在大气满足静力平衡的条件下,用来衡量气块在垂直方向上离开初始位置之后能否返回原有平衡位置的标准。
描述
当大气处于静力平衡的状态时,一个气块受到的空气浮力和自身重力相等,则会在垂直方向上处于一个平衡位置;当受到外力(动力或热力)的作用,就会使气块偏离平衡位置产生向上或向下的垂直运动;这种偏离平衡位置的垂直运动能否继续发展,是由大气温度和湿度的垂直分布所决定的。大气所具有的这种影响垂直运动的特征称为大气的静力稳定度,也称层结稳定度。
数学定义
运用数学的方式,计算式推导如下:
气块的垂直加速度等于其所受浮力和重力的和,即
由于静力平衡,有
将②代入①,可得气块垂直加速度与内外密度差的关系
式中 w——垂直运动加速度;
ρ——气块密度;
ρ1——环境空气密度;
P ——空气压强;
g ——重力加速度;
B ——净的阿基米德浮力。
根据判据B,可以得知气块的运动趋势:
B>0,表示加速度为正,即气块上升到新位置之后,由于密度比空气密度小,将继续上升;
B<0,表示加速度为负,即气块上升到新位置之后,由于密度比空气密度大,将下降;
B=0,表示加速度等于零,气块静止不动。
大气稳定度和污染
大气中污染物的扩散情况和大气稳定度有直接的关系,选择有利于污染物扩散的天气形势排放废气,有助于缓解生产带来的空气污染。
一般在阴天或者大风的天气条件下,大气多呈中性,污染物在垂直方向缓慢均匀扩散,水平方向扩散较好;在太阳辐射强的晴天,大气为不稳定状态,污染物在垂直方向上呈现较明显的起伏运动,垂直扩散较充分,但容易在源地附近堆积,形成一个高浓度区域,造成局地严重污染;在晴天的傍晚,近地层容易形成逆温,此时低层大气稳定而高层大气不稳定,则污染物在逆温层上部向上方扩散,若污染源高度较高,则对地面污染较小;晴天的夜晚,大气稳定,污染物垂直扩散缓慢,水平方向随风向缓慢扩散,若污染源高度较低,容易造成地面空气严重污染;日出后2~3小时内,低层大气形成不稳定层结,高层仍为逆温,污染物无法向上扩散,只能向下蔓延,造成地面空气污染严重,这是城市和工业区早晨烟雾弥漫的原因之一。
判据
气象上常用气块法和埃玛图法来分析大气的静力稳定度。
气块法
一般使用气块内外虚温差来讨论静力稳定度,可将方程变换为
气块离开平衡位置之后,温度变化为
环境温度变化为
因此可得气块加速度为
式中 T——气块温度;
T1——环境大气温度;
T0——初始温度;
γ——气块垂直减温率;
Γ——环境垂直减温率;
根据气块和环境垂直减温率的差值(Γ-γ),可判断大气层结稳定度(如图1):
Γ>γ,气块有离开平衡位置的倾向,称大气具有负静力稳定度,即绝对不稳定;
Γ<γ,气块有回到平衡位置的倾向,称大气具有正静力稳定度,即绝对稳定;
Γ=γ,气块无垂直运动,大气层结稳定,称零稳定,即中性。
埃玛图(T-lnp图)法
利用埃玛图(T-lnp图)可以更方便的判断气层的静力稳定度,如图2。判断依据为:
Γ>γd,气层达到超绝热状态,对于未饱和气块和饱和气块均为绝对不稳定;
γd>Γ>γs,大气层结对饱和气块是不稳定的,对未饱和气块是稳定的,即条件性不稳定;
Γ<γs,对于未饱和气块和饱和气块均为绝对稳定。