大氣靜力穩(wěn)定度

大氣靜力穩(wěn)定度第一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六5.1大氣靜力穩(wěn)定度的判定法（氣塊法）5.2條件性不穩(wěn)定5.3地整層氣層升降時穩(wěn)定度的變化5.4逆溫層第二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六大氣層結(jié)：大氣溫度和濕度的垂直分布。處于靜力平衡狀態(tài)的大氣中，一些空氣團塊受到動力因子或熱力因子的擾動，就會產(chǎn)生向上或向下的垂直運動。這種偏離其平衡位置的垂直運動能否繼續(xù)發(fā)展，是由大氣層結(jié)即大氣溫度和濕度的垂直分布所決定的。層結(jié)大氣所具有的這種影響垂直運動的特性稱為大氣的靜力穩(wěn)定度，也稱層結(jié)穩(wěn)定度。第三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六判斷靜力穩(wěn)定度通常采用“氣塊法”。運用氣塊模型，令氣塊離開平衡位置作微小的虛擬位移，如果氣塊有回到原平衡位置的趨勢，則這種大氣層結(jié)是穩(wěn)定的。如果氣塊既不遠離平衡位置也無返回原平衡位置的趨勢，而是隨遇平衡，就是中性的。如果氣塊到達新位置后有繼續(xù)移動的趨勢，則此氣層的大氣層結(jié)是不穩(wěn)定的，它表明稍有擾動就會導(dǎo)致垂直運動的發(fā)展。第四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

氣塊在受擾后，有一鉛直虛位移，若氣塊到達新位置后有返回原來位置的趨勢，則為穩(wěn)定氣層；第五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

氣塊在受擾后，有一鉛直位移，若氣塊到達新位置后既無離開又無返回原來位置的趨勢，則為中性氣層；（隨遇平衡）第六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

氣塊在受擾后，有一鉛直虛位移，若氣塊到達新位置后有離開原來位置的趨勢，則為不穩(wěn)定氣層；第七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

大氣穩(wěn)定度是表示大氣層結(jié)對氣塊能否產(chǎn)生對流的一種潛在能力的量度。必須注意，它并不是表示氣層中已經(jīng)存在的鉛直運動，而是用來描述大氣層結(jié)對于氣塊在受外力擾動而產(chǎn)生垂直運動時，會起什么影響(加速、減速或等速)。這種影響只有當(dāng)氣塊受到外界擾動后，才能表現(xiàn)出來。第九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六1、靜力穩(wěn)定度是氣塊與氣層互為作用的綜合結(jié)論；2、靜力穩(wěn)定度僅指氣塊處在該氣層中，鉛直運動發(fā)展的趨勢與可能；3、穩(wěn)定氣層中可以有對流運動，但不利于對流發(fā)展；不穩(wěn)定氣層中若無擾動，亦不可能發(fā)展對流，但利于對流發(fā)展。第十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

大氣的垂直運動產(chǎn)生，主要決定于兩個原因:一個是動力原因，一個是熱力原因。動力原因:飛機飛過，高山阻檔,槽前和槽后等熱力原因由于地表面局部受熱不均勻，使得近地面層的空氣溫度在水平方向上分布不均，溫度較高的空氣就因密度較小而上升，周圍較冷空氣因密度較大而下沉補嘗。第十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六B為凈的阿基米德浮力，氣塊的穩(wěn)定與否取決于B單位體積氣塊氣塊在垂直方向上的受力

單位體積氣塊垂直運動方程：第十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六常用氣塊內(nèi)外虛溫差來討論靜力穩(wěn)定度:根據(jù)準靜力條件和狀態(tài)方程

1、當(dāng)時，則。說明若氣塊比周圍空氣暖時，可獲得向上的加速度。2、當(dāng)時，則。說明若氣塊比周圍空氣冷時，將獲得向下的加速度。3、若時，。說明氣塊與周圍空氣無溫差時，氣塊的垂直加速度為零。第十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六令

和Γ分別表示氣塊和環(huán)境大氣的垂直減溫率。當(dāng)氣塊從平衡位置作一微小位移dz后，其溫度T就變成則氣塊加速度：第十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六討論1、若，氣塊的加速度總是和dz的符號一致，有加速離開原平衡位置的傾向，則大氣層結(jié)是不穩(wěn)定層結(jié)。第十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六討論若，加速度與dz的符號總是相反,氣塊有回到原平衡位置的趨勢，垂直運動受到限制而削弱，這種氣層是穩(wěn)定的。若，垂直運動既不發(fā)展也不衰減，大氣層結(jié)是中性的第十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六歸納如下:這只是一般結(jié)論，大氣分為未飽和飽和兩種情況，因此，應(yīng)該進一步討論第十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六①未飽和氣塊，垂直位移時按干絕熱變化，垂直減溫率=

d

。1、Γ>

d不穩(wěn)定2、

d=Γ中性3、Γ<

d穩(wěn)定第十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六γγdγ-㏑P

γdγTT-㏑PTγd不穩(wěn)定大氣穩(wěn)定大氣中性大氣第十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六現(xiàn)舉例說明：設(shè)有A、B、C三團空氣，均未飽和，其位置都在離地200m的高度上，在作升降運動時其溫度均按干絕熱直減率變化，即1℃/100m。而周圍空氣的溫度直減率γ分別為0.8℃/100m、1℃/100m和1.2℃/100m，則可以有三種不同的穩(wěn)定度（圖2·25）：第二十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六②飽和氣塊，垂直上升時按假絕熱變化，垂直減溫率=

s

。1、Γ>

s不穩(wěn)定2、

s=Γ中性3、Γ<

s穩(wěn)定第二十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六并且有

s<

d

。因此Γ

和

d

、

s

有如下三種可能：1、Γ>

d絕對不穩(wěn)定2、

d>Γ>

s條件性不穩(wěn)定3、Γ<

s絕對穩(wěn)定第二十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第二十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

圖上干絕熱線(

d)和假絕熱線(

s)又是等位溫線和假相當(dāng)位溫線，因此也有如下判據(jù)：及

絕對不穩(wěn)定

條件性不穩(wěn)定

絕對穩(wěn)定第二十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第二十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六討論條件性不穩(wěn)定厚氣層或自地面以上對流層整層大氣是否穩(wěn)定時，由于大氣溫度的垂直分布很復(fù)雜，Γ值不是常數(shù)，雖可分別判斷不同高度氣層的穩(wěn)定度，卻難以判斷整個氣層的穩(wěn)定度狀況?？梢杂么髿獠环€(wěn)的能量來判斷整層大氣的穩(wěn)定狀況第二十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六設(shè)有條件性不穩(wěn)定厚氣層，在氣層的底部任取一空氣塊，氣塊上升的加速度應(yīng)是：考慮凈浮力做功以及氣塊動能變化單位質(zhì)量空氣凈浮力第二十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六利用dz=wdt

，由z0到z積分：右邊：凈浮力將單位質(zhì)量空氣從z0移到z所作的功。左邊：轉(zhuǎn)化成氣塊的動能增量，以Ek表示若氣塊溫度高于環(huán)境溫度，則凈浮力為正，氣塊的垂直運動動能不斷增加；反之，凈浮力為負，氣塊的動能將減小。由于氣塊上升時的溫度變化是確定的，因此浮力的正負取決于厚氣層的溫度層結(jié)。

第二十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六氣塊在垂直運動中動能的增量Ek，可以認為是由氣層中所儲存的一部分能量轉(zhuǎn)化而來，這部分可以轉(zhuǎn)化的能量一般稱為氣層的不穩(wěn)定能量，它的大小和正負是大氣層結(jié)是否穩(wěn)定的標(biāo)志。Ek的大小應(yīng)該用凈浮力對單位質(zhì)量空氣所作功衡量，但環(huán)境大氣溫度Tve和飽和氣塊的溫度Tv都是高度的復(fù)雜函數(shù)，所以常采用圖解法。第二十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六利用靜力學(xué)公式及狀態(tài)方程本質(zhì)代表圖上的面積，所以這個面積大小與不穩(wěn)定能量多少成正比。（TvTve

>0），氣塊受到正浮力，有正不穩(wěn)定能量，以A+表示。反之，以負面積A-表示第三十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Ek

＞0，氣層對氣塊具有正的不穩(wěn)定能量，有利于受擾動氣塊的加速運動，因而氣層是不穩(wěn)定的；當(dāng)Ek

＜0，氣層對氣塊具有負的不穩(wěn)定能量，對受擾動氣塊的垂直運動具有抑制作用，氣層是穩(wěn)定的；當(dāng)Ek=0，氣層對氣塊的垂直運動既不有利也不抑制，氣層屬于中性層結(jié)。第三十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六絕對穩(wěn)定型（）：氣塊溫度總小于氣層溫度（氣層中儲存負不穩(wěn)定能量，在T-lnP圖上用“-”表示）；特點：在這種氣層中，其底部擾動不論強弱，氣層對受擾氣塊起抑制作用，不利于受擾氣塊的上升運動得到發(fā)展；第三十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(P00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六T

ln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六氣塊溫度總大于氣層溫度（氣層中儲存正不穩(wěn)定能量，在T-lnP圖上用“+”表示）；特點：在這種氣層中，其底部只要受到微小的擾動，該氣層就會釋放不穩(wěn)定能量，轉(zhuǎn)化為氣塊上升的動能，使受擾氣塊的上升運動得到發(fā)展；第三十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4第三十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Γ越大，氣層越不穩(wěn)定，越小越穩(wěn)定；當(dāng)Γ值很小，甚至為負值（逆溫層）時，對流或垂直運動難以發(fā)展，氣層成為阻擋層。lnPTP1P2γ第三十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

狀態(tài)曲線與層結(jié)曲線在起始高度以上出現(xiàn)幾個交點，氣層既有正不穩(wěn)定能量，又有負不穩(wěn)定能量。如B點以下為負不穩(wěn)定能量，氣塊必須靠外力才能抬升，當(dāng)氣塊越過B點，就可以從大氣中獲得正不穩(wěn)定能量而自由上升，因此稱B點為自由對流高度。狀態(tài)曲線與層結(jié)曲線的第二個交點稱為平衡高度，在這個高度上氣塊上升加速度為零，速度達到最大，越過這個點過后，氣塊進入負不穩(wěn)定能量區(qū)開始減速。

自由對流高度平衡高度B第三十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六真潛不穩(wěn)定型（“+”>“—”）特點：在這種氣層中，其底部只要受到較強的擾動，迫使氣塊移到自由對流高度B以上，氣塊的上升運動得到發(fā)展，其稱為真潛不穩(wěn)定型；第四十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4HcBE自由對流高度平衡高度對流抑制能量CIN對流有效位能CAPE第四十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第四十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六特點：自由對流高度B以上的正不穩(wěn)定能量面積小于負不穩(wěn)定能量面積，自由對流高度B較高度，氣塊受到擾動難以超過這個高度，下部不穩(wěn)定能量抑制氣塊的發(fā)展,如圖5第四十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4HcBE自由對流高度平衡高度第四十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第四十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六在相同的溫度層結(jié)下，若上升氣塊的初始濕度較大，則凝結(jié)高度和自由對流高度就較低，在氣層po～p1之間容易形成真潛不穩(wěn)定；若上升氣塊濕度較小，凝結(jié)高度和自由對流高度就較高，容易出現(xiàn)假潛不穩(wěn)定；如空氣濕度太小，凝結(jié)高度更高，氣塊的狀態(tài)曲線將會全部位于層結(jié)曲線左側(cè)，形成絕對穩(wěn)定型?？梢?，低層濕度越大，越有利于對流的發(fā)展。第四十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0p1T1p2T2p3T3p4T4Hc

BE自由對流高度平衡高度濕度影響：空氣濕度越大，氣層不穩(wěn)定能量面積越大，越有利于對流發(fā)展。第四十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六動力對流

由動力原因（氣流的水平輻合、山地、鋒面對氣流的強迫抬升等）引起的對流。特征：動力對流云底：HC；云頂：E。發(fā)展動力對流的條件：動力抬升到自由對流高度C。如圖8第四十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(P00/p)p0T0p1p2p3p4HcBE自由對流高度平衡高度q0Td0第四十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六由熱力原因（地表局部升溫）造成的對流。熱力對流分析：假定：08：00的溫度層結(jié)與地面氣塊上升的狀態(tài)曲線,如圖9。第五十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

假定從08：00到午后，地面q不變。當(dāng)?shù)孛嬖鰷?，由TTgTmax，當(dāng)溫度升高到Tg時，圖中下部負不穩(wěn)定能量全部消失，稍有擾動，即可形成對流。第五十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六Tln(p00/p)p0T0T1P(H)P（E）HcBE自由對流高度平衡高度Td0q0seH01HP(Hc)TgE'P（E'）se0圖9熱力對流的預(yù)報分析第五十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六熱雷雨是指氣團內(nèi)因下墊面（森林、沙地、湖泊等）受熱不均勻，由熱力抬升作用形成的雷雨。多發(fā)生在夏季午后，一般時間較短，強度不大，但有時也能產(chǎn)生大風(fēng)、雷暴等激烈的天氣現(xiàn)象第五十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第五十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六自由對流高度第五十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六曲線T0EFGH是夏季早晨探空曲線的一種典型形式，近地面氣層有逆溫，EFG段是條件性不穩(wěn)定。日出之后，地面很快增溫并通過湍流輸送加熱空氣，使貼近地面的氣層變得超絕熱。這個干絕熱氣層不斷向上擴展；同時，湍流混合作用還使大氣低層的濕度趨近于平均比濕。當(dāng)?shù)孛鏈囟壬仙絋r時，干絕熱曲線與等飽和比濕線相交于C點（飽和凝結(jié)），標(biāo)志著地面空氣能自由上升到C點凝結(jié)，并繼續(xù)沿濕絕熱線上升，所以C點就是對流凝結(jié)高度CCL。第五十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六CCL被看成是熱力對流產(chǎn)生的積云（對流云）的云底高度，積云在CCL以上的正面積區(qū)得到發(fā)展，正面積A+越大，發(fā)展越旺盛。過D點以后垂直氣流減速，至正負面積相等的高度（N點）垂直氣流速度降為零，積云停止發(fā)展。N點的高度稱為對流上限或等面積高度,即是理論上的積云云頂高度。第五十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六用圖做局地?zé)崂子觐A(yù)報1)根據(jù)當(dāng)日清晨的大氣層結(jié)曲線確定對流凝結(jié)高度CCL。2)從對流凝結(jié)高度沿干絕熱線下延至地面，以確定當(dāng)天可能發(fā)生熱對流的下限溫度Tr。3)預(yù)測當(dāng)天溫度是否能達到Tr。（一般認為，如果幾天來天氣條件沒有太大變化，且前幾天地面最高氣溫接近或超過Tr，那么當(dāng)天氣溫就可能達到或超過Tr，產(chǎn)生熱雷雨的可能性就比較大。）第五十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六觀測表明，對流云內(nèi)的溫度遞減率一般都大于濕絕熱減溫率而與云外溫度遞減率接近；云內(nèi)含水量也比按絕熱過程計算的小1/2~1/3；云頂高度則比計算的低。這說明對流云的發(fā)展不是孤立的，云內(nèi)外空氣有強烈的混合，云外空氣進入云內(nèi)的過程通常稱為挾卷過程。第五十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六夾卷過程包括：①湍流挾卷通過云頂和側(cè)邊界，云內(nèi)外進行熱量、動量、水分和質(zhì)量的湍流交換。②動力挾卷由于云內(nèi)氣流的加速上升，根據(jù)質(zhì)量連續(xù)性的要求，四周空氣必然會流入云中進行補償。在淡積云和中積云的下部，動力挾卷和湍流挾卷強度相當(dāng)，云的中上部以湍流挾卷為主。挾卷過程的嚴謹?shù)挠懻撘延辛硕喾N云霧數(shù)值模式，它們是根據(jù)熱力學(xué)和流體力學(xué)理論建立的數(shù)學(xué)物理模型。第六十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六第六十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六大氣中常出現(xiàn)大范圍的空氣層上升或下沉運動，水平范圍在幾百公里左右，持續(xù)時間幾小時甚至幾天，垂直升降速度約為厘米每秒的量級。這種大范圍的升降運動常是由天氣系統(tǒng)引起。整層氣層升降會導(dǎo)致大氣溫度直減率和濕度垂直分布的變化，從而使氣層的穩(wěn)定度發(fā)生變化，導(dǎo)致強烈對流或者相反使氣層更穩(wěn)定下面就未飽和氣層升降時的兩種情況分別進行討論第六十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六假設(shè)氣層在升降過程中是絕熱的，總質(zhì)量保持不變，并且氣層內(nèi)部沒有湍流混合作用，氣層內(nèi)各部分的相對位置不變。此處討論未飽和氣層在絕熱升降過程中始終處于未飽和狀態(tài)時穩(wěn)定度的變化。第六十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六當(dāng)整層氣層下沉且伴隨有橫向擴散（水平輻散）時，將有v2<v1，趨向于穩(wěn)定，甚至可能使v2<0而形成逆溫層第六十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六１.

v1＜d大氣中通常是這種層結(jié)，決定氣層升降過程中減溫率變化從而決定穩(wěn)定度變化的是（1－p2A２/p1A1）項,即p2/p1和A2/A1的變化。當(dāng)整層氣層下沉且伴隨有橫向擴散（水平輻散）時，p2A２>p1A1，則v2<v1，整層氣層趨向于穩(wěn)定，甚至可能形成逆溫層當(dāng)整層氣層被抬升且伴隨有水平輻合時，則有相反的情況，p2A２＜p1A1，則導(dǎo)致氣層穩(wěn)定性減小如果氣壓和輻散輻合的變化趨勢相反，如上升時有水平輻散，那么最終氣層的穩(wěn)定度將具體分析第六十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六２.

v1＝d原氣層是干絕熱減溫率，在升降過程中保持干絕熱減溫率不變。３.

v1＞d結(jié)論與１相反，但是這種處于絕對不穩(wěn)定的氣層在實際大氣中非常少見。第六十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六溫度的垂直分布５.４逆溫層1、輻射逆溫氣象條件:晴朗微風(fēng)的夜間,秋冬季為多.第六十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六2、下沉逆溫

——由于空氣下沉受到壓縮而增溫所形成的逆溫。出現(xiàn)在高壓控制區(qū)——極不利于污染的擴散T-lnp

很厚的氣層下沉

壓縮變扁

頂部增溫比底部多第六十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六3、地形逆溫4、平流逆溫4.平流逆溫——暖空氣平流到冷地面上而下部降溫而形成（溫差越大，逆溫越強）5、鋒面逆溫第六十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六6.湍流逆溫——由低層空氣的湍流混合所形成的逆溫。下層湍流混合達上層出現(xiàn)過渡層逆溫

第七十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六原來穩(wěn)定的未飽和氣層，由于整層被抬升到一定高度以上而變成為不穩(wěn)定的氣層，稱為對流性不穩(wěn)定或位勢不穩(wěn)定。第七十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六

（a）對流性不穩(wěn)定

位勢不穩(wěn)定）(2)-上干下濕氣層假設(shè)氣層上下界氣壓差p在抬升過程中不變，下面將定性討論兩種不同的情況：①

在右圖中，最初整層氣層沿干絕熱線上升，因下濕上干，下部比上部先達到飽和，飽和后沿假絕熱線繼續(xù)上升，于是溫度層結(jié)曲線由原來的A1B1變成A2B2。顯然，整層氣層上升并先后凝結(jié)后，飽和氣層的垂直減溫率將變得大于s，成了不穩(wěn)定層結(jié)第七十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六位勢不穩(wěn)定）(3)-上濕下干氣層(b)對流性穩(wěn)定假設(shè)氣層上下界氣壓差p在抬升過程中不變：在右圖中，氣層是上濕下干，上部先達到飽和，氣層的垂直減溫率將變小甚至小于零（逆溫），將變得更加穩(wěn)定。第七十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六大氣中的水汽主要來源于地表，因此常是低層濕度大而高層干燥，大范圍氣層被抬升時往往下部先達到飽和，符合第一種情況?？梢姎鈱邮欠駥α餍圆环€(wěn)定，不但和溫度層結(jié)有關(guān)，顯然還取決于濕度條件，特別是低層的水汽狀況。第七十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六未飽和氣層內(nèi)假相當(dāng)位溫隨高度的變化是對流性不穩(wěn)定的很好判據(jù)：對流性不穩(wěn)定是一種潛在的不穩(wěn)定，所謂“潛在不穩(wěn)定”是指，當(dāng)時的氣層是穩(wěn)定的，需要有一定的外加抬升力作為“觸發(fā)