不稳定的大气结构

不稳定的大气结构,第1张

不稳定大气结构是对流层。主要原因是对流层是由于温的变化而形成空气对流。地面接收的太阳辐射从低纬度到高纬度减小,即低纬度地区的温度高,空气对流强烈。高纬度地区的温度低,空气对流弱。在空气对流较强的地区,对流层高度较高,空气对流较弱的区域对流高度较低。因此,对流层高度随着纬度的增加而减小。

因为我国大部分地区处于北半球,属热带、亚热带、温带季风气候,夏天受到太阳辐射和夏季风的影响,通常是高温多雨的天气,在雨前比较闷热,而在雨后,由于没有阳光的直射作用,降水也会带走大量热量,从而降低了空气的温度,所以前后的温度差异让人感觉天气变化快。

雷阵雨是在潮湿空气发生强烈对流运动的情况下产生的,它的发生与大气的稳定度有着密切关系。稳定度就是大气稳定的程度。不稳定的大气,头重脚轻,只要稍受外力影响,便一触即发,上下翻动,形成强大的对流;而稳定的大气,头轻脚重,即使有外力触动,迫使它上升或下降,但只要外力一消失,便马上回到原来的位置,稳如泰山,很难形成强大的对流.

气象学告诉我们,大气头重脚轻或头轻脚重的变化,主要取决于上下气层的温度。如果气层的上部温度下降或下部温度升高,都会造成头重脚轻的现象,大气趋向不稳定;而气层上部升温或下部降温,则大气头轻脚重,稳定度增加。一天之内的气温在不断地变化,所以大气稳定度也随着在改变春天雷阵雨的发生情况不同于夏天。夏天热雷雨多在同一暖气团情况下产生,雷雨发生前天气是晴朗的,而春雷大多发生在冷暖气团交锋的地带。当南北两股冷暖气团交锋时,暖湿空气爬在冷空气背上,大量水汽被凝结出来,使天空阴云密布,连日下雨,地面上终日不见阳光,从而使白天气温不能升得很高,夜晚气温不能降得很低,气温的日变化很小。

但在高空云层的顶部,白天仍受到太阳光照射,那里的气温日变化却相对变大了。白天云层被阳光晒得热起来,温度容易升高,大气头部变轻了,稳定度增加,形成雷阵雨的可能性变小;而到了夜间,云顶向太空散热,云层上部的温度下降,特别是半夜到早晨,是一天中温度下降得最低的时候,大气的头部变重,趋向不稳定,这样云层内便发展起对流运动,形成打雷闪电、暴雨滂沱的雷雨云。这就是春雷多在半夜到早晨出现的道理。

大气的各种运动状态,可以看成是基本气流 和各种不同尺度的扰动(波动)叠加的结果。 叠加在纬向的带状基本气流(ū )上的扰动, 有三种可能的变化:①随时间而增强(发展), 按气象界的习惯,称为不稳定;②基本上保持 原有的强度,即所谓稳定或中性;③随时间而 衰减,即所谓阻尼。通常,称波的不稳定性为 动力不稳定。扰动发展,必须供给能量,根据 能源的不同,可将动力不稳定区分为正压不 稳定和斜压不稳定两种。

正压不稳定

若视大气为正压大气,则基本气流只能有水 平切变。假定基本气流(ū )主要在南北方 向有切变,即ū =ū (у),在一定的条件下, 这样具有南北切变的纬向气流中扰动可能是 不稳定的。因为正压大气不能释放全势能, 所以,引起扰动不稳定发展的能量,只能来自 其平均动能(见大气能量)。具有这一特征 的扰动的不稳定发展,称为正压不稳定。郭晓 岚(1949)最早研究了行星波(即长波)的正压 不稳定,得到了正压不稳定的必要条件:在流 场内至少有一点满足 其中β为罗斯比参数(见大气波动)。这一条 件表明,只有在基本气流的流场中绝对涡度( 见大气动力方程)有极大值或极小值时,扰动 才有可能发展。

斜压不稳定

在斜压大气中,引起动力不稳定的能量,主要 来自基本气流的全势能,在扰动发展过程中 全势能将转换成扰动的动能。这种扰动的不 稳定发展,称为斜压不稳定。最早注意到斜 压大气中行星波的动力不稳定的,是中国气 象学家赵九章。后来美国科学家J.G.查尼 和气象学家E.T.伊迪对斜压不稳定进行了深 入的研究,提出了比较符合实际大气情况的 斜压不稳定理论。他们的理论结果表明,当 行星波的波长大于临界波长时,波动将是不 稳定的,而临界波长随着静力稳定程度(见大 气静力稳定度)的增加而增加,在中纬度对流 层的典型条件下,临界波长约为3000公里。 此外,波动的增长率和大气的斜压性有关,斜 压性愈强波动增强得愈快。 行星波的斜压不稳定对于了解天气系统的发 展有很重要的意义,是近代动力气象学中的 一个重大发现。


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