大氣靜力穩(wěn)定度

1、關(guān)于大氣靜力穩(wěn)定度第一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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)第二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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、傾斜第三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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或雨帶 第二類條件不穩(wěn)定（CISK） 慣性浮力（

2、對稱）不穩(wěn)定第四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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)方程和熱力學第一定律適用。第五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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）準靜態(tài)條件：升降運動中的任一時刻，氣塊的壓強與同高度的環(huán)境空氣的壓強相等（3）靜力平衡條件：環(huán)境空氣（氣層）靜止第六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2、靜力穩(wěn)定度適用：雷

3、暴等對流性天氣基于氣塊法 雷暴和強風暴系統(tǒng)都是對流現(xiàn)象，而對流運動的主要作用是浮力。浮力越強，產(chǎn)生的上升運動越強，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致的垂直方向的熱傳輸?shù)谄邚?，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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：促進氣塊垂直運動氣塊等速運動層結(jié)中性：不促進/不抑制氣塊垂 直運動氣塊回歸原位層結(jié)穩(wěn)定：抑制氣塊垂直運動如何判斷層結(jié)的穩(wěn)定性？第八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1 環(huán)境大氣和氣塊垂

4、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九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月水平方向受力平衡第十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月垂直向上氣壓梯度力第十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月垂直向下重力第十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月垂直方向受力平衡第十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.1.2 氣塊單位體積的氣塊第十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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

5、）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十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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)值第十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月2.3 靜力穩(wěn)定度判據(jù)第十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月靜力不穩(wěn)定第二十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月靜力穩(wěn)定第二十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月中性第二十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月位溫表示的靜力穩(wěn)定度判據(jù)第二十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月靜力穩(wěn)定第二十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月靜力不穩(wěn)定

6、第二十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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。第二十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月條件不穩(wěn)定判據(jù)第二十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月絕對不穩(wěn)定(干絕熱不穩(wěn)定)第二十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月絕對穩(wěn)定第二十九張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月絕對穩(wěn)定第三十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月條件性不穩(wěn)定第三十一張，

7、PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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。第三十三張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十四張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月對流性不穩(wěn)定判據(jù)用假相當位溫、相當位溫、假濕球溫度表示第三十五張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于

8、2022年6月對流性穩(wěn)定第三十六張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月對流性不穩(wěn)定第三十七張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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)定第三十八張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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。第三十九張，PPT

9、共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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） Wave CISK（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）第四十張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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

10、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)定的強度只與初始對流強度有關(guān)，與對流能否發(fā)展和維持無關(guān)第四十一張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6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、強烈的雷暴大風一般在低空強烈的垂直切變環(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（vdu/dz-udv/dz)，而理論導出的“理查森數(shù)”是一個熱力/動力穩(wěn)定度的組合參量第四十二張，PPT共四十四頁，創(chuàng)作于2022年6月思考題1、靜力穩(wěn)定度概念