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关于空气、水汽平均移动速度的粗分析

已有 1067 次阅读 2023-12-5 12:00 |个人分类:空中水科学|系统分类:科研笔记

关于空气、水汽平均移动速度的分析

张学文,2023 12 05 

气象学对大气的分析已经很多很多了。但是在印象中,关于空气的平均速度与水汽的平均速度问题,好像没有人去关注过。而我是最近在分析空中水的平均游程时,感到应当对空气的平均速度、水汽的平均速度做一些对比是新鲜的也是不难的。而这显然也是我们认识大气特征的一个重要角度。下面就是我对此的粗略对比。

如何估算天空中的空气的平均移动速度?

气象学知识大致告诉我们地面的风速比较小,对流层上部的风速最大。而根据《熵气象学》一书的分析,不同风速占有的大气质量是不同的。大气中不同风速的平均值(对大气质量的加权平均)是8.13/(见《熵气象学》一书29页。

 

下一步,如何估算空中的水汽的移动速度?!

由于水汽的存在高度比空气低,而大气底层的风速比较小,我们容易估计到水汽在空中的平均水平移动速度应当比空气小。

那么水汽的平均水平移动速度究竟是多少?下面是我的一个估算思路与估算结果。

我觉得要计算空中水在空中的平均速度,不妨分别分析不同高度上的空气速度(风速,而不考虑风向)与不同高度上的水汽权重,如何取加权平均。即我们初步承认水汽的运动速度可以粗略地认为与空气相同,但是鉴于底层的水汽多,高层的水汽少,所以在求水汽运动平均速度时需要按不同高度上的水汽数量,求得对应的加权平均值。

根据不同高度内水汽的相对量,风速计算空中的水汽平均移动速度(最后的红字)

高度/米

水汽相对值

水汽相对含量

风速

各层风速与水汽相对量的积

0

1


2.5


100

0.954992586

0.045007414

2.8

0.126020759

200

0.912010839

0.042981747

3.1

0.133243415

300

0.87096359

0.041047249

3.4

0.139560648

400

0.831763771

0.039199819

3.7

0.14503933

500

0.794328235

0.037435536

4

0.149742146

600

0.758577575

0.03575066

4.3

0.153727837

700

0.72443596

0.034141615

4.6

0.157051429

800

0.691830971

0.032604989

4.9

0.159764447

900

0.660693448

0.031137523

5.2

0.161915119

1000

0.630957344

0.029736104

5.5

0.163548569

1100

0.602559586

0.028397758

5.8

0.164706999

1200

0.575439937

0.027119649

6.1

0.165429857

1300

0.549540874

0.025899063

6.4

0.165754006

1400

0.52480746

0.024733414

6.7

0.165713871

1500

0.501187234

0.023620227

7

0.165341586

1600

0.478630092

0.022557141

7.3

0.164667132

1700

0.45708819

0.021541903

7.6

0.163718461

1800

0.436515832

0.020572357

7.9

0.162521623

1900

0.416869383

0.019646449

8.2

0.16110088

2000

0.398107171

0.018762213

8.5

0.15947881

2100

0.380189396

0.017917774

8.8

0.157676413

2200

0.363078055

0.017111342

9.1

0.155713208

2300

0.34673685

0.016341204

9.4

0.153607321

2400

0.331131121

0.015605729

9.7

0.151375571

2500

0.316227766

0.014903355

10

0.149033555

2600

0.301995172

0.014232594

10.3

0.146595718

2700

0.28840315

0.013592022

10.6

0.14407543

2800

0.27542287

0.01298028

10.9

0.141485052

2900

0.263026799

0.012396071

11.2

0.138835997

3000

0.251188643

0.011838156

11.5

0.136138794

3100

0.239883292

0.011305351

11.8

0.133403145

3200

0.229086765

0.010796527

12.1

0.130637972

3300

0.218776162

0.010310603

12.4

0.127851476

3400

0.208929613

0.009846549

12.7

0.125051176

3500

0.199526231

0.009403382

13

0.122243961

3600

0.190546072

0.00898016

13.3

0.119436124

3700

0.181970086

0.008575986

13.6

0.116633409

3800

0.173780083

0.008190003

13.9

0.113841042

3900

0.165958691

0.007821392

14.2

0.111063768

4000

0.158489319

0.007469371

14.5

0.108305887

4100

0.151356125

0.007133194

14.8

0.105571277

4200

0.144543977

0.006812148

15.1

0.102863431

4300

0.138038426

0.006505551

15.4

0.100185479

4400

0.131825674

0.006212753

15.7

0.097540216

4500

0.125892541

0.005933133

16

0.094930123

4600

0.120226443

0.005666098

16.3

0.092357393

4700

0.114815362

0.005411081

16.6

0.08982395

4800

0.10964782

0.005167543

16.9

0.087331469

4900

0.104712855

0.004934965

17.2

0.084881395

5000

0.1

0.004712855

17.5

0.082474959

5100

0.095499259

0.004500741

17.8

0.080113197

5200

0.091201084

0.004298175

18.1

0.077796961

5300

0.087096359

0.004104725

18.4

0.075526939

5400

0.083176377

0.003919982

18.7

0.073303661

5500

0.079432823

0.003743554

19

0.071127519

5600

0.075857758

0.003575066

19.3

0.068998773

5700

0.072443596

0.003414161

19.6

0.066917565

5800

0.069183097

0.003260499

19.9

0.064883928

5900

0.066069345

0.003113752

20.2

0.062897796

6000

0.063095734

0.00297361

20.5

0.060959012



0.936904266


7.451536985

 

说明

1列给出了从地面到6公里高空的各个高度。它们以100米间隔给出。

2列给出该高度水汽的相对值。它把地面的水汽取为1,然后按负整数减少,衰减到5公里是仅是地面值的十分之一了。

3列是第2列的上下相邻值的差。即此高层中的水汽在全层水汽中占的百分比。

4列是各层的风速(也是水汽的运动速度),它从地面的2.5/秒,向上按高度做线性增加。(假设了地面风速为2.5/秒,6公里高空风速为20.5/---参考了中国高空风的观测数据)

5列 是3列与4列的乘机值,其最后的合计值(红字)含义应当是按水汽求得的风速平均值。

各层水汽的运动速度按水汽含量取平均,此平均速度为7.45/。这说明水汽的平均速度比空气的平均速度小0.6/秒。

补充说明

以上计算仅取了从地面到6公里高度的数据分析,它不够完全,忽略了移动更快的3.7%的水汽的速度。

水汽的水平平均运动速度不完全与空气水平平均速度相等。但是应当承认水汽的大部分水平移动的速度与空气差不多。现在也只能如此。

有关参数的设定,有关分布的公式的确定都不是很严谨。

所以此结果仅是给出了一个比没有参考数据要好的一个参考值。更细致的分析,难度要增加很多。




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