大气层结稳定度

1、 上次课重要内容上次课重要内容： 1. 湿绝热过程、湿绝热递减率湿绝热过程、湿绝热递减率 2. 假绝热过程、假相当位温假绝热过程、假相当位温 3 . T-lnp图的应用图的应用 本次课主要内容：本次课主要内容： 1. 大气层结稳定度概念、判据大气层结稳定度概念、判据 2. 条件、对流不稳定条件、对流不稳定 3. 局地温度的变化局地温度的变化 淡积云 图中的鬃积雨云正在迅速发展，云的顶部已向左侧伸展成砧状，云的底部已出现降雨。 第五节第五节 大气层结稳定度大气层结稳定度一基本概念一基本概念1大气层结大气层结 2稳定度稳定度3大气层结稳定度大气层结稳定度 大气层结对气块垂直运动的影响趋势和程度。大

2、气层结对气块垂直运动的影响趋势和程度。 可分三种情况：可分三种情况： 稳定平衡态稳定平衡态稳定层结稳定层结 中性平衡态中性平衡态中性层结中性层结 不稳定平衡不稳定平衡态态不稳定层结不稳定层结 二二大气层结稳定度的判定法（大气层结稳定度的判定法（气块法）气块法）当垂直当垂直方向方向有加速度存在时，气块满足的方程：有加速度存在时，气块满足的方程： 当垂直方向加速度为零时，气块是静力平衡的：当垂直方向加速度为零时，气块是静力平衡的：gZp10gZpdtdw1dtdZw0w0w上升上升下沉下沉引入准静力条件：引入准静力条件： 代入气块的垂直方向的运动方程：代入气块的垂直方向的运动方程： （3-15）

3、代入状态方程：代入状态方程：得：得： （3-16） ppgzpzp)(1gggdtdwRTpRTPTTgTTTgdtdw 为气块在垂直方向受到的合外力。为气块在垂直方向受到的合外力。 当当 或或 ，气块有垂直向上的，气块有垂直向上的 加速度。加速度。只有当只有当 换句话说，静力平衡出现在换句话说，静力平衡出现在 或或 的条件下。的条件下。TTgTT 0dtdwgzpTT 可见： 气层是否稳定取决于气块和周围的温度（密度）差。三三 稳定度判据稳定度判据1用用 表示形式表示形式 dtdw0dtdw稳定中性不稳定2用用 、 d （ s ）表示形式）表示形式（1） 干空气及未饱和湿空气干空气及未饱和湿

4、空气 设：起始时刻气块的温度与周围环境大设：起始时刻气块的温度与周围环境大气温度相同。气温度相同。 气温随高度的变化：气温随高度的变化： dzTTdzTTd00气块环境代入（3-16）得： （3-17） （3-18）d0dtdw稳定，不利于上升运动无作用中性，对气块垂直运动有利于上升运动不稳定,dzTgdtdwd)(直接在直接在T-lnp图上进行判断图上进行判断 看状态曲线和层结曲线的位置。看状态曲线和层结曲线的位置。状态曲线：状态曲线： 如如d 、 s线线层结曲线：层结曲线： 如如 线线 dTTT-lnp右侧（稳）层结曲线在状态曲线的合（中）层结曲线与状态曲线重左侧（不）层结曲线在状态曲线的

5、dT(2) 饱和湿空气饱和湿空气 （ 将将 d换成换成 s ） （3-22）P72(3) 实际大气实际大气 绝对不稳定 绝对稳定稳定中性不稳定s)(dssd（必必sd常见：常见：对干空气和未饱和湿空气是稳定的，对对干空气和未饱和湿空气是稳定的，对饱和湿空气是不稳定的。称之为饱和湿空气是不稳定的。称之为条件不条件不稳定稳定。sd3用用 和和 表示的形式表示的形式 P72 将位温的公式代入（3-16）得： （3-20） （3-21）se0z稳定中性不稳定0dtdwdzzgdtdw将假相当位温的公式代入（3-16）得： （3-23）表明：当 和 随高度分布而减小，是不稳定的。0zse稳定中性不稳定0

6、dtdwse四四.不稳定能量与气层稳定度的类型不稳定能量与气层稳定度的类型 不稳定能量不稳定能量 层结曲线与状态曲线所围面积层结曲线与状态曲线所围面积RdRd倍倍1.1.不稳定能量不稳定能量 把净浮力作用使得气块增加的能量，称为不把净浮力作用使得气块增加的能量，称为不稳定能量。稳定能量。)ln()(2121212221pdTTRwwppd 状态曲线在层结曲线的右侧为正的不状态曲线在层结曲线的右侧为正的不稳定能量稳定能量 A+，使气块向上的动能增加。使气块向上的动能增加。 状态曲线在层结曲线的左侧为负的不状态曲线在层结曲线的左侧为负的不稳定能量稳定能量 A-，使气块向上的动能减少。使气块向上的动

7、能减少。稳定型：状态曲线完全在层结曲线的左侧稳定型：状态曲线完全在层结曲线的左侧2.气层稳定度类型气层稳定度类型 真潜不稳定：真潜不稳定：A+ A- 假潜不稳定：假潜不稳定： A+ A-气层不稳定产生的有利条件气层不稳定产生的有利条件: A-小小, 抬升力大抬升力大.暴雨倾盆 南京2008.5.27中午迎来强对流天气 5月27日上午奥运火炬在南京成功传递。在围观火炬传递的群众刚刚离去不久，中午11点时天气逐渐昏暗。12点20分左右南京城电闪雷鸣，暴雨倾盆。天色由白天瞬间变成了夜晚，汽车打开了车灯，行人就近躲雨。 五对流不稳定五对流不稳定1定义定义 P752对流不稳定举例对流不稳定举例（图3-8

8、 a）注意点注意点：抬升前：抬升前：气层的层结气层的层结为为AB（ ），），气层是稳定的气层是稳定的 （ 为为AO）。）。气层上干下湿气层上干下湿ddBAqqsdd整层抬升：整层抬升： A点（气层的底层）湿，先达到饱和：先沿干绝点（气层的底层）湿，先达到饱和：先沿干绝热线上升，到达抬升凝结高度（热线上升，到达抬升凝结高度（O点）后，再沿点）后，再沿湿绝热线上升（虚线）。湿绝热线上升（虚线）。sdd B点（气层的高层）干，后达到饱和：一直沿点（气层的高层）干，后达到饱和：一直沿干绝热线到达干绝热线到达 点达到饱和。此时底层的气点达到饱和。此时底层的气层已沿着湿绝热线到达层已沿着湿绝热线到达了了A

9、点。点。(图）图）B sdd抬升后：抬升后：A B 为整个气层达到饱和时的层结为整个气层达到饱和时的层结曲线（曲线（ 线），可见，线），可见， 气层变气层变 得不稳定得不稳定了。了。ssdd 3对对 流不稳定产生的条件流不稳定产生的条件 （1）气层必须是上干、下湿。）气层必须是上干、下湿。 （2）要有足够的抬升力，使整层抬升）要有足够的抬升力，使整层抬升 达到饱和。达到饱和。4 判据判据对流不稳定是整个气层抬升达到饱和时对流不稳定是整个气层抬升达到饱和时产生的，只要抬升产生的，只要抬升后后的气层满足的气层满足 的条件的条件,对流不稳定就会出现对流不稳定就会出现.而要满足上述条件，气层在抬升而要

10、满足上述条件，气层在抬升前前又必又必须是上干、下湿的特征须是上干、下湿的特征 即即 ： 必有必有 ：，BAqq 0zses对流稳定度的判据：对流稳定度的判据：实际计算实际计算例：例：当：当：se对流稳定中性对流不稳定0zsese700500)()(sesese对流稳定对流不稳定0se第七节第七节 局地温度变化的影响因素分析与判断局地温度变化的影响因素分析与判断一热流量方程一热流量方程热力学第一定律（热力学第一定律（3-3）两端）两端 得得P75公式：公式：表明了单位质量空气表明了单位质量空气,在单位时间内得（失）热在单位时间内得（失）热量与温度和气压变化之间的关系。量与温度和气压变化之间的关系

11、。dt1dtdppRTdtdTcdtdQp 其中：其中： 为全微分算子为全微分算子 为水平风速为水平风速 为水平算子为水平算子 表明：表明：个别变化为局地、平流个别变化为局地、平流 、对流变化之和。、对流变化之和。 zwyvxutdtd2Vjyix2zwVtdtd22kwVkwjviuV2全风速对对T作用作用 ： p76 将上两式代入热流量方程中去：将上两式代入热流量方程中去： zTwTVtTdtdT22wRTpggwdtdzdzdpdtdp用状态方程代入dtdppRTdtdTcdtdQp经整理得：经整理得： （3-42） 为热流量方程的另一种形式。为热流量方程的另一种形式。二二.影响温度局地

12、变化的因素影响温度局地变化的因素取决于三个因子：取决于三个因子： 温度平流、温度平流、 层结稳定度与垂直速度的共同作用、层结稳定度与垂直速度的共同作用、 热量的得失热量的得失 。 dtdQcwTVtTpd1)(2讨论：讨论：短期天气过程：短期天气过程： 大尺度大气：右第二项比较小大尺度大气：右第二项比较小 局地的温度变化与温度的平流变化有关。局地的温度变化与温度的平流变化有关。0dtdQTVtTdtdQcwTVtTpd1)(2三个别、局地、平流变化三个别、局地、平流变化1个别变化个别变化： 表示确定气块在运动过程表示确定气块在运动过程 中，内部状态随时间的变化。中，内部状态随时间的变化。 2

13、局地变化：局地变化： 表示固定地点状态随时表示固定地点状态随时 间的变化。间的变化。 dtdt3平流变化平流变化： 表示表示 由于要素场分布不均匀，空气的水由于要素场分布不均匀，空气的水平运动引起某地状态随时间的变化。平运动引起某地状态随时间的变化。 ：温度平流：温度平流 ： 湿度平流湿度平流 VTV qV 大小大小 为为 与温度梯度与温度梯度 之间的夹角之间的夹角 （ ） 垂直于等温线由高指向低。垂直于等温线由高指向低。cosTVTVVT0180T四.温度平流的判断V0c51015- Ta图3-14 为暖平流，图为暖平流，图3-9（a） 0TV090风由高吹向低温区，使局地气温升高。风由高吹向低温区，使局地气温升高。0c51015- TVc图图3-14 为冷平流，图为冷平流，图3-14（c