Тепловой режим поверхности Земли и атмосферы



Тепловая энергия поступает в нижние слои атмосферы главным образом от подстилающей поверхности. Тепловой режим этих слоев тесно связан с тепловым режимом земной поверхности, поэтому его изучение является также одной из важных задач метеорологии.

Основными физическими процессами, при которых почва получает или отдает тепло являются: 1) лучистый теплообмен, 2) турбулентный теплообмен между подстилающей поверхностью и атмосферой, 3) молекулярный теплообмен между поверхностью почвы и нижним неподвижным прилегающим слоем воздуха; 4) теплообмен между слоями почвы; 5) фазовый теплообмен: затраты тепла на испарение воды, таяние льда и снега на поверхности и в глубине почвы или его выделение при обратных процессах.

Тепловой режим поверхности земли и водоемов определяется их теплофизическими характеристиками. Изучите их. Особое внимание при подготовке следует обратить на вывод и анализ уравнения теплопроводности почвы (уравнение Фурье). Если почва однородна по вертикали, то ее температура t на глубине z в момент времени t может быть определена из уравнения Фурье:

 

(1)

 

где a ¾ температуропроводность почвы.

Следствием этого уравнения являются основные законы распространения температурных колебаний в почве:

1. Закон неизменности периода колебаний с глубиной:

 

                                           T(z)= const;                                              (2)

 

2. Закон уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

 

           ,                        (3)

 

где  и  ¾ амплитуды на глубинах z1  и z2 (z2 > z1), a - температуропроводность слоя почвы, лежащего между глубинами z1 и z2 ;

3. Закон сдвига фазы колебаний с глубиной (закон запаздывания):

 

                                  ,                               (4)

 

где  ¾ запаздывание, т.е. разность между моментами наступления одинаковой фазы колебаний (например, максимума) на глубинах z1 и z2. Колебания температуры проникают в почву до глубины zпр, определяемой соотношением:

 

                                                                                  (5)

 

Кроме того, необходимо обратить внимание на ряд следствий из закона уменьшения амплитуды колебаний с глубиной:

а) глубины, на которых в разных почвах (а1¹а2) амплитуды температурных колебаний с одинаковым периодом (Т12) уменьшается в одинаковое число раз , относятся между собой как корни квадратные из температуропроводности этих почв

 

                                     ;                                     (6)

 

б) глубины, на которых в одной и той же почве (a=const) амплитуды температурных колебаний с разными периодами (Т1¹Т2) уменьшаются в одинаковое число раз , относятся между собой как корни квадратные из периодов колебаний

 

                                  ;                                     (7)

 

Необходимо четко усвоить физический смысл и особенности формирования теплового потока в почву.

Поверхностная плотность теплового потока в почве определяется по формуле:

 

                                                                                               (8)

где l = Cп a - теплопроводность почвы (Cп - ее удельная теплоемкость);  - вертикальный градиент температуры.

Мгновенные значение Р выражаются в кВт/м2 с точностью до сотых, суммы Р - в МДж/м2 (часовые и суточные ¾ с точностью до сотых, месячные ¾ до единиц, годовые ¾ до десятков).

Средняя поверхностная плотность теплового потока через поверхность почвы за интервал времени t описывается формулой

 

                                      ,                                         (9)

 

где С - объемная теплоемкость почвы ; t - интервал; zпр - глубина проникновения температурных колебаний; Dtср -  разность средних температур слоя почвы до глубины zпр в конце и в начале интервала t.

Приведем основные примеры задач по теме «Тепловой режим почвы».

Задача 1. На какой глубине уменьшается в е раз амплитуда суточных колебаний в почве, имеющей коэффициент температуропроводности

а= 18,84 см2/ч?

Решение. Из уравнения (3) следует, что амплитуда суточных колебаний уменьшится в е раз на глубине, соответствующей условию

 

              ;                 .

 

     Задача 2. Найти глубину проникновения суточных колебаний температуры в гранит и в сухой песок, если экстремальные температуры поверхности соседних участков с гранитной почвой 34,8 и 14,50С, а с сухой песчаной почвой ¾42,3 и 7,80С. Температуропроводность гранита аг=72,0 см2/ч, сухого песка ап=23,0 см2/ч.

Решение. Амплитуда температуры на поверхности гранита и песка равна:

             Ап=tmax - tmin=42,3 - 7,8=34,50C;

 

            Аг=tmax - tmin=34,8 - 14,5=20,30C.

 

Глубина проникновения рассматривается по формуле (5):

 

     ;

 

          

В связи с большей температуропроводностью гранита мы получили и большую глубину проникновения суточных колебаний температуры.

Задача 3. Предположив, что температура верхнего слоя почвы изменяется с глубиной линейно, следует вычислить поверхностную плотность теплового потока в сухом песке, если температура его поверхности составляет 23,60С, а температура на глубине 5 см равна 19,40С.

Решение. Температурный градиент почвы в этом случае равен:

 

.

 

Теплопроводность сухого песка l=1,0 Вт/м×К. Поток тепла в почву определяем по формуле:

 

.

 

Тепловой режим приземного слоя атмосферы определяется, главным образом, турбулентным перемешиванием, интенсивность которого зависит от динамических факторов (шероховатости земной поверхности и градиентов скоростей ветра на различных уровнях, масштаба движения) и термических факторов (неоднородности нагревания различных участков поверхности и вертикального распределения температуры).

Для характеристики интенсивности турбулентного перемешивания используется коэффициента турбулентного обмена А и коэффициент турбулентного перемешивания К. Они связаны соотношением

 

                                              К=А / r,                                                    (10)

 

где r  - плотность воздуха.

Коэффициент турбулентности К измеряется в м2/с, с точностью до сотых долей. Обычно в приземном слое атмосферы используют коэффициент турбулентности К1 на высоте z¢ = 1 м.  В пределах приземного слоя:

 

                                            К=К1 z/z¢,                                                 (11)

 

где z - высота (м).

Необходимо знать основные методы определения К1.

 

Задача 1. Вычислить поверхностную плотность вертикального теплового потока в приземном слое атмосферы через площадку, на уровне которой плотность воздуха равна нормальной, коэффициент турбулентности равен 0,40 м2/с, а вертикальный градиент температуры 30,00/100м.

Решение. Вычисляем поверхностную плотность вертикального теплового потока по формуле

;

L=1,3 ×1005 × 0,40 кВт/м2=0,16 кВт/м2.

Изучите факторы, влияющие на тепловой режим приземного слоя атмосферы, а также периодические и непериодические изменения температуры свободной атмосферы. Уравнения теплового баланса земной поверхности и атмосферы описывают закон сохранения энергии, полученной деятельным слоем Земли. Рассмотрите суточный и годовой ход теплового баланса и причины его изменений.

 

Литература

[1] - Тверской П.Н. Курс метеорологии, раздел Ш, гл. 2, § 1 -8.

[2] - Хргиан А.Х. Физика атмосферы. Т.1. Гл.1Х, § 53 - 56.

[3] – Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии, раздел Ш.Гл. 2, п. 1 - 5; гл. 9, п. 1 -7; гл. 10, п. 2 - 5; гл 12.

 

Вопросы для самопроверки

 

1. Какие факторы определяют тепловой режим почвы и водоемов?

2. Каков физический смысл теплофизических характеристик и как они влияют на температурный режим почвы, воздуха, воды?

3. От чего зависят и как зависят амплитуды суточных и годовых колебаний температуры поверхности почвы?

4. Сформулируйте основные законы распределения температурных колебаний в почве?

5. Какие следствия вытекают из основных законов распределения температурных колебаний в почве?

6. Каковы средние глубины проникновения суточных и годовых колебаний температуры в почве и в водоемах?

7. Влияние растительного и снежного покрова на тепловой режим почвы?

8. Какие особенности теплового режима водоемов в отличие от теплового режима почвы?

9. Какие факторы влияют на интенсивность турбулентности в атмосфере?

10. Какие количественные характеристики турбулентности вы знаете?

11. Каковы основные методы определения коэффициента турбулентности, их достоинства и недостатки?

12. Нарисуйте и проанализируйте суточный ход коэффициента турбулентности над поверхностью суши и водоема. В чем причины их различия?

13. Как определяется поверхностная плотность вертикального турбулентного теплового потока в приземном слое атмосферы?

 

КОНТРОЛЬНЫЕ РАБОТЫ

Общие указания

 

К выполнению контрольных работ следует приступить после тщательного изучения рекомендованных глав литературы. Для решения задач полезны сведения о расчетных формулах по каждому из разделов дисциплины, а также большой объем справочных данных, которые можно найти в «Задачнике по общей метеорологии». Составители А.Г. Бройдо и др.[2].

В результате самостоятельного изучения первой части дисциплины необходимо выполнить две контрольные работы, каждая из которых состоят из 7 заданий. Каждое задание дано в 10 вариантах вопросов. Номер выполняемого варианта соответствует последней цифре номера вашей зачетной книжки. Вариант 10 соответствует цифре «0».

Ответы на вопросы контрольной работы должны быть сформулированы достаточно подробно, чтобы был ясен физический смысл излагаемого материала, подтвержденный, где это возможно, математическими формулами.

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 1

 

Задание 1

 

По показаниям сухого и смоченного термометров стационарного психрометра и атмосферного давления на станции найти по психрометрической таблице точку росы, парциальное давление водяного пара, относительную влажность и дефицит насыщения. Вычислить абсолютную влажность, массовую долю и массовое отношение водяного пара, пояснить их физический смысл.

 

 

Таблица 1

Варианты исходных данных

 

№ варианта  оС  оС Р гПа
1 19, 4 12, 7 1026, 7
2 18, 5 11, 8 1017, 8
3 17, 4 10, 7 1028, 9
4 16, 5 10, 9 1018, 3
5 17, 6 9, 8 1022, 4
6 18, 9 11, 7 1016, 7
7 26, 3 19, 2 1018, 9
8 22, 1 14, 1 1024, 7
9 20, 1 12, 3 1017, 3
10 16, 4 9, 8 1024, 1

Задание 2

 

1. Как изменяется барическая ступень с высотой в реальной атмосфере?

2. Как изменяется вертикальный градиент давления с высотой в однородной атмосфере?

3. При каком вертикальном температурном градиенте высота политропной атмосферы наименьшая?

4. Как изменяется плотность воздуха с высотой в изотермической атмосфере?

5. Какие значения может принимать парциальное давление водяного пара при температуре 15,00С?

6. Определить дефицит насыщения при температуре воздуха 10,00С и относительной влажности 50%.

7. Определить температуру воздуха, если дефицит насыщения 12,3 гПа, а точка росы 10,00С.

8. Каково будет соотношение между утренней температурой и точкой росы, если вечером температура воздуха 12,00С, f=50% и по прогнозу температура утром должна понизиться до -2,00С при неизменном давлении?

9. Определить массовую долю водяного пара, если его температура 12,00С, f=100% и Р=1000 гПа.

10. Что больше массовая доля или массовое отношение водяного пара?

 

Задание 3

Найти плотность влажного воздуха rв и виртуальной температуру Tv при температуре t, давлении Р и относительной влажности f. Что больше: плотность сухого или влажного воздуха? Каков физический смысл виртуальной температуры?

 

Таблица 2

 

№   варианта   t0C   Р гПа   f%
1 15,2 986,7 42
2 16,2 990,7 48
3 17,2 994,7 54
4 18,2 998,7 60
5 19,2 1002,7 66
6 20,2 1006,7 72
7 21,2 1010,7 78
8 22,2 1014,7 84
9 23,2 1018,7 90
10 24,2 1022,7 96

 

 

Задание 4

1. Укажите границы солнечного спектра у поверхности Земли.

2. Что такое солнечная постоянная: как она меняется от зимы к лету?

3. Определить фактор мутности, если при высоте солнца h(.)=300, энергетическая освещенность прямой солнечной радиации S=0,82 кВт/м2.

4. Облака какого яруса рассеивают солнечную радиацию больше всего и почему?

5. Когда наблюдается наибольшее значение рассеянной радиации в суточном ходе в ясный солнечный день?

6. Что такое интегральный коэффициент прозрачности и как он изменяется с уменьшением высоты солнца?

7. Определить баланс коротковолновой радиации на широте j=83,40 в истинный полдень 22 июня, если коэффициент прозрачности Р=0,76, рассеянная радиация D=0,15 кВт/м2, а альбедо А=45%.

8. При каком вертикальном распределении температуры под основанием низких облаков эффективное излучение наименьшее (при прочих равных условиях) и почему?

9. Изменение каких метеовеличин больше всего влияет на суточный ход эффективного излучения при безоблачном небе?

 

 

Задание 5

 

Вычислить энергетическую освещенность прямой солнечной радиации горизонтальной поверхности при высоте солнца h0(.) и коэффициенте прозрачности Р. Объясните физический смысл составляющих закона Буге. 

 

Таблица 4

 

Варианты исходных данных

№ варианта h0(.) P
1 40 0,76
2 46 0,70
3 52 0,82
4 58 0,76
5 64 0,70
6 41 0,75
7 47 0,69
8 53 0,81
9 59 0,75
10 65 0,60

 

Задание 6

1. Чем объясняется цвет неба?

2. Почему облака белые?

3. Какие процессы определяют яркость небесного свода?

4. Чем объясняется кажущееся увеличение размеров солнца и луны у горизонта?

5. Что такое сумерки?

6. Каковы источники освещения земной поверхности ночью?

7. Что такое яркостной контраст и как он влияет на дальность видимости?

8. Какие факторы влияют на метеорологическую дальность видимости?

9. Объясните появление нижних миражей?

10. Объясните появление верхних и боковых миражей.

 

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА № 2

 

Задание 1

1. Как изменяется с высотой потенциальная температура воздуха в слое атмосферы, в котором вертикальный градиент температуры больше сухоадиабатического градиента?

2. Как изменяются при подъеме параметры ненасыщенной водяным паром воздушной частицы?

3. Как и почему изменяется влажноадиабатический градиент температуры при подъеме воздуха с насыщенным водяным паром?

4. Какова стратификация слоя атмосферы, в котором вертикальный градиент температуры равен влажноадаиабатическому?

5. Как поведет себя в неустойчивом слое атмосферы объем воздуха, если действие этой силы прекратится?

6. Как влияет неустойчивая термическая стратификация на турбулентное перемешивание?

7. Как и почему изменяется относительная влажность ненасыщенной водяным паром частицы воздуха адиабатически поднимающейся до уровня конвекции.

8. При какой энергии неустойчивости условия благоприятны для развития конвективной облачности?

9. Как изменится с точки зрения устойчивости термическая стратификация воздуха, натекающего зимой в умеренных широтах с континента на поверхность моря, не покрытую льдом?

10. Найти с помощью аэрологической диаграммы высоту уровня конденсации (zк) , если у поверхности земли давление атмосферы Р0=990,0 гПа, температура Т0=14,00 td=2,20C. Как изменится высота уровня конденсации при увеличении точки росы?

 

Задание 2

По заданному давлению атмосферы Р (гПа), температуре t0C, относительной влажности f(%), найти массовые доли насыщенного пара, находящегося при данных условиях, точку росы и дефицит точки росы воздуха.

 

Таблица1

 

Варианты исходных данных

 

№ варианта Р гПа t0C f%
1 1028,8 30,0 40
2 1014,7 28,0 50
3 1006,0 26,0 60
4 1000,7 24,0 70
5 1000,9 0,0 50
6 998,4 22,0 80
7 995,2 20,0 70
8 1000,2 15,0 50
9 985,0 30,5 43
10 1010,2 27,5 70

 

Задание 3

 

Вычислить влажноадиабатический градиент температуры в воздухе, находящемся при давлении Р (гПа) и температуре t(0C). Как и почему изменится ответ при том же давлении, но более высокой (низкой) температуре? Почему и всегда ли влажноадаиабатический градиент меньше суходиабатического?

 

Таблица 2

Варианты исходных данных

№ варианта Р гПа t0C
1 1000,0 -30,0
2 800,0 -20,0
3 600,0 -10,0
4 400,0 0,0
5 1000,0 -20,0
6 800,0 -10,0
7 600,0 0,0
8 400,0 10,0
9 1000,0 -10,0
10 800,0 0,0

 

Задание 4

 

1. Какие теплофизические характеристики почвы вы знаете, каков их физический смысл?

2. Сравните и проанализируйте теплофизические характеристики воздуха, воды и почвы?

3. Амплитуда суточного хода температуры поверхности почвы составила 31,10С, а на глубине 20 см 3,70С. Вычислить среднюю температуропроводимость верхнего 20-сантиметрового слоя почвы.

4. Вычислить теплопроводность снежного покрова при плотности 102кг/м3. Как и почему изменится ответ, если плотность снега в результате слеживания увеличится в два раза?

5. Какие формула могут применяться при изучении распространения температурных колебаний в глубь почвы и водоемов?

6. Какие факторы влияют на амплитуду суточных и годовых колебаний поверхности почвы?

7. До какой глубины распространяются (в среднем) суточные и годовые колебания температуры в почве и в различных водоемах? Каким образом можно определить эту глубину?

8. Как и почему влияет снежный покров на температуру почвы?

9. Максимум температуры поверхности почвы отмечен в 13 ч 25 мин. В какое время теоретически наступит максимум на глубинах 20, 40 и 60 см, если температуропроводность на всех глубинах одинакова и равна

  16 см2/ч?

10. Как влияют на изменения температуры почвы на глубине рыхление, уплотнение, орошение?

 

Задание 5

 

1. Дайте определение приземного слоя атмосферы. Какова его средняя высота?

2. Какие факторы определяют вертикальный турбулентный обмен при равновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

3. Какие факторы определяют вертикальный турбулентный обмен при неравновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

4. Как изменяется с высотой температура при равновесном состоянии в приземном слое атмосферы?

5. Как изменяется с высотой коэффициент турбулентности?

6. В какое время суток летом турбулентный поток тепла направлен от деятельного слоя в атмосферу над морем и над сушей?

7. При каком распределении температуры в приземном слое формула для определения коэффициента турбулентности методом диффузии может быть не применима?

8. Найти коэффициент турбулентности на высоте 10 м, если Dt=0,00C, z0=2 см, u2,0=3м/с.

9. Вычислить турбулентный поток тепла методом теплового баланса, если В=0,47 кВт/м2, t=18,20C, e0,5=14,0 гПа, t2,0=17,90C, e2,0=13,6 гПа, Р=0,02 кВт/м2.

10. Каков физический смысл коэффициента турбулентности? Какова его размерность?

 

Задание 6

 

Вычислить коэффициент турбулентности на высоте 1 м по методу теплового баланса, станционному и уточненному методам турбулентной диффузии, используя результаты градиентных наблюдений на высотах 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 м.

Исходные данные приведены по вариантам в табл. 4. Здесь R кВт/м2 - радиационный баланс деятельного слоя; Р кВт/м2 - поток тепла в почву; t(0C) температура воздуха; е (гПа) - парциальное давление водяного пара; u(м/с) - скорость ветра на соответствующих уровнях.  

 

Таблица 4

Варианты исходных данных

 

 

  R   P   t0,2   t0,5   t1,0   e2,0   e0,2   e0,5   e1,0   e2,0   u0,2   u0,5   u1,0   u2,0
1 0,55 0,08 20,6 20,4 19,9 19,8 9,4 8,9 8,4 8,0 1,7 2,3 2,5 3,0
2 0,49 0,05 17,3 17,0 16,7 16,4 11,3 10,8 10,2 10,0 0,3 0,7 1,1 1,6
3 0,59 0,06 17,0 16,9 16,6 16,2 12,6 12,4 12,2 11,2 2,2 2,6 2,9 3,2
4 0,29 0,03 18,0 17,5 17,2 17,0 11,8 11,6 11,5 11,1 1,0 1,2 1,4 1,7
5 ,49 0,04 6,1 15,8 15,5 5,3 10,5 9,6 9,5 8,7 1,9 2,2 2,4 2,7
6 0,52 0,06 19,4 18,9 18,6 18,3 18,9 18,3 17,4 17,2 0,4 0,8 1,0 1,3
7 0,45 0,08 27,9 27,2 26,9 26,4 16,9 16,2 16,1 15,9 1,1 1,4 1,7 1,9
8 0,28 0,05 24,7 24,5 24,3 23,9 20,1 19,3 18,9 18,7 2,0 2,7 3,0 3,5
9 0,46 0,08 22,1 21,9 21,6 21,4 11,4 11,1 10,2 10,1 0,7 0,9 1,2 1,6
10 0,45 0,06 23,7 23,5 23,2 23,0 12,1 11,7 11,1 10,9 1,1 1,5 1,6 1,9

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

   
   
                                                                                            Стр  
Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3  
Указания по разделам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4  
Общие сведения об атмосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.  
Основы статики атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9  
Лучистая энергия в атмосфере . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12  
Основы термодинамики атмосферы . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15 Тепловой режим поверхности Земли и атмосферы……….25  
Контрольная работа № 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …31 Контрольная работа №2…………………………………….35  

 

Учебное издание

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ по дисциплине "ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ, ОКЕАНА И ВОД  СУШИ" Раздел "Физика атмосферы" Составители: Елена Георгиевна Головина               Вячеслав Иванович Ковалев

 

 


Редактор И. Г Максимова

Корректор ……………….

 

ЛР № 203209 от 30.12.99.

 

 


Подписано в печать …      Формат бумаги ……Бумага кн.-жур.           Печать офсетная.

Печ. л. ……..                Уч.-изд. л. ……….. Тираж ……..                Зак. ………..

 

195196, СПб, Малоохтинский пр. 98. РГГМУ.

Отпечатано ………….

 


Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 2503; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:






Мы поможем в написании ваших работ!