dT
s p
T
dp
(6.1.22)
ds
cp T
dT
T
P
dp
cpd
ln T
pdp
(6.1.28)
以6.1.25和6.1.27代入6.1.23式
dh
h T
p
dT
h p
T
dp
(6.1.23)
dp
cpdT
Hale Waihona Puke 1dp四、热力学第二定律
能量守恒，反映物质运动不灭但是没有回答过程的方向性（可 逆与不可逆）。
热力学第二定律的实质
指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆过程， 揭示出实际宏观过程进行的条件和方向。
自然过程的方向性
• Example 1 功热转换过程的方向性 • 功变热的过程是不可逆的。 • 卡诺循环：吸收热量Q1，做功，必须有一部分热量
dG SdT Vdp (6.1.20)
dG
G T
p
dT
G p
T
dp
G T
p
S,
G
大气层中的热力学过程与能量平衡分析
大气层中的热力学过程与能量平衡分析大气层是地球表面上方的气体包层，它起着关键的保护作用，并对地球的气候和天气产生重要影响。
了解大气层中的热力学过程和能量平衡是理解地球气候系统的关键。
本文将对大气层中的热力学过程和能量平衡进行分析。
1. 大气层的分层结构大气层通常分为四个主要的层：对流层、平流层、中间层和热层。
对流层位于地球表面上方，其上层为平流层，该层以稳定的温度和气压变化特征而闻名。
中间层位于平流层上方，其上层为热层，该层以高温度和高气压特征而闻名。
2. 大气层的热力学过程热力学过程是指气体在吸热或放热的过程中发生的变化。
在大气层中，热力学过程主要包括辐射、对流和传导。
（1）辐射：辐射是指由太阳向地球传播的电磁波。
太阳辐射通常包括可见光、紫外线和红外线。
地球吸收太阳辐射并将其转化为热能，这是大气层中的一个重要热力学过程。
（2）对流：对流是大气层中的一个重要过程，它是指由于温度差异引起的空气的上升和下沉运动。
太阳辐射使地面升温，暖空气上升形成对流，导致气候变化和天气现象。
（3）传导：传导是指通过物质颗粒的碰撞传递热量。
在大气层中，传导主要通过空气分子之间的碰撞传递热量。
3. 大气能量平衡大气层的能量平衡是指入射到大气层的能量与从大气层散发的能量之间的平衡。
能量平衡对地球的气候和气象有着重要影响。
（1）太阳辐射：太阳辐射是地球上主要的能量来源之一。
太阳辐射在进入大气层时会发生散射、反射和吸收等过程，一部分太阳辐射被地表吸收，一部分被大气层吸收和散射。
（2）地球辐射：地球辐射是指地球表面向大气层释放的能量。
地表吸收太阳辐射后会以辐射的形式释放出去。
大气层中的部分气体和云会吸收地球辐射，并再次向地面散发。
（3）能量平衡：大气能量平衡关系到地球的气候和天气变化。
如果进入大气层的能量大于散发的能量，地球将升温；反之，地球将冷却。
能量平衡可以通过调节大气中的温度、湿度和云量等来实现。
总结：大气层中的热力学过程和能量平衡是地球气候系统的重要组成部分。
高等大气动力学 复习重点
高等大气动力学1、自由大气：是指行星边界层以上，湍流摩擦力可忽略，空气运动不受地表摩擦影响的大气。
大致在1.5km 以上，水平气压梯度力和科氏力相平衡（准地转）。
在中、高纬度，自由大气中空气运动基本遵守地转风或梯度风法则，气流几乎与等压线平行。
D 是由于空气的内摩擦或湍流动量传输所导致的的耗散力，忽略D 就是所谓的“自由大气近似，除靠近地表面的“摩擦层”以外，对于以一天为时间单位的运动来说，使用自由大气近似大体上是可以的。
2、绝热近似：在空气运动的短期变化过程中，可以认为空气微团与外界无热量交换，这就是绝热过程。
热力学第一定律可写成热流量方程的形式：忽略dQ/dt 就是“绝热”近似，除靠近地表的“热力边界层”内、位于平流层中的臭氧层内以及有着严重的水汽相变过程的区域外，对于以一天为时间单位的运动来说，使用绝热近似大体上是可以的。
3、薄层近似：大气中90%以上的质量集中在离地表的一薄层中，其有效厚度约为几十公里，远比地球平均半径小，因此在推导球坐标系下的基本方程组时，可取r a z a =+(z 0)<<，其中a 是地球半径，z 是离地表的铅直高度。
球坐标的运动方程中，当r 处于系数时，r 用a 代替；当r 处于微商地位时，用z 代替r 。
这一近似郭晓岚称之为薄层近似。
4、标准层结近似：针对热力学量（p,ρ,θ,T ）引入一个垂直方向的标准分布，亦即所谓的标准层结（气候态）。
我们据此引入标准层结近似，在运动、连续、热力学及状态方程中将这些热力学量表示成标准分布加上一个扰动量。
这样在预报、诊断等问题中只计算扰动量或其变量，而把标准分布视为已知。
好处在于降低了方程的非线性程度，易于求解，从而减少了计算误差。
()()0''0;,,,ρρρρρ<<+=t z y x z5、地球流体的基本属性⑴层结性，使之更具“弹性”。
密度和温度在垂直方向上的分布是不均匀的，这种介质的物理性质的不均匀分布，使大气具有层结的分布。
高中地理知识点：大气运动的能量来源
中学地理学问点：大气运动的能量来源中学地理学问点：大气运动的能量来源一、地壳的物质组成和物质循环地壳物质的组成与循环(1)组成岩石的矿物元素：由多到少是氧、硅、铝、铁、钙、钠、钾、镁等结合成单质或化合物矿物：岩石构成的的最基本单元，主要的造岩矿物有石英、云母、长石、方解石等积聚岩浆岩：有侵入岩和喷出岩两种形式，典型的侵入岩：花岗岩;喷出岩：玄武岩岩石沉积岩：具有层理结构，常含有化石，包括(石灰岩，页岩，砂岩，砾岩等)变质岩：由变质作用形成的岩石,如大理岩、石英岩、板岩(2)从岩浆到形成各种岩石，又到新的岩浆的产生，这一过程就是地壳物质循环。
需留意岩石转换过程中作用的名称。
推动地壳物质循环的能量：地球内部放射性物质衰变产生的热能(地球内能)二、地球表面形态1.地质作用按能量来源不同，分为内力作用(地球内能)和外力作用(主要为太阳能)内力作用：地壳运动、岩浆活动、变质作用、地震等外力作用：风化、侵蚀、搬运、沉积、固结成岩，泥石流、滑坡、山崩也属于外力作用。
2.内力作用与地表形态板块构造学说的基本论点：(1) 全球岩石圈不是整体一块，可划分为六大基本板块(名称与分布)。
(2) 板块处于不断运动之中，板块内部比较稳定，板块交界处地壳活跃，多火山、地震。
(3) 板块张裂常形成裂谷或海洋，如东非大裂谷，大西洋;板块碰撞挤压，常形成海沟和造山带，当大洋与大陆板块相撞时，形成海沟-岛弧或海沟-海岸山脉，当大陆与大陆板块相撞时形成巨大的褶皱山脉。
地质构造与构造地貌：(1)地质构造：由于地壳运动引起的地壳变形、变位。
(变形一褶皱，变位一断层)(2)常见的地质构造及构造地貌3.火山、地震活动与地表形态火山、地震是地球内部能量的剧烈释放形式，也是内力作用的详细表现，火山爆发常形成火山锥、火山口等;地震发生时，地壳会出现断裂和错动。
4.外力作用与地表形态1)外力作用形式：包括风化、侵蚀及搬运、沉积、固结成岩作用2)外力作用与地貌流水作用侵蚀：冲刷地表，使谷地加深加宽，形成沟谷纵横的流水侵蚀地貌流水作用沉积：泥沙积累形成山前冲积扇，河流中下游冲积平原、河口三角洲风力作用侵蚀：风蚀沟谷、风蚀凹地、风蚀蘑菇、雅丹地貌等风力作用沉积：风沙积累形成沙丘、沙垄、沙漠边缘的黄土积累等三、大气环境1.对流层大气的受热过程1)对太阳辐射的减弱作用汲取作用：具有选择性，水汽和二氧化碳汲取红外线，臭氧汲取紫外线，对于可见光部分汲取比较少反射作用：无选择性，云层、尘埃越多，反射作用越强。
大气动力学复习要点.
梯度风的定义:当水平气压梯度力、水平科氏力、惯性离心力三力平衡时形成的流场称作梯度风场。
注意：离心力总指向圆外、科氏力指向运动方向的右侧、气压梯度力由高压指
向低压
气旋式环流VG<0，无意义
(RT>0)
正常气旋
不可取
正常反气旋
反气旋环流
(RT<0)
无意义
所谓效应，就是科氏参数f随纬度有变化，即，并且系统有南北运动时( )，引起系统的牵连涡度发生变化，为保证绝对涡度守恒，系统的相对涡度也要发生相应的变化。这就产生了涡旋性波动～Rossby波，这种变化机制就称为效应。
传播
其中,k是沿纬圈的波数
无基流时( )，Rossby波向西传播
有西风基流时，要比较的量级大小，才能确定Rossby波向西抑或向东传播
当或时，下游扰动的能量会向上游传播，使波动所在地的上游产生新的波动或加强上游原有的扰动，这种现象叫做下游效应。
大气长波有可能出现上游效应
31、重力内波、惯性重力内波、重力外波、惯性重力外波的产生机制各是什么？各具有哪些波动特点？
重力外波产生的物理机制:
这种流体自由表面的扰动，
是由于个别流体柱受扰后在
8、位温的含义及其数学表达式是什么？如何证明干绝热过程中位温守恒？
位温：把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压（常取1000hpa）时应有的温度称位温。
取对数再微分：
利用热力学方程：
干绝热过程中，
即位温守恒
9、什么是尺度分析法？对于大尺度运动，如何利用尺度分析法对大气运动方程组进行零级简化？
尺度分析法：在大气运动基本规律的支配下，根据不同天气系统具有的不同尺度之间的关系，估计方程中各项量级的大小，保留量级较大的项，忽略量级较小的项，从而进行方程简化的一种分析方法
大气层中的空气动力学
1.引言大气层中的空气动力学是研究空气在大气层中的运动规律和力学性质的学科。
它主要涉及到气体力学、流体力学和热力学等领域的知识，通过对气体的运动、压力、温度和密度等参数进行分析，揭示了大气层中发生的各种现象和过程。
本文将以数个方面来探讨大气层中的空气动力学，包括空气运动的起因、空气运动的分类、大气层中的湍流以及空气动力学在气象学和航空航天领域的应用。
2.空气运动的起因空气运动的起因主要包括地球自转、太阳辐射、地形和地表温度差异等因素。
地球自转导致了地球上不同纬度处的空气运动，形成了从赤道到极地的大尺度环流系统。
太阳辐射则提供了大气层中的能量，从而引起了空气的加热和冷却，形成了局地的热对流和风。
地形和地表温度差异使得气流受到地形的阻挡或加速，形成了山谷风、海陆风和谷地风等局地风系统。
3.空气运动的分类根据空气运动的尺度和时间尺度，可以将其分为大尺度环流和小尺度湍流。
大尺度环流是指地球自转和太阳辐射等因素影响下的全球范围内的气候系统，如赤道低压带、副热带高压带和极地低压带等。
小尺度湍流则是指在较小的空间尺度和时间尺度上，由于地表不均匀性和气体的流动不稳定性而产生的气流混合和涡旋运动。
4.大气层中的湍流湍流是大气层中普遍存在的一种现象，它表现为气流的混乱、不规则和随机性。
大气层中的湍流主要受到气体的不稳定性、地表的粗糙度和地形的影响。
湍流的存在使得气流的速度和方向发生剧烈变化，进而对大气层中的运动和输送过程产生重要影响。
湍流现象的研究对于气候预测、空气质量评估和空中交通管理等都具有重要意义。
5.空气动力学在气象学领域的应用空气动力学在气象学领域的应用主要包括天气预报、气象灾害预警和气候模拟等方面。
通过分析大气层中的空气运动和湍流现象，可以预测天气系统的演变趋势和持续时间，提供准确的天气预报信息。
此外，空气动力学还能帮助气象学家模拟和研究气候系统的长期变化和气候变化趋势，为地球气候变化的评估和应对提供科学依据。
大气物理学(复习版)
大气物理学第六章 大气热力学基础一、热力学基本规律1、空气状态的变化和大气中所进行的各种热力过程都遵循热力学的一般规律，所以热力学方法及结果被广泛地用来研究大气，称为大气热力学。
2、开放系和封闭系(1) 开放系：一个与外界交换质量的系统(2) 封闭系：和外界互不交换质量的系统(3) 独立系：与外界隔绝的系统，即不交换质量也不交换能量的系统。
3、准静态过程和准静力条件(1)准静态过程: 系统在变态过程中的每一步都处于平衡状态(2) 准静力条件：P ≡Pe 系统内部压强p 全等于外界压强Pe4、气块（微团）模型气块（微团）模型是指宏观上足够小而微观上含有大量分子的空气团，其内部可包含水汽、液态水或固态水。
气块（微团）模型就是从大气中取一体微小的空气块，作为对实际空气块的近似。
5、气象上常用的热力学第一定律形式【比定压热容cp 和比定容热容cv 的关系cp= cv+R ，（R 比气体常数）】6、热力学第二定律讨论的是过程的自然方向和热力平衡的简明判据，它是通过态函数来完成的。
7、理解熵、焓（从平衡态x0开始而终止于另一个平衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增加的方向进行；等焓过程: 绝热和等压；物理意义：在等压过程中,系统焓的增加值等于它所吸收的热量）8、大气能量的基本形式：（1）内能；（2）势能；（3）动能；（4）潜热能9、大气能量的组合形式（1）显热能：单位质量空气的显热能就是比焓。
（2）温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。
（3）静力能: 对单位质量的干（湿）空气，干（湿）静力能：（4）全势能: 势能和内能之和称全势能10、大气总能量干空气的总能量: 湿空气的总能量: 二、大气中的干绝热过程1、系统（如一气块）与外界无热量交换（δQ=0)的过程，称为绝热过程。
286.0000)()(p p p p T T d ==κ（对未饱和湿空气κ= κd=R/Cp=0.286计算大气的干绝热过程） 例：如干空气的初态为p=1000hpa ,T0=300K ，当它绝热膨胀，气压分别降到900hpa 和800hpa 时温度分别为多少？2、干绝热减温率定义：未饱和湿空气块温度随高度的变化率的负值为干绝热减温率γv ，单位°/100mdp ρ1-dT c =αdp -dT c =δQ p p 2p k d V 21+gz +T c =E +Φ+U =E Lq +V 21+gz +T c =Lq +E +Φ+U =E 2p k m m C m k km K c g o pdd 100/1100/98.0/8.9≈===γ3、位温θ定义: 把空气块干绝热膨胀或压缩到标准气压（常取1000hpa ）时应有的温度称位温。
第二章 大气的热能和温度
辐射通量密度：单位：瓦/米2
单位面积上的辐射通量
辐射通量密度
因其没有限定方向，所以根据辐射方向的不同，将辐射通量密度分 为
辐出度：放射体表面所放出去的辐射通量密度 辐照度：到达接受面的辐射通量密度
可见光的度量不用能量单位而用光能单位
光照度（照度):单位面积上接受的光通量 单位：勒克斯（LUX)
太阳常数：在大气上界，当日地之间处于平均距离 （1.5×108km)时，垂直入射光表面的太阳辐射的辐照度。 单位：W•m-2 数值：1367+7 W•m-2
（二）、太阳辐射在大气中的减 弱
大气对太阳辐射 的削弱作用
吸收作用
散射作用
反射作用
1、大气对太阳辐射的吸收作用
大气中吸收太阳辐射的主要成分：
第一节 太阳辐射
一、辐射的基本知识
1.辐射的概念
2.辐射的波粒二象性 3.有关辐射的基本物理量 4.物体对辐射的吸收、反射和透射 5.辐射的基本定律
1.辐射的概念
定义：自然界中的一切物体，只要其温 度高于绝对零度，就会不停的以电磁波或 粒子的形式向外传递能量，这种传递能量 的方式叫辐射，通过辐射的方式传递的能 量称为辐射能。
辐射是能量传播的方式之一，并 且是太阳能传输到地球的唯一方式。
K=273+℃
2.辐射的波粒二项性：
辐射的波动性 辐射的粒子性
辐射的波动性
电磁波的性质是用波长（ λ）和频率（ν）表示 波长的单位μm(微米）或nm(纳米） 频率的单位是：赫兹 1 μm=10-6m 1nm= 10-9m
散射作用：
太阳辐射通过大气，遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时， 都要发生散射。 但散射并不像吸收那样把辐射转变为热能，而只是改变辐射 的方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播
动力气象学第6章大气能量学
I CV
CV
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
I
对无穷高气柱而言，大气的内 能与位能成正比，同时增减，故定 义：
即：
全位能＝位能＋内能
E I AR I I CV
CV AR I CP I
CV
CV
E CP CV
Tdz CP
Tdz
CV A 0
A0
单位质量气团： CP T 焓 A
即气柱的全位能就是气柱的焓
2、有限高气柱的情形：
此时，净浮力向上，因此要反抗净浮力作功。 此时，气团温度高于环境，产生了等压面上 的温度（位温）差。 积累的有效位能＝反抗净浮力作的功。
当把单位质量气团从
z=0移到z=z的过程中，
受净浮力 N 2 z
的作用。
干绝热过程:
d 0
dz
到达z=z高度，气团的位温仍是 0 (0)
而z=z高度等压面上的平均位温是 0 (z)
E ＋I
z1P1
z2 P2
AR CV CV
C z2 V Tdz
A z1
z1P1 z2P2
C z2 P A z1
Tdz
第二节、大气动能方程 ——讨论大气动能变化的机制
一、单位质量质点的动能方程
已知P坐标系下水平运动方程为：
dVh dt
f Vh
F
"Vh eq" 单位质量质点的动能方程：
d dt
(
1 2
Vh
2
)
Vh
Vh
(
f
Vh )
F
Vh
Vh ( f Vh )科氏力作功项＝0
F Vh＝－D为粘性力作功项，D 0
Vh 为压力梯度力作功项
第七章 大气能量学
第七章大气能量学一、能量形式：单位面积垂直气柱的能量：1、全位能：P＊----重力位能与内能之和2、有效位能：P A——全位能中可以转化为动能的部分P A／P＊＝1／200有效位能是全位能的1／2003、动能：K＊K＊/P A=1/10有效位能比动能大10倍有效位能与等压面上温度的偏差成正比。
正压大气，有效位能为0.斜压性愈强，有效位能愈大。
二、能量转换大气运动＝纬向平均运动＋涡动运动K＝平均动能K z＋涡动动能K eP A＝平均有效位能P Az＋涡动有效位能P Ae三、天气图上能量转换特征1、平均动能K z沿纬圈平直的等高线越密集，平均动能K z就越大。
2、涡动动能K e扰动振幅大的密集等高线，涡动动能K e较大。
3、平均有效位能P Az南北方向纬向平均温度差越大，平均有效位能P Az越大。
4、涡动有效位能P Ae等温线扰动振幅越大，涡动有效位能P Ae越大。
5、涡动动能向平均动能转换槽（脊）线由西北转向西南，K e→K z，衰减型；槽（脊）线由东北转向东南，K z→K e，发展型；6、平均有效位能向平均动能转换经圈环流为正环流（暖空气上升，冷空气下沉），P Az→K z7、涡动有效位能向涡动动能转换当温度槽落后于高度槽（暖上升，冷下沉），P Ae→K e，槽脊发展8、平均有效位能P Az向涡动有效位能P Ae转换当温度槽脊落后于流场槽脊，纬向平均温度由南向北变小时，P Az →P Ae9、平均有效位能制造南北方向，高纬降温，低纬加热，制造平均有效位能。
10、涡动有效位能制造东西方向，暖区加热，冷区降温，制造涡动有效位能。
11、摩擦作用耗散动能。
四、大气平均能量循环特征一般，大气能量的制造和消耗是基本平衡的。
1、大气主要通过沿经圈方向不均匀加热制造有效位能。
2、通过温度槽落后于流场槽使平均有效位能向涡动有效位能转换。
同时，在这种结构中，暖上升冷下沉使涡动有效位能向涡动动能转换。
3、通过由西北向西南倾斜的螺旋槽将涡动动能向平均动能转换。
《动力气象学》课程笔记
《动力气象学》课程笔记绪论1. 动力气象学发展史1.1 重大理论发现动力气象学的早期发展主要基于对大气运动的观测和理论推测。
19世纪，科学家们开始系统地研究大气运动，并逐渐揭示了影响大气运动的一些关键因素。
这些因素包括：- 科里奥利力：由法国物理学家加斯帕尔·科里奥利首次提出，它解释了地球自转导致的风的偏转现象。
- 地转偏向力：由于地球自转，大气中的气流会相对于地面产生偏转，这个力就是地转偏向力。
- 大气压力和密度变化：大气压力和密度的变化会影响大气运动，这些变化与温度、湿度等因素有关。
1.2 数值天气预报20世纪中叶，随着计算机技术的发展，动力气象学进入了一个新的时代。
科学家们开始利用计算机来求解大气运动方程组，这种方法被称为数值天气预报。
数值天气预报的出现极大地提高了天气预报的准确性，使得气象学成为了一门更加精确的科学。
1.3 动力气象学发展新阶段近年来，动力气象学在气候变化研究中的应用变得越来越重要。
科学家们通过研究大气运动、能量转换和波动等现象，揭示了气候变化的原因和规律。
此外，动力气象学在防灾减灾、水资源管理等领域也发挥着重要作用。
2. 动力气象学的基本概念2.1 大气运动方程组大气运动方程组是描述大气运动的物理方程，包括连续性方程、动量方程和能量方程。
这些方程组基于质量守恒、牛顿第二定律和能量守恒等物理定律，为我们提供了研究大气运动的基本工具。
2.2 涡旋运动大气中的涡旋运动是天气系统和气候变化的重要因素。
涡旋运动包括环流、涡度和螺旋度等概念。
了解涡旋运动有助于我们预测天气变化和气候趋势。
2.3 准地转运动准地转运动是指大气中接近地转平衡状态的运动。
在这种状态下，大气运动主要受到地转偏向力和压力梯度力的作用。
准地转运动为我们提供了一个简化的大气运动模型，便于研究和预测天气。
2.4 大气波动大气波动是大气运动中的周期性变化，包括重力波、惯性重力波和Rossby 波等。
这些波动在天气系统和气候变化中起着关键作用，了解它们有助于我们预测天气和气候。
大气能量学
得到通量形式： K (KV ) (K) V D -----(7.44)
t
p
上式从地面到大气顶对质量积分（ dM d dz 1 ddp ）：
g
15
t
MKdM
M
(KV )dM
M
K dM
p
MV
dM
MDdM
-----(7.45)
不过上式左端除第一项外，其余均为0，因为：单位体积的水平动量通量
gz
1V 2 2
3
§7.2 大气能量方程 §7.2.1 动能方程
用V 点乘运动方程
dV
1
p
2V
g
F
dt
有微分形式动能方程
dK
1
v V
p
gw
v V
v F
dt
—（7.14）
①梯度 ②重力 ③摩擦
力做功 做功
耗散
易见，若达到地转平衡
V
沿等p线吹
V
与p垂直
①=0
静力平衡z方向重力与垂直梯度力平衡 w=0②=0
● 抵抗摩擦力的大气运动，将消耗动能； ● 沿着重力方向即下降的大气运动，位能将转换为动能，反
之类推； ● 科氏力的方向与运动方向垂直，故它既不会增加也不会减
少动能。
20
（2）其中之位能又可视为全位能，因静力平衡大气中，位能I与内能φ成 比例。
（3）全位能转化为水平动能，其根本原因是斜压力管作用。在正压大气 中，由于没有力管存在，位能不能释放为动能。通常就以正压静止大 气所具有的全位能作为全位能的基态。
16
§7.3.3 静力平衡下，闭合系统中的能量转换与守恒
(一) 闭合系统中动能和位能的转换
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H Lqdz g
* 0
1
p0
0
Lqdp
2 铅直气柱中各种能量的相对大小
1）位能与内能之比
*
I
*
g
1
g 1
0
p0
0 p0
R 0.4 CvTdp Cv
RTdp
2）全位能中内能与位能的相对大小
Cv I 0 0.7 * p0 1 P g C p Tdp C p
I CvTdz g
0
0
CvTdp
2）位能
* gzd 体积 上的位能为：
单位水平截面铅直气柱中的重力位能则可表为
：
d
*
0
gzdz
利用静力平衡关系和如下的上边界条件： z
* 1
lim( zp ) 0
p 0
可求得： g 0 RTdp * 可见，在静力平衡条件下，铅直气柱中的重力位能（ ） * I 与内能（ ）类似，都是只由气柱的温度决定。随着气 柱温度的升降，二者会同步变化（增大或减小）。在气象 学中，有时将位能与内能合并在一起，称之为“全位能” 。小。
1 单位水平面积铅直气柱中的能量
1）内能
单位体积空气的内能为 CvT ，任意体积上的总内能可 用体积上的积分表为：
I Id CvTd
*
利用静力平衡关系，单位水平截面积、整个铅直气柱的内 能可表为： * p0 1
dV 1 p 2 V g Fr dt
点乘上式，可得动能平衡方程： 用 V dK 1 V p V g V Fr dt
4）潜热能 单位质量空气的潜热能H为: H Lq 空气的水汽质量守恒方程可表为
天气系统的发生、发展和消亡的过程总是一种或几种能 量的制造、相互转换和耗散的结果。
从能量学的角度分析和阐明大气运动的特征和性质，是 深入认识大气运动规律的又一重要途径。 本章将讨论大气中除辐射能之外的主要能量形式及能量 变化、转换与平衡的规律。
§10.1 大气中的能量及能量平衡
1 基本能量形式及其平衡方程 1）内能 单位质量空气的内能I定义为： I CvT
1 E d C p T gz V 2 2
dEd p ˆ Q V Fr dt t
湿空气的总能量定义为：
1 E m C p T gz Lq V 2 2
dEm p ˆ Q LS V Fr dt t
§10.2 铅直气柱中的能量
2) 全位能 全位能P定义为内能与重力位能之和:
P I CvT gz
全位能的平衡方程:
dP p ˆ Q V gw dt
3) 温湿能 单位质量空气的温湿能 h 定义为 hm C pT Lq m 即感热能与潜热能之和，又称湿焓。
dhm dp ˆ Q LS 温湿能方程： dt dt
dq S dt
dH LS dt
S为水汽源或汇，即在单位时间内，单 位质量湿空气通过水汽的相变、传输 和扩散过程所获得（或损失）的水汽。
2 组合能量及其平衡方程
1)感热能 单位质量空气的感热能h定义为: h I RT C pT 感热能即是单位质量空气的焓，它只与空气的温度有 关，相对于“潜热”能而言，称之为“感热”能或“显 热”能。由热力学第一定律，可得感热能的平衡方程为 dh dp ˆ Q dt dt
1）非绝热加热将使气块内能增大，伴随升温；非绝热冷却则 使气块内能减小，伴随降温。 2）当气块被压缩时，其内能将增大，而当气块膨胀时， 其内能将减小。
2）位能 假定在海平面上（z=0）重力位能为零，则在高度z 上，单位质量空气的重力位能（简称为位能） 可表为:
gz
上式对时间微分，有 d gw 或 dt
g gk 是重力加速度矢； V ui vj wk 为全风速矢。 式中，
d g V , dt
3）动能
1 2 单位质量空气的动能定义为： K V 2
其中： V V u 2 v 2 w 2
单位质量空气的运动方程可表为：
0 *
g 1
p0
C v Tdp
*
P*
g 1 g 1
0
p0
0 p0
RTdp C p Tdp
R 0.3 Cp
3）潜热能与全位能之比
g Lqdp H Lq 0 * p0 1 P g C p Tdp C p T
* 1 0 p0
q 0.02克/克
T 250K
p0
3) 全位能
单位水平截面铅直气柱中的全位能可表为
1 p0 P I C p Tdp g 0
* * *
4）动能 单位水平截面铅直气柱的动能为 1 p0 1 * 2 1 K V dz g V 2 dp 0 0 2 2
5）潜热能
单位水平截面铅直气柱的潜热能为
L 600卡 / 克
H * 0.2 P*
4）动能与全位能之比
0 K p0 * 1 P g
*
g
1
p0
0
1 2 V dp R 2 C pTdp 2Cv
0
p0
0 p0
RV 2 2 2 C C v L RTdp
4）静力能 单位质量干空气和湿空气的静力能（不含动能）分别定义为
M d C pT gz
能量方程：
和
M m C pT gz Lq
dM d ~ dp Q gw dt dt
dM m ˆ dp gw LS Q dt dt
5）总能量
所有基本能量的总和称为总能量。干空气的总能量定义为
Cv 热力学第一定律可表为： dT ˆ p d Q dt dt
单位质量空气的内能平衡方程则可表为： dI p dI d ˆ ˆ p 或 Q V Q dt dt dt
单位质量空气的内能变化率取决于它所接收到的非绝热 加热率和它对抗压力场（p）所产生的压缩或膨胀功率。