大气静力稳定度

关于大气静力稳定度（不）稳定性任何一个物体的（不）稳定性可分为3种不同的状态第2页,共44页，2024年2月25日，星期天大气的不稳定性大气的不稳定性或者稳定性，是指处于某种平衡状态下的气流受到一个扰动后，扰动增强或者减弱的趋向。扰动性质：动力、热力扰动方向：水平、垂直、倾斜第3页,共44页，2024年2月25日，星期天许多对流现象和中尺度对流系统的发生发展都与大气的不稳定性相联系尺度为几千米至十几千米的小扰动或积云对流静力不稳定切变型（开尔文－赫姆霍茨）不稳定尺度为十几至几百千米的中尺度云团或雨带第二类条件不稳定（CISK）惯性－浮力（对称）不稳定第4页,共44页，2024年2月25日，星期天1、气块法稳定度分析最基本的方法是气块法气块是大气的一部分，初始状态与同高度上的其它大气并无不同，但当它在假设停滞不动的环境大气中做垂直位移时，就成为了独立的个别部分。气块在任一时刻都处在平衡态，气体的状态方程和热力学第一定律适用。第5页,共44页，2024年2月25日，星期天气块法假定（1）绝热条件：气块在升降中做绝热变化，与外界始终无热量和质量交换。（2）准静态条件：升降运动中的任一时刻，气块的压强与同高度的环境空气的压强相等（3）静力平衡条件：环境空气（气层）静止第6页,共44页，2024年2月25日，星期天2、静力稳定度适用：雷暴等对流性天气基于气块法雷暴和强风暴系统都是对流现象，而对流运动的主要作用是浮力。浮力越强，产生的上升运动越强，雷暴的垂直发展越高。静力稳定度：反映气块在特定大气层结中所受浮力状况，又称层结稳定度。对流：气象上指由于浮力作用导致的垂直方向的热传输第7页,共44页，2024年2月25日，星期天静力稳定度分类不稳定静力中性稳定如果气层中任选一气块，气块受到垂直方向的冲击力气块加速浮升——层结不稳定：促进气块垂直运动气块等速运动——层结中性：不促进/不抑制气块垂直运动气块回归原位——层结稳定：抑制气块垂直运动如何判断层结的稳定性？第8页,共44页，2024年2月25日，星期天2.1环境大气和气块垂直方向的受力分析2.1.1环境大气一般情况下，环境大气满足静力平衡第9页,共44页，2024年2月25日，星期天水平方向—受力平衡第10页,共44页，2024年2月25日，星期天垂直向上－气压梯度力第11页,共44页，2024年2月25日，星期天垂直向下－重力第12页,共44页，2024年2月25日，星期天垂直方向－受力平衡第13页,共44页，2024年2月25日，星期天2.1.2气块单位体积的气块第14页,共44页，2024年2月25日，星期天第15页,共44页，2024年2月25日，星期天第16页,共44页，2024年2月25日，星期天2.2垂直温度递减率环境的垂直温度递减率：环境大气（气层）温度随高度的变化率探空测得，局地变化量，不是常数环境温度随高度变化第17页,共44页，2024年2月25日，星期天气块的垂直温度递减率湿空气上升单位距离、温度降低的数值第18页,共44页，2024年2月25日，星期天2.3静力稳定度判据第19页,共44页，2024年2月25日，星期天静力不稳定第20页,共44页，2024年2月25日，星期天静力稳定第21页,共44页，2024年2月25日，星期天中性第22页,共44页，2024年2月25日，星期天位温表示的静力稳定度判据第23页,共44页，2024年2月25日，星期天静力稳定第24页,共44页，2024年2月25日，星期天静力不稳定第25页,共44页，2024年2月25日，星期天3、条件不稳定实际大气往往是静力稳定的。对流活动一般并不是直接由静力不稳定造成，而通常是由“条件性不稳定”造成。条件性不稳定：对于未饱和湿空气而言，气层是静力稳定的，但当空气饱和后，对于饱和湿空气而言，气层是静力不稳定的。第26页,共44页，2024年2月25日，星期天条件不稳定判据第27页,共44页，2024年2月25日，星期天绝对不稳定(干绝热不稳定)第28页,共44页，2024年2月25日，星期天绝对稳定第29页,共44页，2024年2月25日，星期天绝对稳定第30页,共44页，2024年2月25日，星期天条件性不稳定第31页,共44页，2024年2月25日，星期天第32页,共44页，2024年2月25日，星期天4、对流性不稳定气块理论——气层本身是静止的。实际大气常被整层抬升（如气流过山，空气沿着锋面抬升）不论气层原先的层结稳定性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是稳定的，称为对流性稳定，如果不稳定，称为对流性不稳定，如果中性，称为对流性中性。上干下湿的条件性稳定气层，甚至是绝对稳定的气层（如有逆温），经过整层抬升，可能变为不稳定。第33页,共44页，2024年2月25日，星期天第34页,共44页，2024年2月25日，星期天对流性不稳定判据用假相当位温、相当位温、假湿球温度表示第35页,共44页，2024年2月25日，星期天对流性稳定第36页,共44页，2024年2月25日，星期天对流性不稳定第37页,共44页，2024年2月25日，星期天对流性不稳定和条件性不稳定比较【相同点】都是潜在性不稳定需要一定的外加抬升力才能使得潜在的不稳定转化成真实的不稳定第38页,共44页，2024年2月25日，星期天对流性不稳定和条件性不稳定比较【不同点】触发机制，天气特征对流性不稳定：需要有天气尺度系统（如锋面）的配合或地形的抬升作用。造成的对流性天气往往比较剧烈，水平范围也大。条件性不稳定：除了上述触发机制外，局地的热对流或动力因子对空气的抬升也可以将不稳定释放，从而造成局地性的对流天气。第39页,共44页，2024年2月25日，星期天中尺度不稳定的分类热力不稳定

静力稳定度（温度随高度的变化）

条件性稳定度（湿空气温度随高度的变化）

CISK（大尺度与积云相互作用）

WaveCISK（中尺度自激过程，如积云/重力波正反馈)动力不稳定

惯性不稳定（涡度或水平风切变）

对称不稳定（干空气水平切变和垂直切变引起的不稳定）

条件性对称不稳定（湿空气的水平切变和垂直切变)

开尔文－赫姆霍茨不稳定（垂直切变中的不稳定）第40页,共44页，2024年2月25日，星期天热力不稳定是“瞬变”量，需要“动态”地看待稳定度变化---热力不稳定只有在对流发生前才有意义，降水过程中，大气一般处于中性热力层结，降水趋于结束时，大气一般处于稳定层结热力不稳定的“动态”变化表明预报中需要特别关注两个问题：

（1）对流发生前层结稳定度随时间的变化（6小时、12小时的变化趋势比当前的不稳定指数更有价值）

（2）不同高度上温、湿度的平流作用（平流、差动平流）热力不稳定的强度只与初始对流强度有关，与对流能否发展和维持无关第41页,共44页，2024年2月25日，星期天动力不稳定层结是对流能否发展和维持的关键因素---其核心因素就是水平切变（涡度）和垂直切变动力不稳定大体可分为四类：惯性不稳定（与涡度或水平风切变对应）、K-H不稳定(开尔文-亥姆霍茨不稳定，与垂直切变对应)、对称不稳定（SI，又称斜升不稳定---与干空气的水平切变环境中的垂直切变对应）、条件性对称不稳定（CSI，湿空气中的斜升不稳定）不同的强对流天气现象的发展、移动与动力层结稳定度有直接关系，例如龙卷、大雹、强烈的雷暴大风一般在低空强烈的垂直切变环境中发展，并向垂直切变更大的方向移动“相对风暴螺旋度”的概念其实是一个很好表述对称不稳定（SI）的物理参量（v·du/dz-u·dv/dz)，而理论导出的“理查森数”是一个热力/动力稳定度的组合参量第42页,共44页，2024年2月25日，星期天思考题1