Диаграмма i d влажного воздуха: I-d диаграмма Рамзина влажного воздуха

Когда ненасыщенный воздух соприкасается с поверхностью тонкой пленки воды, то происходит тепломассообмен, т. е. будет переноситься тепло и влага в направлении более низкого потенциала. Если температура ненасыщенного воздуха окажется выше температуры воды, а температура воды – выше температуры точки росы, то перенос тепла будет происходить от воздуха к поверхности воды, а перенос влаги – от поверхности воды в воздух. Температура воздуха будет понижаться, а отдаваемое тепло будет затрачиваться на испарение влаги. Испарившаяся влага поступит в воздух, увеличив его влагосодержание и парциальное давление водяных паров. Поступающие в воздух водяные пары за счет своей энтальпии восстанавливают энтальпию воздуха примерно до начальной величины, поскольку отданное воде явное тепло возвращается обратно в воздух в скрытом виде (энтальпия пара).

I₁ = 1,005 t₁ + 2500 d₁ *10^-3+ 1,8068 t₁ d₁ *10^-3, (2.12)

а в конечном насыщенном состоянии (при  = 100%)

I₂ = 1,005 t_м + 2500 d_н*10^-3+ 1,8068 t_м d_н *10^-3 = I₁ + (d_н -d₁) t_м c*10^-3. (2.13)

Первое и второе слагаемые характеризуют переход явного тепла в скрытое, а третье слагаемое изменяется незначительно, т. к. с уменьшением температуры одновременно увеличивается влагосодержание.

Температура, которую принимает насыщенная воздушно-паровая смесь в процессе испарения при условии сохранения постоянной энтальпии воздуха, равной начальному, называется температурой мокрого термометра.

Идеальный адиабатический процесс возможен только при t_м

Связь между температурой сухого и мокрого термометров можно установить следующим образом. Количество тепла, которое необходимо для испарения влаги в количестве dx кг/кг сух. возд., будет равно:

dq = (r_м + c_п (t_с – t_м)) dx, (2. 14)

где r_м – теплота испарения при температуре мокрого термометра;

c_п – теплоемкость водяного пара.

Это тепло получено при адиабатическом процессе испарения из окружающего воздуха, т. е.

dq = с_см dt

где c_в – теплоемкость сухого воздуха;

х – влагосодержание воздуха.

Тогда

(r_м + c_п (t_с – t_м)) dx = – (c_в + c_п x) dt. (2.16)

Интегрируя обе части равенства по х и t в пределах от х до х_м и от t_с до t_м, получим:

где х_м – влагосодержание насыщенного воздуха при температуре мокрого термометра.

Таким образом, температура мокрого термометра является функцией температуры воздуха и его влагосодержания. Эта формула показывает, что при полном насыщении воздуха, когда х = х_м температура его t_с = t_м.

Значения величины t_м для этих линий определяют по шкале температур сухого термометра, в точке пересечения линии t_м = const с линией  = =100 %.

В нижней свободной части диаграммы нанесена линия зависимости Р_п=f(d), позволяющая определять парциальное давление водяных паров.

Используя диаграмму, можно выполнять следующие определения:

– по заданному на диаграмме положению точки состояния влажного воздуха определять все параметры состояния;

– по заданным двум любым параметрам состояния определить положение на диаграмме точки, определяющей состояние влажного воздуха и значения недостающих параметров;

– по заданным условиям построить и рассчитать любой процесс с влажным воздухом.

Темы для самостоятельной проработки:

– определение влажности воздуха;

– психрометрическая диаграмма.

Вопросы и задания для самоконтроля по теме 2

Дискуссия о влажности

Louisville, KY

Служба прогнозов погоды

Вода – это уникальное вещество. Он может быть жидким, твердым (лед) и газообразным (водяной пар). Основным способом увеличения количества водяного пара в атмосфере является испарение. Жидкая вода испаряется из океанов, озер, рек, растений, земли и выпавшего дождя. В воздухе может присутствовать много или мало водяного пара. Затем ветры в атмосфере переносят водяной пар из одного места в другое. Основным источником водяного пара в Кентукки является Мексиканский залив. Большая часть водяного пара в атмосфере содержится в пределах первых 10 000 футов или около того над поверхностью земли. Водяной пар также называют влагой.

Абсолютная влажность (выраженная в граммах водяного пара на кубический метр объема воздуха) является мерой фактического количества водяного пара (влажности) в воздухе, независимо от температуры воздуха. Чем выше количество водяного пара, тем выше абсолютная влажность. Например, максимум около 30 граммов водяного пара может находиться в кубическом метре объема воздуха с температурой в середине 80-х. УДЕЛЬНАЯ ВЛАЖНОСТЬ относится к весу (количеству) водяного пара, содержащемуся в единице веса (количества) воздуха (выражается в граммах водяного пара на килограмм воздуха). Абсолютная и удельная влажность очень похожи по своему понятию.

Относительная влажность (RH) (выраженная в процентах) также измеряет водяной пар, но ОТНОСИТЕЛЬНАЯ к температуре воздуха. Другими словами, это мера фактического количества водяного пара в воздухе по сравнению с общим количеством пара, которое может существовать в воздухе при его текущей температуре. Теплый воздух может содержать больше водяного пара (влажности), чем холодный воздух, поэтому при одинаковой абсолютной/удельной влажности воздух будет иметь ВЫСОКУЮ относительную влажность, если воздух холоднее, и НИЗКУЮ относительную влажность, если воздух теплее. То, что мы «чувствуем» снаружи, — это фактическое количество влаги (абсолютная влажность) в воздухе.

Метеорологи обычно используют температуру «точки росы» (вместо, но аналогично абсолютной влажности) для оценки влажности, особенно весной и летом. Температура точки росы, которая обеспечивает меру фактического количества водяного пара в воздухе, представляет собой температуру, до которой воздух должен быть охлажден, чтобы он стал насыщенным. Хотя погодные условия воздействуют на людей по-разному, в целом весной и летом температуры точки росы у поверхности 50°С обычно комфортны для большинства людей, 60°С несколько некомфортны (влажно), а 70°С довольно некомфортны (очень влажно). В долине Огайо (включая Кентукки) обычные точки росы летом колеблются от середины 60-х до середины 70-х годов. Были зарегистрированы точки росы до 80 или ниже 80, что очень угнетающе, но, к счастью, относительно редко. В то время как точка росы дает быстрое представление о содержании влаги в воздухе, относительная влажность этого не дает, поскольку влажность зависит от температуры воздуха. Другими словами, относительную влажность нельзя определить, зная только точку росы, необходимо знать и фактическую температуру воздуха. Если воздух полностью насыщен на определенном уровне (например, на поверхности), то температура точки росы совпадает с фактической температурой воздуха, а относительная влажность составляет 100 процентов.

Если относительная влажность составляет 100 процентов (т. Это просто означает, что максимальное количество влаги находится в воздухе при определенной температуре воздуха. Насыщение может привести к туману (на поверхности) и облакам наверху (которые состоят из крошечных капель воды, взвешенных в воздухе). Однако для образования осадков воздух должен подниматься с достаточной скоростью, чтобы усилить конденсацию водяного пара в жидкие капли воды или кристаллы льда (в зависимости от температуры воздуха) и способствовать росту водяных капель, переохлажденных капель и/или льда. кристаллы в облаках. Капли растут в результате процесса, называемого «столкновение-слияние», при котором капли разного размера сталкиваются и сливаются (сливаются). Процессы кристаллизации льда (включая осаждение и агрегацию) также важны для роста частиц. Во время гроз также может образовываться град. Как только взвешенные частицы осадков вырастают до достаточного размера, воздух больше не может выдерживать их вес, и осадки выпадают из облаков. Во влажном климате грозы часто вызывают более сильные дожди, чем обычные зимние осадки, поскольку содержание влаги в воздухе обычно выше весной и летом и поскольку воздух обычно поднимается гораздо быстрее во время развивающихся гроз, чем в обычных зимних системах. «Микрофизика облаков» – это изучение образования и роста капель и кристаллов льда в облаках и их связи с осадками.

Метеорологов интересует не только точка росы или абсолютная влажность на поверхности, но и наверху. Осаждаемая вода (PW) — это мера общего количества водяного пара, содержащегося в небольшом вертикальном столбе, простирающемся от поверхности до верхних слоев атмосферы. Однако, как упоминалось выше, большая часть влаги в атмосфере содержится примерно в пределах самых нижних 10 000 футов. Весной и летом к востоку от Скалистых гор (включая Кентукки) осадки воды составляют около 1 дюйма или выше. Значения в 2 дюйма летом указывают на очень высокое содержание влаги в атмосфере, характерное для тропических воздушных масс. В целом, чем выше PW, тем выше вероятность очень сильных дождей от гроз, если они разовьются. Однако другим очень важным соображением является не только количество влаги в окружающей среде в конкретном месте, но также количество адвекции и конвергенции влаги, которые обеспечивают дополнительную влажность в этой области. Если эти дополнительные факторы значительны, они помогают объяснить, почему общее количество осадков от гроз может превышать фактические значения PW для воздуха, в котором происходят грозы. Движение грозы, называемое распространением, также очень важно для определения фактического количества осадков в любом месте. Чем медленнее движение грозы, тем выше вероятность осадков в одном районе.

Эти примеры показывают, как относительная влажность может вводить в заблуждение. В целом, при условии, что точка росы или абсолютная влажность не меняются, относительная влажность будет самой высокой ранним утром, когда температура воздуха самая низкая, и самой низкой во второй половине дня, когда температура воздуха самая высокая .

Хотя точка росы является более точным показателем содержания влаги, именно относительная влажность обычно используется для определения того, насколько жарко и влажно мы ощущаем себя весной и летом на основе комбинированное воздействие температуры и влажности воздуха. Этот комбинированный эффект называется «тепловым индексом». Чем выше температура воздуха и/или выше относительная влажность, тем выше индекс тепла и тем жарче ощущается наше тело снаружи.

Зимой есть еще один индекс, который мы используем, чтобы определить, насколько холодны наши тела, когда мы находимся на улице. Это называется «Индекс охлаждения ветром» (также известный как «Фактор охлаждения ветром»). Этот индекс сочетает в себе влияние температуры воздуха и скорости ветра. Когда на улице холодно и дует ветер, ветер уносит тепло от наших тел быстрее, чем если бы ветер не дул. От этого нам становится холоднее. Следовательно, чем сильнее ветер зимой, тем холоднее он ощущается нами и тем ниже индекс охлаждения ветром.

Высокая влажность/точка росы летом и холодный ветер зимой важны, потому что они влияют на то, как наше тело «чувствует», когда мы находимся на улице. Если индекс жары очень высок или индекс холода ветром очень низок, то мы должны принять меры безопасности, чтобы защитить наш организм от возможных воздействий погоды, включая тепловое истощение, солнечный удар и тепловой удар летом, обморожение летом. зима.

Назад к учебным материалам

Фронты и воздушные массы – атмосферные процессы и явления

Перейти к содержимому

Элисон Ньюджент и Синтаро Рассел

Цели обучения

К концу этой главы вы должны уметь:

1. Описывать, что такое «воздушная масса» и как она формируется
2. Назовите некоторые основные типы воздушных масс
3. Начертите схему теплого и холодного фронтов в вертикальном разрезе
4. Распознавание символов теплого, холодного фронта и фронта окклюзии
5. Обсудите типы облачности, связанные с теплыми и холодными фронтами
6. Объясните, какое значение для погоды имеют различия в температуре (теплые или холодные фронты) или различия во влажности (сухие линии)

Мы уже узнали, что области низкого и высокого давления можно определить по изобарам на карте погоды. Мы также узнали, что в некоторых регионах Земли давление обычно низкое, а в других — высокое. В этой главе мы узнаем, что некоторые области атмосферы имеют сходные свойства воздуха и называются по этим свойствам коллективной массой воздуха или «воздушной массой». Особенно распространенными воздушными массами являются системы высокого давления.

Воздушная масса – обширная воздушная масса, имеющая в целом сходные характеристики температуры и влажности. Они могут простираться на тысячи квадратных километров. Воздушные массы идентифицируются на основе их характеристик температуры и влажности, а также их географического региона происхождения. Например, если воздушная масса сухая и теплая и возникла в тропическом регионе над континентом, ее можно назвать континентальной тропической (cT) воздушной массой. Если воздушная масса влажная и холодная и возникла над океаном в высоких широтах, ее называют морской полярной (мП) воздушной массой. Название воздушной массы всегда начинается со строчной буквы, обозначающей континентальный (с) или морской (м), и второй заглавной буквы, обозначающей экваториальный (Е), тропический (Т), полярный (П), арктический (А), или Антарктика (АА).

Морские воздушные массы – это влажные воздушные массы, поступающие из океанов или крупных водоемов. Континентальные воздушные массы – это сухие воздушные массы, образующиеся с суши. Экваториальные воздушные массы – теплые влажные воздушные массы, исходящие из экваториальной области. Тропические воздушные массы – это теплые воздушные массы, происходящие из более низких широт. Полярные воздушные массы – это холодные воздушные массы, приходящие из верхних широт. Арктические воздушные массы состоят из чрезвычайно холодного воздуха, пришедшего с полюсов. Арктические воздушные массы еще холоднее и суше, чем полярные воздушные массы, а антарктические воздушные массы еще более экстремальны, чем арктические воздушные массы.

Распространенными типами воздушных масс являются морские тропические (mT), морские полярные (mP), континентальные полярные (cP), континентальные тропические (cT) и континентальные арктические (cA).

• Морские тропические (mT) воздушные массы — это теплые влажные воздушные массы, происходящие из океанов в тропиках.
• Морские полярные (мП) воздушные массы — это холодные влажные воздушные массы, исходящие из океанов в полярных широтах.
• Континентальные полярные (cP) воздушные массы — это холодные, сухие воздушные массы, исходящие из регионов суши в полярных широтах.
• Континентально-тропические (cT) воздушные массы — это горячие сухие воздушные массы, исходящие с суши в тропиках.
• Континентальные арктические (ЦА) воздушные массы представляют собой холодные сухие воздушные массы, исходящие с Северного полюса.
• Континентальные антарктические (САА) воздушные массы представляют собой чрезвычайно холодные и сухие воздушные массы, исходящие с суши на Южном полюсе.

На изображении ниже показано, откуда обычно берут начало эти различные типы воздушных масс.

Создание воздушных масс

Воздушные массы образуются, когда воздух присутствует над поверхностью в течение длительного периода времени . Обычно это происходит в системе высокого давления при слабом ветре. Области, в которых развиваются воздушные массы, называются областями-источниками. Воздушные массы над теплыми поверхностями обычно развиваются быстрее, чем над более холодными поверхностями, потому что в устойчивом воздухе над холодной поверхностью турбулентность слабее. Когда воздушные массы смещаются из своих исходных регионов, они со временем меняются из-за поверхностей и местности, по которым текут воздушные массы.

Движение воздушных масс

Воздушные массы не остаются над регионами своего происхождения постоянно. Незначительные изменения погодных условий могут привести к перемещению воздушной массы в новое место. При движении воздушных масс могут происходить две вещи. Во-первых, когда воздух перемещается по различным характеристикам поверхности, начинает меняться воздушная масса. Этот процесс называется модификацией воздушной массы . Например, воздушная масса mP, которая перемещается из Тихого океана над горами на западе континентальной части США, обычно высыхает по мере того, как она пересекает горы, извергает влагу и нагревается над поверхностью земли, пока не станет воздушной массой cT. Во-вторых, когда воздушные массы движутся, они могут столкнуться с другими воздушными массами. Когда происходит столкновение, две воздушные массы образуют границу, называемую перед .

Поверхностные фронты – это границы или переходные зоны между воздушными массами у поверхности Земли. На фронтах часто наблюдаются изменения температуры, влажности, ветра, давления, видимости, а также особенности характера облачности и осадков. Существует четыре основных типа фасадов.

1. Холодные фасады
2. Теплые фасады
3. Окклюзионные фронты
4. Стационарные фасады

Фронты названы в зависимости от характеристик воздушной массы, которая заменяет предыдущую воздушную массу. Например, если холодная воздушная масса движется навстречу теплой воздушной массе, границу между ними будем называть холодным фронтом, потому что холодный воздух эффективно заменяет теплый воздух с точки зрения неподвижной точки на поверхности Земли.

Фронты обычно связаны с системами низкого давления. Границы фронта на карте отмечены в месте, где температурный градиент фронта встречается с поверхностью Земли.

Холодные фронты

Холодные фронты – это переходная зона, в которой наступающие холодные воздушные массы сменяют отступающие более теплые воздушные массы. На картах погоды холодные фронты изображаются синими линиями с синими треугольниками, указывающими на более теплую воздушную массу в направлении фронтального движения, как показано на изображении выше.

Поскольку теплый воздух имеет меньшую плотность, чем более холодный, холодный воздух остается внизу, а теплый воздух вынужден подниматься над наступающим холодным воздухом. Этот принудительный подъем приводит к типичному облачному покрову перед холодным фронтом, который включает перистые и перисто-слоистые облака. Количество кучевых облаков в теплой воздушной массе увеличивается по мере приближения к фронтальной границе. Поскольку теплая воздушная масса вынуждена подниматься, атмосферная нестабильность возникает вдоль холодного фронта и приводит к возвышающимся кучевым и кучево-дождевым облакам, которые могут вызывать проливные дожди и грозы вдоль фронтальной границы. При прохождении холодного фронта направление ветра обычно смещается с южного или юго-западного (в теплом секторе) на западное или северо-западное (в холодном секторе) в северном полушарии. После прохождения холодного фронта возвращается ясная погода с появлением кучевых и слоисто-кучевых облаков.

Теплые фасады

Теплый фронт – это переходная зона, в которой наступающие теплые воздушные массы сменяют отступающие более холодные воздушные массы. На картах погоды теплые фронты изображаются красными линиями с красными полукругами, указывающими на более холодную воздушную массу в направлении движения фронта.

Наступающий теплый воздух вынужден подниматься над отступающим холодным плотным воздухом. Опять же, из-за этого принудительного подъема перед теплым фронтом часто встречаются типичные облачные узоры. К ним относятся облака верхнего яруса, такие как перистые и перисто-слоистые облака до того, как облака сгустятся, и облака нижнего яруса, такие как высокослоистые, слоисто-дождевые и туман вблизи фронтальной границы. Поскольку воздушная масса поднимается вдоль теплого фронта, образуются облака и могут выпадать устойчивые осадки. При прохождении теплого фронта направление ветра меняется с восточного или юго-восточного (в холодном секторе) на юго-западное (в теплом секторе) в северном полушарии. После прохождения теплого фронта облачность и осадки уменьшаются, остаются лишь рассеянные кучевые облака.

Окклюзионные фронты

Фронт окклюзии — это фронтальная граница, которая образуется, когда холодный фронт догоняет теплый фронт. Холодные фронты движутся быстрее теплых, поэтому иногда холодные фронты могут догонять теплые фронты, но не наоборот.

Существует два типа окклюзии: холодная окклюзия и теплая окклюзия. Холодные окклюзии (показаны выше) возникают, когда наступающие воздушные массы холоднее отступающих. Теплые окклюзии возникают, когда наступающие воздушные массы теплее отступающих. На картах погоды фронты окклюзии изображаются фиолетовыми линиями с фиолетовыми треугольниками и фиолетовыми полукружиями. Вы заметите, что этот символ представляет собой комбинацию символов холодного фронта и теплого фронта, что неудивительно, поскольку фронт окклюзии фактически представляет собой комбинацию этих двух.

Фронты окклюзии являются последней стадией фронтальной границы, потому что теплый воздух над холодным воздухом является стабильным сценарием.

Стационарные фасады

Стационарные фронты – это тип фронтальной системы, которая почти неподвижна, а ветры дуют почти параллельно и с противоположных направлений с каждой стороны, разделенной фронтом. На картах погоды стационарные фронты изображаются чередующимися синими и красными линиями, где синие треугольники указывают на более теплую воздушную массу, а красные полукруги указывают на более холодную воздушную массу. Это единственный сценарий, в котором направление символов не указывает направление движения.