大气静力稳定度

大气静力稳定度第一页，共八十页，2022年，8月28日大气静力稳定度第二页，共八十页，2022年，8月28日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逆温层第三页，共八十页，2022年，8月28日大气层结：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。第四页，共八十页，2022年，8月28日判断静力稳定度通常采用“气块法”。运用气块模型，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。第五页，共八十页，2022年，8月28日

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；第六页，共八十页，2022年，8月28日

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）第七页，共八十页，2022年，8月28日

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；第八页，共八十页，2022年，8月28日第九页，共八十页，2022年，8月28日

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。第十页，共八十页，2022年，8月28日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。第十一页，共八十页，2022年，8月28日

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,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。第十二页，共八十页，2022年，8月28日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：第十三页，共八十页，2022年，8月28日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。第十四页，共八十页，2022年，8月28日令

和Γ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dz后，其温度T就变成则气块加速度：第十五页，共八十页，2022年，8月28日讨论1、若，气块的加速度总是和dz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。第十六页，共八十页，2022年，8月28日讨论若，加速度与dz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，大气层结是中性的第十七页，共八十页，2022年，8月28日归纳如下:这只是一般结论，大气分为未饱和饱和两种情况，因此，应该进一步讨论第十八页，共八十页，2022年，8月28日①未饱和气块，垂直位移时按干绝热变化，垂直减温率=

d

。1、Γ>

d不稳定2、

d=Γ中性3、Γ<

d稳定第十九页，共八十页，2022年，8月28日γγdγ-㏑P

γdγTT-㏑PTγd不稳定大气稳定大气中性大气第二十页，共八十页，2022年，8月28日现举例说明：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γ分别为0.8℃/100m、1℃/100m和1.2℃/100m，则可以有三种不同的稳定度（图2·25）：第二十一页，共八十页，2022年，8月28日②饱和气块，垂直上升时按假绝热变化，垂直减温率=

s

。1、Γ>

s不稳定2、

s=Γ中性3、Γ<

s稳定第二十二页，共八十页，2022年，8月28日并且有

s<

d

。因此Γ

和

d

、

s

有如下三种可能：1、Γ>

d绝对不稳定2、

d>Γ>

s条件性不稳定3、Γ<

s绝对稳定第二十三页，共八十页，2022年，8月28日第二十四页，共八十页，2022年，8月28日

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：及

绝对不稳定

条件性不稳定

绝对稳定第二十五页，共八十页，2022年，8月28日第二十六页，共八十页，2022年，8月28日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，Γ值不是常数，虽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第二十七页，共八十页，2022年，8月28日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单位质量空气净浮力第二十八页，共八十页，2022年，8月28日利用dz=wdt

，由z0到z积分：右边：净浮力将单位质量空气从z0移到z所作的功。左边：转化成气块的动能增量，以Ek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。

第二十九页，共八十页，2022年，8月28日气块在垂直运动中动能的增量Ek，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。Ek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Tve和饱和气块的温度Tv都是高度的复杂函数，所以常采用图解法。第三十页，共八十页，2022年，8月28日利用静力学公式及状态方程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。（TvTve

>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-表示第三十一页，共八十页，2022年，8月28日Ek

＞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Ek

＜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，气层是稳定的；当Ek=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。第三十二页，共八十页，2022年，8月28日绝对稳定型（）：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）；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；第三十三页，共八十页，2022年，8月28日Tln(P00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十四页，共八十页，2022年，8月28日T

ln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十五页，共八十页，2022年，8月28日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；第三十六页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十七页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十八页，共八十页，2022年，8月28日Γ越大，气层越不稳定，越小越稳定；当Γ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。lnPTP1P2γ第三十九页，共八十页，2022年，8月28日

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第四十页，共八十页，2022年，8月28日真潜不稳定型（“+”>“—”）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；第四十一页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4HcBE自由对流高度平衡高度对流抑制能量CIN对流有效位能CAPE第四十二页，共八十页，2022年，8月28日第四十三页，共八十页，2022年，8月28日特点：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第四十四页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4HcBE自由对流高度平衡高度第四十五页，共八十页，2022年，8月28日第四十六页，共八十页，2022年，8月28日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。第四十七页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4Hc

BE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。第四十八页，共八十页，2022年，8月28日动力对流

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：HC；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第四十九页，共八十页，2022年，8月28日Tln(P00/p)p0T0p1p2p3p4HcBE自由对流高度平衡高度q0Td0第五十页，共八十页，2022年，8月28日由热力原因（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。第五十一页，共八十页，2022年，8月28日

假定从08：00到午后，地面q不变。当地面增温，由TTgTmax，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。第五十二页，共八十页，2022年，8月28日Tln(p00/p)p0T0T1P(H)P（E）HcBE自由对流高度平衡高度Td0q0seH01HP(Hc)TgE'P（E'）se0图9热力对流的预报分析第五十三页，共八十页，2022年，8月28日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第五十四页，共八十页，2022年，8月28日第五十五页，共八十页，2022年，8月28日自由对流高度第五十六页，共八十页，2022年，8月28日曲线T0EFGH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Tr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。第五十七页，共八十页，2022年，8月28日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。第五十八页，共八十页，2022年，8月28日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Tr。3)预测当天温度是否能达到Tr。（一般认为，如果几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Tr，那么当天气温就可能达到或超过Tr，产生热雷雨的可能性就比较大。）第五十九页，共八十页，2022年，8月28日观测表明，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1/2~1/3；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。第六十页，共八十页，2022年，8月28日夹卷过程包括：①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。②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。第六十一页，共八十页，2022年，8月28日第六十二页，共八十页，2022年，8月28日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第六十三页，共八十页，2022年，8月28日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。第六十四页，共八十页，2022年，8月28日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而形成逆温层第六十五页，共八十页，2022年，8月28日１.

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－p2A２/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，p2A２>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，p2A２＜p1A1，则导致气层稳定性减小如果气压和辐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第六十六页，共八十页，2022年，8月28日２.

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。３.

v1＞d结论与１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。第六十七页，共八十页，2022年，8月28日温度的垂直分布５.４逆温层1、辐射逆温气象条件:晴朗微风的夜间,秋冬季为多.第六十八页，共八十页，2022年，8月28日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T-lnp

很厚的气层下沉

压缩变扁

顶部增温比底部多第六十九页，共八十页，2022年，8月28日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、锋面逆温第七十页，共八十页，2022年，8月28日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

第七十一页，共八十页，2022年，8月28日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。第七十二页，共八十页，2022年，8月28日

（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：①

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A1B1变成A2B2。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，成了不稳定层结第七十三页，共八十页，2022年，8月28日位势不稳定）(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。第七十四页，共八十页，2022年，8月28日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。第七十五页，共八十页，2022年，8月28日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