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1、气象岗前培训,稳定度、云的发展与降水,本章主要内容,大气稳定度 绝热过程：干绝热过程，湿绝热过程 云的发展 降水,大部份云是由于空气块上升而冷却，从而产生凝结。 空气块为什么会上升？ 为什么它们在某些地方上升而在另一些地方不上升？ 为什么云会有各种不同的形状？ 回答这些问题要从了解大气的稳定度开始。,空气团,热力学: 研究系统的热状态 空气团将作为一个系统 空气团 有别于围绕它的环境的一定体积的空气，在外力的作用下可以膨胀，压缩和移动，但不与大气作质量和能量的交换。 绝热过程 与环境没有能量交换的过程。,想象的：象气球 足够大：很多分子 足够小：性质均匀,空气团运动,绝热过程中，由理想气体定律
2、(pV=nRT)知道： 空气团抬升膨胀变冷 空气团下沉压缩变暖,气块周围的大气称为气块的环境，或称环境大气。 环境大气的状态，包括它的气压、温度和露点随高度的分布是已知的，而且在以后的讨论中假设是不变的。 环境大气中的温度或露点随高度的分布是通过测量得到的，称为层结曲线。,大气稳定度,稳定度： 浮力 温度递减率,平衡态,非平衡态,一个空气块，当它被移动离开了原来的位置时，它自动会回到原来的位置，大气就是稳定的。相反，气块会继续向它被移动的方向运动，大气就是不稳定的。,浮力,与密度比有关：,F/m 单位质量浮力 G 重力加速度 (9.8m s-2) 0 环境密度 空气团密度,稳定度与浮力有关 空
3、气团密度小于环境空气:浮力为正，上升（暖）,浮力温度,空气团,环境,干、湿绝热过程,假如气块被向上抬升，由于周围环境压力下降，气块将要膨胀(气球皮只阻挡气块和周围环境大气的物质交换，不妨碍它的膨胀)。膨胀使气块的温度将要下降。 如果气块和周围没有热量交换，是绝热的。而且在开始时，温度下降得不多，气块还没有达到饱和，也没有水滴凝结出来，这个过程被称为是干绝热过程； 如果抬升高度比较大，气块降温很多，达到饱和，再继续抬升，就会有云滴凝结出来。这时称为湿绝热过程。,干绝热递减率 Dry Adiabatic Lapse Rate（DALR）,在干绝热的条件下，气块每抬升一公里，温度下降100C。称为干
4、绝热温度递减率。 气块是由于膨胀而对外做功，因此消耗了它的内能，表现为温度的下降。 相反，如果气块下沉，那么气块将被压缩而增温。增温的速率也是每公里100C。 实际上这两种过程是可逆的。,如果在不断抬升降温的过程中，气块达到了飽和。再降温，云滴就要凝结出来了。 凝结过程会放出凝结热，部份地抵消了由于气块对外做功所消耗的能量；另外凝结出的液态水的热容量较大。因此气块温度的下降就減慢了。 抬升单位高度温度的递减率称为湿绝热递减率，其值可从每公里100C逐渐减小到3 - 40C，视凝结出水份的多少而定。,湿绝热递减率 Moist Adiabatic Lapse Rate（MALR）,温度递减率,干绝
5、热递减率 湿绝热递减率 环境递减率 实际测量的递减率 在对流层大气，通常 6.5 C /km,10C/km,6C/km,如果湿绝热过程中所凝结出来的水都不离开气块，随着气块一起运动，那么称它是绝热的就是真的。如果这块气块下沉重新回到原来出发的位置，那么所有的水也重新蒸发掉，把曾经释放的凝结热又消耗掉，气块可以完全回到它本来的状态。 如果湿绝热过程中凝结出来的水立即离开气块，可以设想是下雨掉了。这时再称过程是绝热的实际上是不对的了。因为掉了的雨水带走（或带来）了一定的热能，过程是非绝热的。在气象上称为是假绝热过程。 如果气块在抬升时是做假绝热过程，当它再下沉回到出发位置时，它的温度就会高于原来的
6、温度。 假绝热过程是不可逆的。,假绝热过程,Lift Condensation,Temperature (C),Altitude (m),绝热过程中气块露点的变化,当气块被抬升时，水汽压也随着气压一起下降。由于体积增加了，水汽总量並没有变，因此水汽密度就下降了。 与此对应，露点温度也要下降。一般每公里下降20C。 而未饱和空气每上升100m，温度下降约1，因此气温露点差的减小速度约0.8/100m,状态曲线,现在我们将注意力集中在那块气块。 假设从地面开始。气块的气压、温度、露点都和周围相同。 由于某种原因，气块被抬升。我们可以把气块抬升过程中各个高度上的温度点成曲线，称为状态曲线。,在上升曲
7、线最初阶段，气块按干绝热递減率降温。同时气块的露点温度也按每公里20C的速率递减。到某个高度上，这两根直线相交了，表示气块温度己达到露点温度，即气块达到飽和。再上升，水汽就凝结出来了，进入到湿绝热过程。 这两条直线相交的高度称为抬升凝结高度(LCL)，一般也就是云底高度。,在凝结高度以上，气块温度按湿绝热递减率下降。 开始，气压和温度都比较高，凝结出来的水比较多，使温度下降得很慢。上升曲线看上去比较陡。但随着高度升高，单位距离凝结出来的水越来越少，上升曲线逐漸向干绝热递减率靠拢。,稳定度的确定,现在我们要讨论上升气块和周围环境空气之间的关系。 环境空气的层结曲线是由测量得到的。 作为一种平均状
8、态，标准大气采用在对流层中空气温度每上升一公里下降6.50C。 每天的层结曲线都是不同的，一天中不同时刻，层结曲线也会有变化，尤其在近地层变化最大。,不稳定大气,如果环境大气的温度递减率(ELR)超过干绝热递减率(DALR)。 当气块被外力抬升以后，由于气块温度将高于周围环境，气块会受到一个浮力而继续上升。 这种大气被称为不稳定大气。,不稳定空气,空气团比空气暖 持续上升 ELRDALR,绝对不稳定空气,空气团比环境暖 继续上升 ELRDALR,ELR = 11C,条件不稳定空气,干时，稳定 ELRDALR 气团达到饱和时不稳定,ELR = 7C,条件不稳定空气,饱和时，气团冷却得慢 DALR
9、 ELR MALR,ELR = 7C,稳定大气,如果环境大气的层结曲线温度递减率较小（比如按标准大气，每公里温度减低6.50C），而气块上升时气块温度按干绝热递减率，每公里減低100C。这样，当外力把气块抬升一定高度，气块的温度将低于同一高度的环境大气。冷空气密度大，就有下沉的趋势。因此若外力不再抬了，气块会自动的回到原来位置，这时大气是稳定的。,稳定条件,稳定空气 DALR ELR,ELR = 4C,绝对稳定空气,绝对稳定空气 ELR MALR 中性稳定度 MALR ELR DALR,ELR = 4C,造成稳定的条件,下沉逆温 夜间,自由对流高度LFC Level of Free Conve
10、ction,LFC,LCL,-,+,ln(p0/p),T,q0,层结曲线,温度对数压力图,在讨论大气稳定度和大气对流时，广泛地应用温度对数压力图，也称绝热图表（Adiabatic Charts)。 橫坐标是温度。 纵座标是高度，但因为高度和压力的对数成正比，故纵坐标标为压力的对数。,标准大气对流层中气压随高度的变化,图中有三组等值线分别为： 干绝热线 湿绝热线 等飽和比湿线,影响ELR的因子,通常环境温度递减率是(ELR)是 -6.5 C / km 但是地面气温和近地层垂直温度廓线的时空变化非常大 各种影响 1. 地表（热源和冷源）通过低层大气的加热和冷却 2. 冷暖平流 3. 不同ELR气团
11、的平流,低层大气的加热和冷却,大气从底部加热 ELR 中午最陡； 晴天最大； 夜间最小 逆温,Evolution of a typical boundary layer,How the elevated pollutants affect on surface air quality?,不稳定空气抬升的限制,不稳定的空气不能永远抬升 制动机制 1. 升入稳定层结 2. 挾卷,不稳定,稳定,逆温: 极端稳定空气,1. 辐射逆温 辐射雾,2. 锋面逆温 足够冷冰雹和冻雨,3. （地形逆温）谷底逆温 4. 暖平流逆温 5. 湍流混合逆温,6. 下沉逆温,稳定度总结,绝热递减率 DALR/MALR/E
12、LR 露点递减率 各种条件 稳定/绝对稳定 不稳定/绝对不稳定 条件不稳定/中性,大气稳定度的变化,在一天的不同时刻，由于各高度上空气温度的变化，大气稳定度是会变的。 如果低层大气增温，高层大气降温，层结就朝不稳定的方向改变； 如果低层降温，高层增温，层结就朝稳定的方向变。 请注意，这里只讲往那一个方向变，不一定就是稳定或不稳定的了。,大气增温和降温,造成大气增温的原因有： 太阳加热（尤其在地面）； 水平风带来的暖空气（暖平流）； 空气流经暖的下垫面。 造成大气降温的原因： 辐射冷却； 水平风带来的冷空气（冷平流）； 空气流经冷的下垫面。,不稳定的原因,上部冷却 风 /冷平流 云的辐射冷却 下
13、部加热 太阳辐射加热 暖平流,混合过程改变递减率,对流或者湍流 最终接近 DALR,整层空气的抬升,有时整层大气会被抬升，例如冷空气的侵入，把整层暖空气往上抬。由于被抬升空气上下部湿度条件不同，这一层空气的稳定度状态会发生变化。 如果在整层大气抬升的过程中，上下部的空气都没有达到饱和，它们都按干绝热递减率降温。但由于在抬升过程中，气层在垂直方向要膨胀，气层的厚度会增加。这意味着气层顶的抬升高度将大于气层底的抬升高度。气层顶的降温幅度大于气层底。气层趋向不稳定方向。 这种原来是稳定的大气层经过抬升后形成的不稳定称为整层大气的条件性不稳定,T,Z,整层空气的下沉如何呢？,如果在整层抬升过程中，气层
14、的底部或顶部不在同时达到飽和，事情就复杂了。 因为一达到飽和，那里空气温度的递減率就会大大減小。 若气层下部先达到飽和，它的温度递减较慢。而气层顶部一直没有达到飽和，温度递減很快。整层大气趋向不稳定。 这种下湿上干气层在抬升后由稳定转化为不稳定称为对流性不稳定。它和许多強风暴天气有关。 如果气层是下干上湿如何呢？ 在抬升中上部先达到饱和，结果气层下部降温很多，而上部降温较少，层结就向稳定的方向发展。甚至使不稳定层结变为稳定层结。,湿度不均匀空气层的抬升,总结绝热过程和稳定度,考虑一块孤立气块作绝热抬升，在气块飽和前，温度按干绝热递减率减小（100C/km）；当气块飽和后，温度按湿绝热递減率减小
15、（10 - 30C/km）。 干和湿绝热的冷却速率不同. 湿绝热递减率所以小于干绝热递減率是因为凝结过程放出凝结热。 稳定大气中抬升的气团将比环境空气冷 地面空气冷却、上部加热或者整层下沉，将使得大气变得稳定 稳定大气中一般形成层云,小结,在稳定大气中，气块被抬升后会有自动回到原来位置的趋势，而且会在原位置上下发生波动运动； 在不稳定大气中，气块被抬升后就有继续向抬升方向运动的趋势。 判断大气层是稳定还是不稳定就看这层大气的温度递减率与干绝热或湿绝热递减率之间的关系。 如果大气层温度递減率大于干绝热递减率，气层是绝对不稳定的；如果小于湿绝热递減率，则气层是绝对稳定的；如果介于二者之间，则气层是
16、条件性不稳定的。 若整层气层被抬升，气层的稳定度状況会发生变化。有条件性不稳定或对流不稳定等情況。,云的发展,大部份云的形成都源自空气块（或层）的抬升、膨胀、冷却。 其主要过程有： 地面加热造成的对流运动； 地形造成的抬升； 空气辐合造成的抬升； 锋面系统帶来的抬升运动。,对流和对流云,地面由于受太阳加热不均勻，高温处的空气温度会高于周围空气的温度，因而受到浮力而上升，形成一个热气泡。 热气泡在上升过程中，会和周围环境空气混合，逐渐失去它的特点。到它和周围温度一样了，也就不受浮力了。上升过程也就停止了。 如果地面上继续有热气泡产生，后一个会穿过前一个，它和环境大气的混合会少于前一个。因此它可以达到更高的高度。 这样一个接着一个，在地面热区域的上方会出现一个上升气流柱。在达到凝结高度以后，就出现了积云。,在一个炎热潮湿的夏天中午，滿天都是积云。你可以注意到这些云的底部都有同一个高度，大约在一公里左右。这些云都是由不稳定大气中的对流造成的边界层云。 为了便于讨论，我们用下列简化： 上升气块与周围环境没有混合； 只有一个热气泡产生； 在相对湿度达到100%时即产生云； 云中相对湿度为100%。,
