《大氣靜力穩(wěn)定度》課件

大氣靜力穩(wěn)定度大氣靜力穩(wěn)定度是指大氣層抵抗垂直運動的能力。穩(wěn)定度會影響天氣現(xiàn)象，如云的形成、降水、大氣污染等。導論1大氣靜力穩(wěn)定度的重要性大氣靜力穩(wěn)定度是天氣和氣候變化的重要因素之一.2影響天氣和氣候影響降雨、云層形成、污染物擴散等天氣現(xiàn)象.3對航空氣象的影響影響飛機飛行安全，并對航路選擇和飛行效率產(chǎn)生影響.1.1大氣靜力穩(wěn)定度的概念定義大氣靜力穩(wěn)定度是指大氣層對垂直運動的抵抗能力。垂直氣流當空氣塊垂直移動時，受到周圍空氣壓力的影響，溫度和密度會發(fā)生變化。穩(wěn)定性如果空氣塊受到擾動后，能夠恢復到原來的位置，則稱該大氣層為穩(wěn)定的。不穩(wěn)定性如果空氣塊受到擾動后，能夠繼續(xù)向上或向下運動，則稱該大氣層為不穩(wěn)定的。1.2大氣靜力穩(wěn)定度的重要性影響天氣現(xiàn)象靜力穩(wěn)定度影響云的形成和發(fā)展，進而影響降雨、雷暴等天氣現(xiàn)象。影響大氣污染擴散大氣靜力穩(wěn)定度影響空氣污染物的擴散和積累，對空氣質量有重要影響。影響航空氣象靜力穩(wěn)定度影響大氣湍流和風切變，對飛行安全和航路選擇至關重要。大氣參數(shù)與靜力穩(wěn)定度大氣靜力穩(wěn)定度受大氣參數(shù)影響。關鍵參數(shù)包括溫度、水汽、密度等。2.1溫度梯度定義溫度梯度是指氣溫隨高度的變化率。它是衡量大氣層穩(wěn)定性的重要指標之一。溫度梯度通常用每千米高度的溫度變化來表示，單位為攝氏度/千米。影響因素溫度梯度受多種因素影響，包括太陽輻射、地表性質、大氣環(huán)流等。例如，在晴朗的白天，太陽輻射使近地面氣溫升高，導致溫度梯度較大。2.2水汽梯度水汽梯度水汽梯度是指大氣中水汽含量隨高度的變化率。露點溫度是指空氣中水汽達到飽和時的溫度。水汽梯度與大氣穩(wěn)定度密切相關。水汽梯度決定了云的形成和發(fā)展。2.3大氣密度隨高度的變化隨著高度的增加，大氣密度逐漸減小，這是因為大氣壓強隨著高度的增加而減小，導致氣體分子之間的距離增加。大氣靜力穩(wěn)定度的判別大氣靜力穩(wěn)定度是描述空氣層穩(wěn)定程度的關鍵參數(shù)，它決定了大氣中的各種現(xiàn)象，如云的形成、空氣污染擴散、以及天氣變化。3.1Brunt-V?is?l?頻率定義Brunt-V?is?l?頻率，也稱為大氣靜力穩(wěn)定度頻率，它表示空氣塊在受到擾動后垂直振蕩的頻率。該頻率的平方與大氣靜力穩(wěn)定度成正比，因此可以用來判斷大氣穩(wěn)定度。計算公式Brunt-V?is?l?頻率的計算公式如下：N2=(g/ρ)(dρ/dz)+g(dθ/dz)其中，g為重力加速度，ρ為空氣密度，θ為空氣位溫，z為高度。3.2Richardson數(shù)11.定義Richardson數(shù)是用來衡量大氣靜力穩(wěn)定度的一個重要參數(shù)，它表示浮力與風切變之間的比率。22.公式Ri=(g/θ)(?θ/?z)/(?u/?z)^2，其中g是重力加速度，θ是位溫，z是高度，u是風速。33.意義Ri值可以幫助判斷大氣是否穩(wěn)定，Ri值越大，大氣越穩(wěn)定，Ri值越小，大氣越不穩(wěn)定。44.應用Richardson數(shù)在氣象預報、航空氣象、大氣污染擴散等領域都有廣泛的應用。3.3不同穩(wěn)定度情況下的特征大氣靜力穩(wěn)定度可分為三種情況：穩(wěn)定、不穩(wěn)定和中性。穩(wěn)定大氣中，氣塊向上移動后，密度大于周圍空氣，會受到浮力作用而下沉，最終回到原位。不穩(wěn)定大氣中，氣塊向上移動后，密度小于周圍空氣，會受到浮力作用而繼續(xù)上升，直至達到平衡。中性大氣中，氣塊向上移動后，密度與周圍空氣相等，不會受到浮力作用，保持原有狀態(tài)。大氣邊界層中的靜力穩(wěn)定度大氣邊界層是地球表面和自由大氣之間的過渡區(qū)域，受地表摩擦、熱量和水汽交換的影響，其靜力穩(wěn)定度對天氣和氣候有著重要的影響。4.1地表摩擦對靜力穩(wěn)定度的影響地面摩擦力會減緩風速,形成邊界層。邊界層內氣流受到摩擦影響,湍流增強。湍流增加熱量和動量交換,降低氣溫,影響靜力穩(wěn)定度。4.2輻射過程對靜力穩(wěn)定度的影響太陽輻射太陽輻射加熱地表，導致地表溫度升高，形成對流層低層的氣溫逆增。夜間輻射冷卻夜間，地表輻射冷卻，導致地表溫度下降，形成對流層低層的氣溫逆溫層。5.靜力穩(wěn)定度與云的形成大氣靜力穩(wěn)定度直接影響著云的形成和發(fā)展。當空氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，暖濕空氣上升，冷卻凝結，形成對流云。穩(wěn)定的大氣條件下，空氣不易上升，云的形成主要受其他因素，例如鋒面抬升或地形抬升影響。5.1對流云的形成對流云形成于不穩(wěn)定的空氣中。11.不穩(wěn)定空氣地面受熱，空氣上升22.對流上升上升空氣冷卻，水汽凝結33.云體形成云體逐漸增長，形成對流云當空氣處于不穩(wěn)定狀態(tài)時，較熱的空氣上升，較冷的空氣下降，形成對流運動。5.2層狀云的形成穩(wěn)定大氣層層狀云通常形成于穩(wěn)定的大氣層，空氣垂直運動受阻，導致水汽緩慢凝結。水平運動穩(wěn)定層中的空氣主要以水平運動為主，導致水汽逐漸累積，形成云層。云層特征層狀云通常呈片狀或層狀，顏色灰白或暗灰色，云層較薄，透光性較好。常見類型高層云高積云層積云靜力穩(wěn)定度與空氣污染擴散大氣靜力穩(wěn)定度對空氣污染物的擴散和分布有顯著影響。不同靜力穩(wěn)定度條件下，污染物擴散模式差異很大。6.1逆溫層對污染物擴散的影響大氣穩(wěn)定度逆溫層是氣溫隨高度升高的現(xiàn)象，形成一層穩(wěn)定的大氣層。污染物滯留逆溫層阻止污染物垂直擴散，使污染物在低層大氣中積累，造成嚴重空氣污染。污染物累積逆溫層使污染物濃度增加，導致霧霾等現(xiàn)象，對人體健康造成危害。6.2不同穩(wěn)定度下的污染擴散特征穩(wěn)定大氣污染物擴散緩慢，垂直方向上擴散有限。污染物主要在低層大氣中積累，容易造成局部地區(qū)嚴重污染。不穩(wěn)定大氣污染物擴散迅速，垂直方向上擴散范圍大。污染物容易被抬升到高層大氣，污染程度相對較低。中性大氣污染物擴散介于穩(wěn)定和不穩(wěn)定之間。污染物擴散速度適中，垂直方向上擴散程度也較為適中。靜力穩(wěn)定度對航空氣象的影響大氣靜力穩(wěn)定度對航空氣象有重要影響，影響飛行安全和航路選擇。7.1對飛行安全的影響湍流大氣靜力穩(wěn)定度影響湍流強度，湍流會對飛機造成顛簸，影響飛行安全。能見度靜力穩(wěn)定度影響云的形成，云會降低能見度，影響飛行安全。7.2對航路選擇的影響11.飛行安全靜力穩(wěn)定度影響空氣湍流，湍流可能導致飛機顛簸，影響飛行安全。22.燃油效率穩(wěn)定大氣層有利于飛機平穩(wěn)飛行，減少燃油消耗，提高燃油效率。33.航線規(guī)劃根據(jù)靜力穩(wěn)定度信息，選擇最佳航線，避免穿越湍流區(qū)域，提高飛行效率。數(shù)值模式中的靜力穩(wěn)定度參數(shù)化數(shù)值天氣預報模式需要將大氣靜力穩(wěn)定度納入模型，以模擬大氣過程。靜力穩(wěn)定度參數(shù)化方案在模式中模擬大氣穩(wěn)定度的變化，例如對流混合過程。8.1PBL方案中的靜力穩(wěn)定度參數(shù)化參數(shù)化方案PBL方案是數(shù)值天氣預報模型中重要的組成部分，負責模擬大氣邊界層內的物理過程。靜力穩(wěn)定度參數(shù)化靜力穩(wěn)定度參數(shù)化是PBL方案中不可或缺的一部分，它描述了大氣層結對邊界層湍流的影響。模型模擬參數(shù)化方案通過簡化的數(shù)學公式，模擬了靜力穩(wěn)定度的影響，并將其應用于數(shù)值預報模型。8.2數(shù)值模式中靜力穩(wěn)定度的評估評估數(shù)值模式中的靜力穩(wěn)定度參數(shù)化方案的準確性，可以使用觀測資料或其他數(shù)值模式的模擬結果進行比較。分析靜力穩(wěn)定度參數(shù)化方案對模擬結果的影響，例如對氣溫、濕度、風速等要素的影響。研究靜力穩(wěn)定度參數(shù)化方案的改進策略，例如考慮不同地形、邊界層條件的影響，以及更復雜的物理過程?？偨Y與展望本課程講解了大氣靜力穩(wěn)定度的基本概念，并闡述了其在氣象學、環(huán)境科學和航空氣象學等領域的應用。課程內容涵蓋了靜力穩(wěn)定度的判定方法、對天氣現(xiàn)象和污染擴散的影響，以及數(shù)值模式中對靜力穩(wěn)定度的參數(shù)化等。9.1本課程的主要內容大氣靜力穩(wěn)定度的概念介紹大氣靜力穩(wěn)定度的定義、重要性以及與大氣運動的關系。大氣靜力穩(wěn)定度的判別方法重點講解了Brunt-V?is?l?頻率和Richardson數(shù)這兩個重要判別指標。靜力穩(wěn)定度與天氣現(xiàn)象詳細分析了靜力穩(wěn)定度對云的形成、空氣污染擴散和航空氣象的影響。數(shù)值模式中的靜力穩(wěn)定度參數(shù)化介紹了數(shù)值模式中如何模擬和處理靜力穩(wěn)定度，以