天氣學(xué)分析診斷：第八章 大氣穩(wěn)定度的分析

1、對流性天氣形成的條件 水汽條件 抬升條件 不穩(wěn)定層結(jié),水汽條件,比濕、露點 T-Td、濕層厚度 水汽通量、水汽通量散度,抬升條件,垂直速度,據(jù)研究，這和大氣層結(jié)穩(wěn)定度有密切的關(guān)系。,第八章 大氣穩(wěn)定度的分析,1 大氣靜力穩(wěn)定度 ； 2 大氣對流參數(shù)；,本章內(nèi)容：,1,靜力穩(wěn)定度,靜力穩(wěn)定度是指大氣層結(jié)的穩(wěn)定程度（又稱大氣鉛直穩(wěn)定度）。表示空氣是否安于原在的層次，是否易于發(fā)展垂直運動。,一、是什么？概念：,穩(wěn)定氣層：,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；,1,靜力穩(wěn)定度,中性氣層：,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

2、位置的趨勢，則為中性氣層；（隨遇平衡）,1,靜力穩(wěn)定度,不穩(wěn)定氣層：,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；,1,靜力穩(wěn)定度,1,靜力穩(wěn)定度,不是表示氣層中已經(jīng)存在的鉛直運動; 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)。,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。,這種影響只有當氣塊受到外界擾動后，才能表現(xiàn)出來。,第 13 頁,1,靜力穩(wěn)定度,二、如何判斷？判據(jù)：,（1）簡化條件： 考慮一個小氣塊，假定它與環(huán)境之間無混合 環(huán)境空氣處于靜力平衡狀態(tài) 氣塊運動過程中是絕熱的，與周圍無熱量、水份及動量

3、的交換份 氣塊氣壓與周圍氣壓相等（帶撇號量為氣塊量）,1,靜力穩(wěn)定度,1.判據(jù)氣塊法計算靜力穩(wěn)定度,（2）判據(jù)的推導(dǎo)：,氣塊氣壓與周圍氣壓相等（帶撇號量為氣塊量）,靜力方程,上升,中性,下沉,設(shè) 環(huán)境（層結(jié)）溫度,氣塊溫度,不穩(wěn)定層結(jié) 中性層結(jié) 穩(wěn)定層結(jié),判據(jù),干絕熱遞減率（氣塊是干空氣或未飽和的濕空氣),濕絕熱遞減率 （當氣塊是飽和濕空氣時）,d,-P,d,T,T,-P,T,d,不穩(wěn)定大氣,穩(wěn)定大氣,中性大氣,-P,第 21 頁,1,靜力穩(wěn)定度,三、應(yīng)用,狀態(tài)曲線（氣塊）,層結(jié)曲線（大氣）：環(huán)境大氣熱力特征,露壓曲線（Td）,實際應(yīng)用,第 24 頁,課堂練習(xí),T-lnP,?，攬D,討論標記區(qū)的

4、穩(wěn)定性？,第 26 頁,對某區(qū)域綜合分析穩(wěn)定區(qū)或不穩(wěn)定區(qū),怎么做？,第 27 頁,溫度,位溫,判斷不同高度兩測站氣團的冷暖性質(zhì),僅干絕熱守恒 氣塊得到熱量時，位溫就增高，氣塊失去熱量時位溫就會降低?？筛鶕?jù)位溫變化情況判斷氣塊熱量收支（研究氣團的變性）,判斷相同海拔高度的兩測站所在氣團的冷暖性質(zhì),第 28 頁,用位溫做判據(jù)比用溫度更科學(xué)，可進行某區(qū)域的穩(wěn)定度的診斷分析：,1,靜力穩(wěn)定度,2. 判據(jù)2位溫隨高度的變化,不穩(wěn)定層結(jié) 中性層結(jié) 穩(wěn)定層結(jié),判據(jù),第 31 頁,干絕熱遞減率（氣塊是干空氣或未飽和的濕空氣),濕絕熱遞減率 （當氣塊是飽和濕空氣時）,1C/100m，近似常數(shù),近地面暖濕氣團中

5、0.4C/100m，不等于常數(shù) 對流層中部 0.60.7C/100m 干冷的對流層上部， d,大氣中，一般是,那是否會出現(xiàn) 的情況呢？,實際大氣一般為不飽和，往往是靜力穩(wěn)定的。 當有一種力量使得不飽和濕空氣抬升，這時，氣層對于氣塊而言是靜力穩(wěn)定的，但當氣塊達到抬升凝結(jié)高度后，對于飽和濕空氣而言，氣層是靜力不穩(wěn)定的。第一類條件不穩(wěn)定。,3. 條件性不穩(wěn)定,原來上干下濕的穩(wěn)定氣層，甚至可為絕對穩(wěn)定的氣層（ ），經(jīng)過整層抬升后使得氣層達到飽和，氣層層結(jié)由原來的穩(wěn)定層結(jié)變?yōu)椴环€(wěn)定層結(jié)，或不穩(wěn)定層結(jié)變得更加不穩(wěn)定，稱為對流性不穩(wěn)定。 或 隨高度減小。,若氣塊抬升過程中，環(huán)境氣層也被抬升呢？,1,靜力穩(wěn)定

6、度,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 cm/s 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,1,靜力穩(wěn)定度,4. 對流性不穩(wěn)定,對流性穩(wěn)定,上濕下干氣層,不符合一般氣層特點,1,靜力穩(wěn)定度,對流性不穩(wěn)定,上干下濕氣層,1,靜力穩(wěn)定度,位溫,相當位溫,干絕熱守恒,干、濕絕熱守恒,判據(jù),對流性不穩(wěn)定 中性 對流性穩(wěn)定,1,靜力穩(wěn)定度,4. 對流性不穩(wěn)定,第 39 頁,對流性不穩(wěn)定 VS 條件不穩(wěn)定,對流

7、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)機制”，潛在的不穩(wěn)定性才能轉(zhuǎn)化成真實的不穩(wěn)定。 對流性不穩(wěn)定的實現(xiàn)要求有大范圍的抬升運動，因此要有天氣系統(tǒng)（如鋒面）的配合或大地形的作用，造成的對流性天氣往往比較強烈，范圍也大。,第 40 頁,對流性不穩(wěn)定 VS 條件不穩(wěn)定,條件性不穩(wěn)定也是一種潛在的不穩(wěn)定，它只要有局地的熱對流或動力因子對空氣進行抬升即可，因而往往造成局地性的雷雨天氣。,2,大氣對流參數(shù),可以用大氣不穩(wěn)的能量來判斷整層大氣的穩(wěn)定狀況,大氣溫度垂直分布復(fù)雜， 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

8、穩(wěn)定度狀況。,2,大氣對流參數(shù),1、穩(wěn)定度參數(shù),1、穩(wěn)定度參數(shù)(1)A指數(shù),綜合反映大氣靜力穩(wěn)定度與整層水汽飽和程度的物理量，其單位為，量級為10-1-101，表達式為： A值越大，表明大氣越不穩(wěn)定或?qū)α鲗又邢聦语柡统潭仍礁邔邓接欣＃ǜ鞯貐^(qū)指標不同）,2,大氣對流參數(shù),A指數(shù)的使用經(jīng)驗： 可制作A指數(shù)單站時間變化曲線。一般情況下： 當A由負值上升到正值時，天氣轉(zhuǎn)陰雨，達到10可以產(chǎn)生降水， 當A值下降時，雨勢減弱，由正轉(zhuǎn)負則天氣轉(zhuǎn)晴。 利用本站或其他指標站A指數(shù)作時間演變曲線，分析它與本地降水關(guān)系，進而作出預(yù)報。,2,大氣對流參數(shù),1、穩(wěn)定度參數(shù)(1)A指數(shù),K指數(shù)是考慮了氣層水汽條件的

9、一種不穩(wěn)定指數(shù)。其單位為，量級為10-1-101，表達式為： 第1項為850hPa與500hPa的溫度差，代表溫度遞減率，第2項為850hPa的露點，表示低層水汽條件，第3項為700hPa的溫度露點差，反映中層飽和程度和濕層厚度。,2,大氣對流參數(shù),1、穩(wěn)定度參數(shù)(2)K指數(shù),K Index Example,T500,T850,Td850,T500 = -14.3C T700 = 9.2C Td700 = -11.8C T850 = 13.4C Td850 = 13.1C,K =13.4 + 13.1 -(9.2 - (-11.8) -(-14.3) K = 20,T700,Td700,K指數(shù)

10、的使用經(jīng)驗： K指數(shù)雖然是一個經(jīng)驗指標，但它是一個能同時反映干空氣穩(wěn)定度、濕度狀況的綜合指標。一般說來，K指數(shù)越高，潛能越大，大氣越不穩(wěn)定。其計算簡便，在暴雨分析預(yù)報中，常被作為一種較好的熱力穩(wěn)定度指標：,K35 ：可能有成片的雷雨,1、穩(wěn)定度參數(shù)(2)K指數(shù),2,大氣對流參數(shù),沙氏指數(shù)是指氣塊從850hPa開始，干絕熱上升至抬升凝結(jié)高度，然后按濕絕熱遞減率上升至500hPa，在500hPa上的環(huán)境溫度（Te500）與該上升氣塊達500hPa的溫度（Tp500）的差值，表達式為：,1、穩(wěn)定度參數(shù)(3)沙氏指數(shù),2,大氣對流參數(shù),判斷對流性天氣穩(wěn)定度的一個重要指標，在研究中小尺度系統(tǒng)引發(fā)的強對流

11、性天氣過程中沙氏指數(shù)的計算非常普遍。SI0，表示氣層穩(wěn)定，SI0，表示氣層不穩(wěn)定，負值越大，氣層越不穩(wěn)定。,SI+3 不大可能出現(xiàn)雷暴天氣 0SI+3 有發(fā)生陣雨的可能性 -3SI0 可能有雷暴 -6SI-3 可能有強雷暴 SI-6 可能有龍卷,1、穩(wěn)定度參數(shù)(3)沙氏指數(shù),2,大氣對流參數(shù),局限性： 若在850hPa與500hPa之間，存在鋒面或逆溫層時，則無意義。 對于海拔較高的地區(qū)，如青藏高原，850hPa在地下，因此這些臺站不能直接用SI指數(shù)，而應(yīng)該在低層高層分別取兩等壓面代替850hPa和500hPa,1、穩(wěn)定度參數(shù)(3)沙氏指數(shù),2,大氣對流參數(shù),1.穩(wěn)定度參數(shù)(4)簡化的沙氏指數(shù)

12、,將850hPa上的氣塊按干絕熱遞減率上升至500hPa，該上升氣塊溫度Tp與500hPa的環(huán)境溫度Te500之間的插值，單位為，量級為10-1-101。： 一般情況下， ，因而SSI0。SSI的正值越小，表示氣層越不穩(wěn)定。將SSI與SI相比，SSI忽略了氣塊的凝結(jié)過程，即認為氣塊一直到500hPa均未飽和，所以它是SI的簡化。,SSI=Te500-Tp,2,大氣對流參數(shù),1998 Example Showalter Index - OUN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,Tp,S = T500 - Tp S = -16 - (-25) S = +9

13、,Zoom In,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,-20,-10,-30,500,800,1000,1.穩(wěn)定度參數(shù)（5）抬升指數(shù),指氣塊從自由對流高度出發(fā)，濕絕熱上升至500hPa處的溫度與500hPa環(huán)境溫度之差，單位為，量級為10-1-101，表達式為： 當LI為負值，表示氣塊不穩(wěn)定，其絕對值越大，表示不穩(wěn)定能面積越大。 LI0時，表明氣塊溫度高于環(huán)境溫度，層結(jié)不穩(wěn)定，繼續(xù)上升，LI的絕對值越大，層結(jié)不穩(wěn)定性的增強致使暴雨前期不穩(wěn)定能量不斷積聚，為暴雨的發(fā)生提供充足的能量條件。,LI=Te850- Tp500。,2,大氣對流參數(shù),1.穩(wěn)定度參數(shù)（5）總指數(shù)

14、,單位為，量級為100-102，該指數(shù)越大，表示氣層越不穩(wěn)定。,TT= T850+Td850-2T500,2,大氣對流參數(shù),2.能量參數(shù)（1）CAPE指數(shù),對流有效位能： Cape代表由層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線相交的正面積區(qū)， 體現(xiàn)了不穩(wěn)定能量的大小。值越大，越不穩(wěn)定； 強CAPE范圍能較好反映暴雨產(chǎn)生的大致區(qū)域 暴雨后，CAPE銳減。,2,大氣對流參數(shù),2.能量參數(shù)（2）CIN指數(shù),對流抑制有效位能； CIN正比于TlogP圖上底部層結(jié)曲線和狀態(tài)曲線相交的負面積區(qū)，其體現(xiàn)了阻止對流發(fā)生的能量大小。 研究表明， 一定的對流抑制能量有利于閃電的發(fā)生。產(chǎn)生強對流需要一定的CIN數(shù)（如幾十一百左右），太小

15、不利于能量累計，太大對流無法發(fā)展。,2,大氣對流參數(shù),南京14年4月30日08時探空,第 59 頁,南京14年4月30日20時探空,理查遜數(shù)的優(yōu)點是既考慮了熱力因子，又考慮了動力因子，是一個很重要的判別層結(jié)穩(wěn)定度的參數(shù)。,在干空氣中Ri數(shù)的定義為：,2,大氣對流參數(shù),3.大氣熱力-動力組合參數(shù)理查遜參數(shù),Ri最早是用作湍流能否發(fā)展的判據(jù)，后來根據(jù)風速垂直切變討論斜壓不穩(wěn)定時，Ri數(shù)就成為區(qū)分各種尺度擾動系統(tǒng)不穩(wěn)定的判據(jù)之一。 在物理上，Ri數(shù)表示大氣靜力穩(wěn)定度和動力穩(wěn)定度的綜合參數(shù)。 在能量上，它可看作氣塊浮升要消耗的能量和通過湍流從大尺度風場能得到的能量之比。,2,大氣對流參數(shù),在降水分析預(yù)

16、報中，以 代替 ，并將靜力學(xué)公式和狀態(tài)方程帶入，化簡得： 其中，C= ， ，當上下層取為500hPa和850hPa等壓面時，C1.488。,2,大氣對流參數(shù),Ri數(shù)和對流活動之間判據(jù)： 低層存在急流時，風速垂直切變大，使Ri很小，更有利于中尺度擾動的發(fā)展，產(chǎn)生強烈的上升運動。,當 Ri-2 時，有積雨云產(chǎn)生； 當 Ri-1 時，有雷暴產(chǎn)生； 當-1Ri 0.25時，有系統(tǒng)性對流產(chǎn)生,2,大氣對流參數(shù),課堂要點回顧,2008年7月2日紅安特大暴雨,實際應(yīng)用,（武漢中心氣象臺 龍利民）,天氣實況,紅安211.4毫米 主要集中在 2日03-08時,48.1,52.8,38.1,28.4,32.9,探

17、空資料分析（6月30日20時）,CAPE 872.9J/kg CIN 181.7J/kg 地面q 17.5g/kg,探空資料分析（7月1日08時）,CAPE 962J/kg CIN 229.8J/kg 地面q 18.5g/kg,探空資料分析（7月1日20時）,CAPE 2461.4J/kg CIN 161.6J/kg 地面q 20g/kg,850hPa以下水汽的平流輸送,探空資料分析（7月2日08時）,CAPE 1165.4J/kg CIN 148.9J/kg 地面q 18.5g/kg,觸發(fā)機制,2008070208,2008070205,2008070202,2008070123,500hP

18、a西風槽后 冷空氣侵入，強烈的 不穩(wěn)定,北側(cè)下沉氣流逐漸逼近， 使紅安上空不穩(wěn)定能量 獲得強烈釋放。,假相當位溫經(jīng)向剖面圖,第 72 頁,課后練習(xí),1998 Example Showalter Index - JAN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,Tp,S = T500 - Tp S = -12 - (-9) S = -3,Zoom In,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,-20,-10,0,800,1000,500,10,S = T500 - Tp S = -12 - (-9) S = -3,Showalter Index - OUN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,S = T500 - Tp S = -19 - (-21) S = +2,500,600,700,800,900,1000,Tp,-20,-10,0,10,20,Note: Below 850 mb the atmosphere is very dry!,Monday,Dry Adiabat,Moist Adiabat,Mixing Ratio,Showalter Index - O