高等天气学：第3讲 大气的不稳定理论.pptx

高等天气学讲座（2017年春季） 单元一：大气环流的基本知识;1.大气稳定性的概念和分类;中尺度和大尺度不稳定性;;;2.大尺度不稳定;当气压系统加强时，水平气压梯度加大。这引起风速加 强，动能增加。这个过程包括了有效位能向动能的转换， 这是通过暖空气上升，冷空气下沉实现的。这种不稳定 性称作斜压不稳定。正压不稳定表示平均气流的动能向 一增长的扰动的转换。纬向气流中正压不稳定的必要条 件是纬向气流的绝对涡度梯度为0。这个条件在急流附近 经常满足。;（1）斜压不稳定;大气在对流层的温度场是随纬度而减小的，这是大气的一种斜压特性。它在风 场上根据热成风原理表现为西风随高度增加。在这种具有明显经向温度梯度和 风垂直切变的大气状态下，如果有一个扰动，它是如何发展的，就是斜压不稳 定问题。由于大气是一种连续层结流体（不是一种简单的分层流体），且具有 旋转（科氏力），实际的基本气流（不是纬向基流，而是波状，与局部集中的 （如急流））是复杂的，所以决定正压与斜压不稳定的充要条件是无法得到的， 因而斜压不稳定的分析在很大程度上是根据观测得到的。 即使对高度理想的平 均流剖面，斜压不稳定的数学处理也是相当复杂的。一般主要讨论最简单的二 维模式中的斜压过程。其结果可由下面的图3.1说明。;图3.1 2层斜压模式的中性稳定度曲线;;?;;图3.2 两气块现不同密度面进行交换位置的示意图（Andrews，2010）;?;?;（2）正压不稳定;;?;; 关于惯性稳定度可用下图来说明。如图3.5所示，在准地转平衡下，平直西风的分布为 ,若受外力推动，A点气块移至B点。该气块能否返回至原来所在的纬度，是衡量气块在水平方向上是否稳定的标志。由于气块由高压向低压移动，在气压力作用下，气块在y方向加速，同时在地转偏向力（fv）作用下U也增强。气块能否返回原纬度，决定于气块在B点所受经向力的大小。(可参看朱乾根等人的《天气学原理和方法》一书） ;;引自朱乾根等，2007;3.中尺度不稳定;（1）静力（浮力）不稳定的概念和物理意义;静力不稳定与静力平衡的关系;;图3.6 静力平衡的气块不能在垂直方向上加速，因??作用于气块的垂直气压梯度力与重力相平衡。只有在静力不平衡时，气块能够垂直移动。;对静力平衡的偏离与Froude数;;;;根据阿基米德原理，处于空气（其密度为ρ’）中的气块（其密度原为ρ）， 所具有的向上推力等于被移走或被取代的空气的重量。因为气块具有向下的重力，其值等于其自身重量，所以，净的向上的力F 由下式决定： F=被取代的空气重量-气块的重量，如气块的体积为Vol， 上式可改写为:;实际温度递减率为 ,干绝热递减率为 ,对于位于0点的未饱和空气如被抬升到A点,(图3.7a),温度以降低到TA而周围大气以降低到TB,这时TA小于TB.由于气块立即调整使其压强等于其周围的压强，则根据理气体方程 P= 可知,较冷的空气其密度必然比周围较暖空气更重.因此空气块有回到其原来位置的倾向.由于惯性运动的作用当气块回到0处并继续向下运动(图3.7a)它将变得比周围空气暖因此有上升回到原高度的倾向.在上述情况下,气块都受到一个回复力的作用,结果使气块在起始点产生振荡,即浮力振荡.而气块垂直混合则受到抑制,因而, ＜ 是未饱和空气处于稳定层 (或正的静力稳定度)的条件.如果 - 越大,回复力越大,静力稳定也越大.若 ＞ （图3.7(b)),一个自0点向上运动的未饱和空气块,在到达A点时温度将比周围高.由于密度比周围低,将在浮力作用下继续上升,同理,向下运动的气块将比周围冷,气块将继续下沉.这是不稳定状态.但这种不稳定状态通常难以维持很长时间,因为一旦形成,其不稳定性将因强烈的垂直混合而很快消失. ;大气科学，2008;可以一般地分析静力不稳定.前面讨论了在大气中发生垂直位移后未饱和及饱和空气块处于稳定/不稳定或中性条件.在稳定条件下,当一个空气块被向上或者向下位移,然后让它自由(即去掉引起它原始位移的力),空气块就会回到它原来的位置.一个相似的情况在下图(图3.7a)中给出,在其中,一个球原来位于谷中的最低处.如果把那个球在任何方向位移,然后再把它放开,它将回到其在谷底原来的位置.在大气不稳定状态下,一个向上或向下被位移了的空气快,然后让它自由运动,那么它将分别向上或向下运动.在图3.7b 给出了一个类比的例子.在其中一个球初始时位于小山顶上.如果把球在任何方向位移,然后放开它,它将滚下山坡.如果在中性大气中的一个空气快被位移,然后让它自由运动,那么它将留在位移的位置不动.可与此情况相类比的是在平坦的面上的一个球.如果球被位移,然后再让它自己运动,那么它将保持不动.;如果一个空气块处于条件性不稳定,并被抬升到某一高度,然后