大气静力稳定度
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• 条件性不稳定：除了上述触发机制外，局地的热对 流或动力因子对空气的抬升也可以将不稳定释放， 从而造成局地性的对流天气。
第三十九页，课件共43页。
中尺度不稳定的分类
• 热力不稳定
静力稳定度（温度随高度的变化） 条件性稳定度（湿空气温度随高度的变化） CISK（大尺度与积云相互作用） Wave CISK（中尺度自激过程，如积云/ 重力波正反馈)
第十五页，课件共43页。
第十六页，课件共43页。
2.2 垂直温度递减率
• 环境的垂直温度递减率：环境大气（气层）温度随 高度的变化率
• 探空测得，局地变化量，不是常数
• 环境温度随高度变化
第十七页，课件共43页。
气块的垂直温度递减率
• 湿空气上升单位距离、温度降低的数值
第十八页，课件共43页。
• 上干下湿的条件性稳定气层，甚至是绝对稳定的气层 （如有逆温），经过整层抬升，可能变为不稳定。
第三十三页，课件共43页。
第三十四页，课件共43页。
对流性不稳定判据
• 用假相当位温、相当位温、假湿球温度表示
第三十五页，课件共43页。
对流性稳定
第三十六页，课件共43页。
对流性不稳定
第三十七页，课件共43页。
第二页，课件共43页。
大气的不稳定性
• 大气的不稳定性或者稳定性，是指处于某种平衡状 态下的气流受到一个扰动后，扰动增强或者减弱的 趋向。
• 扰动性质：动力、热力
• 扰动方向：水平、垂直、倾斜
第三页，课件共43页。
• 许多对流现象和中尺度对流系统的发生发展都与大气的 不稳定性相联系
• 尺度为几千米至十几千米的小扰动或积云对流
• 热力不稳定的“动态”变化表明预报中需要特别关 注两个问题：
（1）对流发生前层结稳定度随时间的变化（6小时、 12小时的变化趋势比当前的不稳定指数更有价值）
（2）不同高度上温、湿度的平流作用（平流、差 动平流） • 热力不稳定的强度只与初始对流强度有关，与对 流能否发展和维持无关
第四十一页，课件共43页。
对流性不稳定和条件性不稳定比较
• 【相同点】
• 都是潜在性不稳定
• 需要一定的外加抬升力才能使得潜在的不稳定转化 成真实的不稳定
第三十八页，课件共43页。
对流性不稳定和条件性不稳定比较
• 【不同点】
• 触发机制，天气特征
• 对流性不稳定：需要有天气尺度系统（如锋面）的 配合或地形的抬升作用。造成的对流性天气往往比 较剧烈，水平范围也大。
条件性不稳定
第三十一页，课件共43页。
第三十二页，课件共43页。
4、对流性不稳定
• 气块理论——气层本身是静止的。实际大气常被整 层抬升（如气流过山，空气沿着锋面抬升）
• 不论气层原先的层结稳定性如何，在其被抬升达到 饱和后，如果是稳定的，称为对流性稳定，如果不 稳定，称为对流性不稳定，如果中性，称为对流性 中性。
第四十二页，课件共43页。
思考题
1、静力稳定度概念，静力稳定、不稳定、中性的物 理含义
2、静力稳定度判据 3、条件性不稳定判据 4、对流性不稳定判据 5、会从T－lnP 上判别静力稳定度、条件性不稳定 6、举例说明什么样的层结容易发生对流性不稳定，
为什么
7、条件性不稳定和对流性不稳定的异同
第四十三页，课件共43页。
• 条件性不稳定：对于未饱和湿空气而言，气层是静力 稳定的，但当空气饱和后，对于饱和湿空气而言，气 层是静力不稳定的。
第二十六页，课件共43页。
条件不稳定判据
第二十七页，课件共43页。
绝对不稳定(干绝热不稳定)
第二十八页，课件共43页。
绝对稳定
第二十九页，课件共43页。
绝对稳定
第三十页，课件共43页。
静力不稳定 切变型（开尔文－赫姆霍茨）不稳定 • 尺度为十几至几百千米的中尺度云团或雨带 第二类条件不稳定（CISK） 惯性－浮力（对称）不稳定
第四页，课件共43页。
1、气块法
• 稳定度分析最基本的方法是气块法 • 气块是大气的一部分，初始状态与同高度上的其它大
气并无不同，但当它在假设停滞不动的环境大气中做 垂直位移时，就成为了独立的个别部分。
2.1.1 环境大气 一般情况下，环境大气满足静力平衡
第九页，课件共43页。
水平方向—受力平衡
第十页，课件共43页。
垂直向上－气压梯度力
第十一页，课件共43页。
垂直向下－重力
第十二页，课件共43页。
垂直方向－受力平衡
第十三页，课件共43页。
2.1.2 气块
• 单位体积的气块
第十四页，课件共43页。
2.3 静力稳定度判据
第十九页，课件共43页。
静力不稳定
第二十页，课件共43页。
静力稳定
第二十一页，课件共43页。
中性
第二十二页，课件共43页。
位温表示的静力稳定度判据
第二十三页，课件共43页。
静力稳定
第二十四页，课件共43页。
静力不稳定
第二十五页，课件共43页。
3、条件不稳定
• 实际大气往往是静力稳定的。对流活动一般并不是直 接由静力不稳定造成，而通常是由“条件性不稳定” 造成。
• 动力不稳定层结是对流能否发展和维持的关键因素---其核心因 素就是水平切变（涡度）和垂直切变
• 动力不稳定大体可分为四类：惯性不稳定（与涡度或水 平风切变对应）、 K-H不稳定(开尔文-亥姆霍茨不稳定， 与垂直切变对应)、 对称不稳定（SI，又称斜升不稳定---与干 空气的水平切变环境中的垂直切变对应）、条件性对称不 稳定（CSI，湿空气中的斜升不稳定）
• 气块在任一时刻都处在平衡态，气体的状态方程 和热力学第一定律适用。
第五页，课件共43页。
气块法假定
• （1）绝热条件：气块在升降中做绝热变化，与外界始终
无热量和质量交换。
• （2）准静态条件：升降运动中的任一时刻，气块 的压强与同高度的环境空气的压强相等
• （3）静力平衡条件：环境空气（气层）静止
许多对流现象和中尺度对流系统的发生发展都与大气的不稳定性相联系尺度为几千米至十几千米的小扰动或积云对流静力不稳定切变型开尔文赫姆霍茨不稳定尺度为十几至几百千米的中尺度云团或雨带第二类条件不稳定cisk惯性浮力对称不稳定第四页课件共43页
大气静力稳定度
第一页，课件共43页。
（不）稳定性
任何一个物体的（不）稳定性可分为3种不同的状态
第六页，课件共43页。
2、静力稳定度
• 适用：雷暴等对流性天气 • 基于气块法
雷暴和强风暴系统都是对流现象，而对流运动的主 要作用是浮力。浮力越强，产生的上升运动越强， 雷暴的垂直发展越高。 • 静力稳定度：反映气块在特定大气层结中所受浮力状 况，又称层结稳定度。 • 对流：气象上指由于浮力作用导致的垂直方向的热传
• 动力不稳定
惯性不稳定（涡度或水平风切变） 对称不稳定（干空气水平切变和垂直切变引起的不稳定） 条件性对称不稳定（湿空气的水平切变和垂直切变) 开尔文－赫姆霍茨不稳定（垂直切变中的不稳定）
பைடு நூலகம்第四十页，课件共43页。
• 热力不稳定是“瞬变”量，需要“动态”地看待稳 定度变化--- 热力不稳定只有在对流发生前才有意义 ，降水过程中，大气一般处于中性热力层结，降 水趋于结束时，大气一般处于稳定层结
• 不同的强对流天气现象的发展、移动与动力层结稳定度 有直接关系，例如龙卷、大雹、强烈的雷暴大风一般在 低空强烈的垂直切变环境中发展，并向垂直切变更大的 方向移动
• “相对风暴螺旋度”的概念其实是一个很好表述对称不 稳定（SI）的物理参量（v·du/dz-u·dv/dz)，而理论导 出的“理查森数”是一个热力/动力稳定度的组合参量
输
第七页，课件共43页。
静力稳定度分类
不稳定
静力 中性 稳定
如果气层中任选一气块，气块受到垂直方向的冲击力
气块加速浮升——层结不稳定：促进气块垂直运动 气块等速运动——层结中性：不促进/不抑制气块垂
直运动 气块回归原位——层结稳定：抑制气块垂直运动
如何判断层结的稳定性？
第八页，课件共43页。
2.1 环境大气和气块垂直方向的受力分析
第三十九页，课件共43页。
中尺度不稳定的分类
• 热力不稳定
静力稳定度（温度随高度的变化） 条件性稳定度（湿空气温度随高度的变化） CISK（大尺度与积云相互作用） Wave CISK（中尺度自激过程，如积云/ 重力波正反馈)
第十五页，课件共43页。
第十六页，课件共43页。
2.2 垂直温度递减率
• 环境的垂直温度递减率：环境大气（气层）温度随 高度的变化率
• 探空测得，局地变化量，不是常数
• 环境温度随高度变化
第十七页，课件共43页。
气块的垂直温度递减率
• 湿空气上升单位距离、温度降低的数值
第十八页，课件共43页。
• 上干下湿的条件性稳定气层，甚至是绝对稳定的气层 （如有逆温），经过整层抬升，可能变为不稳定。
第三十三页，课件共43页。
第三十四页，课件共43页。
对流性不稳定判据
• 用假相当位温、相当位温、假湿球温度表示
第三十五页，课件共43页。
对流性稳定
第三十六页，课件共43页。
对流性不稳定
第三十七页，课件共43页。
第二页，课件共43页。
大气的不稳定性
• 大气的不稳定性或者稳定性，是指处于某种平衡状 态下的气流受到一个扰动后，扰动增强或者减弱的 趋向。
• 扰动性质：动力、热力
• 扰动方向：水平、垂直、倾斜
第三页，课件共43页。
• 许多对流现象和中尺度对流系统的发生发展都与大气的 不稳定性相联系
• 尺度为几千米至十几千米的小扰动或积云对流
• 热力不稳定的“动态”变化表明预报中需要特别关 注两个问题：
（1）对流发生前层结稳定度随时间的变化（6小时、 12小时的变化趋势比当前的不稳定指数更有价值）
（2）不同高度上温、湿度的平流作用（平流、差 动平流） • 热力不稳定的强度只与初始对流强度有关，与对 流能否发展和维持无关
第四十一页，课件共43页。
对流性不稳定和条件性不稳定比较
• 【相同点】
• 都是潜在性不稳定
• 需要一定的外加抬升力才能使得潜在的不稳定转化 成真实的不稳定
第三十八页，课件共43页。
对流性不稳定和条件性不稳定比较
• 【不同点】
• 触发机制，天气特征
• 对流性不稳定：需要有天气尺度系统（如锋面）的 配合或地形的抬升作用。造成的对流性天气往往比 较剧烈，水平范围也大。
条件性不稳定
第三十一页，课件共43页。
第三十二页，课件共43页。
4、对流性不稳定
• 气块理论——气层本身是静止的。实际大气常被整 层抬升（如气流过山，空气沿着锋面抬升）
• 不论气层原先的层结稳定性如何，在其被抬升达到 饱和后，如果是稳定的，称为对流性稳定，如果不 稳定，称为对流性不稳定，如果中性，称为对流性 中性。
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思考题
1、静力稳定度概念，静力稳定、不稳定、中性的物 理含义
2、静力稳定度判据 3、条件性不稳定判据 4、对流性不稳定判据 5、会从T－lnP 上判别静力稳定度、条件性不稳定 6、举例说明什么样的层结容易发生对流性不稳定，
为什么
7、条件性不稳定和对流性不稳定的异同
第四十三页，课件共43页。
• 条件性不稳定：对于未饱和湿空气而言，气层是静力 稳定的，但当空气饱和后，对于饱和湿空气而言，气 层是静力不稳定的。
第二十六页，课件共43页。
条件不稳定判据
第二十七页，课件共43页。
绝对不稳定(干绝热不稳定)
第二十八页，课件共43页。
绝对稳定
第二十九页，课件共43页。
绝对稳定
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静力不稳定 切变型（开尔文－赫姆霍茨）不稳定 • 尺度为十几至几百千米的中尺度云团或雨带 第二类条件不稳定（CISK） 惯性－浮力（对称）不稳定
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1、气块法
• 稳定度分析最基本的方法是气块法 • 气块是大气的一部分，初始状态与同高度上的其它大
气并无不同，但当它在假设停滞不动的环境大气中做 垂直位移时，就成为了独立的个别部分。
2.1.1 环境大气 一般情况下，环境大气满足静力平衡
第九页，课件共43页。
水平方向—受力平衡
第十页，课件共43页。
垂直向上－气压梯度力
第十一页，课件共43页。
垂直向下－重力
第十二页，课件共43页。
垂直方向－受力平衡
第十三页，课件共43页。
2.1.2 气块
• 单位体积的气块
第十四页，课件共43页。
2.3 静力稳定度判据
第十九页，课件共43页。
静力不稳定
第二十页，课件共43页。
静力稳定
第二十一页，课件共43页。
中性
第二十二页，课件共43页。
位温表示的静力稳定度判据
第二十三页，课件共43页。
静力稳定
第二十四页，课件共43页。
静力不稳定
第二十五页，课件共43页。
3、条件不稳定
• 实际大气往往是静力稳定的。对流活动一般并不是直 接由静力不稳定造成，而通常是由“条件性不稳定” 造成。
• 动力不稳定层结是对流能否发展和维持的关键因素---其核心因 素就是水平切变（涡度）和垂直切变
• 动力不稳定大体可分为四类：惯性不稳定（与涡度或水 平风切变对应）、 K-H不稳定(开尔文-亥姆霍茨不稳定， 与垂直切变对应)、 对称不稳定（SI，又称斜升不稳定---与干 空气的水平切变环境中的垂直切变对应）、条件性对称不 稳定（CSI，湿空气中的斜升不稳定）
• 气块在任一时刻都处在平衡态，气体的状态方程 和热力学第一定律适用。
第五页，课件共43页。
气块法假定
• （1）绝热条件：气块在升降中做绝热变化，与外界始终
无热量和质量交换。
• （2）准静态条件：升降运动中的任一时刻，气块 的压强与同高度的环境空气的压强相等
• （3）静力平衡条件：环境空气（气层）静止
许多对流现象和中尺度对流系统的发生发展都与大气的不稳定性相联系尺度为几千米至十几千米的小扰动或积云对流静力不稳定切变型开尔文赫姆霍茨不稳定尺度为十几至几百千米的中尺度云团或雨带第二类条件不稳定cisk惯性浮力对称不稳定第四页课件共43页
大气静力稳定度
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（不）稳定性
任何一个物体的（不）稳定性可分为3种不同的状态
第六页，课件共43页。
2、静力稳定度
• 适用：雷暴等对流性天气 • 基于气块法
雷暴和强风暴系统都是对流现象，而对流运动的主 要作用是浮力。浮力越强，产生的上升运动越强， 雷暴的垂直发展越高。 • 静力稳定度：反映气块在特定大气层结中所受浮力状 况，又称层结稳定度。 • 对流：气象上指由于浮力作用导致的垂直方向的热传
• 动力不稳定
惯性不稳定（涡度或水平风切变） 对称不稳定（干空气水平切变和垂直切变引起的不稳定） 条件性对称不稳定（湿空气的水平切变和垂直切变) 开尔文－赫姆霍茨不稳定（垂直切变中的不稳定）
பைடு நூலகம்第四十页，课件共43页。
• 热力不稳定是“瞬变”量，需要“动态”地看待稳 定度变化--- 热力不稳定只有在对流发生前才有意义 ，降水过程中，大气一般处于中性热力层结，降 水趋于结束时，大气一般处于稳定层结
• 不同的强对流天气现象的发展、移动与动力层结稳定度 有直接关系，例如龙卷、大雹、强烈的雷暴大风一般在 低空强烈的垂直切变环境中发展，并向垂直切变更大的 方向移动
• “相对风暴螺旋度”的概念其实是一个很好表述对称不 稳定（SI）的物理参量（v·du/dz-u·dv/dz)，而理论导 出的“理查森数”是一个热力/动力稳定度的组合参量
输
第七页，课件共43页。
静力稳定度分类
不稳定
静力 中性 稳定
如果气层中任选一气块，气块受到垂直方向的冲击力
气块加速浮升——层结不稳定：促进气块垂直运动 气块等速运动——层结中性：不促进/不抑制气块垂
直运动 气块回归原位——层结稳定：抑制气块垂直运动
如何判断层结的稳定性？
第八页，课件共43页。
2.1 环境大气和气块垂直方向的受力分析