ATMOSPHERIC LAPSE RATE AND STABILITY

1. 在解釋穩定度(stability)之前，先看看一個簡單的實驗。在一個燒杯中裝入適量的水，將杯子放在冰塊上等一段時間，然後用吸管小心地在靠近杯子底部的地方滴入一滴染料，用湯匙將水慢慢攪拌，可以看到染料在水平方向擴散，但在垂直向卻沒有混合，仍然集中在靠近杯底的地方。如果此一杯子，被放到一個加熱板上情況就完全不一樣，即使沒有攪拌，染料也會在垂直向產生混合。此乃因杯中水溫結構不同所致，第一種情形下層水溫較低密度較大，上層水溫較高密度較小，形成穩定(stable)的結構，不易產生垂直向的運動。相反地，在加熱板上的水，下層水溫較高密度較小，上層水溫較低密度較高，形成不穩定(unstable)的結構，只要有一些擾動就很容易產生垂直混合。如果各高度密度相等，當水分子受外力離開原來高度，並被推到另一高度，當外力撤除後，就停止在這一高度上，即不加速也不減速，此種狀況爲中性平衡(neutral)。在解釋穩定度(stability)之前，先看看一個簡單的實驗。在一個燒杯中裝入適量的水，將杯子放在冰塊上等一段時間，然後用吸管小心地在靠近杯子底部的地方滴入一滴染料，用湯匙將水慢慢攪拌，可以看到染料在水平方向擴散，但在垂直向卻沒有混合，仍然集中在靠近杯底的地方。如果此一杯子，被放到一個加熱板上情況就完全不一樣，即使沒有攪拌，染料也會在垂直向產生混合。此乃因杯中水溫結構不同所致，第一種情形下層水溫較低密度較大，上層水溫較高密度較小，形成穩定(stable)的結構，不易產生垂直向的運動。相反地，在加熱板上的水，下層水溫較高密度較小，上層水溫較低密度較高，形成不穩定(unstable)的結構，只要有一些擾動就很容易產生垂直混合。如果各高度密度相等，當水分子受外力離開原來高度，並被推到另一高度，當外力撤除後，就停止在這一高度上，即不加速也不減速，此種狀況爲中性平衡(neutral)。 空氣污染問題與上述實驗有些相似之處，污染物大都由地面附近排放，如果大氣是穩定的，就如同冰上杯中的染料，不易產生垂直向的混合而集中在地表附近，形成高濃度，造成危害。如果大氣是不穩定的，則地面排放的污染物會稀釋到高空中，降低地面濃度。不過空氣不像水， 空氣是可壓縮流體，空氣的密度會隨溫度和壓力而改變，而且大氣中溫度和壓力都隨著高度改變，所以大氣的穩定度比水體的穩定度還要複雜。

2. “Lapse rate” = -dT/dz ATMOSPHERIC LAPSE RATE AND STABILITY Consider an air parcel at z lifted to z+dz and released. It cools upon lifting (expansion). Assuming lifting to be adiabatic, the cooling follows the adiabatic lapse rateG : z G = 9.8 K km-1 stable z unstable • What happens following release depends on the local lapse rate –dTATM/dz: • -dTATM/dz > Ge upward buoyancy amplifies initial perturbation: atmosphere is unstable • -dTATM/dz = Ge zero buoyancy does not alter perturbation: atmosphere is neutral • -dTATM/dz < Ge downward buoyancy relaxes initial perturbation: atmosphere is stable • dTATM/dz > 0 (“inversion”): very stable ATM (observed) inversion unstable T The stability of the atmosphere against vertical mixing is solely determined by its lapse rate.

3. 穩定(stable)大氣 中性穩定(neutral) 不穩定(unstable)大氣

8. 翻卷型(波浪型,looping)：在不穩定狀態，垂直對流強烈，上升或下降的氣流造成整個煙流時上時下，有時煙流在靠近污染源的地方就會碰到地面，造成短暫但極高的地面濃度。如果考慮較長的平均時間(如一小時)，則擴散十分迅速，煙流散佈到很大的範圍，污染濃度平均濃度較小。此種情形大都出現在晴朗的午後。翻卷型(波浪型,looping)：在不穩定狀態，垂直對流強烈，上升或下降的氣流造成整個煙流時上時下，有時煙流在靠近污染源的地方就會碰到地面，造成短暫但極高的地面濃度。如果考慮較長的平均時間(如一小時)，則擴散十分迅速，煙流散佈到很大的範圍，污染濃度平均濃度較小。此種情形大都出現在晴朗的午後。 錐型(coning)：出現在中性穩定大氣，如陰天、多雲天氣或傍晚，陽光不強烈，風力又較大時。煙流向前推動良好，亂流尺度較小，可以讓污染物擴散，但不會產升大尺度的升降，煙雲在下風向呈圓錐狀。 扇型(fanning)：這種情況多出現在穩定的大氣，尤其是晴朗無風的夜晚。在穩定的大氣中，垂直向的亂流受到抑制，因此煙流在垂直方向伸展很小，只有水平擴散，煙流變為薄薄的一層，就好像打開的折扇一般。如果是高空的煙流則產生的地面濃度很低，相反地，如果靠近地面排放，就會形成很高的地面濃度。 屋脊型(roof)：在地面附近有逆溫層存在，但上部仍保持中性穩定狀態，故煙氣能向上擴散，而不向下方逆溫層擴散，一般不會造成污染，此種情況常發生在夜晚。 燻煙型(fumigation)：這種類型與屋脊型正好相反，常出現在日出以後，由於地面加熱，使夜間形成的逆溫層從地面起向上逐漸破壞，當破壞到煙囪高度時，下部氣溫接近中性穩定，但上部仍保持著逆溫狀態，故煙囪排出的污染物在其下方很快擴散，而向上受阻，導致地面污染濃度急速升高，不過隨著逆溫層逐漸破壞，混合層漸增，地面污染物的濃度就會逐漸降低。

9. 4 3 Altitude, km 2 1 0 -20 -10 0 10 20 30 Temperature, oC cloud boundary layer

10. 當氣溫隨著高度增加，稱為逆溫(inversion)，逆溫是一種非常穩定的大氣。出現逆溫的大氣層叫逆溫層，根據逆溫層發生的原因可分爲輻射逆溫(radiatvie inversion)、沈降逆溫(subsidence inversion)、鋒面逆溫(frontal inversion)等。 沈降逆溫：由於空氣下沈壓縮增溫而形成，多發生在高壓中心，當空氣下沈時，其溫度沿著乾絕熱直減率增溫，為保持質量守恆，下沉前後此氣塊上下壓力差都相等，但下沉後因壓縮作用，所以氣塊厚度變小，也就是氣塊上層沉降距離高於下層，所以上層增溫高於下層，因此產生逆溫。沉降逆溫多出現在高空，厚度可達數百米。有時沉降逆溫和輻射逆溫會同時發生，高空爲沉降逆溫，地表則有輻射逆溫。 輻射逆溫：一般是在晴朗的夜晚，地面長波輻射的能量直接進入太空，地面和近地面的大氣層迅速降溫，而上層大氣降溫較慢，因而出現輻射逆溫。輻射逆溫多發生在對流層的接地層。日出後太陽輻射的加強，近地面和近地面大氣層增溫，逆溫消失，因此，輻射逆溫具有明顯的日變化。 鋒面逆溫：由鋒面上暖空氣和鋒面下冷空氣的溫差而造成。在對流層中的冷暖空氣相遇時，暖空氣密度小就會爬到冷空氣上面去形成一個傾斜的過渡區，稱鋒面。在鋒面上，如果冷暖空氣溫度相差得大，也可以出現逆溫，這種逆溫稱爲鋒面逆溫，通常此種逆溫現象持續時間較短。

11. SUBSIDENCE INVERSION typically 2 km altitude

12. DIURNAL CYCLE OF SURFACE HEATING/COOLING:ventilation of urban pollution z Subsidence inversion Planetary Boundary Layer (PBL) depth MIDDAY 1 km G Mixing depth NIGHT 0 MORNING T NIGHT MORNING AFTERNOON

13. TYPICAL TIME SCALES FOR VERTICAL MIXING • Estimate time Dt to travel Dz by turbulent diffusion: ~ tropopause (10 km) 10 years 5 km 1 month 1 week 2 km planetary boundary layer 1 day 0 km