大气温度的时间变化和空间分布

气象学与气候学第二章大气的热能和温度大气温度的时间变化和空间分布2006-9-302大气稳定度(atmosphericstability)•空气在上升过程中的绝热变化是大气中降温最快的过程；•上升过程中的绝热变化会导致水汽的凝结，这是大气中云、雾、雨、雪形成的最重要的原因；•因此，判断大气中是否会产生云雾，主要就是看大气中是否会产生上升运动；•判断空气是否会产生上升运动，就要看空气在铅直方向上位置稳定的程度，即大气稳定度。2006-9-303大气稳定度(atmosphericstability)•大气稳定度是指气块受任意方向扰动后，返回或远离原平衡位置的趋势和程度。•它表示在大气层中的个别空气块是否安于原在的层次，是否易于发生垂直运动，即是否易于发生对流。假如有一团空气受到对流冲击力的作用，产生了向上或向下的运动，那末就可能出现三种情况：1、如果空气团受力移动后，逐渐减速，并有返回原来高度的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是稳定的(stable)；2、如空气团一离开原位就逐渐加速运动，并有远离起始高度的趋势，这时的气层，对于该空气团而言是不稳定的(unstable)；3、如空气团被推到某一高度后，既不加速也不减速，这时的气层，对于该空气团而言是中性气层(neutral)。2006-9-304判断大气稳定度的基本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=(－’)Vg单位质量气块所受的力就是加速度，所以合力产生的加速度：0,P0,T00,P0,T0’,P’,T’,P,Tz用状态方程代入：gTTTa'由此可见空气的稳定度取决于气块与周围空气的温度差。2006-9-305∴''RTRT=TT''gmTTTgmgmVgGF'''1'''''1……②设气块在起始位置高度的温度和环境温度相同，均等于T0，于是：''0dTTTdTTT0将dZdTd'与dZdT代入上式有：dZTTd0'，dZTT0（对于未饱和空气干空气按γd变化）∴dZTTd)('………………………………………③将③代入②式，得gdZmTGFd'12006-9-306讨论：10d气块上升时，dZ↗，001aGF，符合不稳定条件；气块下降时，dZ↘。001aGF，符合不稳定条件。∴0d无论上升、下降均属于不稳定状态。20d气块上升，dZ↗，001aGF，稳定状态；气块下降，dZ↘。001aGF，稳定状态。在此状态下，不易扩散。γ=0等温；γ0逆温是稳定状态中更稳定的状态。30d001aGF，中性状态。2006-9-3072006-9-308∴判断大气是否稳定：对于未饱和空气、干空气，可利用0d来判断；而对饱和空气而言，用0m来判别，一般实验时用此法，但不实用，实际应用中常用另一种方法。②用位温梯度判别∵dTZ∴时，气层中性，时，气层不稳定，时，气层稳定，dddZZZ0002006-9-309③用层结曲线（大气温度随高度变化曲线）和状态曲线（即上升空气块的温度随高度的变化曲线）的分布来判断大气稳定度。2006-9-3010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对干空气稳定，湿空气不稳定，此为条件性不稳定；d绝对不稳定。以上判定方法可用如下的数轴表示：md绝对稳定绝对不稳定条件性不稳定干稳湿中性干中性湿不稳2006-9-3011不稳定能量•不稳定能量就是气层中可使单位质量空气块离开初始位置后作加速运动的能量。•气层能提供给气块的不稳定能可分为下述三种情况：2006-9-3012大气稳定度对大气污染的影响•大气稳定度对烟流扩散有很大的影响，不同稳定度导致从烟囱排出的烟羽形状不同。下面是与稳定度有关的五种典型烟流：平展型漫烟型波浪型熏烟型扇型锥型爬升型屋脊型2006-9-3013大气温度随时间的变化•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2006-9-3014•类似地可引出表示温度变化的特征量：•平均温度(meantemperature)：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(diurnalrange)：一天中气温最高值与最低值之差。•年较差(annualrange)：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。2006-9-3015•气温的周期性变化(1)气温的日变化(diurnalvariation):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：1、位相比地面落后，且随高度的升高而推迟。1.5m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。2、振幅随高度的升高而减小。2006-9-3016•影响气温日较差的因素：1)纬度(latitude)：日较差随纬度减小。因高纬度白天气温低、夜间有效辐射少。2)季节(season)：夏季大、冬季小，但最大在春季，最小在冬季3)地形(geographicalrelief)：凸地变幅小，凹地变幅大，因为凹地白天散热慢，夜间有效辐射强4)下垫面性质(featuresofunderlyingsurface)：水面上日较差小，陆地上大5)天气(weather)：晴天日较差大于阴天2006-9-3017•(2)气温的年变化(annualvariation)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；回归线之间赤道附近地区为双波型：最高为4、10月，最低为7，1月。原因：太阳直射点的季节变化，在赤道附近地区，一年有两次太阳直射。2006-9-3018地面太阳辐射日总量的时空分布(设透明系数a=0.7，用数值积分法计算)辐射日总量(J/m2·d)夏至秋分冬至春分冬至0102030405060708090纬度2006-9-3019•年较差的影响因素：1、纬度：这是对气温年较差影响最大的因素。一般来说，气温年较差随纬度的升高而增大。原因：太阳辐射的年变化幅度随纬度的增高而增大。因为一年中昼夜长短的变化幅度随纬度增大。2、海陆分布3、海拔4、气候干湿5、雨季2006-9-3020由太阳直接辐射日总量的分布可知年较差的变化2006-9-3021•2.气温的非周期性变化(non-periodicvariationofairtemperature)变化原因：天气突变大规模冷暖空气的活动2006-9-3022大气温度的空间分布•气温垂直梯度：气温随高度的分布，称为温度层结(temperaturestratification)。大气温度的铅直分布一般用气温垂直梯度（气温直减率，verticaltemperaturegradient）来表示。气温直减率（）：实际气层中高度每变化单位高度时气温的降低值。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！2006-9-3023逆温1、定义：温度随高度的增加而增加，此时。2、逆温与研究污染有关的因素：①逆温层的消失时间；②逆温层底的高度；③逆温层的厚度；④逆温的强度（温度随高度的变化情况）。不同季节都应掌握上述数据。逆温的最危险状况是逆温层正好处于烟囱排放口。3、逆温形成的过程形成逆温的过程多种多样，最主要有以下几种：①辐射逆温（较常见）；②平流逆温；③锋面逆温；④湍流逆温；⑤下沉逆温。0dZdT2006-9-3024•辐射逆温(radiationinversion)：晴朗微风的夜晚，地面因强烈的有效辐射而降温，形成温度上高下低的现象。•平流逆温(advectioninversion)：暖空气流到冷的下垫面上而形成的逆温。•下沉逆温(subsidenceinversion)：由于空气下沉，绝热增温而形成的逆温。•锋面逆温(frontalinversion)：在冷暖空气的过渡带形成的逆温。2006-9-3025祝同学们假期快乐，注意安全!2006-9-3026作业•写出等温大气压高方程的表达式，举例说明其应用的方面。•求出气压为1000hPa，气温分别为30℃和﹣30℃的饱和湿空气的虚温差。说明虚温差在高温，高湿时大，还是低温，低湿时大？•为何湿绝热直减率小于干绝热直减率？的大小与什么有关?如何通过，，判断大气的层结稳定度?mmmd