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答王虹宇老师-关于大气干绝热递减率的推导问题

已有 3184 次阅读 2018-10-27 14:41 |系统分类:论文交流

王虹宇老师在我的上一篇博文留言中提了这样一个问题:‘ 以前的文里面说研究大气纵向温度要假定气团不仅和周围没有热交换,也没有功的交换,意思是说气团上升膨胀的时候不对周围气体做功吗?‘

以下是我的回答:

首先谢谢王老师对这个问题的关注,关于大气绝热递减率的推导和理解问题,我的完整的意思是这样:在分析计算干绝热递减率时,1)要么应该在模型中完整地且同时考虑所分析气团与周围大气的实时的功交换和热交换等全部的物理过程;

2)要么分步走,先假定所分析气团与周围大气是完全孤立隔绝的,只受重力场影响的条件下进行升降,升降时遵守理想气体特征,同时压力变化指定为与周围大气压力分布变化正好完全相同,其次,再考虑这样孤立隔绝地升降了一小段距离后,其温度和体积会有什么样的变化,这个变化结果与周围真实大气相比,是温度更高还是更低,是单位摩尔气体体积更大还是更小。如果是温度更高的话,就意味着会散热给周围大气(热交换),如果是单位摩尔气体体积比周围大气的单位摩尔气体体积更大了,则气团会继续上升(同时对外做功进行功交换)(这时就是不稳定的大气类型),反之则反之。

但事实上,如果用第一个方法进行分析,是几乎无法进行的,因为真实大气的分布和影响因素太多种类了,这会导致模型会过于复杂,难以得到清晰的推理结果,而用第二个方法进行分析,可以大大简化分析过程,同时物理意义又非常明确和清晰。

用这样一个思路分析下来,就可以非常准确和逻辑严密且物理意义清晰地得到:为何气温分布降温速率大于干绝热递减率时的大气是不稳定的(即在这种温度分布场中,任何一个气团如果得到一个微小的垂向扰动的话,会继续越跑越快,往上的扰动则继续往上跑,往下的扰动则继续往下沉),反之会是稳定的(即任何垂向的扰动后,被扰动气团都有回到原位的趋势)。


另外,需要补充的一点是,为何我坚定地认为现有教材有关大气干绝热递减率的推导是错误的,除了推导过程本身含糊不清的原因外,在这个推导过程中,还有一个非常重要的错误是:现有教材的那些推导方法(不论是哪一个版本的),都完全没有考虑重力场的影响,即完全没有考虑气团的重力势能的影响和相应的能量交换过程,这在起点上就是错误的物理建模,这个错误是最为根本的,也由此导致后来在真正运用干绝热递减率进行反推’为何这种大气温度分布会是稳定的大气,那种大气温度分布会是不稳定的大气‘时,语义含糊,逻辑含糊甚至牵强附会,按照现有教材的那种对干绝热递减率的推导方法,其实是没法证明大气稳定度现象的。所以,我后来专门写了一篇文章“关于现有教材中“干绝热递减率”的推导是错误的一个更为容易的理解方法,这篇文章强调了该如何逻辑严密、物理意义清晰地进行大气稳定度原理证明(其实具体如何证明的过程和内容在最初的原文后面有:“现有教材中的大气绝热递减率推导均有错误”),按照这个思路把原文彻底思考清楚,就会彻底理解为何现有教材有关大气干绝热递减率推导是错误的这个问题了。


补充:有一个更加简洁的思路方向是:为何在大气的垂直温度分布递减率小于干绝热递减率时,大气会是稳定的(指垂向运动特征的稳定性),大气的稳定度判别在气象尤其是大气污染扩散分析中是极为重要的依据。而对于‘为何某些垂直温度分布下,大气会是稳定的’进行分析和论证,是解决这个问题的关键所在(这时可以避开如何去准确模拟大气是怎么运动的、运动中会发生什么的问题,因为这个问题会带来大量的细节需要处理,从而搅乱思维方向)




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1 周少祥

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