《大气物理学》学习资料：大气热力学基础
大气物理学复习资料
大气物理学复习资料第一部分名词解释第一章大气概述1、干洁大气：通常把除水汽以外的纯净大气称为干结大气，也称干空气。
2、气溶胶：大气中悬浮着的各种固体和液体粒子。
3、气团：水平方向上物理属性比较均匀的巨大空气块。
4、气团变性：当气团移到新的下垫面时，它的性质会逐渐发生变化，在新的物理过程中获得新的性质。
5、锋：冷暖性质不同的两种气团相对运动时，在其交界面处出现一个气象要素（温度、湿度、风向、风速等）发生剧烈改变的过渡带称为锋。
6、冷锋：锋面在移动过程中，冷气团起主导作用，推动锋面向暖气团一侧移动。
7、暖锋：锋面在移动过程中，暖气团起主导作用，推动锋面向冷气团一侧移动。
8、准静止锋：冷暖气团势力相当，锋面很少移动，有时冷气团占主导地位，有时暖气团占主导地位，使锋面处于来回摆动状态。
9、锢囚锋：当三种冷暖性质不同的气团（如暖气团、较冷气团、更冷气团）相遇时，可以产生两个锋面，前面是暖锋，后面是冷锋，如果冷锋移动速度快，追上前方的暖锋，或两条冷锋迎面相遇，并逐渐合并起来，使地面完全被冷气团所占据，原来的暖气团被迫抬离地面，锢囚到高空，这种由两条锋相遇合并所形成的锋称为锢囚锋。
10、气温垂直递减率：在垂直方向上每变化100米，气温的变化值，并以温度随高度的升高而降低为正值。
11、气温T：表示空气冷热程度的物理量。
12、混合比r：一定体积空气中，所含水汽质量和干空气质量之比。
r=m v/m d13、比湿q：一定体积空气中，所含水汽质量与湿空气质量之比。
q=m v/(m v+m d)14、水汽压e：大气中水汽的分压强称为水气压。
15、饱和水汽压e s：某一温度下，空气中的水汽达到饱和时所具有的水汽压。
16、水汽密度（即绝对湿度）ρv：单位体积湿空气中含有的水汽质量。
17、相对湿度U w：在一定的温度和压强下，水汽和饱和水汽的摩尔分数之比称为水面的相对湿度。
18、露点t d：湿空气中水汽含量和气压不变的条件下，气温降到对水面而言达到饱和时的温度。
(完整版)第5章大气热力学
cp
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在等压情况下，单位质量空气，温度升高一度所需要吸收
的热量称为定压比热 cp
这是热力学第一定律在气象上的应用形式之二，也是常 用的热流量方程。
对于气块来说，此式表示气块从外界获得热量 或改变气块的外压强，都能使气块的温度发生改 变。
例如，在绝热过程中气块作上升运动时（dp<0） 则会引起气块的温度降低，作下降运动时（dp>0） 则会引起气块的温度增高。
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δQ= Cν dT+pdν
其中Cv是定容比热，v是比容 这是热力学第一定律在气象上的应用形式之一，也 称为热流量方程。
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δQ= cν dT+pdν
ν=RT/p
pdν+νdp=RdT
δQ=（cν +R）dT-vdp
δQ=（cν +R）dT- RTdp/p
在等压情况下，dp=0
123(T0
Td 0 )(m)
即 Zc≈123（T0-Td0）米
(T0-Td0):地面的温度露点差； 即估算抬升凝结高度Zc是从T0按干绝热上升，与从 Td0按等饱和比湿线上升，两线的交点。 有时误差很大
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3 饱和湿空气的绝热过程
可逆湿绝热过程和假绝热过程 湿绝热垂直减温率
焚风 假相当位温和假湿球位温
pe z
eg
缺陷
a) 气块是封闭系统的假定不合实际情况 b) 环境大气静力平衡的假定实际上未考虑气块移动造 成的环境大气的运动，与实际不符。
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2 .2 大气中的干绝热过程
绝热过程：
系统与外界无热量交换的过程叫绝热过程。
干绝热过程:
大气物理学：第三章 大气热力学基础3
混 超绝热层 合
地面温度
T0 Q
日出后地面增温，湍
流输送加热贴地气层
P1
d
干绝热层
T1
P1
贴地气层
湍
d
流
混 超绝热层 合
地面温度
T0 Q
日出后地面增温，湍
流输送加热贴地气层
P1
d
干绝热层
T1
T2
太阳辐射增强，地面
温度不断增高，被加
热气层增厚
P2 P2
贴地气层
d
湍
Q
流 d
混
超绝热层 合 干绝热层
大气层结的影响下所产生的不同运动状态来判断大气层 结的稳定情况的方法。
§8 大气的静力稳定度
大气热力学基础
▪ 假设某一块空气块在某一平衡位置处于平衡状态，它的 温度、压力和密度与周围大气相同，当它受到某种扰动 而偏离其平衡位置作一微小的位移时, • 气块不和环境混合； • 气块运动不对环境大气造成扰动； • 过程为绝热的； •在任意高度，气块和环境气压相同； •环境大气满足静力平衡条件。
四、热雷雨的预测
热雷雨预报方法： 绘制了08时层结曲线 找出其与过地面露点的等 饱和比湿线的交点C
等q0线
A+
（ C（CCCCLL））
A-
Td T0 Tr
四、热雷雨的预测
热雷雨预报方法： 绘制了08时层结曲线 找出其与过地面露点的 等饱和比湿线的交点C 过C点作干绝热线与地 面气压线交点对应温度 为Tr。
大气热力学基础
流经湿球的空气提供热量=水 分继续蒸发维持饱和耗热量
若知干湿球温度差和湿球温 度，利用“空气相对湿度查 算表”可得相对湿度。
四、各温湿参量关系（1）
大气物理学（复习版）
⼤⽓物理学（复习版）⼤⽓物理学第六章⼤⽓热⼒学基础⼀、热⼒学基本规律1、空⽓状态的变化和⼤⽓中所进⾏的各种热⼒过程都遵循热⼒学的⼀般规律，所以热⼒学⽅法及结果被⼴泛地⽤来研究⼤⽓，称为⼤⽓热⼒学。
2、开放系和封闭系(1) 开放系：⼀个与外界交换质量的系统(2) 封闭系：和外界互不交换质量的系统(3) 独⽴系：与外界隔绝的系统，即不交换质量也不交换能量的系统。
3、准静态过程和准静⼒条件(1)准静态过程: 系统在变态过程中的每⼀步都处于平衡状态(2) 准静⼒条件：P ≡Pe 系统内部压强p 全等于外界压强Pe4、⽓块（微团）模型⽓块（微团）模型是指宏观上⾜够⼩⽽微观上含有⼤量分⼦的空⽓团，其内部可包含⽔汽、液态⽔或固态⽔。
⽓块（微团）模型就是从⼤⽓中取⼀体微⼩的空⽓块，作为对实际空⽓块的近似。
5、⽓象上常⽤的热⼒学第⼀定律形式【⽐定压热容cp 和⽐定容热容cv 的关系cp= cv+R ，（R ⽐⽓体常数）】6、热⼒学第⼆定律讨论的是过程的⾃然⽅向和热⼒平衡的简明判据，它是通过态函数来完成的。
7、理解熵、焓（从平衡态x0开始⽽终⽌于另⼀个平衡态x 的过程，将朝着使系统与外界的总熵增加的⽅向进⾏；等焓过程: 绝热和等压；物理意义：在等压过程中,系统焓的增加值等于它所吸收的热量）8、⼤⽓能量的基本形式：（1）内能；（2）势能；（3）动能；（4）潜热能9、⼤⽓能量的组合形式（1）显热能：单位质量空⽓的显热能就是⽐焓。
（2）温湿能：单位质量空⽓的温湿能是显热能和潜热能之和。
（3）静⼒能: 对单位质量的⼲（湿）空⽓，⼲（湿）静⼒能：（4）全势能: 势能和内能之和称全势能10、⼤⽓总能量⼲空⽓的总能量: 湿空⽓的总能量: ⼆、⼤⽓中的⼲绝热过程1、系统（如⼀⽓块）与外界⽆热量交换（δQ=0)的过程，称为绝热过程。
286.0000)()(p p p p T T d ==κ（对未饱和湿空⽓κ= κd=R/Cp=0.286计算⼤⽓的⼲绝热过程）例：如⼲空⽓的初态为p=1000hpa,T0=300K ，当它绝热膨胀，⽓压分别降到900hpa 和800hpa 时温度分别为多少？2、⼲绝热减温率定义：未饱和湿空⽓块温度随⾼度的变化率的负值为⼲绝热减温率γv ，单位°/100mdp ρ1-dT c =αdp -dT c =δQ p p 2p k d V 21+gz +T c =E +Φ+U =E Lq +V 21+gz +T c =Lq +E +Φ+U =E 2p k m m C m k km K c g o pdd 100/1100/98.0/8.9≈===γ3、位温θ定义: 把空⽓块⼲绝热膨胀或压缩到标准⽓压（常取1000hpa ）时应有的温度称位温。
《大气物理学》学习资料：大气热力学基础
修斯看来，在一个系统中，如果听任它自然发展，那么，能量差总是倾向
于消除的。让一个热物体同一个冷物体相接触，热就会以下面所说的方式
流动：热物体将冷却，冷物体将变热，直到两个物体达到相同的温度为止
。克劳修斯在研究卡诺热机时，根据卡诺定理得出了对任意循环过程都都
适用的一个公式 ：dS=（dQ/T）。
对于绝热过程Q＝0，故S≥0，即系统的熵在可逆绝热过程中不变，在
17
克劳修斯主要科学贡献
在《论热的运动力……》一文中，克劳修斯首次提出了热 力学第二定律的定义：“热量不能自动地从低温物体传向 高温物体。”
推导了克劳修斯方程—关于气体的压强、体积、温度 和 气体普适常数之间的关系，修正了原来的范德瓦尔斯方程 。
1854年，最先提出了熵的概念,进一步发展了热力学理论 提出了气体分子绕本身转动的假说 推导出了气体分子平均自由程公式，找出了分子平均自由
。
1948年，香农在Bell System Technical Journal上发表了《通信的数
学原理》（A Mathematical Theory of Communication）一文，将21熵的 概念引入信息论中。
熵在热力学中是表征物质状态的参量之一，通常用符号 S表示。在经典热力学中，可用增量定义为dS＝(dQ/T) ，式中T为物质的热力学温度；dQ为熵增过程中加入物 质的热量。下标“可逆”表示加热过程所引起的变化过 程是可逆的。若过程是不可逆的，则dS＞(dQ/T)不可 逆。从微观上说，熵是组成系统的大量微观粒子无序度 的量度，系统越无序、越混乱，熵就越大。热力学过程 不可逆性的微观本质和统计意义就是系统从有序趋于无 序，从概率较小的状态趋于概率较大的状态。
Q
cpdT
大气热力学
——气块法
气块法如何判定？
1、气块运动方程
任取单位体积气块，取铅直向上方向为正， 铅直方向上的运动方程为
ρ
dw dt
=
ρeg
−
ρg
dw= ρe −ρ g−−(3.6.1) dt ρ
根据状态方程，ρe
=
pe ReTe
,
ρ
=
p RmT
以及 p= pe、 Re ≈Rm
Γm
=
Γd
+
Lv cpd
⋅
drs dz
−
−
−(3.4.1)源自Γm < Γd三、假相当位温θse
dθ = dQ −−(3.3.9) θ cpT
1、定义：
Θse就是湿空气绝热上升至所含水汽全部 凝结脱落，所含潜热全部释放后，再按干 绝热过程下降到1000hPa时气块所具有的 温度
2、公式
θse
= θc
第四章 大气热力学基础
参考书: 沈春康. 大气热力学.北京:气象出版社,1983
大气中的热力过程
第四章 大气热力学基础
z 第一节 热流量方程 z 第二节 大气中的干绝热过程 z 第三节 大气中的湿绝热过程 z 第四节 T-lnp图 z 第五节 大气静力稳定度 z 第六节 绝热混合过程 z 第七节 等压冷却过程
内能改变量为du: 正号表示系统内能增加； 从外界吸热 dQ: 正号表示系统从外界吸热; 外界作功d w：正号表示外界对系统作功
du = dQ + dW − −(3.1.1)
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三、热流量方程
常温常压下空气块可看作理想气体，对于 单位质量的空气块，根据焦耳内能定律， 有
du= cvdT −−(3.1.2)
大气物理知识点总结
大气物理知识点总结大气物理是研究大气运动、气象现象和大气环境的学科。
它涉及了大气的结构、运动规律、热力学和动力学过程等多个方面。
在现代大气物理研究中，人们不仅仅关注天气预报和气候变化，还涉及到了空气污染、天然灾害等问题。
下面将对大气物理的一些重要知识点进行总结。
大气的成分和结构大气是地球表面上的气体层，由各种气体组成。
主要成分包括氮气（78%）、氧气（21%）、稀有气体（1%）、水蒸气（变化范围大）等。
大气主要分为四层：对流层（最底层）、平流层、中间层和外部层。
大气的运动规律大气运动包括垂直运动和水平运动。
垂直运动主要是对流运动和垂直运动。
而水平运动则包括风、地转风、切向速度、螺旋速度、地面风、垂直风等。
大气的热力学过程大气中的热力学过程包括气体的热胀冷缩、热传导、对流传热、辐射传热等。
这些过程对大气的热力学结构和气候有着重要的影响。
大气的动力学过程大气中的动力学过程主要包括了地球的自转和公转、大气的环流、热带气旋、高空急流、地理风等。
通过这些过程，可以了解大气的轨迹和运动规律。
大气现象大气现象主要包括天气、云、雨、雪、冰雹、雾、霾、龙卷风、飓风、台风、雷电、飞沙走石等。
这些现象对人类的生活和生产有着重要的影响。
气象预报气象预报是利用大气物理的知识对气象现象进行预测和预报。
它可以帮助人们更好地安排生活和工作，预防天气灾害等。
气候变化气候变化是指地球气候系统长期的变化。
它包括了气温、降水量、风向等的变化。
近些年来，由于人类活动的影响，气候变化已成为一个重要的全球性问题。
空气污染空气污染是指大气中出现的污染物质，包括了颗粒物、二氧化硫、氮氧化物等。
空气污染对人类的健康、环境等都具有严重的影响。
天然灾害天然灾害包括了台风、龙卷风、地震、洪水、干旱等。
它们对人类的生产和生活造成了很大的损失。
在大气物理研究中，人们不断地深入探索大气的奥秘，致力于提高气象预报的准确性、探索气候变化的规律、减少空气污染和防范天然灾害。
大气热力学知识
12、3、4、实际大气不是绝热的，空气运动时，能够通过湍流交换、辐射和分子热传导等与周围环境大气交换热量5、对于运动着的空气，特别是做垂直运动时，由于气压随高度变化很快，气体温度短期内就发生很大变化，热量交换对空气温度的影响远小于由空气压缩或膨胀所造成的影响，此时可忽略热交换作用，假设气块是绝热的。
6、在一些情况下，不可认作绝热。
如：近地层大气，湍流交换强，气块从地面获得热量；平流层中，气块主要受辐射过程控制；当过程进行的时间较长，热量交换的累积效应不可忽略7、干绝热递减率：0.98℃/100m .实际工作取18、状态曲线：气块在作垂直运动时，其温度随高度的变化曲线称为状态曲线干绝热线：干绝热过程的状态曲线称为干绝热线湿绝热线：湿绝热过程的状态曲线称为湿绝热线层结曲线：环境空气温度随高度的分布曲线称为层结曲线。
由于干绝热过程中位温和熵守恒的性质，干绝热线又称为等位温线或等熵线。
它表示干空气或未饱和湿空气在绝热升降过程中的状态变化曲线。
9、比湿q为单位质量湿空气内的水汽质量，常用单位为g/kg 在数值上比湿≈混合比1.饱和水汽压 es只和温度有关，饱和混合比 ws 和饱和比湿 qs都只与气压和温度有关，与空气中的水汽含量无关。
2.抬升凝结高度指未饱和湿空气绝热抬升至相对于平纯水面饱和时所达到的高度。
在此高度上，气块的温度等于露点温度3.温度不发生变化，物质发生相变时吸收或放出的热量称为“潜热4.假绝热过程：气块上升过程是湿绝热过程，下沉时为干绝热过程，因此当气块下降到原来起始高度时，温度比原来的高5.热上升到水汽全部凝结降落后，再沿着干绝热线下降到1000 hPa 时所具有的温度称为假相当位温θse（欧美国家称为相当位温θe）6.因为假相当位温θse在湿绝热过程中守恒，因此湿绝热线也称为假相当位温线.7.气块法有如下假定:绝热、准静态、静力平衡8.气象中所指的对流是指由于浮力作用导致的垂直方向的热量传输。
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• 根据焓的定义和理想气体状态方程，有，
H U pV U nRT
• 结合以上三式可得，
Cp CV nRT
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二、热力学第一定律
１、无限小过程中热力学第一定律的表达式
设某系统（质量为１）经历一个无限小过程，
内能改变量 +dU ：正号表示系统内能增加； 从外界吸热 +δQ : 正号表示系统从外界吸热; 外界作功 +δA : 正号表示外界对系统作功。
热量是在过程中传递的一种能量，是与过程有关的。一 个系统在某一过程中温度升高1K所吸收的热量，称作系 统在该过程的热容量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ于等容过程，外界对系统不做功，Q =ΔU，所以
CV
lim
T 0
Q T
V
lim
T 0
U T
V
U T
V
对于等压过程，外界对系统做功为W =－pΔV ，
Q =ΔU+PΔV，所以
2）准静力条件：
p pe
p 代表系统内部压强，pe 代表外界压强。
5
３、气块（微团）模型
１）定义：是指宏观上足够小而微观上又大到含 有大量分子的封闭空气团，其内部可包含水汽、 液态水或固态水。
２）规定（使用气模型时的约定）
a) 此气块内Ｔ、Ｐ、湿度等都呈均匀分布，各物理量
服从热力学定律和状态方程。
12
假设仅考虑体胀功，
A pdV
又气块满足准静力条件，即 p pe
负号表示 δV 与δA符号相反，系统膨胀时，dV 0，外界作负功。
热力学第一定律的表示式:
dU Q pdV
6.1.2
常温常压下的大气可以看成是理想气体, 内能仅是温度T的函数。对
于单位质量的湿空气系统，第一定律就成为
dQ cvdT pd
Cp
lim
T 0
Q T
V
lim
T 0
U
pV T
p
U T
p
p
V T
1p0
根据焓的定义可知，
H U pV
而且可将上面的公式表示为
Cp
H T
p
• 在等压过程中系统从外界吸收的热量等于态函数焓的增加量。 • 这是焓的重要特性。
•
对于理想气体，有，
CV
dU dT
Cp
dH dT
程与分子大小和扩散系数之间的关系。同时，他还提出分 子运动自由程分布定律。 最先提出了均功理论
b) 气块运动时是绝热的，遵从准静力条件，环境大 气处于静力平衡状态。
p pe
dpe dz
e g
6
３）缺陷 a) 气块是封闭系统的假定不合实际情况。 b) 环境大气静力平衡的假定实际上未考虑气 块移动造成的环境大气的运动，与实际不符。
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二、热力学第一定律
１、无限小过程中热力学第一定律的表达式
设某系统（质量为１）经历一个无限小过程，
Q
cpdT
dp
c p dT
1
d
14
热力学第二定律
一. 热力学第二定律的表述
克劳修斯(Clausius)说法： 不可能把热量从低温物体传到高温物体 而不引起其它变化。
开尔文(Kelvin)说法： 不可能从单一热源吸热使之完全变成有用的 功而不引起其它变化。 （或：第二类永动机是不可能造成的。）
二. 热力学第二定律的实质
17
克劳修斯主要科学贡献
在《论热的运动力……》一文中，克劳修斯首次提出了热 力学第二定律的定义：“热量不能自动地从低温物体传向 高温物体。”
推导了克劳修斯方程—关于气体的压强、体积、温度 和 气体普适常数之间的关系，修正了原来的范德瓦尔斯方程 。
1854年，最先提出了熵的概念,进一步发展了热力学理论 提出了气体分子绕本身转动的假说 推导出了气体分子平均自由程公式，找出了分子平均自由
第六章 大气热力学基础
1
第一节 热力学基本方程
一、预备知识
2
一、预备知识
1、开放系和封闭系 系统与外界间互相影响方式：作功、热传递、交 换质量三种方式。 1）系统与外界：‘系统’即指所研究的给定质 量和成分的任何物质，而其余与这个系统可能发 生相互作用的物质环境称之为‘外界’或‘环 境’。
3
2）大气热力学中所讨论的系统主要有两类：
指出了自然界中一切与热现象有关的实际过程都是不可逆 过程，它们有一定的自发进行的方向。
15
1、热力学第二定律的两种表述 •热力学第二定律的克劳修斯表述（1850）：
不可能把热量从低温物体自动地传到高温物体而不引 起其他变化。 克劳修斯表述指明热传导过程是不可逆的。
克劳修斯（Rudolf Clausius，1822-1888），德国 物理学家，对热力学理论有杰出的贡献，曾提出 热力学第二定律的克劳修斯表述和 熵的概念，并 得出孤立系统的熵增加原理。他还是气体动理论 创始人之一，提出统计概念和自由程概念，导出 平均自由程公式和气体压强公式，提出比范德瓦 耳斯更普遍的气体物态方程。
6.1.3
cV 是湿空气的比定容热容， 为比体积，Q为单位质量空气的热13 量。
由于空气体积不是直接测量的气象要素，上式不便应用。
根据湿空气状态方程，以及比定压热容cp和比定容热容 cV的关系
利用关系式 p RT and cp cv R
可得到
Q (cv R)dT dp
cp
dT
RT
dp p
a)未饱和湿空气系统。可当作由干空气和水汽 组成的二元单相系。
b) 含液态水（或固态水）的饱和湿空气系统。 是指由水滴或（和）固态水质粒组成的云雾 系统，是含有干空气和水物质的二元多相系。
3）开放系与封闭系
依据系统与外界是否交换物质分为开放系和封 闭系
4
2、准静态过程和准静力条件
1）准静态过程
一个封闭系统若其经历的某过程进行得无限缓慢，以 至于系统在此过程中的每一步都处于平衡态，则称此 过程为准静态过程。
内能改变量 +dU ：正号表示系统内能增加； 从外界吸热 +δQ : 正号表示系统从外界吸热; 外界作功 +δA : 正号表示外界对系统作功。
8
焓
1）定义 H U PV
2）物理意义：在等压过程中，系统焓的增量 值等于它所吸收的热量。
3）定压比热cp
Cp
( Q) p
dT
H T
p
9
热容量和焓
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克劳修斯生平简介
1822年出生于普鲁士的克斯林 1840年入柏林大学 1847年获哈雷大学哲学博士学位 1850年因发表论文《论热的动力以及由此导出的关于
热本身的诸定律》而闻名 1855年任苏黎世工业大学教授 1867年任德国维尔茨堡大学教授 1869年起任波恩大学教授 1888年8月24日卒于波恩