动力气象学第六章PPT.ppt
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1、 本章讨论问题的出发点出发点:1)能量具有守恒、转换的性质;2)只要考虑初态和终态,物理意义清楚。大气中各种运动系统的产生、发展和消亡,实质上是系统运动能量的积累、增加和转换的结果。一、大气中的主要能量形式一、大气中的主要能量形式1、主要能量形式、主要能量形式 位能(Gravitational potential energy)重力保守力质点处于地球表面附近重力场中任一点时,都具有重力势能(位能)。Z=0,位能参考面(即零位能面),则:在Z高度处单位质量气块的位能:gz 对大气而言,能量的基本形式有内能、位能、动能,如果考虑水汽,还有潜热能。单位截面积、dz厚度的气块薄片的质量:dz薄片的位能
2、:Z1Z2单位截面积气柱所具有的位能:利用静力学方程,P坐标下:内能(Internal energy)热力学能量(由大气温度变化引起的)单位质量气块所具有内能:dz厚度的簿块的内能:Z1Z2单位截面积气柱所具有的内能:P坐标下:动能(Kinetic energy)标志着天气系统的强度。单位质量气块所具有的动能:dz厚度的簿块所具有的动能:Z1Z2单位截面积气柱所具有的动能:大气运动纬向平均运动涡旋运动大气运动纬向平均运动涡旋运动 大气环流天气系统大气环流天气系统 实际大气运动实际大气运动:潜热能(Latent heat energy)定义:系统中所有水汽全部凝结所释放 的能量。汽化热L(相变潜
3、热):单位质量液态水汽化到气态单位质量液态水汽化到气态所吸收的热量。所吸收的热量。单位质量水凝结所能释放的单位质量水凝结所能释放的热量。热量。比湿:q=水汽质量/空气质量单位质量湿空气的潜热能为:dz厚度的簿块所具有的潜热能:Z1Z2单位截面积气柱所具有的潜热能:由此可见,潜热能和实际大气的比湿q密切相关,潜热能的释放与降水相对应。因此,中高纬度地区较低纬度地区,下雨少,q小,潜热能的释放也少,故H对中高纬天气系统不是很重要,但在热带地区,H对天气系统变化非常重要。2、能量的组合形式 在大气动力学中,根据各种基本能量形式的特点及其有关过程的性质,常采用几种主要的基本能量的组合形式。.气柱的位能
4、和内能的组合气柱的位能和内能的组合大气所特有大气所特有 一般,位能(机械能)与内能一般,位能(机械能)与内能(热力学能)是无关的;而大气有(热力学能)是无关的;而大气有其特殊性。其特殊性。气柱的位能和内能的关系物理分析:气柱的位能和内能的关系物理分析:地球大气的特点:(1)质量基本守恒(2)表面积不变。大气的内能与位能之间是同向变化 如:大气动能增加,必定是内能与位能同时减少向动能转换 证明在静力平衡条件下,无限高气柱所包含的内能和位能成正比。无限高气柱的情形:无限高气柱的情形:位能位能:内能内能:即:即:T即:即:IT由此可见,在静力平衡条件下,从海平面向上伸展到大气顶部的单位截面积的垂直气
5、柱(无限气柱)所包含的位能和内能都是与温度有关,相互是有联系的。当整个气柱增温以后,内能必然增加,而当温度增加,气柱就会垂直膨胀,这样,重力位能就增加。所以,对无穷高气柱而言,大气的内能与位能成正比,同时增减,故可以把它们结合起来考虑。定义:全位能位能内能 即:即气柱的全位能就是气柱的焓单位质量气团:有限高气柱的情形:对有限高气柱而言,位能不是位能不是简单的与内能成正比,还与气柱简单的与内能成正比,还与气柱的底部、顶部的高度和气压有关的底部、顶部的高度和气压有关。3.基本能量的比较位能与内能具有同时增加或者减少的性质,且它们之间有确定比例,平均而言位能是内能的40%;在全位能中,内能大约占70
6、%,位能30%;平均而言,潜热能相当于全位能的20%,这说明大气中潜热能应占有一定的地位,特别对强烈发展的系统(例如:台风)。在诸种能量形式中,动能在数量上一般较其它形式的能量小,特别比全位能小2-3个量级。虽然从数量上看,动能与全位能相比微不足道,但是这个小量对大气运动至关重要。这也说明,大气中全位能转变为动能的只是其中很小部分。二、大气动能方程二、大气动能方程讨论大气动能变化的机制1、单位质量质点的动能方程、单位质量质点的动能方程已知P坐标系下水平运动方程为:方程方程动能的来源只能来自压力梯度力作功单位质量质点的动能方程单位质量质点的动能方程:讨论讨论:系统动能不发生变化。要使系统动能发生
7、变化,一定要有穿越等位势高度线的运动 非地转运动。(1)地转运动(2)风从高位势吹向低位势:压力梯度力作正功,动能增加。反之,从低位势到高位势,压力梯度力作负功,质点动能减少。思考思考:地球自转对能量转换有何影响?地球自转对能量转换有何影响?地球的自转所产生的地转偏向力虽然不能改变不能改变空气运动的动能动能,但它使空气运动趋向于沿等压线运动,这可使位能和动能之间的能量转换的速度减缓速度减缓。当空气严格按地转风运动时,空气就不穿越等压线运动,位能与动能之间的转换将停止进行。2、闭合系统中的动能方程、闭合系统中的动能方程闭合系统:与外界无质量的交换。已知单位质量质点的动能方程为:因为:因为:P坐标
8、系下连续方程如系统质量为M,则系统的动能方程为:闭合系统的动能方程闭合系统的动能方程:三、三、闭合系统的能量转换与守恒闭合系统的能量转换与守恒闭合系统动能增加,则一定是 利用闭合系统中的动能与全位能方程,考察闭合系统动能变化的同时,全位能的变化情况,讨论二者的转换关系。1、动能方程:P坐标系下连续方程P坐标系下静力平衡方程对闭合系统积分,得:通量项在闭合系统中的积分为02、全位能方程 已知热能方程:已知单位质量质点的全位能:则全位能方程对闭合系统积分,得:闭合系统全位能方程:闭合系统全位能方程:3、闭合系统中的能量守恒与转换:(1)闭合系统中的动能方程全位能方程:这说明闭合系统内的动能与全位能
9、之和的变化决定于系统的非绝热加热和摩擦作功耗散。在绝热、无摩擦条件下:总能量守恒(2)全位能与动能转换 同时在两个方程中出现,且正负相反;是全位能和动能之间的转换项。且全位能变化多少,动能也要相应变化多少。体现了二者之间的转换关系,及转换机制。所以,垂直运动是闭合系统中动能与全位能转换的必要条件如果 则系统中有上升运动,也有下沉运动;且由连续方程知:上升质量等于下沉质量:进一步:物理本质:暖空气轻上升 冷空气重下沉系统质心下降,全位能减少,动能增加实际大气中存在着两类由全位能转变为动能的过程:一类是上冷下暖两气层叠置,通过对流翻转气层进行绝热调整释放全位能的过程;另一类为冷空气和暖空气并列(比
10、如锋面)通过质量调整使全位能转换为动能的过程。“全位能全位能动能动能”分析海陆风或山谷风的形成分析海陆风或山谷风的形成四、有效位能四、有效位能(Available potential energy)1、有效位能的概念:、有效位能的概念:动能与全位能间的转换,使动能变动能与全位能间的转换,使动能变化,即天气系统变化的重要机理。化,即天气系统变化的重要机理。但大气中的全位能不能被全部释放,但大气中的全位能不能被全部释放,在考虑天气系统变化时,有意义的是能在考虑天气系统变化时,有意义的是能够转换成动能的那部分全位能。够转换成动能的那部分全位能。有效位能,可以理解为:能够被释放出来的那部分全位能。例如
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