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《大气科学基础》复习大纲确定各种特征高度抬升凝结高度通过(P,T)沿干绝热上升到与通过(P,Td)的等饱和比湿线的交点即为凝结高度自由对流高度气块温度大于环境温度的高度确定不稳定能量层结曲线与状态曲线包围的面积状态曲线位于层结曲线右边,算作正面积对流有效位能是正面积的综合确定各种温度参量位温沿干绝热线移动到lOOOmb处所对应的温度值假相当位温通过(P,T)按干绝热上升到达凝结高度(上升到与通过(P,Td)的等饱和比湿线相交),然后按湿绝热上升直至与干绝热线近似于平行,然后沿干绝热线下降到lOOOmb处的温度即是大气静力稳定度稳定气层气层中气块受扰后产生一个垂直位移,气块到达新位置后有返回原来位置的趋势不稳定气层气层中气块受扰后产生一个垂直位移,气块到达新位置后有离开原来位置的趋势中性气层气层中气块受扰后产生一个垂直位移,气块到达新位置既无返回原来位置又无离开的趋势位势不稳定包括条件不稳定和对流不稳定条件不稳定针对气块,对流不稳定针对气层条件不稳定当/>为,对任何气层不稳定,称为绝对不稳定气层;小当7<对任何气层稳定,称为绝对稳定气层;当Y<Y<Y>对未饱和气层,为稳定;对干饱和气层,受垂直向上扰动为不稳定,受垂直向下扰动m d为稳定;对湿饱和气层,不稳定,称为条件不稳定气层;当7=为,对未饱和气层为中性;对湿饱和气层为不稳定;对干饱和气层,受垂直向上扰动为不稳定,受垂直向下扰动为中性;当/=,对未饱和气层为稳定;为湿饱和气层为中性;对干饱和气层,受垂直向上扰动为中性,受垂直向下扰动为稳定气层不稳定能量绝对稳定型气块温度总小于气层温度,在埃玛图上气层不稳定能量为负绝对不稳定型气块温度总大于气层温度,在埃玛图上气层不稳定能量为正潜在不稳定型真潜不稳定型正面积大于负面积假潜不稳定型正面积小于负面积空气湿度对气层稳定度的影响空气湿度大,则凝结高度低,构成的负面积就小对流不稳定气层被抬升后出现的不稳定开始时气块的上下端都按照干绝热上升;由于气层底部湿度较大而先达到饱和状态,按湿绝热上升,温度递减率下降;气层上部湿度较小仍未饱和,按照干绝热过程上升;因为气块上下按不同的递减率上升,导致层结发生变化,最终导致不稳定的发生有利于位势不稳定层结建立的有利因素包括高空干冷空气平流、低层暖湿气流、地面辐射加热云物理学基础成云过程水汽的凝结与过冷水滴的凝固成云条件凝结核(CCN)、水汽过饱和最根本条件增大空气湿度使水汽过饱和的途径降低温度(主要)、增加水汽使水汽压增大(次要)降低温度对相对湿度的影响比增加水汽的影响大20倍降温途径热力对流大气层结不稳定或地面受热不均匀而产生上升运动;动力抬升暖湿气流受锋面、辐合气流的作用被迫上抬,或在运行中受地形阻挡产生上升气流;云的分类按云底高度高云、中云、低云三族低云积云、积雨云、层云、层积云、雨层云、碎雨云六属多由微小水滴组成,垂直发展旺盛中上部有过冷水滴和冰晶积云淡积云、碎积云、浓积云积雨云秃积雨云、鬃积雨云层积云透光层积云、蔽光层积云、积云性层积云、堡状层积云、荚状层积云层云一般由水滴或过冷水滴组成碎层云雨层:碎雨云中云高层云、高积云两属高层云透光高层云、蔽光高层云高积云透光高积云、蔽光高积云、积云性高积云、荚状高积云、絮状高积云、堡状高积高云卷云、卷层云、卷积云三属卷层云毛卷层云、匀卷层云卷云冰晶组成毛卷云、密卷云、钩卷云、伪卷云卷积云不稳定天气系统云雾滴的物态水雾、水云、冰雹、冰云、混合云、混合雾雾-18℃〜-20℃水雾-20℃含有冰晶,多为混合雾-30℃多为冰雾云0℃水云-15℃〜0℃过冷水滴组成的水云-30℃〜-15℃混合云--30℃冰云云雾滴的大小雾滴:l-40um,温度大于0℃时,雾滴7-15um,温度小于0℃2-5umz云滴半径小云lOOum水滴,多数在2-15um雨滴半径大于lOOum数密度(浓度)单位体积云体内包含的云滴个数,用立方厘米有云滴(或雾滴)多少个滴谱不同半径云滴的浓度按半径大小的分布雨层云滴谱宽,易降水云雾含水量单位体积空气中水汽或冰晶的质量,单位g/m3云、雾一般温度越高含水量越高;积状云含水量一般大于层状云形成云雾的基本过程冷却过程绝热冷却、平流冷却、辐射冷却蒸发过程混合过程水平混合、垂直混合云雾消散的基本过程增高温度和减小水汽含量雾的分类气团雾和锋面雾辐射雾地面辐射冷却使贴地气层变冷而形成的雾平流雾由于暖湿空气平流到冷的下垫面上经冷却形成的雾上坡雾空气沿地形抬升,绝热膨胀冷却形成的雾气层要对流性稳定,否则形成对流云蒸发雾冷空气移经到暖水面上,由暖水面蒸发,水汽达到饱和凝结形成的混合雾两团接近饱和的空气水平混合达到饱和凝结成雾温差大于10℃,相对湿度大于95%O地方性雾都市雾多凝结核锋面雾锋前雾、锋际雾、锋后雾水的相变潜热物体在等温等压发生相态改变所吸收或释放的能量(分子热动能及分子间位能)饱和水汽压和温度的关系随温度增高而增大at向马格努斯公式E=E010,a=
7.45,b=235相同温度下冰面饱和水气压小于过冷水面饱和水汽压,相差最大;产生冰晶效应在由过冷水滴和冰晶组成的混合云中,如果水汽压介于冰面饱和水气压和过冷水面饱和水气压之间时,对过冷水滴表面水汽未饱和,产生蒸发使水滴变小,水汽向冰晶转移;对冰晶表面水汽过饱和产生凝华,冰晶增大云滴增长凝结增长和碰并增长云滴凝结增长水滴依靠在水汽分子表面凝聚而增长的过程内部大小云滴、冷暖云滴或冰水云滴共存使水汽从一种云滴转移到另一种云滴上云滴碰并增长云滴常处于运动当中,这使它们可能发生碰并大小云滴发生碰并而合并增大的过程重力碰并在重力场中由于大小云滴速度不同而产生碰并现象碰撞系数实际碰撞的水滴数与大水滴下降路径上圆柱体内水滴总数之比合并系数碰撞后导致合并的水滴数目与相碰撞的水滴总数目之比碰并系数,碰撞系数乘以合并系数即为碰并系数(捕获系数、捕获效率)云中水滴增大一破碎一再增大一再破碎的循环往复过程,常用来解释暖云降水的形成,称之为“链锁反应,有时也称为暖云的繁生机制降水强度单位时间内降水量降水的种类连续性降水降水强度变化小,时间长,范围大;多降自雨层云或高层云间歇性降水降水强度时大时小,时降时止,变化慢;多降自层积云或高层云阵性降水骤降骤止,降水强度大,时间短,范围小;主要降自积雨云毛毛状降水降水量和强度都很小,持续时间不定;主要降自层云人工影响天气基础人工降水基本原理和方法冷云人工降水根据冰晶水滴共存的冰晶效应,是缺少冰晶的冷云中产生产生冰晶向冷云中播散干冰作为制冷剂,使被、部分水汽和过冷水滴转化为冰晶胚胎直接向冷云中散播碘化银(或碘化铅、碘化汞等),晶体结构与冰晶相似,具有冰核作用,水汽可在其表面凝华或冻结形成较大冰晶暖云人工降水暖云云滴尺度均匀,使其降水原理是使云中大小水滴共存将吸湿性强的粉末(氯化钠、氯化钾等)撒入云中,使水汽和小水滴凝附在盐粉上形成大水滴直接向云中撒播大水滴,破坏暖云的胶性形成降水如低而厚的浓积云、积雨云,可在云的过冷却水滴区撒入干冰或碘化银;在云体高于0℃的部位撒入盐粉,往往效果较好人工消雾人工消冷雾向雾中撒播适当物质使之产生大量冰晶,产生冰晶效应减少和清除大气中的雾滴可产生冰晶的物质有制冷剂(液氮、丙烷和干冰等)、人工冰核(碘化银等)和通过膨胀降温产生冰晶的压缩空气人工消暖雾减湿法撒播吸湿性强的盐分,培植大水滴引发冲并,造成雾滴沉降加热法直接燃烧燃料增加局部区域温度,使雾滴蒸发而消散;消耗能量太大,不经济混合法《大气科学基础》复习大纲大气动力学基础作用于空气的力重力、气压梯度力、地转偏向力、摩擦力气压梯度力G=-■-V/P其中一切=一(曳+生7+%E)dx dydz水平气压梯度力G]=_■-V,p1P垂直气压梯度力G=-lv p=--^k p p dzC=-2CxD地转偏向力科里奥利系数/=2Osin科里奥利力在各方向的分量y=-2Cucosz=2Qucos0+2Q vsin0-2wcos0du1dpp dx忽略摩擦,标准坐标系的动量方程为曳-=12Qusin0dT Pdyx=2C vsin0-2Cwcos0「仆/dw15P-----=F2£2U COS0-g dtpdzdu简化后;市=-明+VpV=O一连续方程:dp dpdp,du dvdw„况x+u+v-^―+w-^-+p1—+—+——=0dxdy dzdx dydz如+/Vv=0D一du dvOW速度散度的意义:Vv=—+—+—dx dydz「一1dp1daVv=---------=---------p dta dt单位时间质量的变化率质量增加,流入辐合Vy0,质量减少,流出辐散Vv0,—0,体积增加,VD0,膨胀辐散单位时间体积的变化率力体积减少,缩小辐合—0,VD0,dt水平速度散度和垂直速度的关系:对不可压缩大气有蛾二°,即V°二°水平辐散,包垂直速度随高度减小减弱上升运动0,0,dz水平辐合,包垂直速度随高度增大加强上升运动0,0,dz有大气中的平衡运动地转风在水平气压梯度力与水平地转偏向力达到平衡的风,无加速度、无摩擦的空气水3P¥zap-sf+aV-5yg平运动梯度风是水平气压梯度力、水平地转偏向力和惯性离心力三者相平衡时的风热成风是上层地转风与下层地转风的矢量差,太阳、地面和大气的辐射能量的传递方式辐射,传导,对流辐射以电磁波传递能量的过程辐射能辐射过程传播的能量热辐射由于热的原因发生的辐射,物体减少本身的内能或吸收传来的热量发生的辐射微波1mm〜1m红外波段
0.76~1000um可见光
0.38〜
0.76um紫夕卜线
0.001〜
0.38um太阳短波辐射
0.15〜4um地面、大气长波辐射3〜120umdQP=辐射通量单位时间内通过空间任一平面的辐射能力(W)辐射通量密度单位时间单位面积通过的辐射量dA发射面放出的称为辐射出射率或辐射能力;接受面的称为辐照度辐射强度单位时间内通过垂直于选定方向上的单位面积(单位立体角)的辐射能贮1=dQ出辐射亮度通过选定方向上单位立体角单位面积的辐射通量或咳L=dAcosOdCl dAcosOdF-F dA;辐射光谱「出zF=[FM Jo太阳常数在日地平均距离处大气上界与太阳光垂直面上的太阳辐照度,1367W/m2物体对辐射发生反射、投射与吸收黑体吸收率不随波长变化,且都等于1,即对入射辐射全部吸收的物体灰体吸收率不随波长变化的非黑体辐射的基本定律基尔霍夫定律在辐射平衡的条件下,任一物体的单色辐射能力与物体对该波长吸收率的比值是一个温度与波长的普适函数,与物体性质无关==旦3・・・也可表达为任意物体的辐射能力与其吸收率之比等于相同温度下的黑体的辐射能力意义把物体吸收率、放射率和黑体辐射联系起来2hc51…丁;普朗克定律绝对黑体的单色辐出度随波长变化的函数(%])=£Z e-1对应任一温度,只有一个峰值,温度能唯一确定单色辐出度的光谱变化和辐射出射度单色辐出度随温度升高而增大;峰值随温度升高向短波方向移动7维恩位移定律随温度增加辐射能峰值向短波方向移动4ax=2孚-斯蒂芬•玻尔兹曼定律黑体发射辐射的能力与其绝对温度的四次方成正比E=太阳温度约6000K太阳辐射能力对应峰值
0.475um,对应可见光青光太阳辐射紫外光区7%;可见光区50%;红外光区43%影响大气上界太阳辐射的因素日地距离、太阳高度、白昼长度太阳辐射在大气中的衰减大气对辐射的吸收、大气对辐射的散射、大气对辐射的反射大气的吸收太阳辐射因水汽吸收减弱4-15%;大气对太阳辐射吸收具有选择性,减弱作用不大;太阳辐射不是大气主要的直接热源大气的散射散射光通过密度或折射率分布不均的介质,除光传播方向外,其他方向也可见到光瑞利散射(分子散射)太阳辐射遇到直径比起波长小的空气分子发生的散射有选择性,波长越短散射越强,天空呈蓝色是因为辐射中波长短粗颗粒散射(米散射)太阳辐射遇到空气中波长尺度大的颗粒所发生的散射无选择性,使天空呈灰白色大气的反射无选择性,反射光呈白色太阳辐射在大气中的削弱与其经过路径的空气质量有关,还与大气透明度有关到达地面的太阳辐射直接辐射和散射辐射直接辐射受太阳高度和大气透明度影响散射辐射受太阳高度角,大气透明度和云量、云状有关总辐射主要决定于直接辐射地面辐射由地面发射指向的电磁波辐射,大部分被大气吸收大气辐射大气发射的长波辐射,一部分下达地面,一部分周围大气吸收,小部分到达宇宙大气逆辐射大气辐射指向地面部分大气保温效应没有大气地表均温255K,实际288K地面有效辐射地面发射的辐射与地面吸收大气逆辐射之差影响地面有效辐射因子地气温度差、湿度、云、地表植被地面辐射差额物体辐射能与支出辐射能的差值无其他热交换方式,辐射差额决定物体温度的升降地面辐射差额获得能量太阳直接辐射、太阳散射辐射、大气逆辐射失去能量地面发射的长波辐射、地面对太阳辐射的反射讽Rg=Q+q+_aQ+q_EgU%=Q+ql-af影响地面辐射差额的因子昼夜变化和季节变化、地理纬度、地面发射率大气辐射差额获得能量太阳短波辐射的吸收、地面有效长波辐射失去能量大气上界有效长波辐射=%+片一旦一般而言,大气辐射差额为负数,热量平衡需要其他热传输渠道来维持,如潜热输送地气系统辐射差额地面辐射差额与大气辐射差额之和Rs=人+4=(Q+“)(1一)-E)+为+”-七U=(Q+4)(l-c)+/一兄地气系统辐射差额在不同季节、不同纬度有正有负太阳短波辐射总吸收70%:地表吸收、大气吸收、云吸收地表吸收直接发射到空间、传导和对流到大气、潜热携带到云和大气、辐射到大气总反射30%:地表反射、大气反射、云反射温室气体水汽、二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、臭氧
(03)、氯氟煌类化合物(CFCs)、氢代氯氟麻类化合物(HCFCs)、氢氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)、六氟化硫(SF6)等等大气热力学基础热力学第一定律系统热量的变化等于系统内能的变化和对外做功之和热力学定律的(T,v)形式等容条件下,系统不做功,有6Q=du+PdV=C dT+PdvvpV=RT热力学定律的(T P)形式利用状态方程得dV)=d(RT)ZRTpdV=RdT-Vdp=RdTdpP6Q=(G,+R)dT-RT姐=C dT-RT^-则可得pp干绝热过程干空气在状态变化的过程中与外界无质量和热量交换的过程未饱和湿空气无相变也可视为干绝热可得热力学方程c dT—R包=0,P两边积分得泊松方程(工产=(产,工=()需££凡B44T_P()
0.286:不一仄将气体常数和定压比容的数值填入得干绝热方程表明,干空气绝热过程中温度变化的直接原因是气压变化气压升高,外界对气块做功,温度上升—X\T=一5x£=21L=
0.98(K/100m)dz CM1004干绝热温度递减率”位温将任意高度空气块按干绝热过程移到lOOOhPa高度上所具有的温度T_(P)
0.286T PoLet:Po=1000m/(产=Z=86e woo=幽产=e p凝结高度未饱和湿空气绝热上升正好达到饱和状态时的高度凝结高度上气块温度和露点温度相等,即(=Tdc=〃一/”Tc0Tdc=TdO-Xrzc可得・・・O=4c.n—n-Z/0湿绝热过程始终保持饱和状态的绝热过程,与干绝热过程根本区别是有凝结潜热的释放可逆湿绝热过程凝结物留在气块内,下沉时蒸发减缓气块升温过程不可逆湿绝热过程假绝热过程凝结物变为降水掉落地面,下沉时按干绝热过程增:日/uno湿绝热温度垂直递减率小于干绝热假相当温度%:湿空气块绝热上升到水汽全部凝结降落后,再沿干绝热过程下降到lOOOmb时所具有的温度假湿球温度为/气块按干绝热过程上升到凝结高度后,再沿湿绝热过程下降到lOOOmb时所具有的温度实际不存在%>>%温度-压力对数图及应用热力学图解设计要求坐标为实际气象要素或其简单函数,使基本线条呈直线或近似直线;基本线条交角尽可能大;图上面积应与能量成正比坐标横坐标是温度,纵坐标为lnlOOO/p基本线条等温线、等压线、等饱和比湿线、露点温度、干绝热线、湿绝热线、温度层结曲线、露点层结曲线、状态曲线确定湿度参量给出T,P点可以得出该点的饱和比湿值q,读出Td,P所对应的饱和比湿值qsT即s是与T,Td,P相对应的实际比湿实际比湿为露点温度下的饱和比湿饱和水汽压根据给定的温度T,找到T对应的等温线与622mb等压线的交点,读出通过该点的等饱和比湿数值,即为与温度T对应的饱和水汽压实际水汽压根据给定的露点温度T,找到Td对应的等温线与622mb等压线的交点,读出通过该d点的等饱和比湿数值,即为与T,Td对应的饱和水汽压。