大气热力学

1. 1. 大气稳定度

大气稳定度又称为大气层结稳定度(贺德馨,2006)。大气层结指的是大气温度和湿度在垂直方向上的分布，对大气中污染物的扩散起着重要的作用。在静止大气中，假定气团受到垂直方向的扰动后，有一个向上的微小位移，如果大气层结使其具有返回初始平衡位置的趋势，则称这种大气层结是稳定的；如气团受扰动后，大气层结使其具有远离初始平衡位置的趋势，则称这种大气层结是不稳定的；如气团扰动后，大气层结既不能使其远离，又不能使其返回初始平衡位置，则称这种大气层结是中性的。 

大气稳定度可采用比较受扰气团与周围空气温度方法来判别。定义空气温度递减率为：

  气团的绝热递减率为：

  式中，是恒压下空气的比热容，是重力加速度。

当气团做绝热垂直运动时，如，则大气是稳定的；如，则大气是不稳定的；如，则大气是中性的，如图1.2所示。

上述判别准则是在假设气团在垂直方向的运动过程绝热，且气团周围的空气是静止的条件下得到的。而实际情况下，气团的垂直运动过程是非绝热的，另外气团周围空气也会伴随气团的垂直运动而运动。

我们通常采用帕斯圭尔（Pasquill）稳定度分类法（Pasquill，1974）。根据地面风速和太阳辐射的大小，将大气稳定度划分为A（极不稳定）、B（不稳定）、C（弱不稳定）、D（中性）、E（弱稳定）、F（稳定）等级别，如表1.1所示，当风速越大或云量越多时，在白天和夜间都是中性的；当风速越小或云量越小时，在白天大气是不稳定的，在夜间大气是稳定的，而在中间有个过渡时间，大气是中性的。在大气边界层内，空气的垂直运动和大气湍流都会对大气稳定度产生影响。

1.  稳定度登记表

地面风速（）	白天日照			阴云密布白天或夜晚	夜间云量
	强	中等	弱		薄云遮天或低云	云量
	A	A-B	B	D	-	-
	A-B	B	C	D	E	F
	B	B-C	C	D	D	E
	C	C-D	D	D	D	D
	C	D	D	D	D	D
注：（1）A-极不稳定；B-不稳定；C-弱不稳定；D-中性；E-弱稳定；F-稳定 （2）A-B表示按A，B数据内插

1. 1. 1.  输入辐射

所有的大气现象都源于太阳辐射。它包含从大约0.29μm到3μm（红外线，可见光，紫外线）的高频短波输入辐射。如图1.3（a）所示，28%的太阳辐射被地球和大气的直接反射和扩散反射回到太空中（行星反照率），3%被平流层的臭氧吸收，22%被对流层的水蒸气（17%）和云（5%）吸收，47%到达地球表面，其中22%是太阳的直接辐射，25%是大气扩散和云辐射的结果。 

1. 1. 1.  输出辐射

在太阳辐射的影响下，地球和大气会产生从大约4μm到100μm的低频长波输出辐射。准确来说，如图1.3（b）所示，地球表面会产生114%的辐射，其中96%被对流层的水蒸气和碳酸酐反射回来。此外，风有助于降低地面的显热（随着潮湿空气的温度变化而吸收或放出的热量）。最后，由于水蒸气的凝结，潜热（与潮湿空气中的水蒸气浓度的变化有关的热量）会进入到大气中。 

地球和大气对太阳能的反射作用保证了系统的平衡。换句话来说，太阳将高频光射线发射到地球，而地球返给太空低频的热辐射。在很大程度上，大气能使太阳短波辐射到达地面，但地表向外放出的长波热辐射线却被大气吸收，这样就使得地表与低层大气温度增高，这就是所谓的温室效应（Greenhouse effect）。