(完整版)第三章大气热力学
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Cp p
z z0 z
p' T、P
d '
dp dp' ' gdz
d
dT dz
RT Cp p
dp dz
z0
T0、P0
g 'RT g ' Cp p Cp
第三章大气热力学
3.1 大气温度
二、 影响地面气温因子
➢ 水陆热力差异 （1）吸收、反射和透射率差异 （2）比热差异 （3）蒸发差异 ➢ 洋流 （1）暖流 （2）寒流 ➢ 高度
➢ 地理纬度
第三章大气热力学
Ocean Currents
Copyright © 2013 Pearson Education, Inc.
3.1 大气温度
三、 全球海平面气温分布
第三章大气热力学
3.1 大气温度
三、 全球海平面气温分布
第三章大气热力学
Copyright © 2013 Pearson Education, Inc.
3.2 水分循环
一、 水分循环
第三章大气热力学
蒸发 320
降水 284
蒸腾 60
降水 96
径流 36
下渗
R / Cp 0.288
上述方程称为泊松方程（Poisson）,它反映了干绝热过程中气温 度和气压间变化关系。
第三章大气热力学
3.4 绝热过程和绝热温度变化
一、 干绝热过程
干绝热直减率：干绝热过程中，气块温度随高度的递减率，用 d
表示。
d
dT dz
0.98C /100m
证明： dT RT dp
z
T
3.4 绝热过程和绝热温度变化
一、 干绝热过程
第三章大气热力学
泊松方程（Poisson）： dQ=0, 因此，根据干空气热力学第一定
律，气温变化为 dT RT dp Cp p
改写为
dT R dp T Cp p
从初始状态(T0，P0)到任意状态(T，P)积分，得
T T0
P P0
R/Cp
• 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物全 部留在气块内，称作（可逆）湿绝热过程(Wet adiabatic process)。
• 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物部
分或全部降落离开气块，称作（不可逆）假绝热过程(Pseudo
adiabatic process)。
dQ
dQ' cpdT
RT
dp p
A
dL p
dW
dQ’ T+dT p, T, α
dQ
3.4 绝热过程和绝热温度变化
绝热过程概念
第三章大气热力学
• 任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程，叫做绝热过 程(Adiabatic process) 。
• 干空气或未饱和湿空气块绝热变化时，气块内部没有发生水相变 化，称作干绝热过程(Dry adiabatic process)。
任一孤立系统（单位质量干空气）由状态I变化到状态II时，系 统从外界吸收的热量dQ，等于系统内能增量dU与系统对外界做功
dW之和，即 dQ dU dW
所以， 由于，
dU cvdT dW pAdL pd dQ cvdT pd
p RT
A
dL p
dW
T+dT p, T, α
所以， dQ cv R dT dp
Difference of daily high and low
Monthly mean 月平均
Average of daily means
Annual mean 年平均
Average of monthly means
Annual temperature range 年较差
Difference of highest and lowest monthly mean
374
温度ºC
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ Clapeyron-Clausius方程
dE LE dT RvT 2
E：饱和水汽压（hPa) T：热力学温度(K) L：汽化热(Jkg-1) Rv：水汽气体常数(JK-1kg-1)
第三章大气热力学
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ 球形液滴表面的饱和水汽压
（1）球形纯水滴
Er
E 1
cr r
当T=273K时，cr ≈1.2 10-7cm
cr r
称为饱和水汽压的“曲率效应”
第三章大气热力学
曲率半径 r 10 6 cm
凸面 r>0 Er>E
凸面 r<0 Er<E
第三章大气热力学
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ 球形液滴表面的饱和水汽压
dQ
热流量方程
dQ
cpdT
RT
dp p
cp cv R
第三章大气热力学
3.3 热流量方程
热力学第一定律在大气科学中的形式——热流量方程
任一孤立系统（单位质量饱和湿空气）由状态I变化到状态II时， 系统从外界吸收的热量dQ，水汽凝结释放潜热dQ’，系统内能增量 dU与系统对外界做功dW，则饱和湿空气的热流量方程为
➢ 纯水面和冰面的饱和水汽压
E
E0
exp
L Rv
1 T0
1 T
Ei
E0
exp
L
Ld Rv
1 T0
1 T
E：纯水面饱和水汽压（hPa)
10
Ei：纯冰面饱和水汽压（hPa)
E0：T0=273.15K时饱和水汽压
Ld：冰融解热(Jkg-1)
第三章大气热力学
es
E < Ei
E Ei
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
（2）球形溶液滴表面
E rn
1
cr r
cn r3
cn r3
称为饱和水汽压的“溶液效应”，使饱和水汽压减小。cn
取决于溶质、溶剂等特性。
（3）荷电水滴表面
当r<10-6cm时，产生“电荷效应”，与“溶液效应”相似， 也使饱和水汽压减小。
第三章大气热力学
3.3 ——热流量方程
第三章 大气热力学
3.1 大气温度 3.2 水分循环 3.3 热流量方程 3.4 绝热过程和绝热温度变化 3.5 热力学图解 3.6 大气稳定度 思考题
大气科学概论
3.1 大气温度
一、 平均气温和气温极值
Daily mean 日平均
Average of 24 hourly readings
Daily temperature range 日较差
Unit: 103km3
3.2 水分循环
二、 水的相变和相平衡
➢ 水相变
第三章大气热力学
第三章大气热力学
3.2 水分循环
二、 水的相变和相平衡
➢ 相平衡 饱和水汽压(E)
C 218大气压
冰 过饱和 5
A
过饱和 2
水
饱和 3
1大气压 6.11hPa
B’ B 未饱和 4
O 水汽 未饱和 1
-0.0075 0 100
z z0 z
p' T、P
d '
dp dp' ' gdz
d
dT dz
RT Cp p
dp dz
z0
T0、P0
g 'RT g ' Cp p Cp
第三章大气热力学
3.1 大气温度
二、 影响地面气温因子
➢ 水陆热力差异 （1）吸收、反射和透射率差异 （2）比热差异 （3）蒸发差异 ➢ 洋流 （1）暖流 （2）寒流 ➢ 高度
➢ 地理纬度
第三章大气热力学
Ocean Currents
Copyright © 2013 Pearson Education, Inc.
3.1 大气温度
三、 全球海平面气温分布
第三章大气热力学
3.1 大气温度
三、 全球海平面气温分布
第三章大气热力学
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3.2 水分循环
一、 水分循环
第三章大气热力学
蒸发 320
降水 284
蒸腾 60
降水 96
径流 36
下渗
R / Cp 0.288
上述方程称为泊松方程（Poisson）,它反映了干绝热过程中气温 度和气压间变化关系。
第三章大气热力学
3.4 绝热过程和绝热温度变化
一、 干绝热过程
干绝热直减率：干绝热过程中，气块温度随高度的递减率，用 d
表示。
d
dT dz
0.98C /100m
证明： dT RT dp
z
T
3.4 绝热过程和绝热温度变化
一、 干绝热过程
第三章大气热力学
泊松方程（Poisson）： dQ=0, 因此，根据干空气热力学第一定
律，气温变化为 dT RT dp Cp p
改写为
dT R dp T Cp p
从初始状态(T0，P0)到任意状态(T，P)积分，得
T T0
P P0
R/Cp
• 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物全 部留在气块内，称作（可逆）湿绝热过程(Wet adiabatic process)。
• 饱和湿空气块绝热变化时，气块内部有发生水相变化且凝结物部
分或全部降落离开气块，称作（不可逆）假绝热过程(Pseudo
adiabatic process)。
dQ
dQ' cpdT
RT
dp p
A
dL p
dW
dQ’ T+dT p, T, α
dQ
3.4 绝热过程和绝热温度变化
绝热过程概念
第三章大气热力学
• 任一气块与外界之间无热量交换时的状态变化过程，叫做绝热过 程(Adiabatic process) 。
• 干空气或未饱和湿空气块绝热变化时，气块内部没有发生水相变 化，称作干绝热过程(Dry adiabatic process)。
任一孤立系统（单位质量干空气）由状态I变化到状态II时，系 统从外界吸收的热量dQ，等于系统内能增量dU与系统对外界做功
dW之和，即 dQ dU dW
所以， 由于，
dU cvdT dW pAdL pd dQ cvdT pd
p RT
A
dL p
dW
T+dT p, T, α
所以， dQ cv R dT dp
Difference of daily high and low
Monthly mean 月平均
Average of daily means
Annual mean 年平均
Average of monthly means
Annual temperature range 年较差
Difference of highest and lowest monthly mean
374
温度ºC
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ Clapeyron-Clausius方程
dE LE dT RvT 2
E：饱和水汽压（hPa) T：热力学温度(K) L：汽化热(Jkg-1) Rv：水汽气体常数(JK-1kg-1)
第三章大气热力学
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ 球形液滴表面的饱和水汽压
（1）球形纯水滴
Er
E 1
cr r
当T=273K时，cr ≈1.2 10-7cm
cr r
称为饱和水汽压的“曲率效应”
第三章大气热力学
曲率半径 r 10 6 cm
凸面 r>0 Er>E
凸面 r<0 Er<E
第三章大气热力学
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
➢ 球形液滴表面的饱和水汽压
dQ
热流量方程
dQ
cpdT
RT
dp p
cp cv R
第三章大气热力学
3.3 热流量方程
热力学第一定律在大气科学中的形式——热流量方程
任一孤立系统（单位质量饱和湿空气）由状态I变化到状态II时， 系统从外界吸收的热量dQ，水汽凝结释放潜热dQ’，系统内能增量 dU与系统对外界做功dW，则饱和湿空气的热流量方程为
➢ 纯水面和冰面的饱和水汽压
E
E0
exp
L Rv
1 T0
1 T
Ei
E0
exp
L
Ld Rv
1 T0
1 T
E：纯水面饱和水汽压（hPa)
10
Ei：纯冰面饱和水汽压（hPa)
E0：T0=273.15K时饱和水汽压
Ld：冰融解热(Jkg-1)
第三章大气热力学
es
E < Ei
E Ei
3.2 水分循环
三、 饱和水汽压和温度的关系
（2）球形溶液滴表面
E rn
1
cr r
cn r3
cn r3
称为饱和水汽压的“溶液效应”，使饱和水汽压减小。cn
取决于溶质、溶剂等特性。
（3）荷电水滴表面
当r<10-6cm时，产生“电荷效应”，与“溶液效应”相似， 也使饱和水汽压减小。
第三章大气热力学
3.3 ——热流量方程
第三章 大气热力学
3.1 大气温度 3.2 水分循环 3.3 热流量方程 3.4 绝热过程和绝热温度变化 3.5 热力学图解 3.6 大气稳定度 思考题
大气科学概论
3.1 大气温度
一、 平均气温和气温极值
Daily mean 日平均
Average of 24 hourly readings
Daily temperature range 日较差
Unit: 103km3
3.2 水分循环
二、 水的相变和相平衡
➢ 水相变
第三章大气热力学
第三章大气热力学
3.2 水分循环
二、 水的相变和相平衡
➢ 相平衡 饱和水汽压(E)
C 218大气压
冰 过饱和 5
A
过饱和 2
水
饱和 3
1大气压 6.11hPa
B’ B 未饱和 4
O 水汽 未饱和 1
-0.0075 0 100