大气科学基础课件§5大气静力稳定度

对饱和湿空气而言
'
dT dz
s
静力稳度定判椐为：
>
静力不稳定
γ = γs <
静力中性 静力稳定
综合未饱和及饱和湿空气的静力稳定度判椐，有以 下3种情况：
(1) γ> γd ，对未饱和以及饱和大气，层结均不稳定 ，称为“绝对不稳定”；
(2) γ< γs ，对未饱和以及饱和大气，层结均稳定， 称为“绝对稳定”
在实际天气预报中，以下几种情况常值得注意： ✓ 在高层冷中心或冷槽与低层暖中心叠置的区域，
可能会有雷暴的发生；
✓ 冷锋过山时，若背风坡低层由暖湿空气控制，常 有雷暴的发生（夏季太行山东侧常出现此情形）
✓ 高层干平流与低层湿平流叠置的区域，常有雷暴 发生；
✓ 冷空气入侵后，如果低层有浅薄热低压接近或者 有显著的暖平流时，容易诱发雷暴发生。
• 逆温层的作用
✓ 强对流爆发前夕，在中 低层常有逆温层的存在；
✓ 阻止水汽、热量上传， 使其在低层不断积累；
✓ 一旦逆温层被破坏（通 过地面加热、整层抬升等） ，强对流天气便会发生。
思考题
1. What is “absolutely stable”? 2. What is “absolutely unstable”? 3. What is “conditionally unstable”? 4. What is “conventionally unstable”? 5. What is dry adiabatic process and moist
(1) 开始时气块的上下端 都按照干绝热上升
(2) 由于气层底部湿度较
P
大而先达到饱和状态
，按湿绝热上升，温
度递减率下降
(3) 气层上部湿度较小仍 未饱和，按照干绝热 过程上升
(4) 因为气块上下按不同 的递减率上升，导致
层结发生变化，最终 导致不稳定的发生
T
气块被整层抬升而引起大气层结变化
✓ 由上述的描述可见，“条件不稳定”针对的是 气块；“对流不稳定”针对的是气层。
(
i
)dz
其中，
Tz;i
dT dz
环境温度垂直 递减率
气块绝热运动时 的温度递减率
dw' g dt T
(
i
)dz
✓ 当 γ 大于 γi ，垂直加速度的方向与气块位移方
向相同，表明气层层结不稳定。
✓ 当 γ 等于γi ，气块作等速运动，气层层结属于中
性平衡。
✓ 当 γ 小于 γi ，垂直加速度的方向与气块位移方
midnight
Open question 2: How is the seasonal evolution of the air instablity?
neutral
stable
unstable
winter
Spring and aut稳定
(3) γs <γ<γd ，对未饱大气，层结是稳定的；但对于 饱和湿空气而言，则是不稳定的，称为“条件不 稳定”
为了区别与后来提出的“第二类条件不稳定 ”(CISK-Conditional Instability of Second Kind)，这 里的条件不稳定又被称为“第一类条件不稳定”
• 绝对稳定
• 绝对不稳定
• 条件不稳定
lnP
对流上限
凝结高度 干绝热过程
湿绝热过程 自由对流高度
T
T-lnP图上层结曲线与状态曲线
Open question 1: How is the diurnal evolution of the air instablity?
neutral
stable
unstable
✓ 后来有人(E. Palman and C. W. Newton)把“条件 不稳定”(Conditional Instability)和“对流不稳定” (Convective Instability) 综合起来，统称为“位势不 稳定”(Potential Instability)
✓ 有利于位势不稳定层结建立的有利因素包括： 高层干冷空气平流、低层暖湿平流、地面辐射加热
§5 大气静力稳定度
• 一些基本的概念 稳定、不稳定、干绝热过程、湿绝热过程
✓ Stable versus Unstable
Stable equilibrium
Unstable equilibrium
d dw teii gTiT eTe g
✓ 若气块比周围空气暖时，可获得向上的加速度； ✓ 若气块比周围空气冷时，可获得向下的加速度； ✓ 若气块与周围空气无温差时，气块的垂直加速度
adiabatic process？
向相反，表明气层层结稳定。
如果气块是干空气，或者是未饱和的湿空气
i
dT dz
d
静力稳定度判据为：
> γ = γd
<
静力不稳定 静力中性 静力稳定
• 条件不稳定
✓ 实际大气中，除了贴地气层以外，γ>γd的干绝 热不稳定是很少出现的；
✓ 饱和湿空气由于凝结潜热的释放，使气块受到的
浮力增加，即使在γ>γd的情况下，也可能出现不稳 定；
上述层结稳定度的气块理论中，只考虑气块在气 层中的浮升，而气层本身是静止的。当整层大气 被抬升，其情形又会如何呢？
——这便是对流不稳定所考虑的问题
✓ 气层被抬升后，其层结会发生变化；
✓ 即使原来是绝对稳定的层结，被抬升后仍然会 满足层结不稳定的条件；
✓ 这种气层被抬升后出现的不稳定便是对流不稳 定。
为零。
• 静力稳定度
气块在某一高度受到某种垂直冲击力后上升到上升
dz距离
d w T i0 id T z0 e dg z T i0 T 0g e igd
dt
T e
T e
T e
上式第二项表示气块垂直运动已产生时能否继续发 展。
1 dw dz(dt)2
g(
Te
i)
即：
dw' g
dt T