大氣靜力穩(wěn)定度

關(guān)于大氣靜力穩(wěn)定度第1頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月（不）穩(wěn)定性任何一個物體的（不）穩(wěn)定性可分為3種不同的狀態(tài)第2頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月大氣的不穩(wěn)定性大氣的不穩(wěn)定性或者穩(wěn)定性，是指處于某種平衡狀態(tài)下的氣流受到一個擾動后，擾動增強(qiáng)或者減弱的趨向。擾動性質(zhì)：動力、熱力擾動方向：水平、垂直、傾斜第3頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月許多對流現(xiàn)象和中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展都與大氣的不穩(wěn)定性相聯(lián)系尺度為幾千米至十幾千米的小擾動或積云對流靜力不穩(wěn)定切變型（開爾文－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)或雨帶第二類條件不穩(wěn)定（CISK）慣性－浮力（對稱）不穩(wěn)定第4頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月1、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)與同高度上的其它大氣并無不同，但當(dāng)它在假設(shè)停滯不動的環(huán)境大氣中做垂直位移時，就成為了獨立的個別部分。氣塊在任一時刻都處在平衡態(tài)，氣體的狀態(tài)方程和熱力學(xué)第一定律適用。第5頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月氣塊法假定（1）絕熱條件：氣塊在升降中做絕熱變化，與外界始終無熱量和質(zhì)量交換。（2）準(zhǔn)靜態(tài)條件：升降運(yùn)動中的任一時刻，氣塊的壓強(qiáng)與同高度的環(huán)境空氣的壓強(qiáng)相等（3）靜力平衡條件：環(huán)境空氣（氣層）靜止第6頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2、靜力穩(wěn)定度適用：雷暴等對流性天氣基于氣塊法雷暴和強(qiáng)風(fēng)暴系統(tǒng)都是對流現(xiàn)象，而對流運(yùn)動的主要作用是浮力。浮力越強(qiáng)，產(chǎn)生的上升運(yùn)動越強(qiáng)，雷暴的垂直發(fā)展越高。靜力穩(wěn)定度：反映氣塊在特定大氣層結(jié)中所受浮力狀況，又稱層結(jié)穩(wěn)定度。對流：氣象上指由于浮力作用導(dǎo)致的垂直方向的熱傳輸?shù)?頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力穩(wěn)定度分類不穩(wěn)定靜力中性穩(wěn)定如果氣層中任選一氣塊，氣塊受到垂直方向的沖擊力氣塊加速浮升——層結(jié)不穩(wěn)定：促進(jìn)氣塊垂直運(yùn)動氣塊等速運(yùn)動——層結(jié)中性：不促進(jìn)/不抑制氣塊垂直運(yùn)動氣塊回歸原位——層結(jié)穩(wěn)定：抑制氣塊垂直運(yùn)動如何判斷層結(jié)的穩(wěn)定性？第8頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1環(huán)境大氣和氣塊垂直方向的受力分析2.1.1環(huán)境大氣一般情況下，環(huán)境大氣滿足靜力平衡第9頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月水平方向—受力平衡第10頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直向上－氣壓梯度力第11頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直向下－重力第12頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月垂直方向－受力平衡第13頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2氣塊單位體積的氣塊第14頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第15頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第16頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2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）溫度隨高度的變化率探空測得，局地變化量，不是常數(shù)環(huán)境溫度隨高度變化第17頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月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)值第18頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月2.3靜力穩(wěn)定度判據(jù)第19頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力不穩(wěn)定第20頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力穩(wěn)定第21頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月中性第22頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月位溫表示的靜力穩(wěn)定度判據(jù)第23頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力穩(wěn)定第24頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月靜力不穩(wěn)定第25頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月3、條件不穩(wěn)定實際大氣往往是靜力穩(wěn)定的。對流活動一般并不是直接由靜力不穩(wěn)定造成，而通常是由“條件性不穩(wěn)定”造成。條件性不穩(wěn)定：對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，對于飽和濕空氣而言，氣層是靜力不穩(wěn)定的。第26頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月條件不穩(wěn)定判據(jù)第27頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對不穩(wěn)定(干絕熱不穩(wěn)定)第28頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對穩(wěn)定第29頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月絕對穩(wěn)定第30頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月條件性不穩(wěn)定第31頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第32頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月4、對流性不穩(wěn)定氣塊理論——氣層本身是靜止的。實際大氣常被整層抬升（如氣流過山，空氣沿著鋒面抬升）不論氣層原先的層結(jié)穩(wěn)定性如何，在其被抬升達(dá)到飽和后，如果是穩(wěn)定的，稱為對流性穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，稱為對流性不穩(wěn)定，如果中性，稱為對流性中性。上干下濕的條件性穩(wěn)定氣層，甚至是絕對穩(wěn)定的氣層（如有逆溫），經(jīng)過整層抬升，可能變?yōu)椴环€(wěn)定。第33頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月第34頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對流性不穩(wěn)定判據(jù)用假相當(dāng)位溫、相當(dāng)位溫、假濕球溫度表示第35頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對流性穩(wěn)定第36頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對流性不穩(wěn)定第37頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較【相同點】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)化成真實的不穩(wěn)定第38頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較【不同點】觸發(fā)機(jī)制，天氣特征對流性不穩(wěn)定：需要有天氣尺度系統(tǒng)（如鋒面）的配合或地形的抬升作用。造成的對流性天氣往往比較劇烈，水平范圍也大。條件性不穩(wěn)定：除了上述觸發(fā)機(jī)制外，局地的熱對流或動力因子對空氣的抬升也可以將不穩(wěn)定釋放，從而造成局地性的對流天氣。第39頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月中尺度不穩(wěn)定的分類熱力不穩(wěn)定

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）

CISK（大尺度與積云相互作用）

WaveCISK（中尺度自激過程，如積云/重力波正反饋)動力不穩(wěn)定

慣性不穩(wěn)定（渦度或水平風(fēng)切變）

對稱不穩(wěn)定（干空氣水平切變和垂直切變引起的不穩(wěn)定）

條件性對稱不穩(wěn)定（濕空氣的水平切變和垂直切變)

開爾文－赫姆霍茨不穩(wěn)定（垂直切變中的不穩(wěn)定）第40頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月熱力不穩(wěn)定是“瞬變”量，需要“動態(tài)”地看待穩(wěn)定度變化---熱力不穩(wěn)定只有在對流發(fā)生前才有意義，降水過程中，大氣一般處于中性熱力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時，大氣一般處于穩(wěn)定層結(jié)熱力不穩(wěn)定的“動態(tài)”變化表明預(yù)報中需要特別關(guān)注兩個問題：

（1）對流發(fā)生前層結(jié)穩(wěn)定度隨時間的變化（6小時、12小時的變化趨勢比當(dāng)前的不穩(wěn)定指數(shù)更有價值）

（2）不同高度上溫、濕度的平流作用（平流、差動平流）熱力不穩(wěn)定的強(qiáng)度只與初始對流強(qiáng)度有關(guān)，與對流能否發(fā)展和維持無關(guān)第41頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月動力不穩(wěn)定層結(jié)是對流能否發(fā)展和維持的關(guān)鍵因素---其核心因素就是水平切變（渦度）和垂直切變動力不穩(wěn)定大體可分為四類：慣性不穩(wěn)定（與渦度或水平風(fēng)切變對應(yīng)）、K-H不穩(wěn)定(開爾文-亥姆霍茨不穩(wěn)定，與垂直切變對應(yīng))、對稱不穩(wěn)定（SI，又稱斜升不穩(wěn)定---與干空氣的水平切變環(huán)境中的垂直切變對應(yīng)）、條件性對稱不穩(wěn)定（CSI，濕空氣中的斜升不穩(wěn)定）不同的強(qiáng)對流天氣現(xiàn)象的發(fā)展、移動與動力層結(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“相對風(fēng)暴螺旋度”的概念其實是一個很好表述對稱不穩(wěn)定（SI）的物理參量（v·du/dz-u·dv/dz)，而理論導(dǎo)出的“理查森數(shù)”是一個熱力/動力穩(wěn)定度的組合參量第42頁，課件共44頁，創(chuàng)作于2023年2月思考題1