第五章 大气静力稳定度

判断静力稳定度通常采用“气块法” 。 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。
图8
ln(P00/p)
动力对流
p4
E
平衡高度
p3
q0
自由对流高度
B p2 p1流
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）：
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)。这种影响只有当气块受到外 界扰动后，才能表现出来。
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。
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。
特点：在这种气层中，其底部扰动 不论强弱，气层对受扰气块起抑制作用， 不利于受扰气块的上升运动得到发展；
绝对稳定型
ln(P00/p)
p4
p3
p2
p1
p0
T4
T2 T3 T1 T0
T
可能的绝对稳定型
ln(p00/p)
p4
p3
p2
p1 p0
T4 T2 T3 T1 T0
T
绝对不稳定型（ Tv Tv ）:
B
平衡高度
自由对流高度
潜在不稳定型（不同高度 T v 与 Tve 关系不同）， 分为：
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；
真潜不稳定型
ln(p00/p)
p4
E
平衡高度
对流有效位 能CAPE

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
5.1.2静力稳定度判据（5）
5.1.2静力稳定度判据（6）

T ln p图上干绝热线( d )和假绝热线( s ) 又是等位 温线和假相当位温线，因此也有如下判据：
0 z
绝对不稳定
0
0 se 及 z z
se 0 z
条件性不稳定
绝对稳定
5.2 条件性不稳定




5.2.1气层的不稳定能量（3）


气块在垂直运动中动能的增量Ek，可以认为是由 气层中所储存的一部分能量转化而来，这部分可以 转化的能量一般称为气层的不稳定能量，它的大小 和正负是大气层结是否稳定的标志。 Ek的大小应该用净浮力对单位质量空气所作功衡 量，但环境大气温度Tve和饱和气块的温度Tv都是 高度的复杂函数，所以常采用图解法。
湿度对不稳定能量的影响
ln(p00/p)
p4 E
平衡高度
p3
B 自由对流高度
p2 Hc p1 p0
T3T4
T2 T1T0
T
湿度影响：空气湿度越大，气层不稳定能量 面积越大，越有利于对流发展。
动力对流与热力对流
动力对流
由动力原因（气流的水平辐合、山地、 锋面对气流的强迫抬升等）引起的对流。 特征： 动力对流云底：HC；云顶：E。 发展动力对流的条件：动力抬升到自由对 流高度C。如图8



Ek ＞0，气层对气块具有正的不稳定能量，有利 于受扰动气块的加速运动，因而气层是不稳定的； 当Ek ＜0，气层对气块具有负的不稳定能量，对 受扰动气块的垂直运动具有抑制作用，气层是稳定 的； 当Ek =0，气层对气块的垂直运动既不有利也不 抑制，气层属于中性层结。
不稳定能量分型
绝对稳定型（ Tv Tv ）： 气块温度总小于气层温度（气层中 储存负不稳定能量，在 T-lnP 图上用 “ -” 表示）；

讨论条件性不稳定厚气层或自地面以上对流层整层 大气是否稳定时，由于大气温度的垂直分布很复杂， Γ值不是常数，虽可分别判断不同高度气层的稳定 度，却难以判断整个气层的稳定度状况。

可以用大气不稳的能量来判断整层大气的稳定状况
5.2.1气层的不稳定能量（1）

设有条件性不稳定厚气层 ，在气层的底部任取一空 气块 ，气块上升的加速度应是：
5.1.2静力稳定度判据（1）

令 和Γ分别表示气块和环境大气的垂直减温率。当 气块从平衡位置作一微小位移dz后，其温度T就变 成
T T d z 0
T T Γ d z e 0

dwgΓ dz 则气块加速度 ： dt T e
5.1.2静力稳定度判据（2）

讨论

1、若 ，气块的加速度总是和dz的符号一 致，有加速离开原平衡位置的倾向，则大气层结是 不稳定层结。

②饱和气块，垂直上升时按假绝热变化，垂直减温 率 = s 。

1、 Γ > s 2、 s =Γ 3、 Γ < s
不稳定 中性 稳定

并且有 s < 能：
d
。因此Γ 和
d
、 s 有如下三种可

1、 Γ > d 绝对不稳定 2、 d >Γ> s 条件性不稳定 3、 Γ < s 绝对稳定

归纳如下 :
Γ

不稳定 中性 稳定
这只是一般结论，大气分为未饱和饱和两种情况， 因此，应该进一步讨论
5.1.2静力稳定度判据（4）

①未饱和气块，垂直位移时按干绝热变化，垂直减 温率 = d 。

1、 Γ > d 2、 d =Γ 3、 Γ < d
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。
5.1.1基本判别式(1)
p3
自由对流高 B 度
Hc
对流抑制 p2 能量CIN
p1 p0
T3 T4
T2 T1 T0
T
假潜不稳定型（“+”<“—”）
特点： 自由对流高度 B 以上的正不稳定能 量面积小于负不稳定能量面积，自由 对流高度 B较高度，气块受到扰动难以 超过这个高度，下部不稳定能量抑制 气块的发展,如图5
假潜不稳定型
第五章 大气静力稳定度
（大气层结稳定度）
大气中的对流，时强时弱，持续时间长短不一，这是什么原因呢？
据研究，这和大气层结稳定度有密切的关系。

5.1 大气静力稳定度的判定法（气块法）
5.2 条件性不稳定 5.3 地整层气层升降时稳定度的变化



5.4 逆温层
第五章 大气静力稳定度

大气层结：大气温度和湿度的垂直分布。 处于静力平衡状态的大气中，一些空气团块受到动 力因子或热力因子的扰动，就会产生向上或向下的 垂直运动。 这种偏离其平衡位置的垂直运动能否继续发展，是 由大气层结即大气温度和湿度的垂直分布所决定的。 层结大气所具有的这种影响垂直运动的特性称为大 气的静力稳定度，也称层结稳定度。
dwgΓ dz dt T e
5.1.2静力稳定度判据（3）

dwgΓ dz 讨论 dt T e


若 ，加速度与dz的符号总是相反, 气块 有回到原平衡位置的趋势，垂直运动受到限 制而削弱，这种气层是稳定的。 若 ，垂直运动既不发展也不衰减，大气 层结是中性的
5.1.2静力稳定度判据（4）
单位体积气块垂直 运动方程： dw (e )g dt
) dw ( e g B dt
B为净的阿基米德浮力 ， 气块的稳定与否取决于B