第二章大氣靜力穩(wěn)定度

1、第二章第二章 大氣靜力穩(wěn)定度大氣靜力穩(wěn)定度 湖北分院 業(yè)務(wù)培訓(xùn)部 徐麗婭 主要內(nèi)容主要內(nèi)容 1 1、氣塊法、氣塊法 2 2、靜力不穩(wěn)定、靜力不穩(wěn)定 2.1 2.1 靜力穩(wěn)定度的概念靜力穩(wěn)定度的概念 2.2 2.2 靜力穩(wěn)定度的判據(jù)靜力穩(wěn)定度的判據(jù) 2.3 2.3 條件性不穩(wěn)定條件性不穩(wěn)定 2.4 2.4 對(duì)流性不穩(wěn)定對(duì)流性不穩(wěn)定 （不）穩(wěn)定性（不）穩(wěn)定性 任何一個(gè)物體的（不）穩(wěn)定性可分為任何一個(gè)物體的（不）穩(wěn)定性可分為3 3種不同的狀態(tài)種不同的狀態(tài) 大氣的不穩(wěn)定性大氣的不穩(wěn)定性 大氣的不穩(wěn)定性或者穩(wěn)定性，是指處于某種平衡大氣的不穩(wěn)定性或者穩(wěn)定性，是指處于某種平衡 狀態(tài)下的氣流受到一個(gè)擾動(dòng)后，擾

2、動(dòng)增強(qiáng)或者減狀態(tài)下的氣流受到一個(gè)擾動(dòng)后，擾動(dòng)增強(qiáng)或者減 弱的趨向。弱的趨向。 擾動(dòng)性質(zhì)：動(dòng)力、熱力擾動(dòng)性質(zhì)：動(dòng)力、熱力 擾動(dòng)方向：水平、垂直、傾斜擾動(dòng)方向：水平、垂直、傾斜 許多對(duì)流現(xiàn)象和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展都與許多對(duì)流現(xiàn)象和中尺度對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展都與 大氣的不穩(wěn)定性相聯(lián)系大氣的不穩(wěn)定性相聯(lián)系 尺度為幾千米至十幾千米的小擾動(dòng)或積云對(duì)流尺度為幾千米至十幾千米的小擾動(dòng)或積云對(duì)流 靜力不穩(wěn)定靜力不穩(wěn)定 切變型（開(kāi)爾文赫姆霍茨）不穩(wěn)定切變型（開(kāi)爾文赫姆霍茨）不穩(wěn)定 尺度為十幾至幾百千米的中尺度云團(tuán)或雨帶尺度為十幾至幾百千米的中尺度云團(tuán)或雨帶 第二類(lèi)條件不穩(wěn)定（第二類(lèi)條件不穩(wěn)定（CISKCISK）

3、 慣性浮力（對(duì)稱(chēng)）不穩(wěn)定慣性浮力（對(duì)稱(chēng)）不穩(wěn)定 1、氣塊法、氣塊法 穩(wěn)定度分析最基本的方法是氣塊法穩(wěn)定度分析最基本的方法是氣塊法 氣塊是大氣的一部分，初始狀態(tài)與同高度上的氣塊是大氣的一部分，初始狀態(tài)與同高度上的 其它大氣并無(wú)不同，但當(dāng)它在假設(shè)停滯不動(dòng)的其它大氣并無(wú)不同，但當(dāng)它在假設(shè)停滯不動(dòng)的 環(huán)境大氣中做垂直位移時(shí)，就成為了獨(dú)立的個(gè)環(huán)境大氣中做垂直位移時(shí)，就成為了獨(dú)立的個(gè) 別部分。別部分。 氣塊在任一時(shí)刻都處在平衡態(tài)，氣體的狀態(tài)方氣塊在任一時(shí)刻都處在平衡態(tài)，氣體的狀態(tài)方 程和熱力學(xué)第一定律適用。程和熱力學(xué)第一定律適用。 氣塊法假定氣塊法假定 （1 1）絕熱條件：氣塊在升降中做絕熱變化，與外）絕

4、熱條件：氣塊在升降中做絕熱變化，與外 界始終無(wú)熱量和質(zhì)量交換。界始終無(wú)熱量和質(zhì)量交換。 （2 2）準(zhǔn)靜態(tài)條件：升降運(yùn)動(dòng)中的任一時(shí)刻，氣塊）準(zhǔn)靜態(tài)條件：升降運(yùn)動(dòng)中的任一時(shí)刻，氣塊 的壓強(qiáng)與同高度的環(huán)境空氣的壓強(qiáng)相等的壓強(qiáng)與同高度的環(huán)境空氣的壓強(qiáng)相等 （3 3）靜力平衡條件：環(huán)境空氣（氣層）靜止）靜力平衡條件：環(huán)境空氣（氣層）靜止 2、靜力穩(wěn)定度、靜力穩(wěn)定度 適用：適用：雷暴等對(duì)流性天氣雷暴等對(duì)流性天氣 基于氣塊法基于氣塊法 雷暴和強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)都是對(duì)流現(xiàn)象，而對(duì)流運(yùn)動(dòng)的雷暴和強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)都是對(duì)流現(xiàn)象，而對(duì)流運(yùn)動(dòng)的 主要作用是主要作用是浮力浮力。浮力越強(qiáng)，產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)越。浮力越強(qiáng)，產(chǎn)生的上升運(yùn)動(dòng)越 強(qiáng)

5、，雷暴的垂直發(fā)展越高。強(qiáng)，雷暴的垂直發(fā)展越高。 靜力穩(wěn)定度靜力穩(wěn)定度：反映：反映氣塊氣塊在特定大氣層結(jié)中所在特定大氣層結(jié)中所受浮受浮 力狀況力狀況，又稱(chēng)，又稱(chēng)層結(jié)穩(wěn)定度層結(jié)穩(wěn)定度。 對(duì)流：氣象上指由于對(duì)流：氣象上指由于浮力作用浮力作用導(dǎo)致的垂直方向的導(dǎo)致的垂直方向的 熱傳輸熱傳輸 靜力穩(wěn)定度分類(lèi)靜力穩(wěn)定度分類(lèi) 不穩(wěn)定不穩(wěn)定 靜力靜力 中性中性 穩(wěn)定穩(wěn)定 如果氣層中任選一氣塊，氣塊受到垂直方向的沖擊力如果氣層中任選一氣塊，氣塊受到垂直方向的沖擊力 氣塊加速浮升氣塊加速浮升層結(jié)層結(jié)不穩(wěn)定不穩(wěn)定：促進(jìn)促進(jìn)氣塊垂直運(yùn)動(dòng)氣塊垂直運(yùn)動(dòng) 氣塊等速運(yùn)動(dòng)氣塊等速運(yùn)動(dòng)層結(jié)層結(jié)中性中性：不促進(jìn)不促進(jìn)/ /不抑制不抑

6、制氣塊垂氣塊垂 直運(yùn)動(dòng)直運(yùn)動(dòng) 氣塊回歸原位氣塊回歸原位層結(jié)層結(jié)穩(wěn)定穩(wěn)定：抑制抑制氣塊垂直運(yùn)動(dòng)氣塊垂直運(yùn)動(dòng) 如何判斷層結(jié)的穩(wěn)定性？如何判斷層結(jié)的穩(wěn)定性？ 2.1 環(huán)境大氣和氣塊垂直方向的受力分析環(huán)境大氣和氣塊垂直方向的受力分析 2.1.1 2.1.1 環(huán)境大氣環(huán)境大氣 一般情況下，環(huán)境大氣滿(mǎn)足靜力平衡一般情況下，環(huán)境大氣滿(mǎn)足靜力平衡 水平方向水平方向受力平衡受力平衡 垂直向上氣壓梯度力垂直向上氣壓梯度力 垂直向下重力垂直向下重力 垂直方向受力平衡垂直方向受力平衡 2.1.2 氣塊氣塊 單位體積的氣塊單位體積的氣塊 2.2 垂直溫度遞減率垂直溫度遞減率 環(huán)境的垂直溫度遞減率：環(huán)境大氣（氣層）溫環(huán)境

7、的垂直溫度遞減率：環(huán)境大氣（氣層）溫 度隨高度的變化率度隨高度的變化率 探空測(cè)得，局地變化量，不是常數(shù)探空測(cè)得，局地變化量，不是常數(shù) 環(huán)境溫度隨高度變化環(huán)境溫度隨高度變化 氣塊的垂直溫度遞減率氣塊的垂直溫度遞減率 濕空氣上升單位距離、溫度降低的數(shù)值濕空氣上升單位距離、溫度降低的數(shù)值 2.3 靜力穩(wěn)定度判據(jù)靜力穩(wěn)定度判據(jù) 靜力不穩(wěn)定靜力不穩(wěn)定 靜力穩(wěn)定靜力穩(wěn)定 中性中性 位溫表示的靜力穩(wěn)定度判據(jù)位溫表示的靜力穩(wěn)定度判據(jù) 靜力穩(wěn)定靜力穩(wěn)定 靜力不穩(wěn)定靜力不穩(wěn)定 3、條件不穩(wěn)定、條件不穩(wěn)定 實(shí)際大氣往往是靜力穩(wěn)定的。對(duì)流活動(dòng)一般并不實(shí)際大氣往往是靜力穩(wěn)定的。對(duì)流活動(dòng)一般并不 是直接由靜力不穩(wěn)定造成，

8、而通常是由是直接由靜力不穩(wěn)定造成，而通常是由“條件性條件性 不穩(wěn)定不穩(wěn)定”造成。造成。 條件性不穩(wěn)定：對(duì)于未飽和濕空氣而言，氣層是條件性不穩(wěn)定：對(duì)于未飽和濕空氣而言，氣層是 靜力穩(wěn)定的，但當(dāng)空氣飽和后，對(duì)于飽和濕空氣靜力穩(wěn)定的，但當(dāng)空氣飽和后，對(duì)于飽和濕空氣 而言，氣層是靜力不穩(wěn)定的。而言，氣層是靜力不穩(wěn)定的。 條件不穩(wěn)定判據(jù)條件不穩(wěn)定判據(jù) 絕對(duì)不穩(wěn)定絕對(duì)不穩(wěn)定(干絕熱不穩(wěn)定干絕熱不穩(wěn)定) 絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定 絕對(duì)穩(wěn)定絕對(duì)穩(wěn)定 條件性不穩(wěn)定條件性不穩(wěn)定 4、對(duì)流性不穩(wěn)定、對(duì)流性不穩(wěn)定 氣塊理論氣塊理論氣層本身是靜止的。實(shí)際大氣常被氣層本身是靜止的。實(shí)際大氣常被 整層抬升整層抬升（如氣流過(guò)山，空氣

9、沿著鋒面抬升）（如氣流過(guò)山，空氣沿著鋒面抬升） 不論氣層原先的層結(jié)穩(wěn)定性不論氣層原先的層結(jié)穩(wěn)定性如何，在其被抬升達(dá)如何，在其被抬升達(dá) 到飽和后，如果是穩(wěn)定的，稱(chēng)為對(duì)流性穩(wěn)定，如到飽和后，如果是穩(wěn)定的，稱(chēng)為對(duì)流性穩(wěn)定，如 果不穩(wěn)定，稱(chēng)為對(duì)流性不穩(wěn)定，如果中性，稱(chēng)為果不穩(wěn)定，稱(chēng)為對(duì)流性不穩(wěn)定，如果中性，稱(chēng)為 對(duì)流性中性。對(duì)流性中性。 上干下濕上干下濕的條件性穩(wěn)定氣層，甚至是絕對(duì)穩(wěn)定的的條件性穩(wěn)定氣層，甚至是絕對(duì)穩(wěn)定的 氣層（如有逆溫），經(jīng)過(guò)整層抬升，可能變?yōu)椴粴鈱樱ㄈ缬心鏈兀?，?jīng)過(guò)整層抬升，可能變?yōu)椴?穩(wěn)定。穩(wěn)定。 對(duì)流性不穩(wěn)定判據(jù)對(duì)流性不穩(wěn)定判據(jù) 用假相當(dāng)位溫、相當(dāng)位溫、假濕球溫度表示用假相當(dāng)位

10、溫、相當(dāng)位溫、假濕球溫度表示 對(duì)流性穩(wěn)定對(duì)流性穩(wěn)定 對(duì)流性不穩(wěn)定對(duì)流性不穩(wěn)定 對(duì)流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較對(duì)流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較 【相同點(diǎn)】【相同點(diǎn)】 都是潛在性不穩(wěn)定都是潛在性不穩(wěn)定 需要一定的外加抬升力才能使得潛在的不穩(wěn)定轉(zhuǎn)需要一定的外加抬升力才能使得潛在的不穩(wěn)定轉(zhuǎn) 化成真實(shí)的不穩(wěn)定化成真實(shí)的不穩(wěn)定 對(duì)流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較對(duì)流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較 【不同點(diǎn)】【不同點(diǎn)】 觸發(fā)機(jī)制，天氣特征觸發(fā)機(jī)制，天氣特征 對(duì)流性不穩(wěn)定：需要有對(duì)流性不穩(wěn)定：需要有天氣尺度天氣尺度系統(tǒng)（如鋒面）系統(tǒng)（如鋒面） 的配合或地形的抬升作用。造成的對(duì)流性天氣往的配合或地形的抬升作用。造成的對(duì)流

11、性天氣往 往比較往比較劇烈，水平范圍也大劇烈，水平范圍也大。 條件性不穩(wěn)定：除了上述觸發(fā)機(jī)制外，條件性不穩(wěn)定：除了上述觸發(fā)機(jī)制外，局地局地的熱的熱 對(duì)流或動(dòng)力因子對(duì)空氣的抬升也可以將不穩(wěn)定釋對(duì)流或動(dòng)力因子對(duì)空氣的抬升也可以將不穩(wěn)定釋 放，從而造成放，從而造成局地性的對(duì)流天氣局地性的對(duì)流天氣。 中尺度不穩(wěn)定的分類(lèi)中尺度不穩(wěn)定的分類(lèi) 熱力不穩(wěn)定熱力不穩(wěn)定 靜力穩(wěn)定度（溫度隨高度的變化）靜力穩(wěn)定度（溫度隨高度的變化） 條件性穩(wěn)定度（濕空氣溫度隨高度的變化）條件性穩(wěn)定度（濕空氣溫度隨高度的變化） CISKCISK（大尺度與積云相互作用）（大尺度與積云相互作用） Wave CISKWave CISK（中

12、尺度自激過(guò)程，如積云（中尺度自激過(guò)程，如積云/ / 重力波正反饋重力波正反饋) ) 動(dòng)力不穩(wěn)定動(dòng)力不穩(wěn)定 慣性不穩(wěn)定（渦度或水平風(fēng)切變）慣性不穩(wěn)定（渦度或水平風(fēng)切變） 對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（干空氣水平切變和垂直切變引起的不穩(wěn)定）對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（干空氣水平切變和垂直切變引起的不穩(wěn)定） 條件性對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（濕空氣的水平切變和垂直切變條件性對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（濕空氣的水平切變和垂直切變) ) 開(kāi)爾文赫姆霍茨不穩(wěn)定（垂直切變中的不穩(wěn)定）開(kāi)爾文赫姆霍茨不穩(wěn)定（垂直切變中的不穩(wěn)定） 熱力不穩(wěn)定是熱力不穩(wěn)定是“瞬變瞬變”量，需要量，需要“動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)”地看地看 待穩(wěn)定度變化待穩(wěn)定度變化- - 熱力不穩(wěn)定熱力不穩(wěn)定只有只有在對(duì)流發(fā)生前在

13、對(duì)流發(fā)生前 才有意義，降水過(guò)程中，大氣一般處于中性熱才有意義，降水過(guò)程中，大氣一般處于中性熱 力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時(shí)，大氣一般處于穩(wěn)定力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時(shí)，大氣一般處于穩(wěn)定 層結(jié)層結(jié) 熱力不穩(wěn)定的熱力不穩(wěn)定的“動(dòng)態(tài)動(dòng)態(tài)”變化表明變化表明預(yù)報(bào)中需要特預(yù)報(bào)中需要特 別關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題別關(guān)注兩個(gè)問(wèn)題： （1 1）對(duì)流發(fā)生前層結(jié)穩(wěn)定度隨時(shí)間的變化（）對(duì)流發(fā)生前層結(jié)穩(wěn)定度隨時(shí)間的變化（6 6 小時(shí)、小時(shí)、1212小時(shí)的變化趨勢(shì)比當(dāng)前的不穩(wěn)定指數(shù)小時(shí)的變化趨勢(shì)比當(dāng)前的不穩(wěn)定指數(shù) 更有價(jià)值）更有價(jià)值） （2 2）不同高度上溫、濕度的平流作用（平流、）不同高度上溫、濕度的平流作用（平流、 差動(dòng)平流）差動(dòng)平流）

14、熱力不穩(wěn)定熱力不穩(wěn)定的強(qiáng)度只與初始對(duì)流強(qiáng)度有關(guān)，的強(qiáng)度只與初始對(duì)流強(qiáng)度有關(guān)，與與 對(duì)流能否發(fā)展和維持無(wú)關(guān)對(duì)流能否發(fā)展和維持無(wú)關(guān) 動(dòng)力不穩(wěn)定層結(jié)是對(duì)流能否發(fā)展和維持的關(guān)鍵因素動(dòng)力不穩(wěn)定層結(jié)是對(duì)流能否發(fā)展和維持的關(guān)鍵因素-其其 核心因素就是水平切變（渦度）和垂直切變核心因素就是水平切變（渦度）和垂直切變 動(dòng)力不穩(wěn)定大體可分為四類(lèi)：慣性不穩(wěn)定（與渦度或動(dòng)力不穩(wěn)定大體可分為四類(lèi)：慣性不穩(wěn)定（與渦度或 水平風(fēng)切變對(duì)應(yīng)）、水平風(fēng)切變對(duì)應(yīng)）、 K-HK-H不穩(wěn)定不穩(wěn)定( (開(kāi)爾文開(kāi)爾文- -亥姆霍茨不穩(wěn)亥姆霍茨不穩(wěn) 定，與垂直切變對(duì)應(yīng)定，與垂直切變對(duì)應(yīng)) )、 對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（SISI，又稱(chēng)斜升不，

15、又稱(chēng)斜升不 穩(wěn)定穩(wěn)定-與干空氣的水平切變環(huán)境中的垂直切變對(duì)應(yīng)）、與干空氣的水平切變環(huán)境中的垂直切變對(duì)應(yīng)）、 條件性對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（條件性對(duì)稱(chēng)不穩(wěn)定（CSICSI，濕空氣中的斜升不穩(wěn)定），濕空氣中的斜升不穩(wěn)定） 不同的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象的發(fā)展、移動(dòng)與動(dòng)力層結(jié)穩(wěn)定不同的強(qiáng)對(duì)流天氣現(xiàn)象的發(fā)展、移動(dòng)與動(dòng)力層結(jié)穩(wěn)定 度有直接關(guān)系，例如龍卷、大雹、強(qiáng)烈的雷暴大風(fēng)一度有直接關(guān)系，例如龍卷、大雹、強(qiáng)烈的雷暴大風(fēng)一 般在低空強(qiáng)烈的垂直切變環(huán)境中發(fā)展，并向垂直切變般在低空強(qiáng)烈的垂直切變環(huán)境中發(fā)展，并向垂直切變 更大的方向移動(dòng)更大的方向移動(dòng) “ “相對(duì)風(fēng)暴螺旋度相對(duì)風(fēng)暴螺旋度”的概念其實(shí)是一個(gè)很好表述對(duì)稱(chēng)的概念其實(shí)是一個(gè)很好表述對(duì)稱(chēng) 不穩(wěn)定（不穩(wěn)定（SISI）的物理參量（）的物理參量（vdu/dz-udv/dz)vdu/dz-udv/dz)，而理，而理 論導(dǎo)出的論導(dǎo)出的“理查森數(shù)理查森數(shù)”是一個(gè)熱力是一個(gè)熱力/ /動(dòng)力穩(wěn)定度的組合動(dòng)力穩(wěn)定度的組合 參量參量 思考題思考題 1 1、靜力穩(wěn)定度概念，靜力穩(wěn)定、不穩(wěn)