【正文】 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 圖 2 （ B）可能的絕對穩(wěn)定型 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 絕對不穩(wěn)定型 （ ） : 氣塊溫度總大于氣層溫度（氣層中儲存正不穩(wěn)定能量，在 TlnP圖上用“ +”表示）； 特點：在這種氣層中，其底部只要受到微小的擾動，該氣層就會釋放不穩(wěn)定能量，轉化為氣塊上升的動能，使受擾氣塊的上升運動得到發(fā)展； vv TT ?圖 3 （ A） 絕對不穩(wěn)定型 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 圖 3 （ B）絕對不穩(wěn)定型 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 潛在不穩(wěn)定型 （ 不同高度 與 Tv關系不同 ） ，分為： 真潛不穩(wěn)定型（ “ +”“—”） vT 特點：在這種氣層中，其底部只要受到較強的擾動，迫使氣塊移到 自由對流高度 B以上，氣塊的上升運動得到發(fā)展，其稱為真潛不穩(wěn)定型；如圖 4 圖 4 真潛不穩(wěn)定型 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 Hc B E 自由對流高度 對流上限 假潛不穩(wěn)定型 （ “ +”“—”） 特點： 自由對流高度 B以上的正不穩(wěn)定能量面積小于負不穩(wěn)定能量面積 ， 自由對流高度 B較高度 ， 氣塊受到擾動難以超過這個高度 ， 下部不穩(wěn)定能量抑制氣塊的發(fā)展 ,如圖 5 圖 5 假潛不穩(wěn)定型 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 Hc B E 自由對流高度 對流上限 圖 6 濕度對不穩(wěn)定能量的影響 T ln(p00/p) p0 T0 p1 T1 p2 T2 p3 T3 p4 T4 Hc B E 自由對流高度 對流上限 濕度影響：空氣濕度越大 ， 氣層不穩(wěn)定能量面積越大 ， 越有利于對流發(fā)展 。 狀態(tài)曲線與層結曲線在起始高度以上出現(xiàn)幾個交點，氣層既有正不穩(wěn)定能量，又有負不穩(wěn)定能量。如 C點以下為負不穩(wěn)定能量，氣塊必須靠外力才能抬升，當氣塊越過 C點，就可以從大氣中獲得正不穩(wěn)定能量而自由上升，因此稱 C 自由對流高度 p0 pp00ln)( dTTcH0T?0dTqse?E：對流上限，云頂高度 Hc： 凝結高度，云底 C：自由對流高度 圖 7 Tlnp圖上的狀態(tài)點分析 特征 (1)水平范圍小 （ 幾千米 ——幾十千米 ） (2)鉛直速度大 （ 幾 m/s—幾十 m/s） (3)持續(xù)時間短 （ 幾分鐘 ——幾小時 ） 二、 利用不穩(wěn)定能量分析對流 對流：空氣在垂直方向上的 劇烈運動 ， 如對流云 ， 陣性降水 ， 雷暴等 。 對流 發(fā)展對流的基本條件 (1)正的不穩(wěn)定能量大； (2)有充沛的水汽； (3)有足夠的對流沖擊力 。 動力對流與熱力對流 動力對流 由動力原因 （ 氣流的水平輻合 、山地 、 鋒面對氣流的強迫抬升等 ） 引起的對流 。 特征： 動力對流云底： HC；云頂： E。 發(fā)展動力對流的條件：動力抬升到自由對流高度 C。 如圖 8 圖 8 動力對流 T ln(P00/p) p0 T0 p1 p2 p3 p4 Hc C E 自由對流高度 對流上限 q0 Td0 熱力對流 由熱力原因 （ 地表局部升溫 ） 造成的對流 。 熱力對流分析： 假定： 08： 00的溫度層結與地面氣塊上升的狀態(tài)曲線 , 如圖 9。 假定從 08： 00到午后 ， 地面 q不變 。 當?shù)孛嬖鰷?， 由 T?Tg ?Tmax，當溫度升高到 Tg時 ， 圖中下部負不穩(wěn)定能量全部消失 ， 稍有擾動 ， 即可形成對流 。 T ln(p00/p) p0 T0 T1 P(H) P（ E） Hc B E 自由對流高度 對流上限 Td0 q0 ?seH ?0 ?1 ?H P(Hc) Tg E39。 P（ E39。） ?se0 H（對流凝結高度） 圖 9 熱力對流的預報分析 特征： 熱力對流云底： H（ 對流凝結高度 ， 地面等比濕線與層結曲線的交點 ） ； 熱力對流云頂： E’（ 過 H點的濕絕熱線與層結曲線的交點 ） 熱力對流發(fā)展的條件：地面 Tmax=Tg，且有擾動 。 如圖 10 圖 10 對流凝結高度 ?? ??? 00 dcTTHq0 H ln(p00/p) ? ? p0 H Tdo T Tg T0 TH TMAXTg ?? ??? 0dg TTH（ 5） 狀態(tài)點分析 HC——等熵凝結高度 ， 形成云（ 云底 ） B——自由對流高度 E——對流上限高度 ， 云頂 （ w達最大 ） 。 （ 如圖 7） 下方負不穩(wěn)定能量稱為對流抑制能量（ CIN） （ Convective Inhibition,簡稱 CIN） CIN的物理意義 ?處于大氣底部的氣塊，若要能自由地參與對流，至少要從其它途徑獲得的能量下限。 ? CIN的作用與 干暖蓋效應 相似 [干暖蓋 ] (dry and warm lid) 覆蓋在較濕空氣之 上，具有一定厚度的高溫干燥空氣層，離地面 1 3km。它與行星邊界層內(nèi)長波輻射造成的逆溫層不 同，沒有明顯日變化。干暖蓋是強對流發(fā)生的重要 前兆。它的存在和維持，對不穩(wěn)定能量的積聚有重 要作用。 上方正不穩(wěn)定能量稱為對流有效位能(CAPE) Convective Available Potential Energy ） CAPE物理意義 :氣塊受環(huán)境正浮力做功而可 能獲得的動能 對流抑制能量（ CIN）定義式 對流有效位能（ CAPE）定義式 不穩(wěn)定能量與空氣濕度關系 ? 在相同的溫度層結下，若上升氣塊的初始濕度較大，則凝結高度和自由對流高度就較低，在氣層 po～ p1之間容易形成真潛不穩(wěn)定； ? 若上升氣塊濕度較小，凝結高度和自由對流高度就較高，容易出現(xiàn)假潛不穩(wěn)定； ? 如空氣濕度太小，凝結高度更高，氣塊的狀態(tài)曲線將會全部位于層結曲線左側，形成絕對穩(wěn)定型。 ? 可見，低層濕度越大，越有利于對流的發(fā)展。 CIN與 CAPE在強對流天氣中應用 (1)冰雹天氣發(fā)生時 CIN與 CAPE值及其 變化趨勢分析 （ 2）龍卷天氣發(fā)生時 CIN與 CAPE值及其變化趨勢分析 ? 大氣中能否出現(xiàn)對流，對流的強弱如何 ?通常取決于三個條件： ①大氣層結的不穩(wěn)定度。氣層愈不穩(wěn)定，或正不穩(wěn)定能量面積愈大，愈有利于對流發(fā)展。 ②水汽條件。低層空氣濕度愈大，凝結高度愈低，愈有利于對流發(fā)展。 ③必須有促使空氣抬升的外力。外力愈大，愈有利于對流的產(chǎn)生和發(fā)展。 ? 外力是產(chǎn)生對流的觸發(fā)條件，根據(jù)外力的不同，可將對流分為 動力對流和熱力對流 兩種。 ? 鋒面抬升、氣流流經(jīng)起伏地形和流場的水平輻合等是產(chǎn)生對流的動力因子； ? ? 夏季午后經(jīng)常會由于地面受熱不均而產(chǎn)生熱對流云，甚至發(fā)展成熱雷雨 ? 利用絕熱圖和溫、濕探空資料，根據(jù)當天最高氣溫Tmax的預報可粗略地估計對流云的生成時間、云高 層結曲線 狀態(tài)曲線 自由對流高度 凝結高度 日出后，地面以及近地層空氣逐漸增溫 (由 To增至T T …Tg) ，并使近地層氣溫遞減率趨于 γd。若空氣的比濕不變，則當?shù)孛鏆鉁卦鲋?Tg時，底層的負能量面積全部消失，這時地面空氣稍受擾動就能沿干絕熱線上升至 H點。H點稱為對流凝結高度 ，它既具有凝結高度的性質(zhì)，又具有自由對流高度的作用。 H點以上，氣塊將沿濕絕熱線上升，直至與層結曲線相交于 E’點。 ? Tg稱為對流溫度，可以看成是發(fā)展熱對流的一個地面臨界溫度。地面氣溫如能升高到 Tg，則有可能發(fā)展對流云。 ? 確定 Tg的方法為：求出通過地面露點溫度的等飽與比濕線和溫度層結曲線的交點 H，則過 H點的干絕熱線與 po等壓線的交點所對應的溫度即為 Tg ? 如果預報的地面最高氣溫 Tmax大于 Tg，而且 H點以上是正不穩(wěn)定能量面積，則可預報有熱對流云發(fā)生和發(fā)展的可能。地面氣溫 To增至 Tg的時間就是積云開始出現(xiàn)的時間， H為云底高度，H～ E的厚度為積云厚度。 ? 必須指出，以上只是根據(jù)早晨的層結曲線對局地熱對流積云的預測，而且還假設空氣濕度不變。實際預報應對當天以及前幾天的天氣狀況及其演變作具體分析。 由穩(wěn)定度判據(jù)可知，大氣穩(wěn)定度取決于 γγd或 (和 )γγm，因此穩(wěn)定度將取決于環(huán)境大氣溫度遞減率 γ。雖然每日溫度變化在穩(wěn)定度變化中起著重要作用，但很多穩(wěn)定度變化由空氣運動 (水平運動和垂直運動 )所造成。因為空氣運動能使氣溫遞減率 γ發(fā)生改變。另一方面，空氣的夾卷能影響氣塊的狀態(tài)曲線，從而使大氣層結穩(wěn)定度發(fā)生改變 1 空氣的水平運動對穩(wěn)定度的影響 ? 空氣的冷、暖平流和干、濕平流都會造成大氣穩(wěn)定度的變化， ? 當暖 (濕 )空氣平流到冷 (干 )地面上時，會使氣層的穩(wěn)定度增加，甚至出現(xiàn)平流逆溫，從而形成平流霧； ? 相反，當干 (冷 )氣流平流至暖 (濕 )水面時，氣層的溫度直減率 γ會大幅度的增加而使 γ＞ γd，層結變得不穩(wěn)定，通常會產(chǎn)生云和降水。 ? 如果在大氣低層出現(xiàn)暖 (濕 )平流，高層有冷 (干 )平流 ,則未來的不穩(wěn)定度將大大增加，在適當?shù)耐饬_擊下，常常造成嚴重的雷雨、冰雹、暴雨等強對流天氣。 2 整層空氣抬升或下沉時穩(wěn)定度的變化 ? 大氣中常常會出現(xiàn)大范圍氣層的垂直升降運動。 ? 例如，氣層 (團 )迂到大尺度山地或鋒面時會被迫抬升；在大尺度高壓系統(tǒng)內(nèi)有氣層的下沉輻散，在發(fā)展的氣旋 (低壓 )中有較強的輻合上升運動。氣層的上升和下沉會使其中的 γ發(fā)生變化，從而引起氣層穩(wěn)定度的變化。下面分兩種情況進行討論，并假設：①氣層在升降過程中是絕熱的，總質(zhì)量也保持不變；②氣層內(nèi)部不發(fā)生湍流混合，也不發(fā)生翻滾現(xiàn)象，因此氣層內(nèi)部的相對位置不變 (1)氣層升降過程中始終為未飽和狀態(tài) 設某氣層從氣壓 p1(高度 z1)垂直下降至氣壓 p2(高度 z2) 222111 ZAZA ??? ??質(zhì)量守恒 代入狀態(tài)方程得 )( ???? ???? dTz21112221TAPTAPzz ??? )( ???? ???? dTz)()( 222111 ???? ?????dd TzTz由 () 得 因此 )()(122121?????????ddTTzz即 112212ApApdd ???????上式改寫為 ???????? ???????112211112212 1)()( APAPAPAPddd ??????????????? ???????221122221121 1)()( ApApApApddd ???????此為下沉時氣溫遞減率的變化 氣層上升時氣溫遞減率的變化 統(tǒng)一形式 ????????????0000 1)( AppAd ????下標 0為初始狀態(tài) ,無下標為運動后狀態(tài) ????????????0000 1)( AppAd ????? 上升運動 pA＜ p0A0 (1) γ0＜ γd,即原氣層為穩(wěn)定層結 ,則 γγ0,氣層穩(wěn)定度減小 (2) γ0γd,即原氣層為不穩(wěn)定層結 ,則 γγ0,氣層不穩(wěn)定度減小 (3) γ0=γd,即原氣層為中性層結 ,則 γ=γ0,中性不變 ????????????000