《大气静力稳定度》课件

大气静力稳定度大气静力稳定度是指大气层抵抗垂直运动的能力。稳定度会影响天气现象，如云的形成、降水、大气污染等。导论1大气静力稳定度的重要性大气静力稳定度是天气和气候变化的重要因素之一.2影响天气和气候影响降雨、云层形成、污染物扩散等天气现象.3对航空气象的影响影响飞机飞行安全，并对航路选择和飞行效率产生影响.1.1大气静力稳定度的概念定义大气静力稳定度是指大气层对垂直运动的抵抗能力。垂直气流当空气块垂直移动时，受到周围空气压力的影响，温度和密度会发生变化。稳定性如果空气块受到扰动后，能够恢复到原来的位置，则称该大气层为稳定的。不稳定性如果空气块受到扰动后，能够继续向上或向下运动，则称该大气层为不稳定的。1.2大气静力稳定度的重要性影响天气现象静力稳定度影响云的形成和发展，进而影响降雨、雷暴等天气现象。影响大气污染扩散大气静力稳定度影响空气污染物的扩散和积累，对空气质量有重要影响。影响航空气象静力稳定度影响大气湍流和风切变，对飞行安全和航路选择至关重要。大气参数与静力稳定度大气静力稳定度受大气参数影响。关键参数包括温度、水汽、密度等。2.1温度梯度定义温度梯度是指气温随高度的变化率。它是衡量大气层稳定性的重要指标之一。温度梯度通常用每千米高度的温度变化来表示，单位为摄氏度/千米。影响因素温度梯度受多种因素影响，包括太阳辐射、地表性质、大气环流等。例如，在晴朗的白天，太阳辐射使近地面气温升高，导致温度梯度较大。2.2水汽梯度水汽梯度水汽梯度是指大气中水汽含量随高度的变化率。露点温度是指空气中水汽达到饱和时的温度。水汽梯度与大气稳定度密切相关。水汽梯度决定了云的形成和发展。2.3大气密度随高度的变化随着高度的增加，大气密度逐渐减小，这是因为大气压强随着高度的增加而减小，导致气体分子之间的距离增加。大气静力稳定度的判别大气静力稳定度是描述空气层稳定程度的关键参数，它决定了大气中的各种现象，如云的形成、空气污染扩散、以及天气变化。3.1Brunt-Väisälä频率定义Brunt-Väisälä频率，也称为大气静力稳定度频率，它表示空气块在受到扰动后垂直振荡的频率。该频率的平方与大气静力稳定度成正比，因此可以用来判断大气稳定度。计算公式Brunt-Väisälä频率的计算公式如下：N²=(g/ρ)(dρ/dz)+g(dθ/dz)其中，g为重力加速度，ρ为空气密度，θ为空气位温，z为高度。3.2Richardson数11.定义Richardson数是用来衡量大气静力稳定度的一个重要参数，它表示浮力与风切变之间的比率。22.公式Ri=(g/θ)(∂θ/∂z)/(∂u/∂z)^2，其中g是重力加速度，θ是位温，z是高度，u是风速。33.意义Ri值可以帮助判断大气是否稳定，Ri值越大，大气越稳定，Ri值越小，大气越不稳定。44.应用Richardson数在气象预报、航空气象、大气污染扩散等领域都有广泛的应用。3.3不同稳定度情况下的特征大气静力稳定度可分为三种情况：稳定、不稳定和中性。稳定大气中，气块向上移动后，密度大于周围空气，会受到浮力作用而下沉，最终回到原位。不稳定大气中，气块向上移动后，密度小于周围空气，会受到浮力作用而继续上升，直至达到平衡。中性大气中，气块向上移动后，密度与周围空气相等，不会受到浮力作用，保持原有状态。大气边界层中的静力稳定度大气边界层是地球表面和自由大气之间的过渡区域，受地表摩擦、热量和水汽交换的影响，其静力稳定度对天气和气候有着重要的影响。4.1地表摩擦对静力稳定度的影响地面摩擦力会减缓风速,形成边界层。边界层内气流受到摩擦影响,湍流增强。湍流增加热量和动量交换,降低气温,影响静力稳定度。4.2辐射过程对静力稳定度的影响太阳辐射太阳辐射加热地表，导致地表温度升高，形成对流层低层的气温逆增。夜间辐射冷却夜间，地表辐射冷却，导致地表温度下降，形成对流层低层的气温逆温层。5.静力稳定度与云的形成大气静力稳定度直接影响着云的形成和发展。当空气处于不稳定状态时，暖湿空气上升，冷却凝结，形成对流云。稳定的大气条件下，空气不易上升，云的形成主要受其他因素，例如锋面抬升或地形抬升影响。5.1对流云的形成对流云形成于不稳定的空气中。11.不稳定空气地面受热，空气上升22.对流上升上升空气冷却，水汽凝结33.云体形成云体逐渐增长，形成对流云当空气处于不稳定状态时，较热的空气上升，较冷的空气下降，形成对流运动。5.2层状云的形成稳定大气层层状云通常形成于稳定的大气层，空气垂直运动受阻，导致水汽缓慢凝结。水平运动稳定层中的空气主要以水平运动为主，导致水汽逐渐累积，形成云层。云层特征层状云通常呈片状或层状，颜色灰白或暗灰色，云层较薄，透光性较好。常见类型高层云高积云层积云静力稳定度与空气污染扩散大气静力稳定度对空气污染物的扩散和分布有显著影响。不同静力稳定度条件下，污染物扩散模式差异很大。6.1逆温层对污染物扩散的影响大气稳定度逆温层是气温随高度升高的现象，形成一层稳定的大气层。污染物滞留逆温层阻止污染物垂直扩散，使污染物在低层大气中积累，造成严重空气污染。污染物累积逆温层使污染物浓度增加，导致雾霾等现象，对人体健康造成危害。6.2不同稳定度下的污染扩散特征稳定大气污染物扩散缓慢，垂直方向上扩散有限。污染物主要在低层大气中积累，容易造成局部地区严重污染。不稳定大气污染物扩散迅速，垂直方向上扩散范围大。污染物容易被抬升到高层大气，污染程度相对较低。中性大气污染物扩散介于稳定和不稳定之间。污染物扩散速度适中，垂直方向上扩散程度也较为适中。静力稳定度对航空气象的影响大气静力稳定度对航空气象有重要影响，影响飞行安全和航路选择。7.1对飞行安全的影响湍流大气静力稳定度影响湍流强度，湍流会对飞机造成颠簸，影响飞行安全。能见度静力稳定度影响云的形成，云会降低能见度，影响飞行安全。7.2对航路选择的影响11.飞行安全静力稳定度影响空气湍流，湍流可能导致飞机颠簸，影响飞行安全。22.燃油效率稳定大气层有利于飞机平稳飞行，减少燃油消耗，提高燃油效率。33.航线规划根据静力稳定度信息，选择最佳航线，避免穿越湍流区域，提高飞行效率。数值模式中的静力稳定度参数化数值天气预报模式需要将大气静力稳定度纳入模型，以模拟大气过程。静力稳定度参数化方案在模式中模拟大气稳定度的变化，例如对流混合过程。8.1PBL方案中的静力稳定度参数化参数化方案PBL方案是数值天气预报模型中重要的组成部分，负责模拟大气边界层内的物理过程。静力稳定度参数化静力稳定度参数化是PBL方案中不可或缺的一部分，它描述了大气层结对边界层湍流的影响。模型模拟参数化方案通过简化的数学公式，模拟了静力稳定度的影响，并将其应用于数值预报模型。8.2数值模式中静力稳定度的评估评估数值模式中的静力稳定度参数化方案的准确性，可以使用观测资料或其他数值模式的模拟结果进行比较。分析静力稳定度参数化方案对模拟结果的影响，例如对气温、湿度、风速等要素的影响。研究静力稳定度参数化方案的改进策略，例如考虑不同地形、边界层条件的影响，以及更复杂的物理过程。总结与展望本课程讲解了大气静力稳定度的基本概念，并阐述了其在气象学、环境科学和航空气象学等领域的应用。课程内容涵盖了静力稳定度的判定方法、对天气现象和污染扩散的影响，以及数值模式中对静力稳定度的参数化等。9.1本课程的主要内容大气静力稳定度的概念介绍大气静力稳定度的定义、重要性以及与大气运动的关系。大气静力稳定度的判别方法重点讲解了Brunt-Väisälä频率和Richardson数这两个重要判别指标。静力稳定度与天气现象详细分析了静力稳定度对云的形成、空气污染扩散和航空气象的影响。数值模式中的静力稳定度参数化介绍了数值模式中如何模拟和处理静力稳定度，以