自由对流高度


曲线T0EFGH是夏季早晨探空曲线的一种典型形式， 近地面气层有逆温，EFG段是条件性不稳定。日 出之后，地面很快增温并通过湍流输送加热空气， 使贴近地面的气层变得超绝热。这个干绝热气层 不断向上扩展； 同时，湍流混合作用还使大气低层的湿度趋近于 平均比湿。 当地面温度上升到Tr时，干绝热曲线与等饱和比 湿线相交于C点（饱和凝结），标志着地面空气 能自由上升到C点凝结，并继续沿湿绝热线上升， 所以C点就是对流凝结高度CCL。
特点：在这种气层中，其底部扰动 不论强弱，气层对受扰气块起抑制作用， 不利于受扰气块的上升运动得到发展；
ln(P00/p)
p4
p3
p2
p1
p0
T4
T2 T3 T1 T0
T
ln(p00/p)
p4
p3
p2
p1 p0
T4 T2 T3 T1 T0
T
Tv Tv
气块温度总大于气层温度（气层中储 存正不稳定能量，在T-lnP图上用“+”表 示）； 特点：在这种气层中，其底部只要受 到微小的扰动，该气层就会释放不稳定能 量，转化为气块上升的动能，使受扰气块 的上升运动得到发展；
d w ( e ) gB dt
B为净的阿基米德浮力 ， 气块的稳定与否取决于B
单位体积气块气块 在垂直方向上的受力

常用气块内外虚温差来讨论静力稳定度: 根据准静力条件和状态方程
d w g T Te dt Tve

1、当 T Te 时，则 暖时，可获得向上的加速度。 dw T Te 时，则 d t 0。说明若气块比周围空气 2、当 冷时，将获得向下的加速度。 dw 3、若 T Te 时， d t 0。说明气块与周围空气无温 差时，气块的垂直加速度为零。
B
平衡高度
自由对流高度
Tv
真潜不稳定型（“+”>“—”）
特点：在这种气层中，其底部只要受 到较强的扰动，迫使气块移到自由对流高 度B以上，气块的上升运动得到发展，其 称为真潜不稳定型；
ln(p00/p)
p4
E
平衡高度
对流有效位 能CAPE
p3
自由对流高 B 度
Hc
对流抑制 p2 能量CIN
p1 p0
dw gΓ d z dt Te

dw gΓ d z 讨论 d t Te


若 ，加速度与dz的符号总是相反, 气块 有回到原平衡位置的趋势，垂直运动受到限 制而削弱，这种气层是稳定的。 若 ，垂直运动既不发展也不衰减，大气 层结是中性的

归纳如下 :
Γ

利用静力学公式及状态方程 z p Tv Tve e Rd dp Δ Ek g d z g (Tv Tve ) ( ) z0 p0 Tve p e g p p dp (Tv Tve ) Rd ( ) (Tv Tve ) Rd d ( ln p) p0 p0 p p P00 (Tv Tve ) Rd d (ln ) 本质代表图上的面积，所 p0 P 以这个面积大小与不稳定 能量多少成正比。（Tv Tve >0） ，气块受到正 浮力 ，有正不稳定能量， 以A+表示 。反之 ，以负 面积A-表示
大气的垂直运动产生，主要决定于两个原因:一个是动 力原因，一个是热力原因。 动力原因: 飞机飞过，高山阻档,槽前和槽后等 热力原因 由于地表面局部受热不均匀，使得近地面层的空气温 度在水平方向上分布不均，温度较高的空气就因密度较小 而上升，周围较冷空气因密度较大而下沉补尝。
单位体积气块垂直 运动方程： dw ( e ) g dt




判断静力稳定度通常采用“气块法” 。 运用气块模型，令气块离开平衡位置作微小的虚拟 位移，如果气块有回到原平衡位置的趋势，则这种 大气层结是稳定的。


如果气块既不远离平衡位置也无返回原平衡位置的 趋势，而是随遇平衡，就是中性的。
如果气块到达新位置后有继续移动的趋势，则此气 层的大气层结是不稳定的，它表明稍有扰动就会导 致垂直运动的发展。



若上升气块湿度较小，凝结高度和自由对流高度就较高，容 易出现假潜不稳定； 如空气湿度太小，凝结高度更高，气块的状态曲线将会全部 位于层结曲线左侧，形成绝对稳定型。 可见，低层湿度越大，越有利于对流的发展。
ln(p00/p)
p4 E
平衡高度
p3
B 自由对流高度
p2 Hc p1 p0
T3T4
T2 T1T0
γ T
中性大气

现举例说明：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γ分别为 0.8℃/100m、1℃/100m 和1.2℃/100m，则可以有三种不同的 稳定度（图2·25）：

②饱和气块，垂直上升时按假绝热变化，垂直减温 率 = s 。
T
湿度影响：空气湿度越大，气层不稳定能量 面积越大，越有利于对流发展。
动力对流
由动力原因（气流的水平辐合、山地、 锋面对气流的强迫抬升等）引起的对流。 特征： 动力对流云底：HC；云顶：E。 发展动力对流的条件：动力抬升到自由对 流高度C。如图8
Байду номын сангаасn(P00/p)
p4
E
平衡高度
p3
q0
自由对流高度
)和假绝热线( s ) 又是等位 温线和假相当位温线，因此也有如下判据：
d
0 z
绝对不稳定
条件性不稳定
0 se 及 z 0 z
se 0 z
绝对稳定

讨论条件性不稳定厚气层或自地面以上对流层整层 大气是否稳定时，由于大气温度的垂直分布很复杂， Γ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。






气块在垂直运动中动能的增量Ek，可以认为是由 气层中所储存的一部分能量转化而来，这部分可以 转化的能量一般称为气层的不稳定能量，它的大小 和正负是大气层结是否稳定的标志。 Ek的大小应该用净浮力对单位质量空气所作功衡 量，但环境大气温度Tve和饱和气块的温度Tv都是 高度的复杂函数，所以常采用图解法。



Ek ＞0，气层对气块具有正的不稳定能量，有利 于受扰动气块的加速运动，因而气层是不稳定的； 当Ek ＜0，气层对气块具有负的不稳定能量，对 受扰动气块的垂直运动具有抑制作用，气层是稳定 的； 当Ek =0，气层对气块的垂直运动既不有利也不 抑制，气层属于中性层结。
绝对稳定型（ Tv Tv ）： 气块温度总小于气层温度（气层中 储存负不稳定能量，在T-lnP图上用“-” 表示）；
利用dz=w dt ，由z0到z积分 ：
1 w 2 1 w 2 Δ E z g Tv Tve d z k z0 2 2 0 Tve 右边：净浮力将单位质量空气从z0移到z所作的功。 左边：转化成气块的动能增量，以Ek表示 若气块温度高于环境温度，则净浮力为正，气块 的垂直运动动能不断增加；反之，净浮力为负， 气块的动能将减小。 由于气块上升时的温度变化是确定的，因此浮力 的正负取决于厚气层的温度层结。

1、 Γ > s 2、 s =Γ 3、 Γ < s
不稳定 中性 稳定

并且有 s < 能：
d
。因此Γ 和
d
、 s 有如下三种可

1、 Γ > d 绝对不稳定 2、 d >Γ> s 条件性不稳定 3、 Γ < s 绝对稳定

T ln p图上干绝热线(
dw 0 。说明若气块比周围空气 dt

令 和Γ分别表示气块和环境大气的垂直减温率。当 气块从平衡位置作一微小位移dz后，其温度T就变 成
T T0 d z
Te T0 Γ d z

dw gΓ d z 则气块加速度 ： t d Te

讨论

1、若 ，气块的加速度总是和dz的符号一 致，有加速离开原平衡位置的倾向，则大气层结是 不稳定层结。
T3 T4
T2 T1 T0
T
特点： 自由对流高度B以上的正不稳定能 量面积小于负不稳定能量面积，自由 对流高度B较高度，气块受到扰动难以 超过这个高度，下部不稳定能量抑制 气块的发展,如图5
ln(p00/p)
p4
E
平衡高度
p3
B 自由对流高度
p2
Hc
p1 p0
T3T4
T2 T1T0
T

在相同的温度层结下，若上升气块的初始湿度较大，则凝结 高度和自由对流高度就较低，在气层po～p1之间容易形成 真潜不稳定；
ln(p00/p)
p4
p3
p2
p1
p0
T4
T2 T3
T1
T0
T
ln(p00/p)
p4
p3
p2
p1
p0
T4
T2 T3
T1
T0
T

Γ越大，气层越不稳定，越小越稳定；当Γ值很小， 甚至为负值（逆温层）时，对流或垂直运动难以发 展，气层成为阻挡层。
lnP P2 γ
P1
T
状态曲线与层结曲线在起始高 度以上出现几个交点，气层既 有正不稳定能量，又有负不稳 定能量。如B点以下为负不稳定 能量，气块必须靠外力才能抬 升，当气块越过B点，就可以从 大气中获得正不稳定能量而自 由上升，因此称B点为自由对流 高度。 状态曲线与层结曲线的第二个交 点称为平衡高度，在这个高度 上气块上升加速度为零，速度 达到最大，越过这个点过后， 气块进入负不稳定能量区开始 减速。