第9章 大气能量学专用课件.ppt

第九章 大气能量学 天气系统的发生、发展和消亡的过程总是一种或几种能量的制造、相互转换和耗散的结果。 从能量学的角度分析和阐明大气运动的特征和性质，是深入认识大气运动规律的又一重要途径。 本章将讨论大气中除辐射能之外的主要能量形式及能量变化、转换与平衡的规律。 §10.1 大气中的能量及能量平衡 1 基本能量形式及其平衡方程 1）内能 单位质量空气的内能I定义为： 热力学第一定律可表为： 单位质量空气的内能平衡方程则可表为： 或 单位质量空气的内能变化率取决于它所接收到的非绝热 加热率和它对抗压力场（p）所产生的压缩或膨胀功率。 1）非绝热加热将使气块内能增大，伴随升温；非绝热冷却则 使气块内能减小，伴随降温。 2）当气块被压缩时，其内能将增大，而当气块膨胀时， 其内能将减小。 2）位能 假定在海平面上（z=0）重力位能为零，则在高度z上，单位质量空气的重力位能（简称为位能）? 可表为: 上式对时间微分，有 式中， 是重力加速度矢； 为全风速矢。 3）动能 单位质量空气的动能定义为： 或 其中： 单位质量空气的运动方程可表为： 用 点乘上式，可得动能平衡方程： 4）潜热能 单位质量空气的潜热能H为: 空气的水汽质量守恒方程可表为 S为水汽源或汇，即在单位时间内，单 位质量湿空气通过水汽的相变、传输 和扩散过程所获得（或损失）的水汽。 2 组合能量及其平衡方程 1)感热能 单位质量空气的感热能h定义为: 感热能即是单位质量空气的焓，它只与空气的温度有关，相对于“潜热”能而言，称之为“感热”能或“显热”能。由热力学第一定律，可得感热能的平衡方程为 2) 全位能 全位能P定义为内能与重力位能之和: 全位能的平衡方程: 3) 温湿能 单位质量空气的温湿能 定义为 即感热能与潜热能之和，又称湿焓。 4）静力能 单位质量干空气和湿空气的静力能（不含动能）分别定义为 温湿能方程： 和 能量方程： 5）总能量 所有基本能量的总和称为总能量。干空气的总能量定义为 湿空气的总能量定义为： §10.2 铅直气柱中的能量 本节将计算单位水平面积的铅直气柱中的各种能量，并比较各种能量的相对大小。 1 单位水平面积铅直气柱中的能量 1）内能 单位体积空气的内能为 ，任意体积上的总内能可用体积上的积分表为： 利用静力平衡关系，单位水平截面积、整个铅直气柱的内能可表为： 2）位能 体积 ? 上的位能为： 单位水平截面铅直气柱中的重力位能则可表为 ： 利用静力平衡关系和如下的上边界条件： 可求得： 可见，在静力平衡条件下，铅直气柱中的重力位能（ ）与内能（ ）类似，都是只由气柱的温度决定。随着气柱温度的升降，二者会同步变化（增大或减小）。在气象学中，有时将位能与内能合并在一起，称之为“全位能”。 3) 全位能 单位水平截面铅直气柱中的全位能可表为 4）动能 单位水平截面铅直气柱的动能为 5）潜热能 单位水平截面铅直气柱的潜热能为 2 铅直气柱中各种能量的相对大小 1）位能与内能之比 2）全位能中内能与位能的相对大小 3）潜热能与全位能之比 4）动能与全位能之比 M/S M/S 综上所述，单位水平面积铅直气柱大气能量的相对大小为： §10.3 有效位能 本节将讨论全位能与动能的转换和有效位能的概念。 1 全位能与动能间的转换 利用质量连续方程，可以证明，对于任一场变量F，有如下积分公式成立： 则体积?上全位能和动能的变化方程分别为 ： ， ， 具体推导 由单位质量空气的全位能平衡方程式（10.18），结合上式改写为： 单位质量空气的动能平衡方程（10.11）式，可得 1 3 2 3 1 4 4 各项影响全位能变化的物理过程可概述如下： （1）非绝热加热（冷却）作用。大气运动的根本能源来自太阳辐射加热，但是，大气直接吸收太阳的短波辐射能是很少的，太阳辐射能主要是首先加热下垫面，然后通过长波辐射、水的相变、湍流热输送和分子热传导等过程，使大气的全位能增加。 (2)压缩或膨胀功的作用。代表由于边界上的法向速度（ ）引起空气块膨胀（或被压缩）时反抗压力场做功（或压力场对空气块做功