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1、大气物理学第六章 大气热力学基本一、热力学基本规律、空气状态的变化和大气中所进行的多种热力过程都遵循热力学的一般规律，因此热力学措施及成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（) 开放系:一种与外界互换质量的系统(2） 封闭系:和外界互不互换质量的系统(） 独立系：与外界隔绝的系统,即不互换质量也不互换能量的系统。3、准静态过程和准静力条件(）准静态过程：系统在变态过程中的每一步都处在平衡状态(2） 准静力条件:Pe 系统内部压强p 全等于外界压强P4、气块（微团)模型气块（微团)模型是指宏观上足够小而微观上具有大量分子的空气团，其内部可涉及水汽、液态水或固态水。 气块（微
2、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Q=cd -dpcd-pp【比定压热容cp和比定容热容cv的关系 c+,(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要判据，它是通过态函数来完毕的。7、理解熵、焓(从平衡态x0开始而终结于另一种平衡态x的过程,将朝着使系统与外界的总熵增长的方向进行；等焓过程: 绝热和等压；物理意义:在等压过程中，系统焓的增长值等于它所吸取的热量)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。（)
3、温湿能：单位质量空气的温湿能是显热能和潜热能之和。()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1干空气的总能量: Ed=U+Ek=cp+gz+V2212湿空气的总能量： Em=+Ek+Lq=cT+z+V+Lq二、大气中的干绝热过程1、系统（如一气块）与外界无热量互换（Q=)的过程，称为绝热过程。 1dp Tpp=()kd=()02(对未饱和湿空气= d=Cp0.86计算大气的干绝热过程)p0p0例:如干空气的初态为p=100ha ，T0=3K,当它绝热膨胀,气压分别降到00hpa和00ha时温度分别为多少?2、干绝热减温率定义：
4、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v,单位/00mg g=9.8km=.8k/100m1oC/10m cpd、位温定义:把空气块干绝热膨胀或压缩到原则气压（常取ha）时应有的温度称位温。1000kd100Cpd0286)=（)=T()未饱和湿空气大小: qT（ppp【位温在干绝热过程中保持不变,称为在干绝热过程中具有保守性。】4、抬升凝结高度Zc(LL）: 湿空气块因绝热抬升而水汽达到饱和并开始凝结的高度。 -Rd(）=T0-0981(z-z0）123(T抬升凝结的估算公式 c T 0 - d 0 ） (T和do分别为地面的气温和露点）-（z)=Td0-01(z-z0)三、可
5、逆的饱和绝热过程和假绝热过程、如果空气块在上升过程中是绝热的，所有凝结水都保存在气块内，气块在下沉时凝结的水分又会蒸发,仍然沿绝热过程回到本来状态,这个过程湿绝热过程。又称可逆的饱和绝热过程、可逆的湿绝热过程。2、空气块在上升过程中是绝热的，当饱和气块在上升过程中,水汽凝结释放潜热。凝结物一旦形成，随后所有脱离原上升气块，气块做湿绝热上升;当气块转为下降运动时,因无水汽凝结物供蒸发,气块呈未饱和状态,做干绝热下降。这种过程假绝热过程。又称不可逆的湿绝热过程。自然界的焚风是最常用的假绝热过程例子。3、焚风：气流过山后在背风坡形成的干热风,称为焚风。试计算在山麓处温度为25oC气流,翻越一座400
6、米的高山，达到山脚时的温度变为多少？(设凝结高度为100米,=.6oC0米）有一气流,温度为15，越过高度为米的山脉。设凝结高度为800米,凝结物所有降落，若湿绝热减温率为s=00米，问气流翻越高山后温度变为多少？4、湿绝热方程(饱和湿空气的热力学第一定律) cdT-RTdlp+Ldr=0pddds、湿绝热减温率s为饱和湿空气随高度的变化率的负值:rs=-湿绝热减温率与干绝热减温率及饱和比湿垂直分布的关系: dTdzr=-drLrdT=+V因饱和比湿一般随高度减少，s0因此可知r dzcpdz、假相称位温e：se就是湿空气通过假绝热过程把它涉及的水汽所有凝结降落完后,降落到10hpa的温度称为
7、假相称位温。假湿球位温 : sw 就是湿空气通过可逆的饱和绝热过程降落到100h的温度，称为假湿球位温。 同样可以证明, e 和sw 无论是干绝热过程还是湿绝热过程，其值保持不变,具有保守性。H=m1Dh1+m2Dh2=0h1=cp1(T-1)=cd(1+0q1)(T-T)h=wTT）e=cpT(1和+0.6q)(T-各温湿参量关系:Tsw2T（T2sw2m1T1+m四、大气热力学图解（见附加资料) 由上两式可得:m五、绝热混合过程 mT1+m22+0.86(mT+2T2)me+me2211qT1m+2T11T=):两个温度和湿度各不相似的空气块绝热等压混合的状况。、绝热等压混合(水平混合Te
8、m(1+0.8)m混合成果：混合后的 T 、 、都可由初值的质量加权平均得到。 mmq+mq1e+m2em1q1+mq2m1T1+m2Te=qTmmmm实例:湿度较大的未饱和空气块混合后，有也许发生凝结。(见45图6.9）mqme+me112q21122【冬季水面上的蒸汽雾; 飞机云迹 ; 开水壶口喷出的雾】 qm六、大气的静力稳定度1、鉴别大气稳定度的基本措施一气块法 1q+mq2q 在气层中任意选用一空气块,使其上下移动。根据该气层对空气块的垂直运动的影响状况mTqq-时,为不稳定大气层结(2)当=时,为中性大气层结(3）当时,为稳定大气层结特别地, 对于未饱和气块, = d；对于饱和气块
9、，= s大气层结稳定度总判据当d时，绝对不稳定当ds时，条件性不稳定当ve,即状态曲线在层结曲线的右边面积A为正；(图见p6）u 当Tv ve ，即状态曲线在层结曲线的左边面积A为负。3、 条件性不稳定的类型(图见P157)层结曲线和状态曲线的第一种交点F为自由对流高度（LFC)第二个交点为平衡高度（此处速度最大,加速度为零)对流有效势能（APE)为F和D之间的正面积区对流克制能量(CIN)为LC如下的负面积区（大气底部的气块要达到LC至少需从其她途径获得的能量下限)温度层结曲线与低层等饱和比湿线的交点为对流凝结高度（CCL)状态曲线的第一种折点为抬升凝结高度(C)4、大气三种基本类型:(1）
10、潜在不稳定型；（2）绝对稳定型;(3)绝对不稳定型。其中(1)真潜在不稳定型：正面积不小于负面积；（2）假潜在不稳定型:正面积不不小于负面积因此,在相似的温度层结下,湿度愈大，愈有助于垂直运动的发展。 、热雷雨是指气团内因下垫面(森林、沙地、湖泊）受热不均,由热力抬升作用形成的雷雨。CL即为温度层结曲线和低层等饱和比湿q0线的交点。要预测当天也许发生热雷雨的也许性，需从对流凝结高度沿干绝热线下延至地面，以拟定当天也许发生热对流的下限温度Tt ，一般觉得，如果几天来天气条件没有太大变化,且前几天地面最高气温接近或接近Tt，那么当天气温就也许达到或超过t,产生热雷雨的也许性就比较大。七、整层气层升
11、降时稳定度的变化1、整层气层升降会导致大气温度递减率和湿度垂直分布的变化，从而使气层的稳定度发生变化，导致强烈对流或者使气层更稳定。稳定度讨论 【v2将如何变化,取决于（p2/P1A1)】（1) 当1d,如果气层下沉且随着有横向扩散,有p2A2 PA 则2 v1,气层稳定度将趋向更稳定,甚至浮现逆温。如果气层被抬升且随着有水平辐合时，有pA2v ,导致气层的稳定性减少。如果 P2/1和 A/A1两者的变化趋势相反(即上升辐散,下降辐合），（2)当v1=, 则2=v1=d, 原气层在升降过程中保持干绝热减温率不变。()当1d， 所得结论与(1)相反。但这种处在绝对不稳定状态的气层在实际大气中是很
12、少见的。、对流性不稳定:上干下湿气层 ：整层气层上升并先后凝结后，饱和气层的垂直减温率将变得不小于s,成了不稳定层结，称对流性不稳定。上湿下干气层:气层的垂直减温率将变小甚至为零或逆温，成了稳定层结,称对流性稳定。第十一章 云雾形成的宏观条件及一般特性一、1、云 云和降水的分类和生成条件2、云雾生成的宏观条件水汽由未饱和达到饱和而生成云雾有两途径：（1)增长空气中的水汽（2）降温(*绝热上升冷却凝结、等压冷却凝结、绝热混合凝结）【上升气流和充足的水汽是云生成的必要条件】上升运动的形式不同，形成不同的云型：1) 大范畴辐合抬升:锋面云系(图1.)，低压、冷涡、切变线产生辐合抬升2) 局地不稳定层
13、结的对流运动：局地不稳定3) 地形抬升:暖湿气流被山地抬升）波动： 高空稳定层下的风速切变5) 湍流：大气边界层的湍流使热量、动量和水汽的重新分布、对流云一般分为形成Cu Cucon（上升气流为主、提供丰富的水汽,1-5min)cong成熟 u C (浮现降水,10-30mi)消散CbS, no（云下浮现下沉气流,几mi) 单个气团雷暴的生命期约为12小时二、局地强风暴天气系统1、飑线定义:集合成带状排列的雷雨云,宽数公里，长可达一二百公里。2、超级单体风暴定义:由一种庞大的单体构成,尺度可达5k寿命长达7-。3、多单体风暴和传播式单体风暴定义:由许多种单体所构成的风暴云。4、降水的宏观特性(1）水平范畴变化较大（2)一次降水,降水量一般不小于云中总含水量,（）对于一次降水,降水量一般不不小于入云水汽量三、云雾降水的微观 特性1、云和降水是由大量离散的液态或固态粒子所构成的涉及云滴、雨滴、冰雪晶、雪花、霰、冰雹等。它们的微观特性重要指粒子的大小及其数密度(或称浓度）。2、云雾滴谱分布特性:(1)不同云云滴谱差别较大;(2)积状云比层状云滴谱宽；(3)对流强的浓积云的云滴谱较宽，云滴数密度较小而尺度较大。3、冰雪晶微观特性(1)粒子分类：冰晶、雪晶、雪花、霰粒或雪丸、小雹粒和冰雨冰晶的基本形状
