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 對流性不穩(wěn)定對流性不穩(wěn)定 （不）穩(wěn)定性（不）穩(wěn)定性 任何一個物體的（不）穩(wěn)定性可分為任何一個物體的（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)下的氣流受到一個擾動后，擾

2、動增強或者減狀態(tài)下的氣流受到一個擾動后，擾動增強或者減 弱的趨向。弱的趨向。 擾動性質(zhì)：動力、熱力擾動性質(zhì)：動力、熱力 擾動方向：水平、垂直、傾斜擾動方向：水平、垂直、傾斜 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)定靜力不穩(wěn)定 切變型（開爾文赫姆霍茨）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（第二類條件不穩(wěn)定（CISKCISK）

3、 慣性浮力（對稱）不穩(wěn)定慣性浮力（對稱）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 其它大氣并無不同，但當它在假設(shè)停滯不動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，就成為了獨立的個環(huán)境大氣中做垂直位移時，就成為了獨立的個 別部分。別部分。 氣塊在任一時刻都處在平衡態(tài)，氣體的狀態(tài)方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。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 界始終無熱量和質(zhì)量交換。界始終無熱量和質(zhì)量交換。 （2 2）準靜態(tài)條件：升降運動中的任一時刻，氣塊）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)境空氣的壓強相等的壓強與同高度的環(huán)境空氣的壓強相等 （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：雷暴等對流性天氣雷暴等對流性天氣 基于氣塊法基于氣塊法 雷暴和強風(fēng)暴系統(tǒng)都是對流現(xiàn)象，而對流運動的雷暴和強風(fēng)暴系統(tǒng)都是對流現(xiàn)象，而對流運動的 主要作用是主要作用是浮力浮力。浮力越強，產(chǎn)生的上升運動越。浮力越強，產(chǎn)生的上升運動越 強

5、，雷暴的垂直發(fā)展越高。強，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，又稱層結(jié)穩(wěn)定度層結(jié)穩(wěn)定度。 對流：氣象上指由于對流：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)定度分類靜力穩(wěn)定度分類 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：促進促進氣塊垂直運動氣塊垂直運動 氣塊等速運動氣塊等速運動層結(jié)層結(jié)中性中性：不促進不促進/ /不抑制不抑

6、制氣塊垂氣塊垂 直運動直運動 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動氣塊垂直運動 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)境大氣滿足靜力平衡一般情況下，環(huán)境大氣滿足靜力平衡 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 探空測得，局地變化量，不是常數(shù)探空測得，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 實際大氣往往是靜力穩(wěn)定的。對流活動一般并不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，

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：對于未飽和濕空氣而言，氣層是條件性不穩(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。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) 絕對不穩(wěn)定絕對不穩(wěn)定(干絕熱不穩(wěn)定干絕熱不穩(wěn)定) 絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定 絕對穩(wěn)定絕對穩(wěn)定 條件性不穩(wěn)定條件性不穩(wěn)定 4、對流性不穩(wěn)定、對流性不穩(wěn)定 氣塊理論氣塊理論氣層本身是靜止的。實際大氣常被氣層本身是靜止的。實際大氣常被 整層抬升整層抬升（如氣流過山，空氣

9、沿著鋒面抬升）（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)定性不論氣層原先的層結(jié)穩(wěn)定性如何，在其被抬升達如何，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。對流性中性。 上干下濕上干下濕的條件性穩(wěn)定氣層，甚至是絕對穩(wěn)定的的條件性穩(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)椴粴鈱樱ㄈ缬心鏈兀?，?jīng)過整層抬升，可能變?yōu)椴?穩(wěn)定。穩(wěn)定。 對流性不穩(wěn)定判據(jù)對流性不穩(wěn)定判據(jù) 用假相當位溫、相當位溫、假濕球溫度表示用假相當位

10、溫、相當位溫、假濕球溫度表示 對流性穩(wěn)定對流性穩(wěn)定 對流性不穩(wěn)定對流性不穩(wěn)定 對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較 【相同點】【相同點】 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) 化成真實的不穩(wěn)定化成真實的不穩(wěn)定 對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較對流性不穩(wěn)定和條件性不穩(wěn)定比較 【不同點】【不同點】 觸發(fā)機制，天氣特征觸發(fā)機制，天氣特征 對流性不穩(wěn)定：需要有對流性不穩(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。造成的對流性天氣往的配合或地形的抬升作用。造成的對流

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)機制外，條件性不穩(wěn)定：除了上述觸發(fā)機制外，局地局地的熱的熱 對流或動力因子對空氣的抬升也可以將不穩(wěn)定釋對流或動力因子對空氣的抬升也可以將不穩(wěn)定釋 放，從而造成放，從而造成局地性的對流天氣局地性的對流天氣。 中尺度不穩(wěn)定的分類中尺度不穩(wěn)定的分類 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、尺度自激過程，如積云（中尺度自激過程，如積云/ / 重力波正反饋重力波正反饋) ) 動力不穩(wěn)定動力不穩(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） 對稱不穩(wěn)定（干空氣水平切變和垂直切變引起的不穩(wěn)定）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）開爾文赫姆霍茨不穩(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“動態(tài)動態(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)定只有只有在對流發(fā)生前在

13、對流發(fā)生前 才有意義，降水過程中，大氣一般處于中性熱才有意義，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)定力層結(jié)，降水趨于結(jié)束時，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“動態(tài)動態(tài)”變化表明變化表明預(yù)報中需要特預(yù)報中需要特 別關(guān)注兩個問題別關(guān)注兩個問題： （1 1）對流發(fā)生前層結(jié)穩(wěn)定度隨時間的變化（）對流發(fā)生前層結(jié)穩(wěn)定度隨時間的變化（6 6 小時、小時、1212小時的變化趨勢比當前的不穩(wěn)定指數(shù)小時的變化趨勢比當前的不穩(wěn)定指數(shù) 更有價值）更有價值） （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、 差動平流）差動平流）

14、熱力不穩(wěn)定熱力不穩(wěn)定的強度只與初始對流強度有關(guān)，的強度只與初始對流強度有關(guān)，與與 對流能否發(fā)展和維持無關(guān)對流能否發(fā)展和維持無關(guān) 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 動力不穩(wěn)定大體可分為四類：慣性不穩(wěn)定（與渦度或動力不穩(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)）、水平風(fēng)切變對應(yīng)）、 K-HK-H不穩(wěn)定不穩(wěn)定( (開爾文開爾文- -亥姆霍茨不穩(wěn)亥姆霍茨不穩(wěn) 定，與垂直切變對應(yīng)定，與垂直切變對應(yīng)) )、 對稱不穩(wěn)定（對稱不穩(wěn)定（SISI，又稱斜升不，

15、又稱斜升不 穩(wěn)定穩(wěn)定-與干空氣的水平切變環(huán)境中的垂直切變對應(yīng)）、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（條件性對稱不穩(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） 不同的強對流天氣現(xiàn)象的發(fā)展、移動與動力層結(jié)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(fēng)一度有直接關(guān)系，例如龍卷、大雹、強烈的雷暴大風(fēng)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 更大的方向移動更大的方向移動 “ “相對風(fēng)暴螺旋度相對風(fēng)暴螺旋度”的概念其實是一個很好表述對稱的概念其實是一個很好表述對稱 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)”是一個熱力是一個熱力/ /動力穩(wěn)定度的組合動力穩(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)