天气学分析诊断：第八章 大气稳定度的分析课件.pptx

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1、对流性天气形成的条件水汽条件抬升条件不稳定层结,水汽条件,比湿、露点T-Td、湿层厚度水汽通量、水汽通量散度,抬升条件,垂直速度,据研究，这和大气层结稳定度有密切的关系。,第八章 大气稳定度的分析,1 大气静力稳定度；2 大气对流参数；,本章内容：,1,静力稳定度,静力稳定度是指大气层结的稳定程度（又称大气铅直稳定度）。表示空气是否安于原在的层次，是否易于发展垂直运动。,一、是什么？概念：,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；,1,静力稳定度,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

2、为中性气层；（随遇平衡）,1,静力稳定度,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,静力稳定度,1,静力稳定度,不是表示气层中已经存在的铅直运动;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)。,大气层结对气块能否产生对流的一种潜在能力的量度。,这种影响只有当气块受到外界扰动后，才能表现出来。,第 13 页,1,静力稳定度,二、如何判断？判据：,（1）简化条件：考虑一个小气块，假定它与环境之间无混合环境空气处于静力平衡状态气块运动过程中是绝热的，与周围无热量、水份及动量的交换份气块气压与周围

3、气压相等（带撇号量为气块量）,1,静力稳定度,1.判据气块法计算静力稳定度,（2）判据的推导：,气块气压与周围气压相等（带撇号量为气块量）,静力方程,上升,中性,下沉,设环境（层结）温度,气块温度,不稳定层结中性层结稳定层结,判据,干绝热递减率（气块是干空气或未饱和的湿空气),湿绝热递减率（当气块是饱和湿空气时）,d,-P,d,T,T,-P,T,d,不稳定大气,稳定大气,中性大气,-P,第 21 页,1,静力稳定度,三、应用,状态曲线（气块）,层结曲线（大气）：环境大气热力特征,露压曲线（Td）,实际应用,第 24 页,课堂练习,T-lnP,埃玛图,讨论标记区的稳定性？,第 26 页,对某区域

4、综合分析稳定区或不稳定区,怎么做？,第 27 页,温度,位温,判断不同高度两测站气团的冷暖性质,仅干绝热守恒气块得到热量时，位温就增高，气块失去热量时位温就会降低。可根据位温变化情况判断气块热量收支（研究气团的变性）,判断相同海拔高度的两测站所在气团的冷暖性质,第 28 页,用位温做判据比用温度更科学，可进行某区域的稳定度的诊断分析：,1,静力稳定度,2.判据2位温随高度的变化,不稳定层结中性层结稳定层结,判据,第 31 页,干绝热递减率（气块是干空气或未饱和的湿空气),湿绝热递减率（当气块是饱和湿空气时）,1C/100m，近似常数,近地面暖湿气团中 0.4C/100m，不等于常数对流层中部

5、0.60.7C/100m干冷的对流层上部，d,大气中，一般是,那是否会出现 的情况呢？,实际大气一般为不饱和，往往是静力稳定的。当有一种力量使得不饱和湿空气抬升，这时，气层对于气块而言是静力稳定的，但当气块达到抬升凝结高度后，对于饱和湿空气而言，气层是静力不稳定的。第一类条件不稳定。,3.条件性不稳定,原来上干下湿的稳定气层，甚至可为绝对稳定的气层（），经过整层抬升后使得气层达到饱和，气层层结由原来的稳定层结变为不稳定层结，或不稳定层结变得更加不稳定，称为对流性不稳定。或 随高度减小。,若气块抬升过程中，环境气层也被抬升呢？,1,静力稳定度,大气中常出现大范围的空气层上升或下沉运动，水平范围在

6、几百公里左右，持续时间几小时甚至几天，垂直升降速度约为 cm/s 的量级。这种大范围的升降运动常是由天气系统引起。整层气层升降会导致大气温度直减率和湿度垂直分布的变化，从而使气层的稳定度发生变化，导致强烈对流或者相反使气层更稳定,1,静力稳定度,4.对流性不稳定,对流性稳定,上湿下干气层,不符合一般气层特点,1,静力稳定度,对流性不稳定,上干下湿气层,1,静力稳定度,位温,相当位温,干绝热守恒,干、湿绝热守恒,判据,对流性不稳定中性对流性稳定,1,静力稳定度,4.对流性不稳定,第 39 页,对流性不稳定 VS 条件不稳定,对流性不稳定是一种潜在的不稳定，所谓“潜在不稳定”是指，当时的气层是稳定

7、的，需要有一定的外加抬升力作为“触发机制”，潜在的不稳定性才能转化成真实的不稳定。对流性不稳定的实现要求有大范围的抬升运动，因此要有天气系统（如锋面）的配合或大地形的作用，造成的对流性天气往往比较强烈，范围也大。,第 40 页,对流性不稳定 VS 条件不稳定,条件性不稳定也是一种潜在的不稳定，它只要有局地的热对流或动力因子对空气进行抬升即可，因而往往造成局地性的雷雨天气。,2,大气对流参数,可以用大气不稳的能量来判断整层大气的稳定状况,大气温度垂直分布复杂，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。,2,大气对流参数,1、稳定度参数,1、稳定度参数(1)A指

8、数,综合反映大气静力稳定度与整层水汽饱和程度的物理量，其单位为，量级为10-1-101，表达式为：A值越大，表明大气越不稳定或对流层中下层饱和程度越高对降水越有利。（各地区指标不同）,2,大气对流参数,A指数的使用经验：可制作A指数单站时间变化曲线。一般情况下：当A由负值上升到正值时，天气转阴雨，达到10可以产生降水，当A值下降时，雨势减弱，由正转负则天气转晴。利用本站或其他指标站A指数作时间演变曲线，分析它与本地降水关系，进而作出预报。,2,大气对流参数,1、稳定度参数(1)A指数,K指数是考虑了气层水汽条件的一种不稳定指数。其单位为，量级为10-1-101，表达式为：第1项为850hPa与

9、500hPa的温度差，代表温度递减率，第2项为850hPa的露点，表示低层水汽条件，第3项为700hPa的温度露点差，反映中层饱和程度和湿层厚度。,2,大气对流参数,1、稳定度参数(2)K指数,K Index Example,T500,T850,Td850,T500=-14.3CT700=9.2CTd700=-11.8CT850=13.4CTd850=13.1C,K=13.4+13.1-(9.2-(-11.8)-(-14.3)K=20,T700,Td700,K指数的使用经验：K指数虽然是一个经验指标，但它是一个能同时反映干空气稳定度、湿度状况的综合指标。一般说来，K指数越高，潜能越大，大气越不

10、稳定。其计算简便，在暴雨分析预报中，常被作为一种较好的热力稳定度指标：,K35：可能有成片的雷雨,1、稳定度参数(2)K指数,2,大气对流参数,沙氏指数是指气块从850hPa开始，干绝热上升至抬升凝结高度，然后按湿绝热递减率上升至500hPa，在500hPa上的环境温度（Te500）与该上升气块达500hPa的温度（Tp500）的差值，表达式为：,1、稳定度参数(3)沙氏指数,2,大气对流参数,判断对流性天气稳定度的一个重要指标，在研究中小尺度系统引发的强对流性天气过程中沙氏指数的计算非常普遍。SI0，表示气层稳定，SI0，表示气层不稳定，负值越大，气层越不稳定。,SI+3 不大可能出现雷暴天

11、气0SI+3 有发生阵雨的可能性-3SI0 可能有雷暴-6SI-3 可能有强雷暴SI-6 可能有龙卷,1、稳定度参数(3)沙氏指数,2,大气对流参数,局限性：若在850hPa与500hPa之间，存在锋面或逆温层时，则无意义。对于海拔较高的地区，如青藏高原，850hPa在地下，因此这些台站不能直接用SI指数，而应该在低层高层分别取两等压面代替850hPa和500hPa,1、稳定度参数(3)沙氏指数,2,大气对流参数,1.稳定度参数(4)简化的沙氏指数,将850hPa上的气块按干绝热递减率上升至500hPa，该上升气块温度Tp与500hPa的环境温度Te500之间的插值，单位为，量级为10-1-1

12、01。：一般情况下，因而SSI0。SSI的正值越小，表示气层越不稳定。将SSI与SI相比，SSI忽略了气块的凝结过程，即认为气块一直到500hPa均未饱和，所以它是SI的简化。,SSI=Te500-Tp,2,大气对流参数,1998 Example Showalter Index-OUN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,Tp,S=T500-TpS=-16-(-25)S=+9,Zoom In,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,-20,-10,-30,500,800,1000,1.稳定度参数（5）抬升指数,指气块从自由对流高

13、度出发，湿绝热上升至500hPa处的温度与500hPa环境温度之差，单位为，量级为10-1-101，表达式为：当LI为负值，表示气块不稳定，其绝对值越大，表示不稳定能面积越大。LI0时，表明气块温度高于环境温度，层结不稳定，继续上升，LI的绝对值越大，层结不稳定性的增强致使暴雨前期不稳定能量不断积聚，为暴雨的发生提供充足的能量条件。,LI=Te850-Tp500。,2,大气对流参数,1.稳定度参数（5）总指数,单位为，量级为100-102，该指数越大，表示气层越不稳定。,TT=T850+Td850-2T500,2,大气对流参数,2.能量参数（1）CAPE指数,对流有效位能：Cape代表由层结曲

14、线和状态曲线相交的正面积区，体现了不稳定能量的大小。值越大，越不稳定；强CAPE范围能较好反映暴雨产生的大致区域 暴雨后，CAPE锐减。,2,大气对流参数,2.能量参数（2）CIN指数,对流抑制有效位能；CIN正比于TlogP图上底部层结曲线和状态曲线相交的负面积区，其体现了阻止对流发生的能量大小。研究表明，一定的对流抑制能量有利于闪电的发生。产生强对流需要一定的CIN数（如几十一百左右），太小不利于能量累计，太大对流无法发展。,2,大气对流参数,南京14年4月30日08时探空,第 59 页,南京14年4月30日20时探空,理查逊数的优点是既考虑了热力因子，又考虑了动力因子，是一个很重要的判别

15、层结稳定度的参数。,在干空气中Ri数的定义为：,2,大气对流参数,3.大气热力-动力组合参数理查逊参数,Ri最早是用作湍流能否发展的判据，后来根据风速垂直切变讨论斜压不稳定时，Ri数就成为区分各种尺度扰动系统不稳定的判据之一。在物理上，Ri数表示大气静力稳定度和动力稳定度的综合参数。在能量上，它可看作气块浮升要消耗的能量和通过湍流从大尺度风场能得到的能量之比。,2,大气对流参数,在降水分析预报中，以 代替，并将静力学公式和状态方程带入，化简得：其中，C=，当上下层取为500hPa和850hPa等压面时，C1.488。,2,大气对流参数,Ri数和对流活动之间判据：低层存在急流时，风速垂直切变大，

16、使Ri很小，更有利于中尺度扰动的发展，产生强烈的上升运动。,当 Ri-2 时，有积雨云产生；当 Ri-1 时，有雷暴产生；当-1Ri 0.25时，有系统性对流产生,2,大气对流参数,课堂要点回顾,2008年7月2日红安特大暴雨,实际应用,（武汉中心气象台 龙利民）,天气实况,红安211.4毫米主要集中在2日03-08时,48.1,52.8,38.1,28.4,32.9,探空资料分析（6月30日20时）,CAPE 872.9J/kgCIN 181.7J/kg地面q 17.5g/kg,探空资料分析（7月1日08时）,CAPE 962J/kgCIN 229.8J/kg地面q 18.5g/kg,探空资

17、料分析（7月1日20时）,CAPE 2461.4J/kgCIN 161.6J/kg地面q 20g/kg,850hPa以下水汽的平流输送,探空资料分析（7月2日08时）,CAPE 1165.4J/kgCIN 148.9J/kg地面q 18.5g/kg,触发机制,2008070208,2008070205,2008070202,2008070123,500hPa西风槽后冷空气侵入，强烈的不稳定,北侧下沉气流逐渐逼近，使红安上空不稳定能量获得强烈释放。,假相当位温经向剖面图,第 72 页,课后练习,1998 Example Showalter Index-JAN,Lift from 850 mb,L

18、CL from 850 mb,T500,Tp,S=T500-TpS=-12-(-9)S=-3,Zoom In,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,-20,-10,0,800,1000,500,10,S=T500-TpS=-12-(-9)S=-3,Showalter Index-OUN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,S=T500-TpS=-19-(-21)S=+2,500,600,700,800,900,1000,Tp,-20,-10,0,10,20,Note:Below 850 mb the atmosphere is

19、 very dry!,Monday,Dry Adiabat,Moist Adiabat,Mixing Ratio,Showalter Index-OUN,Lift from 850 mb,LCL from 850 mb,T500,S=T500-TpS=-12-(-11.8)S=-0.2,500,600,700,800,900,1000,Tp,-20,-10,0,10,20,Wednesday,Dry Adiabat,Moist Adiabat,Mixing Ratio,第 77 页,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分别为0.8/100m、1/100m 和1.2/100m，则可有三种不同稳定度,