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大气热力过程与竖向运动
2013-7-31    来源:互联网    作者:无锡明基除尘器环保工程有限公司

低层大气的加热和冷却

低层大气的加热或冷却是太阳、地表及大气之间热交换的结果。太阳向地表的辐射以短波辐射为主,地表吸收太阳的辐射并向空中进行长波辐射。空气吸收短波辐射的能力很弱,而吸收长波辐射的能力极强.因此近地层空气温度变化主要受地表温度的影响,随地表温度升高或降低,近地面空气自下而上被加热或冷却。2.2.2气温的绝热变化

某一空气块在大气中上升,因周围气压降低而膨胀,一部分内能对外做功,温度下降;反之,气块下降,温度升高。空气块在升降过程中因膨胀或压缩引起的温度变化,要比与外界热交换引起的温度变化大得多,所以一般可将无水汽相变的空气块升降运动近似视为绝热过程。

按照热力学第一定律可导出绝热过程方程:

大气竖向温度分布与静力稳定度

大气竖向温度分布又称温度层结,它是大气竖向运动状态的决定性因素。正常情况下【高度增加而降低,称高度增加100瓜温度的降低值为温度直减率。^层结有!^ ^^2.3〉:①气温丁随高度2增加而降低,即70,为正常温度层结;②气温直减率与干绝热直减率相等,即7=73,为中性温度层结;③气温不随高度变化,即7=0,为

等温层结;④气温随高度增加而升高,即70,为温度逆转,简称逆温。图2.3为温度层结曲线。

大气^^^大气在静力作用下铅直方向的稳^^7^^5受力作用产生向上或向下的运动以后可能有3种情况:运动逐渐减速,并有返回原位的趋势;运动逐渐加速,呈远离原位的趋势; 运动既不加速,也不减速,可随处保持平衡。第一种情况为大气稳定状态,第二种情况为不稳定状态, 第三种情况称其为中性状态。

若以气块的温度、压强和密度分别为^、 ^和周围大气相应参数为丁、》、^则单位气块在浮力^和重力一"《作用下产生运动加速度:

根据准静力条件和理想气体状态方程又可得由上式可知,大气稳定度与温度层结密切相关.按照大气实际温度直减率7与千绝热直减率^相对大小不同,可分为以下三种情况:

气团出现上升或下降运动后.上升或下降运动呈加速趋势,大气处于不稳定状态;

气团上升或下降舌.运动逐渐减速,并有复位趋势,大气处于稳定状态; :.上升或下降的气团随处平銜,大气处于中性状态。

度层结一般是7X3,即气温随高度增加而降低,但在某些条件下也会出现7^ 070的情况。通常将温度随高度增加而升高的空气层称为逆温层。逆温层内空气铅直对流很弱.不利于污染物扩散。高于地面的逆温层会阻挡下方的污染物向高空扩散。所以空气污染事件多数与逆温和静风等气象条件有关。

根据逆温形成过程的不同可分为:辐射逆温、下沉逆温、平流逆温、锋, 11一遄流

(门辐射逆温由于地表强烈辐射冷却形成的逆温。晴朗少云、风速不大的夜晚,地表很快因辐射而降温,空气自下而上被冷却。近地面空气降温多,远地面空气降温少,因而形成自地面起的逆温层[2.4 (&)〜图2.4 (^)]。日出后太阳辐射逐渐增强,地表22升温,逆温层便自下而上逐渐消失[2, 4 (()和图2.4 (^)]。辐射逆温在陆地上常年可见,冬季白天也可能出现。在中纬度地区的冬季,辐射逆温层厚度可达^(^^(^!!,有时可达400!!!左右。辐射逆温与大气污染关系最为密切。

下沉逆温由于空气下沉时受到压缩而引起的逆温(图2.5〉。高压区内某一空气团出现下沉运动,气压逐渐增大,气层在水平方向辐散,厚度减小。由于气层顶部下沉距离比底部下沉距离大(^'),绝热压縮升温程度比底部升温高,因而出现逆温,下沉逆温范围广、厚度大、持续时间长,一般出现在高空-冬季下沉逆温与辐射逆温相结合,会形成很厚的逆温层。

平流逆温暖空气平流到冷地面上,下层空气受地面影响大,降温多,上部降温少,因而形成逆温。海上暧空气流到陆地上,或暖空气流到低地,盆地聚集的冷空气上方,都可能形成平流逆温。

(^)湍流逆温低层空气由于湍流混合,在混合层的上方形成逆温层:图2.545 为气层原气温分布,气温直减率低于干绝热递减率(/^^)。经湍流混合&气温分布线逐渐接近73线(图2.6中的(:!))。这样,在下部湍流混合层与上部未发生湍流混合层之间形成温度过渡的逆温层。这种逆温层厚度不大,仅约几十米。

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