第二章大气静力稳定度

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 热传输
第二章 大气静力稳定度
湖北分院 业务培训部 徐丽娅
主要内容
• 1、气块法 • 2、静力不稳定 2.1 静力稳定度的概念 2.2 静力稳定度的判据 2.3 条件性不稳定 2.4 对流性不稳定
（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
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
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？
2.1 环境大气和气块垂直方向的受力分析
2.1.1 环境大气
• 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） • 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
• 湿空气上升单位距离、温度降低的数值
2.3 静力稳定度判据
静力不稳定
静力稳定
中性
位温表示的静力稳定度判据
静力稳定
静力不稳定
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。
• 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。
• 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
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。 • 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。
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
条件不稳定判据
绝对不稳定(干绝热不稳定)
绝对稳定
绝对稳定
条件性不稳定
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。 • 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。
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
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
对流性稳定
对流性不稳定
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
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。
• 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）
• 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 • 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
一般情况下，环境大气满足静力平衡
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 水平方向—受力平衡
垂直向上－气压梯度力
垂直向下－重力
垂直方向－受力平衡
2.1.2 气块
• 单位体积的气块
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
气块的垂直温度递减率
• 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。
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)