第五章 大气静力稳定度

1、1,大气层结稳定度,大气中的对流，时强时弱，持续时间长短不一，这是什么原因呢,据研究，这和大气层结稳定度有密切的关系,2,5.1,大气静力稳定度的判定法（气块法,5.2,条件性不稳定,5.3,地整层气层升降时稳定度的变化,5.4,逆温层,3,大气层结：大气温度和湿度的垂直分布,处于静力平衡状态的大气中，一些空气团块受到动,力因子或热力因子的扰动，就会产生向上或向下的,垂直运动,这种偏离其平衡位置的垂直运动能否继续发展，是,由大气层结即大气温度和湿度的垂直分布所决定的,层结大气所具有的这种影响垂直运动的特性称为,大,气的静力稳定度,也称,层结稳定度,4,判断静力稳定度通常采用“气块法,运用气块模

2、型，令气块离开平衡位置作微小的虚拟,位移，如果气块有回到原平衡位置的趋势，则这种,大气层结是,稳定的,如果气块既不远离平衡位置也无返回原平衡位置的,趋势，而是随遇平衡，就是,中性的,如果气块到达新位置后有继续移动的趋势，则此气,层的大气层结是,不稳定的,它表明稍有扰动就会导,致垂直运动的发展,5,气块在受扰后,有一铅直虚位移，若,气块到达新位置后有,返回原来位置的趋势,则为稳定气层,6,气块在受扰后，有一,铅直位移，若气块到达新,位置后既无离开又无返回,原来位置的趋势，则为中,性气层；（随遇平衡,7,气块在受扰后，有一铅直,虚位移，若气块到达新位置,后有离开原来位置的趋势,则为不稳定气层,8,

3、9,大气稳定度是表示大气层结对气块能否产生对流,的一种潜在能力的量度。必须注意，它并不是表示气,层中已经存在的铅直运动，而是用来描述大气层结对,于气块在受外力扰动而产生垂直运动时，会起什么影,响,加速、减速或等速,这种影响只有当气块受到外,界扰动后，才能表现出来,10,1,静力稳定度是气块与气层互为作用的综合,结论,2,静力稳定度仅指气块处在该气层中，铅直,运动发展的趋势与可能,3,稳定气层中可以有对流运动，但不利于对,流发展；不稳定气层中若无扰动，亦不可,能发展对流，但利于对流发展,11,大气的垂直运动产生，主要决定于两个原因,一个是动,力原因，一个是热力原因,动力原因,飞机飞过，高山阻档,

4、槽前和槽后等,热力原因,由于地表面局部受热不均匀，使得近地面层的空气温,度在水平方向上分布不均，温度较高的空气就因密度较小,而上升，周围较冷空气因密度较大而下沉补尝,12,d,d,e,w,g,t,d,d,e,w,g,B,t,B,为净的阿基米德浮力,气块的稳定与否取决于,B,单位体积气块气块,在垂直方向上的受力,单位体积气块垂直,运动方程,13,常用气块内外虚温差来讨论静力稳定度,根据准静力条件和状态方程,1,当,时，则,说明若气块比周围空气,暖时，可获得向上的加速度,2,当,时，则,说明若气块比周围空气,冷时，将获得向下的加速度,3,若,时,说明气块与周围空气无温,差时，气块的垂直加速度为零,

5、ve,e,d,d,T,T,T,g,t,w,e,T,T,d,0,d,w,t,e,T,T,d,0,d,w,t,e,T,T,d,0,d,w,t,14,令,和,分别表示气块和环境大气的垂直减温率。当,气块从平衡位置作一微小位移,d,z,后，其温度,T,就变,成,则气块加速度,z,T,T,d,0,z,T,T,d,0,e,z,T,g,t,w,d,d,d,e,15,讨论,1,若,气块的加速度总是和,d,z,的符号一,致，有加速离开原平衡位置的倾向，则大气层结是,不稳定层结,z,T,g,t,w,d,d,d,e,16,讨论,若,加速度与,d,z,的符号总是相反,气块,有回到原平衡位置的趋势，垂直运动受到限,制而

6、削弱，这种气层是稳定的,若,垂直运动既不发展也不衰减，大气,层结是中性的,z,T,g,t,w,d,d,d,e,17,归纳如下,这只是一般结论，大气分为未饱和饱和两种情况,因此，应该进一步讨论,稳定,中性,不稳定,18,未饱和气块，垂直位移时按干绝热变化，垂直减,温率,d,1,d,不稳定,2,d,中性,3,d,稳定,19,d,P,d,T,T,P,T,d,不稳定大气,稳定大气,中性大气,20,现举例说明：设有,A,B,C,三团空气，均未饱和，其位置都在,离地,200m,的高度上，在作升降运动时其温度均按,干绝热直减率,变化，即1/100m,而周围空气的温度直减率分别为,0.8/100m、1/100

7、m 和1.2/100m，则可以有三种不同的,稳定度（图,2,25,21,饱和气块，垂直上升时按假绝热变化，垂直减温,率,s,1,s,不稳定,2,s,中性,3,s,稳定,22,并且有,s,d,因此,和,d,s,有如下三种可,能,1,d,绝对不稳定,2,d,s,条件性不稳定,3,s,绝对稳定,23,24,图上干绝热线,d,和假绝热线,s,又是等位,温线和假相当位温线，因此也有如下判据,ln,T,p,0,z,0,z,及,0,se,z,0,se,z,绝对不稳定,条件性不稳定,绝对稳定,25,26,讨论条件性不稳定厚气层或自地面以上对流层整层,大气是否稳定时，由于大气温度的垂直分布很复杂,值不是常数，虽

8、可分别判断不同高度气层的稳定,度，却难以判断整个气层的稳定度状况,可以用大气不稳的能量来判断整层大气的稳定状况,27,设有条件性不稳定厚气层,在气层的底部任取一空,气块,气块上升的加速度应是,考虑净浮力做功以及气块动能变化,ve,ve,v,d,d,T,T,T,g,B,t,w,单位质量,空气净浮力,z,T,T,T,g,z,t,w,d,d,d,d,ve,ve,v,28,利用,d,z=w,d,t,由,z,0,到,z,积分,右边：净浮力将单位质量空气从,z,0,移到,z,所作的功,左边：转化成气块的动能增量，以,E,k,表示,若气块温度高于环境温度，则净浮力为正，气块,的垂直运动动能不断增加；反之，净

9、浮力为负,气块的动能将减小,由于气块上升时的温度变化是确定的，因此浮力,的正负取决于厚气层的温度层结,z,z,z,T,T,T,g,E,w,w,0,d,2,1,2,1,ve,ve,v,k,2,0,2,29,气块在垂直运动中动能的增量,E,k,可以认为是由,气层中所储存的一部分能量转化而来，这部分可以,转化的能量一般称为气层的不稳定能量，它的大小,和正负是大气层结是否稳定的标志,E,k,的大小应该用净浮力对单位质量空气所作功衡,量，但环境大气温度,T,ve,和饱和气块的温度,T,v,都是,高度的复杂函数，所以常采用图解法,30,利用静力学公式及状态方程,p,p,d,p,p,d,p,p,d,p,p,

10、e,d,e,z,z,P,P,d,R,T,T,p,d,R,T,T,p,p,R,T,T,g,p,p,R,T,T,g,z,T,T,T,g,E,0,0,0,0,0,ln,ln,d,d,d,00,ve,v,ve,v,ve,v,ve,v,ve,ve,v,k,本质代表图上的面积，所,以这个面积大小与不稳定,能量多少成正比。,T,v,T,ve,0,气块受到正,浮力,有正不稳定能量,以,A,表示,反之,以负,面积,A,表示,31,E,k,0,气层对气块具有正的不稳定能量，有利,于受扰动气块的加速运动，因而气层是不稳定的,当,E,k,0,气层对气块具有负的不稳定能量，对,受扰动气块的垂直运动具有抑制作用，气层是稳

11、定,的,当,E,k,0,气层对气块的垂直运动既不有利也不,抑制，气层属于中性层结,32,绝对稳定型,气块温度总小于气层温度（气层中,储存负不稳定能量，在,T-lnP,图上用,表示,v,v,T,T,特点：在这种气层中，其底部扰动,不论强弱，气层对受扰气块起抑制作用,不利于受扰气块的上升运动得到发展,33,T,ln(P,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,34,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,35,气块温度总大于气层温度（气层中储,存正不稳定能量，在,T-lnP,图上用,表

12、,示,特点：在这种气层中，其底部只要受,到微小的扰动，该气层就会释放不稳定能,量，转化为气块上升的动能，使受扰气块,的上升运动得到发展,v,v,T,T,36,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,37,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,38,越大，气层越不稳定，越小越稳定；当,值很小,甚至为负值（逆温层）时，对流或垂直运动难以发,展，气层成为阻挡层,lnP,T,P1,P2,39,状态曲线与层结曲线在起始高,度以上出现几个交点，气层既,有正不稳定能量，又有负不稳

13、,定能量。如,B,点以下为负不稳定,能量，气块必须靠外力才能抬,升，当气块越过,B,点，就可以从,大气中获得正不稳定能量而自,由上升，因此称,B,点为,自由对流,高度,状态曲线与层结曲线的第二个交,点称为,平衡高度,在这个高度,上气块上升加速度为零，速度,达到最大，越过这个点过后,气块进入负不稳定能量区开始,减速,自由对流高度,平衡高度,B,40,真潜不稳定型,v,T,特点：在这种气层中，其底部只要受,到较强的扰动，迫使气块移到自由对流高,度,B,以上，气块的上升运动得到发展，其,称为真潜不稳定型,41,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p

14、,4,T,4,H,c,B,E,自由对流高,度,平衡高度,对流抑制,能量,CIN,对流有效位,能,CAPE,42,43,特点,自由对流高度,B,以上的正不稳定能,量面积小于负不稳定能量面积，自由,对流高度,B,较高度，气块受到扰动难以,超过这个高度，下部不稳定能量抑制,气块的发展,如图,5,44,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,H,c,B,E,自由对流高度,平衡高度,45,46,在相同的温度层结下，若上升气块的初始湿度较大，则凝结,高度和自由对流高度就较低，在气层,po,p1,之间容易形成,真潜不稳定,若上升气块湿度较小，凝

15、结高度和自由对流高度就较高，容,易出现假潜不稳定,如空气湿度太小，凝结高度更高，气块的状态曲线将会全部,位于层结曲线左侧，形成绝对稳定型,可见，低层湿度越大，越有利于对流的发展,47,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,p,1,T,1,p,2,T,2,p,3,T,3,p,4,T,4,H,c,B,E,自由对流高度,平衡高度,湿度影响：空气湿度越大，气层不稳定能量,面积越大，越有利于对流发展,48,动力对流,由动力原因（气流的水平辐合、山地,锋面对气流的强迫抬升等）引起的对流,特征,动力对流云底,H,C,云顶,E,发展动力对流的条件：动力抬升到自由对,流高度,C,如图,8,49,T,ln(P,

16、00,p,p,0,T,0,p,1,p,2,p,3,p,4,H,c,B,E,自由对流高度,平衡高度,q,0,T,d0,50,由热力原因（地表局部升温）造成的对,流,热力对流分析,假定,08,00,的温度层结与地面气,块上升的状态曲线,如图,9,51,假定从,08,00,到午后，地面,q,不变,当地面增温，由,T,Tg,Tmax,当温,度升高到,Tg,时，图中下部负不稳定能量全,部消失，稍有扰动，即可形成对流,52,T,ln(p,00,p,p,0,T,0,T,1,P(H,P,E,H,c,B,E,自由对流高度,平衡高度,T,d0,q,0,seH,0,1,H,P(H,c,T,g,E,P,E,se0,图

17、,9,热力对流的预报分析,53,热雷雨是指气团内因下垫面（森林、沙地、湖泊等,受热不均匀，由热力抬升作用形成的雷雨,多发生在夏季午后，一般时间较短，强度不大，但,有时也能产生大风、雷暴等激烈的天气现象,54,55,自由对流高度,56,曲线,T,0,EFGH,是夏季早晨探空曲线的一种典型形式,近地面气层有逆温,EFG,段是条件性不稳定。日,出之后，地面很快增温并通过湍流输送加热空气,使贴近地面的气层变得超绝热。这个干绝热气层,不断向上扩展,同时，湍流混合作用还使大气低层的湿度趋近于,平均比湿,当地面温度上升到,T,r,时，干绝热曲线与等饱和比,湿线相交于,C,点（饱和凝结），标志着地面空气,能自

18、由上升到,C,点凝结，并继续沿湿绝热线上升,所以,C,点就是对流凝结高度,CCL,57,CCL,被看成是热力对流产生的积云（对流云）的云,底高度，积云在,CCL,以上的正面积区得到发展，正,面积,A,越大，发展越旺盛,过,D,点以后垂直气流减速，至正负面积相等的高度,N,点）垂直气流速度降为零，积云停止发展,N,点的高度称为对流上限或等面积高度,即是理论上,的积云云顶高度,58,用,图做局地热雷雨预报,1,根据当日清晨的大气层结曲线确定对流凝结高度,CCL,2,从对流凝结高度沿干绝热线下延至地面，以确定,当天可能发生热对流的下限温度,T,r,3,预测当天温度是否能达到,T,r,一般认为，如果几

19、天来天气条件没有太大变化，且前几,天地面最高气温接近或超过,T,r,那么当天气温就可能达,到或超过,T,r,产生热雷雨的可能性就比较大,ln,T,p,59,观测表明，对流云内的温,度递减率一般都大于湿绝,热减温率而与云外温度递,减率接近；云内含水量也,比按绝热过程计算的小,1/21/3,云顶高度则比,计算的低。这说明对流云,的发展不是孤立的，云内,外空气有强烈的混合，云,外空气进入云内的过程通,常称为挟卷过程,60,夹卷过程包括,湍流挟卷,通过云顶和侧边界，云内外进行热量,动量、水分和质量的湍流交换,动力挟卷,由,于云内气流的加速上升，根据质量连续性的要求,四周空气必然会流入云中进行补偿,在淡

20、积云和中积云的下部，动力挟卷和湍流挟卷强,度相当，云的中上部以湍流挟卷为主,挟卷过程的严谨的讨论已有了多种云雾数值模式,它们是根据热力学和流体力学理论建立的数学物理,模型,61,62,大气中常出现大范围的空气层上升或下沉运动，水,平范围在几百公里左右，持续时间几小时甚至几天,垂直升降速度约为厘米每秒的量级,这种大范围的升降运动常是由天气系统引起,整层气层升降会导致大气温度直减率和湿度垂直分,布的变化，从而使气层的稳定度发生变化，导致强,烈对流或者相反使气层更稳定,下面就未饱和气层升降时的两种情况分别进行讨论,63,假设气层在升降过程中是绝热的，总质量保持不变,并且气层内部没有湍流混合作用，气层

21、内各部分的,相对位置不变,此处讨论未饱和气层在绝热升降过程中始终处于未,饱和状态时稳定度的变化,64,当整层气层下沉且伴随有横向扩散（水平辐散）时,将有,v2,v1,趋向于稳定，甚至可能使,v2,0,而,形成逆温层,65,v1,d,大气中通常是这种层结，决定气层升降过程中减温率变化从,而决定稳定度变化的是,1,p2A,p1A1,项,即,p2/p1,和,A2/A1,的变化,当整层气层下沉且伴随有横向扩散（水平辐散）时,p2A,p1A1,则,v2,v1,整层气层趋向于稳定，甚至可能形成逆温层,当整层气层被抬升且伴随有水平辐合时，则有相反的情况,p2A,p1A1,则导,致气层稳定性减小,如果气压和辐

22、散辐合的变化趋势相反，如上升时有水平辐散，那么最终气层的稳,定度将具体分析,66,v1,d,原气层是干绝热减温率，在升降过程中保持干绝热减温率不,变,v1,d,结论与相反，但是这种处于绝对不稳定的气层在实际大气,中非常少见,67,温,度,的,垂,直,分,布,逆温层,1,辐射逆温,气象条件,晴朗微风的夜间,秋冬季为多,68,2,下沉逆温,由于空气下沉受到压缩而增温,所形成的逆温,出现在高压控制区,极不利于污染的扩,散,1,T,lnp,2,很厚的气层下沉,压缩变扁,顶部增温比底部多,69,3,地形逆温,4,平流逆温,4,平流逆温,暖空气平流到冷地面上而下部降温,而,形成（温差越大，逆温越强,5,锋

23、面逆温,70,d,d,6,湍流逆温,由低层空气的湍流混合所形成的逆温,下层湍流混合达,上层出现过渡层,逆温,71,原来稳定的未饱和气层，由于整层被,抬升到一定高度以上而变成为不稳定,的气层，称为对流性不稳定或位势不,稳定,72,a,对流性不稳定,位势不稳定,2),上干下湿气层,假设气层上下界气压差,p,在抬,升过程中不变，下面将定性讨,论两种不同的情况,在右图中，最初整层气层,沿干绝热线上升，因下湿上干,下部比上部先达到饱和，饱和,后沿假绝热线继续上升，于是,温度层结曲线由原来的,A,1,B,1,变,成,A,2,B,2,显然，整层气层上升,并先后凝结后，饱和气层的垂,直减温率将变得大于,s,成

24、了,不稳定层结,73,位势不稳定,3),上湿下干气层,b,对流性稳定,假设气层上下界气压,差,p,在抬升过程中不,变,在右图中，气层是上,湿下干，上部先达到,饱和，气层的垂直减,温率将变小甚至小于,零（逆温），将变得,更加稳定,74,大气中的水汽主要来源于地表，因此常是低层湿度,大而高层干燥，大范围气层被抬升时往往下部先达,到饱和，符合第一种情况,可见气层是否对流性不稳定，不但和温度层结有关,显然还取决于湿度条件，特别是低层的水汽状况,75,未饱和气层内假相当位温随高度的变化是对流性不,稳定的很好判据,对流性不稳定是一种潜在的不稳定，所谓“潜在不,稳定”是指，当时的气层是稳定的，需要有一定的,外加抬升力作为“触发机制”，潜在的不稳定性才,能转化成真实的不稳定。对流性不稳定的实现要求,有大范围的抬升运动，因此要有天气系统（如锋面,的配合或大地形的作用，造成的对流性天气往往比,较强烈，范围也大,条件性不稳定也是一种潜在的不稳定，它