1、2022-2-181第二節第二節 大氣的增溫和冷卻大氣的增溫和冷卻2022-2-182一、海陸的增溫和冷卻的差異一、海陸的增溫和冷卻的差異 同樣的太陽輻射到達地面也會因下墊面性質的不同同樣的太陽輻射到達地面也會因下墊面性質的不同而溫度不同，而而溫度不同，而大氣的熱源主要來自下墊面大氣的熱源主要來自下墊面，所以下墊，所以下墊面的不同對大氣溫度有著深刻的影響。其中海洋與陸地面的不同對大氣溫度有著深刻的影響。其中海洋與陸地的差異最大。的差異最大。2022-2-183( (1) )二者對太陽輻射的吸收和反射不同二者對太陽輻射的吸收和反射不同；u原因：原因： 在同樣的太陽輻射強度之下，在同樣的太陽輻射強

2、度之下，海洋所吸收的太陽能多于海洋所吸收的太陽能多于陸地所吸收的太陽能陸地所吸收的太陽能，這是因為，這是因為陸面對太陽光的反射率大于陸面對太陽光的反射率大于水面水面。平均而論，陸面和水面的反射率之差約為。平均而論，陸面和水面的反射率之差約為1020。換句話說，同樣條件下的水面吸收的太陽能比陸面吸收的太換句話說，同樣條件下的水面吸收的太陽能比陸面吸收的太陽能多陽能多1020。2022-2-184( (2) )能量分布的厚度不同能量分布的厚度不同；u原因：原因： 陸地所吸收的太陽能分布在很薄的表面上陸地所吸收的太陽能分布在很薄的表面上，而，而海水所吸海水所吸收的太陽能分布在較厚的層次收的太陽能分布

3、在較厚的層次。n 這是因為陸地表面的巖石和土壤對于各種波長的太陽輻這是因為陸地表面的巖石和土壤對于各種波長的太陽輻射都是不透明的，而水除了對紅色光線和紅外線可以說是射都是不透明的，而水除了對紅色光線和紅外線可以說是不透明的外，對于紫外線和波長較短的可見光線來說，卻不透明的外，對于紫外線和波長較短的可見光線來說，卻是相當透明的。是相當透明的。2022-2-185 同時，同時，陸地所得太陽能主要依靠傳導向地下傳播陸地所得太陽能主要依靠傳導向地下傳播，而，而水水還有其他更有效的方式還有其他更有效的方式，包括，包括波浪波浪、洋流洋流和和對流作用對流作用。這些。這些作用使得水的熱能發生垂直的和水平的交換

4、。作用使得水的熱能發生垂直的和水平的交換。 因此，陸面所得太陽輻射集中于表面一薄層，以致表面因此，陸面所得太陽輻射集中于表面一薄層，以致表面急劇增溫，也就加強了陸面和大氣之間的顯熱交換；反之，急劇增溫，也就加強了陸面和大氣之間的顯熱交換；反之，水面所得太陽輻射分布在較厚的一個層次，以致水溫不易增水面所得太陽輻射分布在較厚的一個層次，以致水溫不易增高，也就相對地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。砂所得高，也就相對地減弱了水面和大氣之間的顯熱交換。砂所得的太陽輻射，傳給空氣的約占半數，而水所得的太陽輻射，的太陽輻射，傳給空氣的約占半數，而水所得的太陽輻射，傳給空氣的不過傳給空氣的不過0.5。2022

5、-2-186( (3) )水汽含量不同水汽含量不同；u原因：原因： 海面有充分水源供應，以致蒸發量較大，失熱較多，也海面有充分水源供應，以致蒸發量較大，失熱較多，也使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發而有較多的水使得水溫不容易升高。而且，空氣因水分蒸發而有較多的水汽，以致空氣本身有較大的吸收地面輻射的能力，也就使得汽，以致空氣本身有較大的吸收地面輻射的能力，也就使得氣溫不易降低。氣溫不易降低。 陸地上的情況則正好相反。陸地上的情況則正好相反。2022-2-187( (4) )陸地比熱小于海洋比熱陸地比熱小于海洋比熱；u原因：原因：2022-2-188u結論結論：陸地受熱快，冷卻也快，溫度升

6、降變化大。：陸地受熱快，冷卻也快，溫度升降變化大。海洋好像大氣熱量的存儲器和調節器升溫和冷卻都較海洋好像大氣熱量的存儲器和調節器升溫和冷卻都較慢，所以年最高氣溫和最低氣溫的出現比大陸延遲慢，所以年最高氣溫和最低氣溫的出現比大陸延遲12個月，且日較差和年較差都比陸地小。個月，且日較差和年較差都比陸地小。n“陸地是急性子陸地是急性子，海洋是慢性子海洋是慢性子”2022-2-189二、空氣的增溫和冷卻二、空氣的增溫和冷卻 空氣的冷熱程度只是一種現象，它空氣的冷熱程度只是一種現象，它實質上是空氣內能實質上是空氣內能大小的表現大小的表現。 空氣內能變化有兩種情況空氣內能變化有兩種情況：n 一是由于空氣一

7、是由于空氣與外界有熱量交換與外界有熱量交換而引起的，稱為而引起的，稱為非絕熱非絕熱變化變化；n 二是由于二是由于外界壓力的變化使空氣膨脹或壓縮外界壓力的變化使空氣膨脹或壓縮而引起的，而引起的，空氣與外界沒有熱量交換，稱為空氣與外界沒有熱量交換，稱為絕熱變化絕熱變化。2022-2-18102.1 氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化氣溫的非絕熱變化( () )2022-2-1811( (1) )傳導傳導：就是依靠分子的熱運動將熱能從一個分子傳遞：就是依靠分子的熱運動將熱能從一個分子傳遞給另一分子，而分子本身并沒有因此發生位置的變化。給另一分子，而分子本身并沒有因此發生位置的變化。n

8、空氣與地面之間，空氣團與空氣團之間，當有溫度差異空氣與地面之間，空氣團與空氣團之間，當有溫度差異時，就會因為傳導作用而交換熱量。時，就會因為傳導作用而交換熱量。( (2) )輻射輻射：是物體之間依各自溫度不停地以輻射方式交換：是物體之間依各自溫度不停地以輻射方式交換著熱量的傳熱方式。著熱量的傳熱方式。n 大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時，地面大氣主要依靠吸收地面的長波輻射而增熱，同時，地面也吸收大氣放出的長波輻射，這樣它們之間就通過長波輻也吸收大氣放出的長波輻射，這樣它們之間就通過長波輻射的方式不停地交換著熱量。射的方式不停地交換著熱量。n 空氣團之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。

9、空氣團之間，也可以通過長波輻射而交換熱量。2022-2-1812( (3) )對流對流：當暖而輕的空氣上升時，周圍冷而重的空氣便：當暖而輕的空氣上升時，周圍冷而重的空氣便下降來補充，這種升降運動，稱為對流。下降來補充，這種升降運動，稱為對流。n 通過對流、上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交通過對流、上下層空氣互相混合，熱量也就隨之得到交換。使低層的熱量傳遞到較高的層次，這是對流層中的熱換。使低層的熱量傳遞到較高的層次，這是對流層中的熱量交換的重要方式。量交換的重要方式。 ( (4) )湍流湍流：是空氣的不規則運動稱為湍流，又稱：是空氣的不規則運動稱為湍流，又稱亂流亂流。n 湍流是空氣層相互

10、之間發生摩擦或空氣流過粗糙不平湍流是空氣層相互之間發生摩擦或空氣流過粗糙不平的地面時產生的。的地面時產生的。n 有湍流時，相鄰空氣團之間發生混合，熱量也就得到有湍流時，相鄰空氣團之間發生混合，熱量也就得到了交換。了交換。n 湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。湍流是摩擦層中熱量交換的重要方式。2022-2-1813( (5) )蒸發蒸發( (升華升華) )和凝結和凝結( (升華升華) ) ：n 水在蒸發水在蒸發( (或冰在升華或冰在升華) )時要吸收熱量；時要吸收熱量；n 相反，水汽在凝結相反，水汽在凝結( (或凝華或凝華) )時，又會放出潛熱。時，又會放出潛熱。n 如果蒸發如果蒸發( (升華升

11、華) )的水汽，不是在原處凝結的水汽，不是在原處凝結( (凝華凝華) )，而，而是被帶到別處去凝結是被帶到別處去凝結( (凝華凝華) )，就會使熱量得到傳送。，就會使熱量得到傳送。p 例如，從地面蒸發的水汽，在空中發生凝結時，就例如，從地面蒸發的水汽，在空中發生凝結時，就把地面的熱量傳給了空氣把地面的熱量傳給了空氣。n 因此，通過蒸發因此，通過蒸發( (升華升華) )和凝結和凝結( (凝華凝華) )，也能使地面和，也能使地面和大氣之間，空氣團與空氣團之間發生潛熱交換。由于大大氣之間，空氣團與空氣團之間發生潛熱交換。由于大氣中的水汽王要集中在氣中的水汽王要集中在5公里以下的氣層中，所以這種公里以

12、下的氣層中，所以這種熱量交換主要在對流層下半層起作用。熱量交換主要在對流層下半層起作用。2022-2-18142.2 氣溫的絕熱變化氣溫的絕熱變化 大氣中所進行的各種過程，通常伴有不同形式的能大氣中所進行的各種過程，通常伴有不同形式的能量轉換。在能量轉換過程中，空氣的狀態要發生改變。量轉換。在能量轉換過程中，空氣的狀態要發生改變。 在氣象學上，任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態變在氣象學上，任一氣塊與外界之間無熱量交換時的狀態變化過程，叫做化過程，叫做絕熱過程絕熱過程。2022-2-1815( (1) )當某一氣團在與外界沒有任何熱量交換的情況下，做上當某一氣團在與外界沒有任何熱量交換的情況

13、下，做上升運動，如果該氣團體積不變上升到某一處，則其內部的升運動，如果該氣團體積不變上升到某一處，則其內部的壓強會比周圍大氣的要高，氣團為了與外界大氣相平衡，壓強會比周圍大氣的要高，氣團為了與外界大氣相平衡，氣塊體積要膨脹，在膨脹的過程中克服外界壓力而做功，氣塊體積要膨脹，在膨脹的過程中克服外界壓力而做功，氣團做功所消耗的能量取自氣團內部，因此使氣塊溫度降氣團做功所消耗的能量取自氣團內部，因此使氣塊溫度降低，以上過程稱為氣溫的低，以上過程稱為氣溫的絕熱冷卻絕熱冷卻。( (2) )反之，氣團作下沉運動時，若與外界沒有熱量交換的情反之，氣團作下沉運動時，若與外界沒有熱量交換的情況下，由于外界氣壓比

14、起團內部氣壓高，會壓縮氣塊使氣況下，由于外界氣壓比起團內部氣壓高，會壓縮氣塊使氣團體積縮小，同時氣團內氣體被壓縮做功，內能增加，溫團體積縮小，同時氣團內氣體被壓縮做功，內能增加，溫度上升，這種現象稱為度上升，這種現象稱為絕熱增溫絕熱增溫。2022-2-18162.2.1 熱流量方程熱流量方程：大氣科學中常用的大氣科學中常用的熱力學第一定律表達式熱力學第一定律表達式，即，即熱流量方程熱流量方程。絕熱過程絕熱過程：dQ=0；非絕熱過程非絕熱過程：dQ0(1/)vvpdQdUdWc dTpdVc dTpddpc dTRTp2022-2-18172.2.2 干絕熱變化、干絕熱直減率干絕熱變化、干絕熱直

15、減率： 干絕熱變化干絕熱變化：當一團干空氣或未飽和的濕空氣與外界當一團干空氣或未飽和的濕空氣與外界沒有任何熱量交換做升降運動，且氣塊內沒有任何水相沒有任何熱量交換做升降運動，且氣塊內沒有任何水相變化時的變化時的溫度變化過程溫度變化過程叫叫干絕熱變化干絕熱變化。 干絕熱方程干絕熱方程： 干絕熱直減率干絕熱直減率( (d) )干空氣或未飽和的濕空氣，氣干空氣或未飽和的濕空氣，氣塊絕熱上升塊絕熱上升( (或下沉或下沉) )單位距離時溫度降低單位距離時溫度降低( (或升高或升高) )的數的數值。值。/0.286000pR cTPPTPP0.98K /100m (C/100m)idpdTgdzc 或泊松

16、方程泊松方程2022-2-18180T100mxT 0干絕熱直減率干絕熱直減率:d=0.98/100m2022-2-1819注意注意： 0.98 C/100md0.65 C/100m干絕熱直減率干絕熱直減率氣溫直減率氣溫直減率異同異同 氣溫直減率氣溫直減率是是周圍大氣周圍大氣溫度隨著距離地面越來越遠得溫度隨著距離地面越來越遠得到的熱量越來越少；到的熱量越來越少； 干絕熱直減率干絕熱直減率是是干空氣干空氣在絕熱上升或絕熱下降運動過在絕熱上升或絕熱下降運動過程中由于做功氣塊本身的溫度變化。程中由于做功氣塊本身的溫度變化。2022-2-1820對流層氣溫的垂直變化對流層氣溫的垂直變化 ( (復習、鞏

17、固概念復習、鞏固概念) )氣溫直減率氣溫直減率定義定義：氣溫隨高度變化的程度。氣溫隨高度變化的程度。 表達式表達式： dZdTZTZ：兩高度高度差，：兩高度高度差，T兩高度相應的氣溫差；兩高度相應的氣溫差；負號表示氣溫垂直分布的方向。負號表示氣溫垂直分布的方向。 0，氣溫隨高度的增加而降低；，氣溫隨高度的增加而降低；0，氣溫隨高度的增高而升高。，氣溫隨高度的增高而升高。的絕對值越大，氣溫隨高度變化差異越大。的絕對值越大，氣溫隨高度變化差異越大。2022-2-18212.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率濕絕熱變化、濕絕熱直減率： 濕絕熱變化過程濕絕熱變化過程：當飽和濕空氣在做絕熱上升：當飽和濕空

18、氣在做絕熱上升( (或下或下沉時沉時) )溫度受到兩方面的影響：溫度受到兩方面的影響：n 氣團中的干空氣上升體積膨脹降溫，也是每上升氣團中的干空氣上升體積膨脹降溫，也是每上升100m溫度降低溫度降低0.98； n 水汽既已是飽和的，它會因為上升冷卻而發生凝結，凝水汽既已是飽和的，它會因為上升冷卻而發生凝結，凝結就要放熱，所以放出的熱量又使溫度有所回升。結就要放熱，所以放出的熱量又使溫度有所回升。 所以可以所以可以推論推論：因為有凝結放出熱量的補給，降溫要：因為有凝結放出熱量的補給，降溫要小于小于d，這整個過程就是大氣溫度的，這整個過程就是大氣溫度的濕絕熱變化濕絕熱變化。 2022-2-1822

19、2.2.3 濕絕熱變化、濕絕熱直減率濕絕熱變化、濕絕熱直減率： 濕絕熱方程濕絕熱方程： 濕絕熱直減率濕絕熱直減率( (m) )：飽和濕空氣塊上升飽和濕空氣塊上升( (下沉下沉) )單位距單位距離使溫度降低離使溫度降低( (升高升高) )的數值。的數值。m0.98/100m是一個變數。是一個變數。sppdqcLpdpcRTdT()ismmdpdTdqLdzcdz 各項物理意義各項物理意義0msddqdz2022-2-1823濕絕熱直減率是一個變數，它的大小是氣壓和溫度的函數濕絕熱直減率是一個變數，它的大小是氣壓和溫度的函數100m在體積、氣壓相等的情況下，溫度高的飽和空氣含水在體積、氣壓相等的情

20、況下，溫度高的飽和空氣含水量大，所以降低同樣的溫度，要比溫度低的飽和空氣凝量大，所以降低同樣的溫度，要比溫度低的飽和空氣凝結出更多的水分，意味著放出更多的熱量來結出更多的水分，意味著放出更多的熱量來。例如例如: 20 19飽和空氣凝結出飽和空氣凝結出1g/m3水水 0 -1飽和空氣凝結出飽和空氣凝結出0.33g/m3水水高溫高溫：凝結水多，放熱多凝結水多，放熱多( (T大大) )m=1-Tm小小結論結論：當兩塊飽和空氣氣壓相同，容積相等當兩塊飽和空氣氣壓相同，容積相等而氣溫不同時而氣溫不同時 n 氣溫高的飽和空氣氣溫高的飽和空氣m小小n 氣溫低的飽和空氣氣溫低的飽和空氣m大大2022-2-18

21、24氣壓大小對濕絕熱直減率的影響氣壓大小對濕絕熱直減率的影響假設溫度相同則空氣所含的水汽是一定的，于是按濕絕熱上升時因溫假設溫度相同則空氣所含的水汽是一定的，于是按濕絕熱上升時因溫度降低產生的凝結潛熱是相等的，但熱量不是溫度，對于空氣密度大小度降低產生的凝結潛熱是相等的，但熱量不是溫度，對于空氣密度大小不同的氣團，相同的熱量引起的增溫作用會不同不同的氣團，相同的熱量引起的增溫作用會不同。P 大大：等量的熱量引起的升溫要小些等量的熱量引起的升溫要小些( (T小小) ) m=1-Tm大大P 小小：等量的熱量引起的升溫要大些等量的熱量引起的升溫要大些( (T大大) ) m=1-Tm小小結論結論：在溫

22、度相等的情況下在溫度相等的情況下n 氣壓高的飽和空氣氣壓高的飽和空氣m大大 n 氣壓低的氣壓低的飽和空氣飽和空氣m小小 2022-2-1825干、濕絕熱的比較干、濕絕熱的比較T(干干) T(濕濕)100m0干絕熱直減率干絕熱直減率d近似于常數，故是一直線近似于常數，故是一直線；m是一個變量，所以是一條曲線是一個變量，所以是一條曲線。 濕絕熱直減率曲線始終在干絕熱線的右方。濕絕熱直減率曲線始終在干絕熱線的右方。 m T( (干干) )m不是恒定的，因而不是一個直線，而且是一條下陡上緩的曲線。不是恒定的，因而不是一個直線，而且是一條下陡上緩的曲線。因為大氣下層溫度高，因為大氣下層溫度高，m小，隨高

23、度上升溫度下降慢；大氣上部溫小，隨高度上升溫度下降慢；大氣上部溫度低，度低，m大，隨著高度上升溫度下降快。大，隨著高度上升溫度下降快。到了高層，兩條線近于平行到了高層，兩條線近于平行 溫度越降越低，水汽凝結越來越多，空氣團中的水汽含量越來越少，溫度越降越低，水汽凝結越來越多，空氣團中的水汽含量越來越少，當水汽為零時，飽和空氣也就變為干空氣，則當水汽為零時，飽和空氣也就變為干空氣，則m= d ，從而使兩條，從而使兩條線近于平行。線近于平行。2022-2-1826四、大氣靜力穩定度四、大氣靜力穩定度4.1 概念概念大氣穩定度大氣穩定度：是指氣塊受任意方向擾動后，返回或遠是指氣塊受任意方向擾動后，返

24、回或遠離原平衡位置的趨勢和程度。離原平衡位置的趨勢和程度。n 它表示在大氣層中的個別空氣塊是否安于原在的層次，它表示在大氣層中的個別空氣塊是否安于原在的層次，是否易于發生是否易于發生垂直運動垂直運動，即是否易于發生，即是否易于發生對流對流。( (如果容如果容易就不穩定，不容易就穩定易就不穩定，不容易就穩定) )大氣靜力穩定度大氣靜力穩定度：是指處在靜力平衡狀態中的大氣，是指處在靜力平衡狀態中的大氣，空氣因受外力因子的擾動后，大氣層結（溫度和濕度的空氣因受外力因子的擾動后，大氣層結（溫度和濕度的垂直分布）有使其返回或遠離原來平衡位置的趨勢或程垂直分布）有使其返回或遠離原來平衡位置的趨勢或程度，稱

25、之為大氣靜力穩定度。度，稱之為大氣靜力穩定度。2022-2-1827若空氣受到對流沖擊力的作用，產生了向上或向下的若空氣受到對流沖擊力的作用，產生了向上或向下的運動，則有可能出現三種情況：運動，則有可能出現三種情況：n 如果空氣團受力移動后，逐漸減速，如果空氣團受力移動后，逐漸減速，并有返回原來高度的趨勢，這時的氣并有返回原來高度的趨勢，這時的氣層，對于該空氣團而言是穩定的層，對于該空氣團而言是穩定的( (stable) )；n 如空氣團一離開原位就逐漸加速運動，如空氣團一離開原位就逐漸加速運動，并有遠離起始高度的趨勢，這時的氣層，并有遠離起始高度的趨勢，這時的氣層，對于該空氣團而言是不穩定的對于該空氣團而言是不穩定的( (unstable) )；n 如空氣團被推到某一高度后，既不加速如空氣團被推到某一高度后，既不加速也不減速，這時的氣層，對于該空氣團也不減速，這時的氣層，對于該空氣團而言是中性氣層而言是中性氣層( (neutral) )。 2022-2-1828