气象学 第三章 温度

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传导是土壤中热交换的唯一方式,但在大气中 传导的作用不大,因为空气是热的不良导体。
(3)流体运动(fluid flow) :
空气与水等流体一样,可以通过流动将热量从 一个地方传向另一个地方,完成不同地点间的热交换。 空气的流动方式有: 对流:空气的垂直运动叫对流。分热力对流和动力对 流。 平流:空气的水平流动叫平流。 湍流:空气的不规则运动叫湍流,也叫乱流或紊流。
冷空气 暖空气
暖空气 冷空气
下沉逆温
定义 因整层空气下沉而造成的逆温,称为下沉逆温。
形成过程
(辐 散)
下沉
h1 h2
h1>h2
天气状况
下沉逆温常与辐射逆温结合形成一个从地面开始
有数百米厚的逆温层,并出现温度升高,干燥晴朗的
好天气。
其他逆温 锋面逆温
冷暖空气相遇时,较轻暖空气爬到冷空气上方, 在冷暖空气交界面附近(即锋面附近)出现的逆温, 称为锋面逆温。
<m
12.5℃ 12.5℃
=m
饱和湿空气
12.5℃ 12.8℃
>m
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 干空气稳定,湿空气不稳定,条件不稳定
>d
绝对不稳定。
以上判定方法可用如下的数轴表示:
m 条件性不稳定 d
绝对稳定 干稳 湿中性
干中性 绝对不稳定 湿不稳
热直减率(dry adiabatic lapse rate) ,用d 表示: d = 0.98℃/100m 1℃/100m= 1℃/hm
干空气在下沉时,气温升高,每下沉100m,气 温升高1℃。
(2)湿绝热变化 :
饱和的湿空气在作垂直运动时的绝热变化叫湿绝热变 化(moist adiabatic change) 。
, P , T ’, P’, T’
a F F ρ ρ' g m' ρ' V' ρ'
用状态方程代入:
a
T'T
g
T
由此可见空气的稳定度取决
于气块与周围空气的温度差。
0 , P0 , T0
Δz 0 , P0 , T0
对加速度表达式
a T'T g T
现分别考虑干空气和饱和湿空气的情况。
(1)干空气
暖空气
逆温层
冷空气
湍流逆温
定义:由于空气的湍流混合而形成的逆温。
形成过程
高度
B (γ<γd)
E D
(湍流减弱层)
逆温层
湍流混合层
A
AB: 气层原来的气温分布
DE: 逆温层的气温分布
温度
C
CD: 湍流混合后的气温分布
融雪逆温 在积雪地区,因暖空气流经冰、雪表面产生融冰、
融雪现象,而冰雪的融化需要从近地面气层吸收大量 的热量,从而使贴近地层的气温较低,形成逆温,这 种逆温称为融雪逆温。
将一个球放在水平的地面上,它 既不是稳定的,也不是不稳定的,因 为无论受到怎样的外力扰动,球自身 产生的加速度始终为0。
大气稳定度的定义:
与上述例子相似,大气稳定度也可分为:
(1)稳定(stable):当气块受到铅直方向的扰动后, 如果气块具有返回原位置的加速度,则这时的大气 是稳定的。
(2)不稳定(unstable) :当气块受到铅直方向的 扰动后,如果气块具有远离原位置的加速度,则 这时的大气是不稳定的。
2.604 3.431 4.468 5.749 7.322
二、气温的时空变化
•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
表示正弦函数的特征量
5) 下 垫 面 性 质 (features of underlying surface) 水面上日较差小,陆地上大。
(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;
回归线之间的地区为双波型:最高为4、 10月,最低为7、1月。 年较差的影响因素: 纬度:年较差随纬度的升高而增大。 海陆分布:同一纬度的大陆上气温年较差大于 海洋。
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,例“倒春寒”、“秋老
虎”。
3.气温的垂直分布(vertical distribution)
(1) 气温垂直梯度: 气温随高度的分布称为温度层结。大气温度
的垂直变化用气温垂直梯度来表示,简称气温直减 率(vertical temperature gradient)。
气温直减率( ):实际气层中每变化单位高
度时气温的降低值。
γ Δt ΔZ
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!
Y A
M
X
φ
对正弦函数,只需知道其平均值M、振幅A、位相φ ,
就可得到其函数: Y=M+Asin(X - φ)
表示气温周期性变化的几个特征量: 平均温度(mean temperature):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 。
平流逆温 定义 暖空气平流到冷的地面或冷的水面上,会发生 接触冷却,愈近地表面的空气降温愈多,而上层空 气受冷地面的影响小,降温较少,于是产生了逆温 现象,这种逆温称为平流逆温。
暖空气
暖空气
日变化 夜间加强,白天减弱。
冷的下垫面
地形逆温 在山区夜间,由于山上冷空气沿斜坡向下移动到低洼
地区并聚积于底部,使原来在洼地底部的较暖空气被迫 抬升形成的逆温,称为地形逆温。
高度Z
气温T′
T1′
高度Z0 气温T
T T γ
Z - Z0
T1
γdm
T1 T1 Z - Z0

高 度
辐 射 型
早 晨 过 渡
日 射 型
晚 过 渡 型

温度
不同时间气温的垂直分布
(2)对流层的逆温(temperature inversion)
概念 逆温 在一定条件下,气温随高度的增高而增加, 气温直减率为负值的这种现象称为逆温。
气块上升时,气压降低,空气膨胀,对外作功, 消耗内能,气温降低。
气块下沉时,气压升高,周围空气对气块压缩 作功,使其内能增加,从而气温升高。
(1)干绝热变化 :
干空气或未饱和湿空气块在作垂直运动时的绝 热变化叫干绝热变化(dry adiabatic change) 。
干空气块每上升单位距离温度的变化称为干绝
逆温的分类(按成因) 辐射逆温、平流逆温、地形逆温、下沉逆温、
锋面逆温、湍流(即乱流)逆温和融雪逆温等。
辐射逆温 定义:夜间由地面、雪面或冰面、云层顶部等辐
射冷却形成的逆温。
厚度:一般为200~300m。高纬地区冬季有时 可达2,000m左右。
出现时间:大陆上常年都可出现,以冬季最强, 夏季最弱。
1.气温的周期性变化
(1)气温的日变化(diurnal variation) :
近地层气温的变化主要取决于下垫面温度的 变化,变化特点有: ①1.5m高处日最高温度出现在14~15时左右,最低 气温出现在日出前后。位相落后于地面,且随高度 的升高而推迟。 ②日较差小于地表面土温日较差,且随高度的升高 而减小。
(4)潜热(latent heat)交换:
水从一种相态变为另一种相态时伴随着 潜热的交换,如下图所示。
2. 空气温度的绝热变化(adiabatic change) :
绝热过程:空气块在与外界没有热量交换时的 状态变化过程。
在大气中,空气块在作上升或下沉运动的过程 中,其状态变化可看作绝热变化。
m并不是一个常量,是一个随温度和气压变化的变量,
主要依赖于温度,随温度的升高而减小,随气压的升 高而增大。(见P63表3.1 )
各温度下的饱和水汽含量及其差值
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T(℃) 5 10 15 20 25 30
Q(g/m3) 6.797 9.401 12.832 17.300 23.049 30.371
△Q
T = T0- Δz T’ = T0-d Δz
a γ γd gz T
由此可知:
, P, T
>d a>0,气块加速向
上,不稳定
<d a<0,气块返回原 位置,稳定
0 , P0 , T0
=d a=0,中性
’, P’, T’
Δz
0 , P0 , T0
=0.8 300 11℃ 11.2℃
=1.0 11℃ 11℃
影响气温日较差的因素
1) 天气(weather) 晴天日较差大于阴天。
2) 纬度(latitude) 一般来说日较差随纬度升高而减小。 但我国日较差随纬度升高而增大。
3) 季节(season) 夏季大于冬季,但中高纬度地区最大值 出现在春季。
4) 地形(geographical relief) 凸地变幅小,凹地变幅大
=1.3 11℃ 10.7℃
200 12℃ 12℃
12℃ 12℃
12℃ 12℃
100 13℃ 12.8℃
<d
13℃ 13℃
=d
13℃ 13.3℃
>d
干空气和未饱和湿空气
(2)饱和湿空气
T = T0- Δz T’ = T0-m Δz
a γ γm gz T
由此可知:
>m
上,不稳定
<m
位置,稳定
=m
传导
流动
辐射
潜热
空气与外界的热量交换方式
(1)辐射(radiation): 这是地球和太阳、地球与宇宙空间之间能量交换
的唯一方式,也是地面和大气之间能量交换的重 要方式。 (2)传导 (conduction) :
依靠分子的热运动将能量从一个分子传递给另一 个分子; 分子排列得越紧密, 热量传递得越快,其 传导能力取决于热导率。
饱和的湿空气在作绝热上升时,一方面与干空气一样 体积膨胀对外作功而冷却,另一方面因温度下降而 发生凝结,释放的潜热缓和了气块的冷却,使气块 比干空气降温慢。
饱和湿空气块每上升单位距离温度的变化称为湿绝热
直减率(moist adiabatic lapse rate) ,用m 表示: m= 0.3至0.7℃/100m 0.5℃/100m= 0.5℃/hm
(3)中性(neutral):当气块受到铅直方向的扰 动后,如果气块自身产生的加速度为0,则这时 的大气处于中性稳定状态。
2.大气稳定度的判定方法:
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。
气块受到的合力为浮力与重力之差:
F= mg-m’g =(-’) V ’ g
合力产生的加速度:
暖空气 吸热
融雪
冰雪面
逆温在农业上的应用
• 防霜冻 • 清晨喷洒农药 • 在离地面一定高度处晾晒农副产品 • 果树栽培中进行高接 • 山腰黄金带种植喜温果树
三、大气稳定度(atmospheric stability)
1.大气稳定度问题的提出:
大气降温会导致水汽的凝结,形成云、雾、 雨、雪,产生天气变化。而空气在上升过程中的 绝热变化是大气中降温最快的过程;
因此,判断大气中是否会产生云雾,主要就是 看大气中的空气块是否会产生上升运动;
判断空气块是否会产生上升运动,就要看空气 块在铅直方向上位置稳定的程度,即大气稳定度。
2.大气稳定度的概念:
将一个球放在下凹的地面上,它 是稳定的,因为无论受到怎样的外力 扰动,球都会返回原位置。
将一个球放在上凸的地面上,它是 不稳定的,因为无论受到怎样的外力扰 动,球都会越来越快地远离原位置。
§2 土壤温度
一 土壤热特性 二 土壤温度的时间变化 三 土壤温波方程 四 土壤温度的垂直分布
一、土壤热特性
1.热容量(thermal/heat capacity)
a>0,气块加速向 a<0,气块返回原 a=0,中性
, P , T ’, P’, T’
Δz
0 , P0 , T0 0 , P0 , T0
=0.3 300 11.5℃ 11.7℃
=0.5 11.5℃ 11.5℃
=0.8 11.5℃ 11.2℃
200 12℃ 12℃
12℃ 12℃
12℃ 12℃
100 12.5℃ 12.3℃
第三章 温度
§1 大气温度 §2 土壤温度 §3 温度与农业
退出
§1 大气温度
一 大气中热量交换与温度变化 二 气温的时空变化 三 大气稳定度
一、大气中热量交换与温度变化
1.空气温度的非绝热变化
当空气与外界存在着热量交换时所产生的温度
变化,称为空气温度的非绝热变化。空气与外界
的热量交换方式有:
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