大气中的流体力学


文章来自:流体力学learning


撰稿人:陆高明、关哲伟、韩静



一、大气压强



测量大气压的仪器叫做气压计,常见的有水银气压计。1标准大气压(1atm)= 760毫米汞柱(mmHg)。


液体在重力场的压强表达式(在z轴垂直向上的直角坐标系):

大气中的流体力学的图1

上式可改写为:

大气中的流体力学的图2

该式称为流体静力学基本方程(确定流体内部压力场的静力学方程式)。


大气中的流体力学的图3


推导过程:

作用在流体上的两种力:体积力(多数为重力)和表面力。

大气中的流体力学的图4


大气作为流体,它的运动具有流体运动的共性,因此常用流体力学的基本方程组去研究。对于大气层来说,越高的地方密度就越低,重力加速度则越小。密度和重力加速度随高度的变化带入到刚才得出的微分方程中,就可以计算出任意高度处的压力。


国际标准大气压

规定:

1.空气被看作理想气体

2.大气相对湿度为0

3.以海平面作为高度计算的起点

4.在高度11000m以下,气温随高度呈直线变化,每升高一米,气温下降0.0065摄氏度

5.在约11000-24000m范围内,气温保持不变,此时温度为216.7K


大气中的流体力学的图5


大气层分为对流层、平流层、中间层、电离层、外层。


对流层:大气中的水汽几乎都集中于此,是展示风云变幻的“大舞台”:刮风、下雨、降雪等天气现象都是发生在对流层内。对流层最显著的特点是有强烈的对流运动。


平流层:该层的气流主要表现为水平方向运动,对流现象减弱,又称“同温层”。这里基本上没有水汽,晴朗无云,很少发生天气变化,适于飞机航行。    


中间层:该层内因臭氧含量低,同时,太阳短波辐射已经大部分被上层大气所吸收,所以温度垂直递减率很大,对流运动强盛。


电离层:其中存在相当多的自由电子和离子,能使无线电波改变传播速度,发生折射、反射和散射。


外层:又叫逸散层。这里的温度很高,可达数千度,大气已极其稀薄,是大气层向星际空间过渡的区域。



二.大气运动



1

大气运动的主要特点


大气运动与一般流体运动区别最重要的一点,就是气象上的运动具有大尺度的特征。

大气中含有水汽。大气中的水汽成分在运动过程中发生了相变,而相变的潜热又反过来供给大气,促使运动得到支持和发展。

大气还有其它的一些重要特征,例如大气的斜压性,准不可压缩性[2]。


2

以流体力学为基础的动力

气象学与天气学不同之处


天气学:从观测资料出发,经验性的,总结天气过程的发生发展规律,(主观)推断可能机理。
动力学:从物理定律出发,从理论上,(客观)揭示天气过程的发生发展规律和机理[3]


3

热力环流


1.形成成因:冷热不均。形成过程:地面受热不均→空气做垂直运动(受热上升,冷却下降)→同一水平面形成高、低气压中心,产生气压梯度(上升运动在近地面形成低压,高空形成高压。下降运动在近地面形成高压,高空形成低压)→大气做水平运动,形成风,热力环流形成。可见,大气运动首先是垂直运动,其运动原因是受热不均,其次是水平运动,其运动原因是同一水平面上有气压差。


2.高气压和低气压是指同一水平高度的气压状况,如下图中A′处的高气压是相对同一水平高度B′处和C′处的气压而言的。若A′处的高气压与近地面A处的低气压相比,气压值仍然小于近地面A处的气压值,原因是同一地点,气压值随高度的增加而递减。


3.一般情况下,在近地面气温高的地方则气压低,气温低的地方则气压高;近地面为低气压高空则为高气压,近地面为高气压高空则为低气压。地区间冷热不均引起空气的垂直运动,同一水平面上的气压差异导致大气的水平运动。


4.等压面凸起的地方是高压区,等压面下凹的地方是低压区。[4]


4

风的形成


近地面大气水平运动形成风。

大气的水平运动称为风。空气运动是在力的作用下产生的,作用于空气的力有重力、气压梯度力、地转偏向力、地面摩擦力。这些力的性质各不相同,对大气运动产生的作用也不一样。

在近地面,因为惯性离心力较小可以忽略不计,风主要受三个力的影响:气压梯度力、地转偏向力、摩擦力。[5]


大气中的流体力学的图6



三.湍流逆温现象



在对流层中,温度垂直变化的曲线总的情况是气温随高度上升而降低。但是在一定条件下,对流层中也会出现气温随高度增加而升高的逆温现象。造成逆温现象的条件有很多,如地面辐射冷却,空气平流冷却,空气下沉增温,空气湍流混合等。在这里我主要讲解一下空气湍流混合造成的逆温现象。 


大气中的流体力学的图7


湍流运动分为两种:

(1)壁湍流,壁湍流是流体与固体相互作用而产生的湍流,如大气的边界层。

(2)自由湍流,自由湍流是各层流体相对流动,当有强大的速度切变而引起的湍流。


边界层是与地表面直接接触的大气最底层,受到地表面热力和动力作用的影响,大气运动的层流状态受到干扰和破坏,形成了各种大小不同的不规则涡旋[6]。因此,这一层空气具有明显的湍流运动特征。


湍流逆温(turbulence inversion)亦称扰动(或乱流)逆温。这是湍流现象造成的逆梯度运输的一种表现形式。地球边界层是湍流层,存在大量不规则的高速涡旋,而湍流层上方则是非湍流层,气流相对稳定,于是在两个不同层面之间发生了不可思议的变化,出现了一个逆温带。


逆温带离地面的高度依赖于湍流混合层的厚度,通常在1500米以下,其厚度一般为数十米。当气层的气温直减率小于干绝热直减率时,经湍流混合后,气层的温度分布逐渐接近干绝热直减率。因湍流上升的空气按干绝热直减率降低温度。空气上升到混合层顶部时,它的温度比周围的气温低,混合的结果,使上层气温降低;空气下沉时,情况相反,致使下层气温升高。这样就在湍流减弱层,出现逆温。


人们很早就在大气边界层中野外试验中观测到热量的逆梯度输运, Lettau 和 Davidson[7]在野外试验中观测到距地面 100m 处存在逆梯度输送的热涌量 。Webb[8]在距地面25m 高度处观测不到温度梯度, 风速很小,但却有很强的热流。Bunker[9]采用飞机探 测到在大西洋上空 150 ~ 550m 处存在热量逆梯度输送。


大气的湍流逆温运动研究背后意义非凡。[10]中国许多城市如郑州由于四面环山导致空气污染物积累,无法得到有效的排出。许多科学家研究通过增加城市绿化面积来增加地面反照率,从而增强大气湍流运动,排出城市中的污染气体。


大气中的流体力学的图8


流体力学

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