大氣層結(jié)穩(wěn)定度

1、 上次課重要內(nèi)容上次課重要內(nèi)容： 1. 濕絕熱過程、濕絕熱遞減率濕絕熱過程、濕絕熱遞減率 2. 假絕熱過程、假相當(dāng)位溫假絕熱過程、假相當(dāng)位溫 3 . T-lnp圖的應(yīng)用圖的應(yīng)用 本次課主要內(nèi)容：本次課主要內(nèi)容： 1. 大氣層結(jié)穩(wěn)定度概念、判據(jù)大氣層結(jié)穩(wěn)定度概念、判據(jù) 2. 條件、對流不穩(wěn)定條件、對流不穩(wěn)定 3. 局地溫度的變化局地溫度的變化 淡積云 圖中的鬃積雨云正在迅速發(fā)展，云的頂部已向左側(cè)伸展成砧狀，云的底部已出現(xiàn)降雨。 第五節(jié)第五節(jié) 大氣層結(jié)穩(wěn)定度大氣層結(jié)穩(wěn)定度一基本概念一基本概念1大氣層結(jié)大氣層結(jié) 2穩(wěn)定度穩(wěn)定度3大氣層結(jié)穩(wěn)定度大氣層結(jié)穩(wěn)定度 大氣層結(jié)對氣塊垂直運(yùn)動的影響趨勢和程度。大

2、氣層結(jié)對氣塊垂直運(yùn)動的影響趨勢和程度。 可分三種情況：可分三種情況： 穩(wěn)定平衡態(tài)穩(wěn)定平衡態(tài)穩(wěn)定層結(jié)穩(wěn)定層結(jié) 中性平衡態(tài)中性平衡態(tài)中性層結(jié)中性層結(jié) 不穩(wěn)定平衡不穩(wěn)定平衡態(tài)態(tài)不穩(wěn)定層結(jié)不穩(wěn)定層結(jié) 二二大氣層結(jié)穩(wěn)定度的判定法（大氣層結(jié)穩(wěn)定度的判定法（氣塊法）氣塊法）當(dāng)垂直當(dāng)垂直方向方向有加速度存在時，氣塊滿足的方程：有加速度存在時，氣塊滿足的方程： 當(dāng)垂直方向加速度為零時，氣塊是靜力平衡的：當(dāng)垂直方向加速度為零時，氣塊是靜力平衡的：gZp10gZpdtdw1dtdZw0w0w上升上升下沉下沉引入準(zhǔn)靜力條件：引入準(zhǔn)靜力條件： 代入氣塊的垂直方向的運(yùn)動方程：代入氣塊的垂直方向的運(yùn)動方程： （3-15）

3、代入狀態(tài)方程：代入狀態(tài)方程：得：得： （3-16） ppgzpzp)(1gggdtdwRTpRTPTTgTTTgdtdw 為氣塊在垂直方向受到的合外力。為氣塊在垂直方向受到的合外力。 當(dāng)當(dāng) 或或 ，氣塊有垂直向上的，氣塊有垂直向上的 加速度。加速度。只有當(dāng)只有當(dāng) 換句話說，靜力平衡出現(xiàn)在換句話說，靜力平衡出現(xiàn)在 或或 的條件下。的條件下。TTgTT 0dtdwgzpTT 可見： 氣層是否穩(wěn)定取決于氣塊和周圍的溫度（密度）差。三三 穩(wěn)定度判據(jù)穩(wěn)定度判據(jù)1用用 表示形式表示形式 dtdw0dtdw穩(wěn)定中性不穩(wěn)定2用用 、 d （ s ）表示形式）表示形式（1） 干空氣及未飽和濕空氣干空氣及未飽和濕

4、空氣 設(shè)：起始時刻氣塊的溫度與周圍環(huán)境大設(shè)：起始時刻氣塊的溫度與周圍環(huán)境大氣溫度相同。氣溫度相同。 氣溫隨高度的變化：氣溫隨高度的變化： dzTTdzTTd00氣塊環(huán)境代入（3-16）得： （3-17） （3-18）d0dtdw穩(wěn)定，不利于上升運(yùn)動無作用中性，對氣塊垂直運(yùn)動有利于上升運(yùn)動不穩(wěn)定,dzTgdtdwd)(直接在直接在T-lnp圖上進(jìn)行判斷圖上進(jìn)行判斷 看狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線的位置。看狀態(tài)曲線和層結(jié)曲線的位置。狀態(tài)曲線：狀態(tài)曲線： 如如d 、 s線線層結(jié)曲線：層結(jié)曲線： 如如 線線 dTTT-lnp右側(cè)（穩(wěn)）層結(jié)曲線在狀態(tài)曲線的合（中）層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線重左側(cè)（不）層結(jié)曲線在狀態(tài)曲線的

5、dT(2) 飽和濕空氣飽和濕空氣 （ 將將 d換成換成 s ） （3-22）P72(3) 實(shí)際大氣實(shí)際大氣 絕對不穩(wěn)定 絕對穩(wěn)定穩(wěn)定中性不穩(wěn)定s)(dssd（必必sd常見：常見：對干空氣和未飽和濕空氣是穩(wěn)定的，對對干空氣和未飽和濕空氣是穩(wěn)定的，對飽和濕空氣是不穩(wěn)定的。稱之為飽和濕空氣是不穩(wěn)定的。稱之為條件不條件不穩(wěn)定穩(wěn)定。sd3用用 和和 表示的形式表示的形式 P72 將位溫的公式代入（3-16）得： （3-20） （3-21）se0z穩(wěn)定中性不穩(wěn)定0dtdwdzzgdtdw將假相當(dāng)位溫的公式代入（3-16）得： （3-23）表明：當(dāng) 和 隨高度分布而減小，是不穩(wěn)定的。0zse穩(wěn)定中性不穩(wěn)定0

6、dtdwse四四.不穩(wěn)定能量與氣層穩(wěn)定度的類型不穩(wěn)定能量與氣層穩(wěn)定度的類型 不穩(wěn)定能量不穩(wěn)定能量 層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍面積層結(jié)曲線與狀態(tài)曲線所圍面積RdRd倍倍1.1.不穩(wěn)定能量不穩(wěn)定能量 把凈浮力作用使得氣塊增加的能量，稱為不把凈浮力作用使得氣塊增加的能量，稱為不穩(wěn)定能量。穩(wěn)定能量。)ln()(2121212221pdTTRwwppd 狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的右側(cè)為正的不狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的右側(cè)為正的不穩(wěn)定能量穩(wěn)定能量 A+，使氣塊向上的動能增加。使氣塊向上的動能增加。 狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的左側(cè)為負(fù)的不狀態(tài)曲線在層結(jié)曲線的左側(cè)為負(fù)的不穩(wěn)定能量穩(wěn)定能量 A-，使氣塊向上的動能減少。使氣塊向上的動

7、能減少。穩(wěn)定型：狀態(tài)曲線完全在層結(jié)曲線的左側(cè)穩(wěn)定型：狀態(tài)曲線完全在層結(jié)曲線的左側(cè)2.氣層穩(wěn)定度類型氣層穩(wěn)定度類型 真潛不穩(wěn)定：真潛不穩(wěn)定：A+ A- 假潛不穩(wěn)定：假潛不穩(wěn)定： A+ A-氣層不穩(wěn)定產(chǎn)生的有利條件氣層不穩(wěn)定產(chǎn)生的有利條件: A-小小, 抬升力大抬升力大.暴雨傾盆 南京2008.5.27中午迎來強(qiáng)對流天氣 5月27日上午奧運(yùn)火炬在南京成功傳遞。在圍觀火炬?zhèn)鬟f的群眾剛剛離去不久，中午11點(diǎn)時天氣逐漸昏暗。12點(diǎn)20分左右南京城電閃雷鳴，暴雨傾盆。天色由白天瞬間變成了夜晚，汽車打開了車燈，行人就近躲雨。 五對流不穩(wěn)定五對流不穩(wěn)定1定義定義 P752對流不穩(wěn)定舉例對流不穩(wěn)定舉例（圖3-8

8、 a）注意點(diǎn)注意點(diǎn)：抬升前：抬升前：氣層的層結(jié)氣層的層結(jié)為為AB（ ），），氣層是穩(wěn)定的氣層是穩(wěn)定的 （ 為為AO）。）。氣層上干下濕氣層上干下濕ddBAqqsdd整層抬升：整層抬升： A點(diǎn)（氣層的底層）濕，先達(dá)到飽和：先沿干絕點(diǎn)（氣層的底層）濕，先達(dá)到飽和：先沿干絕熱線上升，到達(dá)抬升凝結(jié)高度（熱線上升，到達(dá)抬升凝結(jié)高度（O點(diǎn)）后，再沿點(diǎn)）后，再沿濕絕熱線上升（虛線）。濕絕熱線上升（虛線）。sdd B點(diǎn)（氣層的高層）干，后達(dá)到飽和：一直沿點(diǎn)（氣層的高層）干，后達(dá)到飽和：一直沿干絕熱線到達(dá)干絕熱線到達(dá) 點(diǎn)達(dá)到飽和。此時底層的氣點(diǎn)達(dá)到飽和。此時底層的氣層已沿著濕絕熱線到達(dá)層已沿著濕絕熱線到達(dá)了了A

9、點(diǎn)。點(diǎn)。(圖）圖）B sdd抬升后：抬升后：A B 為整個氣層達(dá)到飽和時的層結(jié)為整個氣層達(dá)到飽和時的層結(jié)曲線（曲線（ 線），可見，線），可見， 氣層變氣層變 得不穩(wěn)定得不穩(wěn)定了。了。ssdd 3對對 流不穩(wěn)定產(chǎn)生的條件流不穩(wěn)定產(chǎn)生的條件 （1）氣層必須是上干、下濕。）氣層必須是上干、下濕。 （2）要有足夠的抬升力，使整層抬升）要有足夠的抬升力，使整層抬升 達(dá)到飽和。達(dá)到飽和。4 判據(jù)判據(jù)對流不穩(wěn)定是整個氣層抬升達(dá)到飽和時對流不穩(wěn)定是整個氣層抬升達(dá)到飽和時產(chǎn)生的，只要抬升產(chǎn)生的，只要抬升后后的氣層滿足的氣層滿足 的條件的條件,對流不穩(wěn)定就會出現(xiàn)對流不穩(wěn)定就會出現(xiàn).而要滿足上述條件，氣層在抬升而要

10、滿足上述條件，氣層在抬升前前又必又必須是上干、下濕的特征須是上干、下濕的特征 即即 ： 必有必有 ：，BAqq 0zses對流穩(wěn)定度的判據(jù)：對流穩(wěn)定度的判據(jù)：實(shí)際計算實(shí)際計算例：例：當(dāng)：當(dāng)：se對流穩(wěn)定中性對流不穩(wěn)定0zsese700500)()(sesese對流穩(wěn)定對流不穩(wěn)定0se第七節(jié)第七節(jié) 局地溫度變化的影響因素分析與判斷局地溫度變化的影響因素分析與判斷一熱流量方程一熱流量方程熱力學(xué)第一定律（熱力學(xué)第一定律（3-3）兩端）兩端 得得P75公式：公式：表明了單位質(zhì)量空氣表明了單位質(zhì)量空氣,在單位時間內(nèi)得（失）熱在單位時間內(nèi)得（失）熱量與溫度和氣壓變化之間的關(guān)系。量與溫度和氣壓變化之間的關(guān)系

11、。dt1dtdppRTdtdTcdtdQp 其中：其中： 為全微分算子為全微分算子 為水平風(fēng)速為水平風(fēng)速 為水平算子為水平算子 表明：表明：個別變化為局地、平流個別變化為局地、平流 、對流變化之和。、對流變化之和。 zwyvxutdtd2Vjyix2zwVtdtd22kwVkwjviuV2全風(fēng)速對對T作用作用 ： p76 將上兩式代入熱流量方程中去：將上兩式代入熱流量方程中去： zTwTVtTdtdT22wRTpggwdtdzdzdpdtdp用狀態(tài)方程代入dtdppRTdtdTcdtdQp經(jīng)整理得：經(jīng)整理得： （3-42） 為熱流量方程的另一種形式。為熱流量方程的另一種形式。二二.影響溫度局地

12、變化的因素影響溫度局地變化的因素取決于三個因子：取決于三個因子： 溫度平流、溫度平流、 層結(jié)穩(wěn)定度與垂直速度的共同作用、層結(jié)穩(wěn)定度與垂直速度的共同作用、 熱量的得失熱量的得失 。 dtdQcwTVtTpd1)(2討論：討論：短期天氣過程：短期天氣過程： 大尺度大氣：右第二項比較小大尺度大氣：右第二項比較小 局地的溫度變化與溫度的平流變化有關(guān)。局地的溫度變化與溫度的平流變化有關(guān)。0dtdQTVtTdtdQcwTVtTpd1)(2三個別、局地、平流變化三個別、局地、平流變化1個別變化個別變化： 表示確定氣塊在運(yùn)動過程表示確定氣塊在運(yùn)動過程 中，內(nèi)部狀態(tài)隨時間的變化。中，內(nèi)部狀態(tài)隨時間的變化。 2

13、局地變化：局地變化： 表示固定地點(diǎn)狀態(tài)隨時表示固定地點(diǎn)狀態(tài)隨時 間的變化。間的變化。 dtdt3平流變化平流變化： 表示表示 由于要素場分布不均勻，空氣的水由于要素場分布不均勻，空氣的水平運(yùn)動引起某地狀態(tài)隨時間的變化。平運(yùn)動引起某地狀態(tài)隨時間的變化。 ：溫度平流：溫度平流 ： 濕度平流濕度平流 VTV qV 大小大小 為為 與溫度梯度與溫度梯度 之間的夾角之間的夾角 （ ） 垂直于等溫線由高指向低。垂直于等溫線由高指向低。cosTVTVVT0180T四.溫度平流的判斷V0c51015- Ta圖3-14 為暖平流，圖為暖平流，圖3-9（a） 0TV090風(fēng)由高吹向低溫區(qū)，使局地氣溫升高。風(fēng)由高吹向低溫區(qū)，使局地氣溫升高。0c51015- TVc圖圖3-14 為冷平流，圖為冷平流，圖3-14（c