《气象学与气候学》第三讲

《气象与气候学》第三讲
水文与水资源工程11级
2012学年第一学期
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 辐射与热量平衡
第五节 地面热量平衡及地气系统的热量收支 1、地面热量平衡方程：R

+LE+P+A=0
R: 地面辐射热差 LE: 地面与大气间的潜热传输量（L蒸发潜热；E蒸发量或凝结量） P: 地面和大气间的湍流显热交换 A: 地表面与下层间的热传输量和平流输送量之和
dQ dE dW
问题2：根据式（2.32） 绝热变化时温度随气压 如何变化？
dW PdV
dQ Cp dT PdV
对状态方程进行微分并引入定压比热，得到式（2.29） 发生绝热变化时，有式（2.30） 对（2.30）进行积分，得到 （2.32）
dQ C p dT RTdP/ P

重要性质：气块在循干绝热升降时．其位温是恒定不变的。
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化
——位温与假相当位温 假相当位温

定义：当气块中含有的水汽全部凝 结降落时，所释放的潜热，就使原 气块的位温提高到了极值。


表达式(2.43)：
dTi RT dP ) d ( i ) ( i ) dZ CP P dZ
根据定义并引入（2.30），得式（2.33） 引入静力学基本方程和状态方程，得 简化后，得到（2.34）
d
g CP
d
RTi g Ti g CP RT CP T
其值为常数
d 0.98K /100m
2、地气系统的热量收支
中山大学地理学院国土系 刘秋海
第二章 辐射与热量平衡
第五节 大气的增温和冷却——海陆的增温和冷却的差异
差异的原因

反射率差异 吸收厚度（透明度、热传导方式、与大气热交换方式差异） 水源供应差异 比热差异
差异的结果：大陆受热快，冷却也快，温度升降变大。而海洋则相反。
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——干绝热递减率和湿绝热递减率

湿绝热递减率的推导与数值
引入潜热,得式（2.36）
dQ Ldqs
根据热力学第一定律得式（2.37）
Ldq s CP dT RT dP P
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——大气静力稳定度
判断大气稳定度的基本方法
——干绝热的情况

引入温度随高度的关系，（2.59）转化
为 g d Z a
T

利用层结位温随高度的分布 由（2.42）取对数，再取对高度的偏导数，
1 有

Z

1 T R 1 P 1 T RT P ( ) T Z CP P Z T Z CP P Z
C p dT RTdP/ P
C p dT RTdP/ P 0
T / T0 (P / P )0.286 0
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——干绝热递减率和湿绝热递减率

干绝热递减率的推导与数值
d (
问题2：有一山高1000m，如果一块含有水汽尚未饱和的空气在山脚时温度为100C，升到
300m时开始饱和，到山顶水汽已全部凝结，并离开气块，剩下的干空气从山顶下沉，问 到山脚时温度多少？（rm=0.50C/100m）

问题3：试从rd和rm的不同，来解释在山的迎风坡森林茂盛，而背风坡草木甚少？ 问题4：rd和r的含义有何根本不同？
T
Z
利用层结假相当位温随高度的分布
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——大气静力稳定度


不稳定能量的概念——不稳定型 、稳定型、潜在不稳定型
位势不稳定
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第二章 大气的热能和温度
第四节 大气温度随时间的变化
气温的周期性变化 ——气温的日变化
dy vdt


由于式（2.46）dx udt
因此见式（2.47） 和式（2.48）
dz wdt
dT T T T T u v w dt t x y z
T T T T dT (u v w ) t x y z dt
T dT V T t dt
对流层中气温的垂直分布

逆温——平流逆温与下沉逆温
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第三讲结束 国庆假期愉快
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问题：有人说积雪可以降温，又有人说积雪可以保温，到底积雪对下垫
面和积雪区空气起何种影响？

气温的非周期性变化
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第二章 大气的热能和温度
第五节 大气温度的空间分布
气温的水平分布

等温线定义及意义 影响气温分布的三大因素 全球气温的水平分布特征
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第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——绝热过程与泊松方程

问题1：根据式（2.30）
绝热条件下，空气质点
上升或下降时温度如何 变化？
绝热过程与干绝热过程 泊松方程
根据热力学第一定律，有式（2.24）
由于式（2.25） 和式（2.26） 可得式（2.27）
dE Cv dT
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第二章 大气的热能和温度
第三节 ห้องสมุดไป่ตู้气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的非绝热变化中与外界交换热量的方式

传导：贴地气层 辐射：地面与空气之间、气团之间 对流：对流 层 湍流：摩擦层
蒸发（升华）和凝结（凝华）：对流层下半层
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第二章 大气的热能和温度
P P g g Z RT
因为 所以
( d ) Z T
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——大气静力稳定度
判断大气稳定度的基本方法——湿绝热的情况

引入温度随高度的关系，（2.59）可转化为
ag

m
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——位温与假相当位温
位温

定义：把各层中的气块循着于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，以Ө表示。
R

表达式(2.42)：
1000 C P 1000 0.286 ＝T（ ） T( ) P P
经推导，得式（2.41）
m (
dTi L dqs )m d dZ CP dZ
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气的增温和冷却
气温的绝热变化 ——干绝热递减率和湿绝热递减率
湿绝热递减率的推导与数值

问题1：rm为什么总小于rd？rd和rm什么时候相差最大？为什么愈到高空rm愈接近rd？
数值的确定
se
Lq CP
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气温度个别变化和局地变化

个别变化、局地变化、平流变化
根据热力学第一定律，有式（2.44）
dQ dT RT dT CP dt dt P dt
个别变化：单位时间内个别空气质点温度的变化dT／dt，即空气块在运 行中随时间的绝热变化和非绝热变化。 局地变化：某一固定地点空气温度随时间的变化 。
第二章 大气的热能和温度
第五节 大气温度的空间分布
对流层中气温的垂直分布

气温直减率 逆温——辐射逆温
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第二章 大气的热能和温度
第五节 大气温度的空间分布
对流层中气温的垂直分布

逆温——湍流逆温
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第二章 大气的热能和温度
第五节 大气温度的空间分布
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第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——大气静力稳定度
大气稳定度的概念

稳定度定义 稳定度的定性判断 判别稳定度的基本公式 根据大气中的气块的受力分析、计算加速度，引入状态方程和准静力条
件，得到（2.59）
a
Ti T g T
水文与水资源工程专业 朱君君

影响气温变化的因素
（1）地表面增热与冷却作用 （2）大气中的水平运动与垂直运动

气温日变化特征及原因
（1）日最高值与最低值出现的时间
（2）影响日较差的因子
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第四节 大气温度随时间的变化

气温的周期性变化 ——气温的年变化
（1）月平均气温最高值与最低值出现的时间 （2）影响年较差的因子 问题：为什么气温最高值不是在正午？最低值不是在午夜而是在清晨？ 问题：海陆增温和冷却过程有何差异？导致什么重要结果？


得到式（2.49）
表明：温度的局地变化等于温度的 平流变化和个别变化之和
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气温度个别变化和局地变化
个别变化和局地变化的定量分析

（2.49）可写成（2.50）
T T dT Vh hT w t z dt

Z RT 1 P P g T ( ) RT Vh hT d w 所以有（2.56） t Pg CP T ( ) RT 和（2.57） Vh hT d w t Pg CP
由于
rd
g CP
又根据静力学公式：

（2.57）表明：决定温度局地变化有三方面因子
平流变化：由于空气的移动所造成的某地温度的变化。

个别变化和局地变化联系的定性说明
水文与水资源工程专业 朱君君
第二章 大气的热能和温度
第三节 大气的增温和冷却——空气温度个别变化和局地变化
个别变化和局地变化的定量分析

空气质点温度的变化见（2.45）
dT T T T T dt dx dy dz t x y z
用气压代替高度，用ε表示dQ/dt由（2.44）可得（2.52）
dT 1 RT dP dt CP CP P dt
所以有（2.54） 和（2.55）
T T 1 RT VhT w w t P CP CP P T T RT Vh hT w( ) t P CP P CP