首页 > 其他分享 >大气热力学(11)——热力学图的应用之二(焚风)

大气热力学(11)——热力学图的应用之二(焚风)

时间:2024-07-09 22:08:11浏览次数:9  
标签:11 焚风 kg 950hPa 气块 热力学 液态水 绝热过程

本篇文章源自我在 2021 年暑假自学大气物理相关知识时手写的笔记,现转化为电子版本以作存档。相较于手写笔记,电子版的部分内容有补充和修改。笔记内容大部分为公式的推导过程。

目录

11.1 焚风的概念

焚风(Foehn)是由于空气作绝热下沉运动时,因温度升高湿度降低而形成的一种干热风。焚风常出现在山脉背风坡,由山地引发的一种局部范围内的空气运动形式——过山气流在背风坡下沉而变得干热的一种地方性风。在高压区,空气下沉也可产生焚风。

image

在世界各地山脉几乎都有类似的风,对类似的现象还有类似的地区性的称呼:

  • 在智利的安第斯山脉这样的焚风被称为帕尔希风(Puelche);
  • 在阿根廷同样的焚风被称为 Zonda;
  • 美国落基山脉东侧的焚风叫钦诺克风(chinook);
  • 在加利福尼亚州南部被称为圣安娜风(Santa Ana);
  • 在墨西哥被称为仓裘风(Chanduy)。

11.2 焚风形成的原理

现在用一个案例说明焚风是如何形成的,而且还会说明一些参数的变化细节。

【例】迎风坡 950hPa 高度处气温 10℃ ,混合比 5g/kg,设经过 600hPa 山顶时有 80% 的水汽凝结为降水下落,在背风坡下降到 950hPa。比较迎风坡和背风坡 950hPa 高度处的温度、相对湿度和位温。

image

【解】找到等压线 950hPa 和等温线 10℃ 的交点 A,此点为气块的初始状态。未饱和气块上升时作干绝热过程,需从点 A 沿着干绝热线上升,上升到哪里呢?这就需要找到抬升凝结高度。

已知混合比 5g/kg,则沿着 5g/kg 的等饱和比湿线与干绝热线相交得到高度点 L,即为该气块的抬升凝结高度。气块过了点 L 后处于饱和状态,水汽开始凝结为液态水,需沿着湿绝热线上升,一直上升到等压线为 600hPa 的点 B。此时,可沿着等饱和比湿线读出气块的混合比为 1.6g/kg。也就是说,从 950hPa 到 600hPa,气块内部凝结生成的液态水的量有:

\[5 - 1.6 = 3.4 \mathrm{g/kg} \]

也就是说,原本 1kg 气体内含有 5g 水汽;上升到 600hPa 后,1kg 气体内仅含有 1.6g 水汽,其余的都凝结为 3.4g 的液态水。由题目可知,在这其中有 80% 的液态水降落,这部分液态水已经脱离了气块,所以实际上气块内部凝结的液态水有:

\[3.4 - 3.4 \times 80 \% = 3.4 - 2.7 = 0.7 \mathrm{g/kg} \]

因此,实际上 1kg 气块内有 1.6g 水汽和 0.7g 的液态水。气块到达山顶后开始下降,注意气块仍然是饱和状态的,所以依然要沿着湿绝热线下降。上升时水汽会凝结为水成物,那么下降时液态水会蒸发为水汽。显然,0.7g 的液态水肯定会全部蒸发为水汽,所以现在气块内部的水汽(混合比)为:

\[1.6 + 0.7 = 2.3 \mathrm{g/kg} \]

现在气块内没有液态水的成分了,于是进入干绝热过程,需沿着干绝热线下降。找到 2.3g/kg 的等饱和比湿线,与当前湿绝热线相交得到点 C。从点 C 开始气块沿干绝热线下降,一直下降到 950hPa 处的点 D,此时可读出混合比为 12.6g/kg。

以上就是整个气块所经历的过程了。我们读出每个点的气压值、温度值和饱和比湿值,并把这个过程整理成一个表格:

地点 高度 气块温度 气块混合比 饱和比湿(饱和混合比) 液态水含量 过程
迎风坡(点A) 950hPa 10℃ 5g/kg 8g/kg 0 干绝热过程开始
迎风坡(点L) 855hPa 3℃ 5g/kg 5g/kg 0 干绝热过程结束,湿绝热过程开始
山顶(点B) 600hPa -17℃ 1.6g/kg 1.6g/kg 3.4g/kg 湿绝热过程中
山顶(点B) 600hPa -17℃ 1.6g/kg 1.6g/kg 0.7g/kg 湿绝热过程中(降水过程)
背风坡(点C) 675hPa -10℃ 2.3g/kg 2.3g/kg 0 湿绝热过程结束,干绝热过程开始
背风坡(点D) 950hPa 17℃ 2.3g/kg 12.6g/kg 0 干绝热过程结束

这个表格已经一目了然了。气块上升前,在迎风坡的温度为 10℃,相对湿度为 5/8 = 62.5%;气块到达背风坡后,温度变为 17℃,相对湿度为 2.3/12.6 = 18.3%。可见,气块在受到地形的强迫抬升又下降后,气块的温度升高,且气团性质变得更干燥了。

最后我们来考查气块的位温情况。因为气块凝结的液态水有一部分脱落了,所以位温是不守恒的。怎么求气块的位温呢?回忆一下位温的概念:把气块按干绝热过程移到 1000hPa 处,此时气块所具有的温度称为位温。看回上面的那张 T-lnP 图,点 A 和点 D 都位于 950hPa 处,因此只要沿着干绝热线下降到 1000hPa 处即可得到点 A 的位温为 14℃,点 D 的位温为 21℃。这也就验证了焚风形成的过程中位温不是守恒的。

11.3 焚风的示意图

image

焚风的形成往往与地形抬升有关,地形抬升是造成迎风坡降水和背风坡雨影干旱区的一个重要原因。上图是一个焚风形成的示意图,可以看到未饱和空气的初始温度为 20℃,地面露点温度为 12℃。当未饱和空气上升到山脉的迎风坡一侧时,以 \(\gamma_d = 10℃\) 的干绝热直减率冷却降温直到 10℃ 的露点温度,这个高度即为 1km 处,也是抬升凝结高度和云底高度。

接下来,气块开始以 \(\gamma_m = 6℃\) 的湿绝热直减率上升到达山顶,在这个湿绝热过程中凝结了许多水,从而产生云和大量的降水。抵达山顶时,气块温度为 -2℃,由于气块的水分已经基本脱离气块,所以下降时气块被压缩并按干绝热直减率增温。当气块到达山脚时温度上升到 28℃,比迎风坡一侧高出 8℃。

在背风坡造成雨影区的主要原因有两个:

  • 空气中的水分在迎风坡已经以降水的形式被除去;
  • 背风坡空气的温度比其在迎风坡时要高,而且往往高于露点温度(或环境温度),导致增温更加迅速。

标签:11,焚风,kg,950hPa,气块,热力学,液态水,绝热过程
From: https://www.cnblogs.com/Mount256/p/18292825

相关文章

  • C++八股(二)之C++11新特性
    一、C++11有什么新特性?⭐自动类型推导(TypeInference):引入了auto关键字,允许编译器根据初始化表达式的类型自动推导变量的类型。统一的初始化语法(UniformInitializationSyntax):引入了用花括号{}进行初始化的统一语法,可以用于初始化各种类型的对象,包括基本类型、数组、......
  • 洛谷P1308 [NOIP2011 普及组] 统计单词数C语言
    #include<stdio.h>#include<string.h>#include<ctype.h>intmain(){charcheck[11];charstr[1000001];intf_num=0;intcount=0;inti=0;intj=0;intp=1;gets(check);gets(str);......
  • 昇思25天学习打卡营第11天|基于MindSpore的GPT2文本摘要
    数据集准备nlpcc2017摘要数据,内容为新闻正文及其摘要,总计50000个样本。数据需要预处理,如下原始数据格式:article:[CLS]article_context[SEP]summary:[CLS]summary_context[SEP]预处理后的数据格式:[CLS]article_context[SEP]summary_context[SEP]代码示......
  • Android 11 recovery恢复出厂设置保留某些文件
    /bootable/recovery/recovery.cpprecovery的注释,流程解释!/**Therecoverytoolcommunicateswiththemainsystemthrough/cachefiles.*/cache/recovery/command-INPUT-commandlinefortool,oneargperline*/cache/recovery/log-OUTPUT-combin......
  • Lunaproxy与711Proxy的对比与优劣分析
    今天我们来深入对比两款在市场上备受关注的代理IP服务:Lunaproxy和711Proxy。接下来,我们将从多个角度对这两款服务进行详细分析,帮助大家做出明智的选择。优势分析711Proxy的优势1.性价比高:711Proxy提供多种灵活的套餐选择,价格经济实惠,性价比在所有代理服务商中数一数二,从小......
  • Python酷库之旅-第三方库Pandas(011)
    目录一、用法精讲25、pandas.HDFStore.get函数25-1、语法25-2、参数25-3、功能25-4、返回值25-5、说明25-6、用法25-6-1、数据准备25-6-2、代码示例25-6-3、结果输出26、pandas.HDFStore.select函数26-1、语法26-2、参数26-3、功能26-4、返回值26-5、说明26-......
  • P3022 [USACO11OPEN] Odd degrees G
    P3022[USACO11OPEN]OdddegreesG构造每个连通块独立,考虑其中一个如何构造。因为无向图的度数一定是偶数,而每个点的度数是奇数,所以点数为奇数,否则无解。考虑建dfs树,不关心非树边,只考虑树边的取舍构造。自底向上构造,假如当前\(u\)的儿子\(v\)为偶数,那么就不能取\((u,v)......
  • 1154java jsp SSM古董拍卖网站系统(源码+文档+PPT+运行视频+讲解视频)
     项目技术:SSM+Maven+Vue等等组成,B/S模式+Maven管理等等。环境需要1.运行环境:最好是javajdk1.8,我们在这个平台上运行的。其他版本理论上也可以。2.IDE环境:IDEA,Eclipse,Myeclipse都可以。推荐IDEA;3.tomcat环境:Tomcat7.x,8.x,9.x版本均可4.硬件环境:windows7/8/1......
  • Windows7、10、11官方原版ISO镜像下载
    整理好放到夸克网盘了,需要的自取https://pan.quark.cn/s/3efb93ba1306  版本发布日期文件名文件大小sha1Windows1022h2 商业版(含专业、专业工作站、教育、专业教育、企业版)2024年3月19日zh-cn_windows_10_business_editions_version_22h2_updated_mar......
  • c++ primer plus 第15章友,异常和其他:异常,15.3.5 异常规范和 C++11
    c++primerplus第15章友,异常和其他:异常,15.3.5异常规范和C++1115.3.5异常规范和C++11文章目录c++primerplus第15章友,异常和其他:异常,15.3.5异常规范和C++1115.3.5异常规范和C++1115.3.5异常规范和C++11有时候,一种理念看似有前途,但实际的使用效果并......