文档介绍：第10章条件性稳定度指数
第二篇稳定度与稳定度指数
1. 平衡与稳定
稳定、不稳定以及稳定度是物理学中的一个概念。如果施于静止状态的某种扰动随时间增幅,则该状态为不稳定状态。这里需要注意的是,千万不要将平衡状态与稳定度相混淆。
为了把通常的稳定度概念推广到大气对流,需要考虑在大气中有可能出现的三种效应:可压缩性、水物质的相变效应及有限振幅扰动的不稳定性。
2. 稳定度指数的正负号
在日常天气分析预报业务中,常常将大气的稳定度用一些指标数(亦即稳定度指数)表示。关于稳定度指数的正、负号,曾有人指出,对于“不”稳定指数而言,正值表示不稳定,负值表示稳定。但对于稳定度指数,正、负号表示的含义则恰恰相反:负值表示不稳定,正值表示稳定。这点必须引起注意,以免对稳定度指数正、负号用错或产生误解。
§ 气块法
气块与环境
我们欲研究的情况都是,假如大气处在流体静力平衡状态下,一气块在环境空气中作虚拟垂直位移时的稳定度情况。
气块是大气的一部分,初始时刻和同高度上的其他大气并无两样。但
当它在停滞不动的(这是假设)环境大气中作位移时,立即成为独立的个别部分。
取用气块初始所在层次为参考层。把气块移动以后的要素的表示方法要与环境的要素有所区别。
气块法假定
气块法采用了一些简化假设,计有:
(1)气块在移动中保持独立完整,不与周围空气混合;
1
(2)气块的移动不扰动环境空气;
(3)过程是绝热的;
(4)气块的气压在任意时刻都和同高度上环境空气的气压相同。
第一个假设,在气块作微小虚拟位移时是合理的,达到一定限度便不成立了。由于这个原因在这情况下获得的数据只能是半定量的,必须用经验因子对它施行订正。
第二个假设,严格的说显然不能达到,因为气块上升时,大气其他部分必然有下沉气流来补偿;只有孤立的对流才能近似的达到这个要求(环境的扰动可以忽略的话,参阅《大气热力学》第8章)。
第三个假设,因为大气中的一些热量传送过程(湍流扩散、辐射、分子传导)一般都比对流运动进行的缓慢,所以这个假设是合理的。
最后一个假设,由于气压达成平衡很快,因此是个近似性很好的假设,只要运动不太激烈,不致变成明显的扰动这个假设就可以成立。
是有一定用途的假设
权衡一下上述讨论可以清楚的看到,虽然气块法只能在气块作微小虚位移时(即限于第二个假设以内)才能得到正确可靠的静力稳定度判据;对于有限位移,得出的只是包含着相当误差的量值。纵然如此,却不妨碍它对静力稳定度的一些讨论大放异彩,并得出了许多正确的定性结论。
不足之处
气块法的不足之处时不能考虑环境对气块位移的反作用;即不能考虑扰动气压梯度力产生的加速度。因此不能处理由于气压梯度力引起的不稳定度,例如斜压和正压不稳定度。但对符合一般类型的对流,气块法可用于估计对流有效位能的上界(关于对流有效位能,将在后面第11章详细讨论)。
§ 条件性稳定度指数
§ 条件性不稳定定义
如上所述,判别某层空气是否稳定,通常是在起始高度上选取一气块,假令其绝热抬升,当气块温度比周围空气温度低时,称为稳定的;反之,称为不