大气层结稳定度51页PPT

-lnp γ
γd γ
T T΄ T΄
T
(2) 饱和湿空气 （ 将 γd换成 γs ）
不稳定
s 中性 （3-22）P72
稳定
(3) 实际大气 d s
d (必 s ) 绝对不稳定 （s 必 d ) 绝对稳定
常见：
d s
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。称之为条件不 稳定。
四.温度平流的判断
V T 0 为暖平流，图3-9（a） 90 0
-∇ T
V
0°c
α
5
10
15 a
图3-14
风由高吹向低温区，使局地气温升高。
V T 0
为冷平流，图3-14（c）
90 0
-∇ T 0°c
α c
5
10 V
15
图3-14
风由低吹向高温区，使局地气温降低。
V T 0
为零平流，图3-9 （b） 900 cos900 0
当垂直方向加速度为零时，气块是静力平衡的：
0 1 p g
Z
引入准静力条件： p p' p p' ' g
z z
代入气块的垂直方向的运动方程：
dw 1 ' g g g ( ' )
dt
（3-15）
代入状态方程： ' p P
RT'
RT
得：
dw g T T ' g T
层结稳定度与垂直速度的共同作用、
热量的得失 。
T t
V 2T
( d
)w
1 cp
dQ dt
讨论：
短期天气过程： dQ 0
dt
大尺度大气：右第二项比较小

midnight
Open question 2: How is the seasonal evolution of the air instablity?
neutral
stable
unstable
winter
Spring and autumn
summer
• 不稳定能量
• 对流不稳定及位势不稳定
(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
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；
• 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

运用气块模型,令气块离开平衡位置作微小的虚拟位 移,如果气块有回到原平衡位置的趋势,则这种大气 层结是稳定的.
如果气块既不远离平衡位置也无返回原平衡位置的 趋势,而是随遇平衡,就是中性的.
如果气块到达新位置后有继续移动的趋势,则此气层 的大气层结是不稳定的,它表明稍有扰动就会导致垂 直运动的发展.
平衡高度
自由对流高度 B
潜在不稳定型〔不同高度
T
与Tve关系不同〕,分
v
为：
真潜不稳定型〔"+">"—"〕
特点：在这种气层中,其底部只要受 到较强的扰动,迫使气块移到自由对流高 度B以上,气块的上升运动得到发展,其称 为真潜不稳定型；
ln<p00/p>
真潜不稳定型
p4
E
平衡高度
对流有效位 能CAPE
2、静力稳定度仅指气块处在该气层中,铅直 运动发展的趋势与可能；
3、稳定气层中可以有对流运动,但不利于对 流发展；不稳定气层中若无扰动,亦不可能 发展对流,但利于对流发展.
大气的垂直运动产生,主要决定于两个原因:一个是动力 原因,一个是热力原因.
动力原因: 飞机飞过,高山阻档,槽前和槽后等
热力原因 由于地表面局部受热不均匀,使得近地面层的空气温 度在水平方向上分布不均,温度较高的空气就因密度较小而 上升,周围较冷空气因密度较大而下沉补尝.
E'
E
平衡高度
se0
seH q0
自由对流高度 B Hc 0
1 H
P〔E'〕 P〔E〕
P<H> P<Hc>
p0
Td0
T0 T1 Tg
T
5.2.3 热雷雨的预报〔1〕

稳定气层：
气块在受扰后， 有一铅直虚位移，若 气块到达新位置后有 返回原来位置的趋势， 则为稳定气层；
中性气层：
气块在受扰后，有一 铅直位移，若气块到达新 位置后既无离开又无返回 原来位置的趋势，则为中 性气层；（随遇平衡）
不稳定气层：
气块在受扰后，有一铅直 虚位移，若气块到达新位置 后有离开原来位置的趋势， 则为不稳定气层；

1、当 T T e 时，则 暖时，可获得向上的加速度。 d w 2、当 T T e 时，则 d t 0。说明若气块比周围空气 冷时，将获得向下的加速度。 d w 3、若 T T e 时， d t 0 。说明气块与周围空气无温 差时，气块的垂直加速度为零。
d w 0 。说明若气块比周围空气 d t
不稳定 中性 稳定
-㏑P
γd
γ T
γ
γd T
稳定大气
-㏑P
不稳定大气
γd
γ T
中性大气

现举例说明：设有A、B、C 三团空气，均未饱和，其位置都在 离地200m的高度上，在作升降运动时其温度均按干绝热直减率 变化，即1℃/100m。而周围空气的温度直减率γ分别为 0.8℃/100m、1℃/100m 和1.2℃/100m，则可以有三种不同的 稳定度（图2· 25）：
T T d w v ve B g d t T ve

单位质量 空气净浮力
考虑净浮力做功以及气块动能变化
T T d w v ve d z g d z d t T ve
5.2.1气层的不稳定能量（2）

利用dz=w dt ，由z0到z积分 ：
z T T 1 2 12 v ve w w Δ E g d z 0 k z 2 2 T 0 ve 右边：净浮力将单位质量空气从z0移到z所作的功。 左边：转化成气块的动能增量，以Ek表示 若气块温度高于环境温度，则净浮力为正，气块 的垂直运动动能不断增加；反之，净浮力为负， 气块的动能将减小。 由于气块上升时的温度变化是确定的，因此浮力 的正负取决于厚气层的温度层结。

硝酸、亚硝酸、硝酸盐、亚硝酸盐、硝酸酯
ester、亚硝酸酯和铵盐等。 含 碳 化 合 物 ： CO 、 CO2 、 碳 氢 化 合 物
hydrocarbon等 含烃类卤(C素F化Cs合)化物合：物等CH。3Cl、CH3Br、CH3I、氟氯
1、含硫化合物
1969年Robinson等人报道，地球上全年 SO2的产生量为2.97亿吨。
天然源：海洋中生物的作用、植物叶绿素
chlorophyl的分解、森林中放出萜terpene的
氧化、森林大火以及大气中CH4的光化学氧化和 CO2的光解等，放电作用引起云层中有机物的光 氧化作用，二氧化碳的轻微解离作用，以及种子
发芽burgeon、籽苗生长及人和动物新陈代谢 metabolism过程等等。
人为源：其余都是由于人类活动产生的。
如：氟氯烃类(CFCs)化合物（氟里昂）可用作冰 箱制冷剂、喷雾器中的推进剂、溶剂和塑料起泡 剂等。CFCs完全由人为产生。
最常用的氟里昂是二氟二氯甲烷（F－12）和一 氟三氯甲烷（F－11）。
➢ NOx能和碳氢化合物生成光化学烟雾。
➢ 特点：
➢ 城市空气中的NOx含量大约高出全球平均值2个 数量级。
➢ NOx的浓度变化受季节和气象因素影响：一般冬 季高于夏季；取暖期高于非取暖期。
➢ NOx的汇：
➢ 被土壤和植被吸收； ➢ 转化成HNO3和硝酸盐而去除。
3、含碳化合物
CO
人为源：含碳燃料的不完全燃烧，或者是内燃机 在高温、高压的条件下燃烧。
各类工业企业向大气中排放的主要污染物质
环境化学中主要研究化学污染物，不涉及 物理污染物、较少涉及生物污染物，因为 后两者分别属于环境物理学和环境医学的 范畴。
大气污染化学中主要讨论氮氧化物、碳氧 化物、含硫化合物、颗粒物、挥发性有机 物等大气污染物。

880 17
700 -1
600 -18
500 -25
第一项：气块在起始高度时内外温差引起的 垂直加速度。 第二项：周围大气的温度递减率和气块本身 温度递减率的差别而引起的垂直加速度。 大气稳定度基本判别式：
dT T0 T0 r z dz dz g Tz dT r z dz dw T0' T0 dz 整理 : g g dt Tz Tz
(
rd
0)
t℃
1 dw g (r rm ) dz dt Tz
②、气块作湿绝热运动时，大气稳定 度的判据。
1 . r rm
1 dw 0 大气层结不稳定 dz dt
-lnp rm -lnp rm
-lnp rm r t℃
r
r 2)、 r=rm 中性 t℃
r<rm
t℃ 稳定
说明：气层对湿绝热运动的气块是 不稳定的。
( se 0)
se ( 0)
se ( 0)
③、结合干、湿绝热过程，大气稳定度判据。
1 . 当r rd (r rd rm ) 大气绝对不稳定和 se 0) ( 0
1、定义：气块受到垂直方向上扰动后，大气层结 使气块具有返回或远离平衡位置的趋势和程度。 二、判断稳定度的基本方法——气块法
复习：
r.rd .rm
Z
r ：实际大气温度随高度的变化率。 r 曲线：实际大气温度随高度的变化曲线。 r
的数据由探空资料获得
r 曲线
T
rd
：干空气或未饱和的湿空气作绝热上升或下降时温度随高 度的变化率。
说明：气层对干绝热垂直运动的气块显不稳定 t℃

2
大气静力稳定度在农业生产中的应用
农作物生长需要适宜的气候条件，稳定度对农业生产至关重要。
3
大气静力稳定度在环保领域中的应用
环境污染和空气质量监测需要考虑大气的稳定性。
总结
大气静力稳定度的研究对多个领域都具有重要意义，并且值得进一步探索。
参文献
相关文献的引用可以提供更深入的了解。
《大气静力稳定度》PPT课件
# 大气静力稳定度 ## 一、概述 - 什么是大气静力稳定度？ - 为什么需要研究大气静力稳定度？
大气静力稳定度的计算方法
大气静力稳定度的定义
静力稳定度是描述大气中空气质 量分布不均匀性的物理指标。
稳定度的计算方法
稳定度通过计算空气质量的垂直 温度递减率得出。
不同稳定度计算方法的比较
不同方法在描述大气稳定度时考 虑了不同的因素，根据需要选择 适合的方法。
影响大气静力稳定度的因素
湿度的影响
湿度影响空气质量的密度和稳定性。
温度的影响
温度决定了空气流动的速度和稳定性。
风速的影响
风速对空气的混合和稳定度有直接影响。
大气静力稳定度的应用
1
大气静力稳定度在建筑物设计中的应用
了解大气的稳定度有助于设计建筑物的通风和空调系统。

• 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
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。
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】ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
• 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
• 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
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

将上两式代入热流量方程中去：
dQ dT RT dp cp dt dt p dt
经整理得：
T 1 dQ （3-42） V 2T ( d ) w t c p dt
为热流量方程的另一种形式。 二.影响温度局地变化的因素 取决于三个因子： 温度平流、 层结稳定度与垂直速度的共同作用、 热量的得失 。
上次课重要内容：
1. 湿绝热过程、湿绝热递减率 2. 假绝热过程、假相当位温 3 . T-lnp图的应用
本次课主要内容：
1. 大气层结稳定度概念、判据
2. 条件、对流不稳定 3. 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 大气层结稳定度
为冷平流，图3-14（c）
90 0
-∇ T 0°c α 5
V
c
10 15
图3-14
风由低吹向高温区，使局地气温降低。
90 0 cos90 0 0 V T 0 为零平流，图3-9 （b）
-∇ T 0°c α V 10 15 b 5
图3-9
风沿着等温线吹，不引起温度的变化。
2.气层稳定度类型
稳定型：状态曲线完全在层结曲线的左侧
真潜不稳定：A+ > A-
假潜不稳定： A+ < A-
气层不稳定产生的有利条件:

A-小, 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

为 V 与温度梯度 T 之间的夹角
T
（ 180 0 ） 垂直于等温线由高指向低。

气温垂直递减率r：气温垂直递减率是指在垂直于由每 升高100m气温的变化值。
干绝热过程：干空气或未饱和湿空气作垂直升降运动
时与周围环境不发生热量交换的变化过程。
ppt课件
4
大气层结稳定度的判定
干绝热递减率rd：在干绝 热过程中，气块温度随高 度的变化率称干绝热递减 率。
ppt课件
5
大气层结稳定度的判定
注意：
1.静力稳定度是气块与气层互为作用的综合结论。
2.静力稳定度仅指气块处于该气层中，铅直运动发展
的趋势与可能。
3.稳定气层中可以有对流运动，但不利于对流发展；
不稳定气层中若无扰动，亦不可能发展对流，但利于
对流发展。
ppt课件
13
对流层中温度的垂直分布
温度随高 度递减
温度随高 度递增
温度随高 度基本不
Lorem ipsum
Lorem ipsum dolor sit amet Lorem ipsum dolor sit amet
【图中： 颜色由深蓝，浅蓝，到黄色，暗ppt红课件，代表PM2.5的浓度越来越2高2 】
讨论：对这张图，你有什么看法？
为什么中国会 发生如此严重 的空气污染？
这些污染从 哪里来？
ppt课件
10
气块法图示
稳定气层
不稳定气层
中性气层
ppt课件
11
气块法图示
不稳定气层：气块在受扰后， 有一铅直虚位移，若气块到达 新位置后有离开原来位置的趋 势，则为不稳定气层。
ppt课件
12
小结：
大气稳定度是表示大气层结对气块能否产生 对流的一种潜在能力的量度。必须注意，它并不 是表示气层中已经存在的铅直运动，而是用来描 述大气层结对于气块在受外力扰动而产生垂直运 动时，会起什么影响（加速，减速或等速）。

模型精度
目前数值模拟和预测模型在处理 复杂的大气现象时精度有限，需 要进一步优化。
不确定性
大气层结稳定度的变化受多种因 素影响，存在较大的不确定性， 增加了模拟和预测的难度。
05
大气层结稳定度研究的意义与展 望
大气层结稳定度研究的意义
气候预测与模拟
了解大气层结稳定度对气候系统的影响，有助于提高气候预测的准 确性。
绝对稳定层结
总结词
当气块受到扰动后，会立即回到其平衡位置，阻止对流的发 展。
详细描述
在绝对稳定层结中，气块受到微小的扰动后，由于较强的抑 制力作用，会迅速回到其平衡位置，阻止对流的发展。这种 层结状态通常出现在高层大气中，如平流层以上。
条件性不稳定层结
总结词
当气块受到扰动后，会在一定条件下产生对流运动，但也可能在另一些条件下不产生对 流。
《大气层结稳定度》PPT课件
• 大气层结稳定度概述 • 大气层结稳定度的分类 • 大气层结稳定度与天气现象 • 大气层结稳定度的模拟与预测 • 大气层结稳定度研究的意义与展望
01
大气层结稳定度概述
定义与概念
定义
大气层结稳定度是指大气层结的稳定 程度，即大气中温度和湿度的垂直变 化情况。
概念
大气层结稳定度决定了大气的对流性 质和能量交换方式，对天气和气候变 化具有重要的影响。
数值模拟与观测的对比验证
通过对比验证，提高数值模拟的准确性和可靠性，为气候预测提供有力支持。
THANKS
感谢观看
雾
指在近地面空气中形成的悬浮 水滴或冰晶的集合体。
霾
指空气中悬浮的微粒、烟尘等 污染物导致的能见度降低的现 象。
雾、霾与大气层结稳定度 的关系

T 1 dQ V T ( ) w 2 d t c p dt
讨论：
dQ 短期天气过程： 0 dt
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。
T V T t
三．个别、局地、平流变化
d 1．个别变化： dt
T 环境 T dz 0 气块 T T ddz 0
代入（3-16）得：
dw g ( d) dz （3-17） dt T

d
dw 无作用 0 中性，对气块垂直运动 dt 稳定，不利于上升运动
（3-18）

不稳定 , 有利于上升运动
直接在T-lnp图上进行判断——
代入状态方程： '
得：
p RT '
P RT
dw ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ T ' T g g dt T ' T ' （3-16）
g
T T '
为气块在垂直方向受到的合外力。
当 T T ' 或 加速度。
只有当
'，气块有垂直向上的
dw 0 dt
p g z
换句话说，静力平衡出现在 T T '
z
对流稳定度的判据：
se 0 中性 z 对流稳定
se

对流不稳定
se 实际计算 例： ( ) ( ) se se 500 se 700
当：
对流不稳定 0 se 对流稳定
第七节 局地温度变化的影响因素分析与判断
一．热流量方程 1 热力学第一定律（3-3）两端 得P75公式：