大气层结分析

3种过程及其曲线
(干绝热线、湿绝热线、等比湿线）
• 过程曲线：气块在垂直位移过程中气块 状态(p,T,Td)的变化曲线 • 绝对干的空气块，上升和下沉温度随气 压的变化都沿干绝热线； • 湿空气块的上升，未饱和时温度沿干绝 热线变化，比湿沿等比湿线不变；饱和 后，沿湿绝热线变化； • 湿空气块下沉，饱和、未饱和，均沿干 绝热线变化[注] ； • 未饱和时气块的露点温度沿等比湿线变 化（露点的垂直递减率很小）
T-logP图的基本构造和性质（1）
• 等温线 • 等压线（等高线） • 等位温线（ =(t,p)，干绝热过程曲 线，位温守衡，可逆） • 等饱和比湿线（qs=qs(p,t), 比湿的保 守性：干绝热过程中比湿也守衡[注] ， 1kg湿空气中的水汽质量） • 等相当位温线（ e=e(q,t,p) ，湿绝 热过程曲线， e=常数，不可逆， 夏 季e>> ，冬季e > = ）
温度——对数压力图
高 度
等饱和比湿线
干绝热线 等位温线 湿绝热线 等相当位温线
温度
T-logP图的基本构造和性质（2）
• 干绝热递减率大于湿绝热递减率， γd =9.8 º / km, C • 温度越高、比湿越大，湿绝热递减率 越小, γm <9.8 º / km （ >4.6 º / C C km?,待查） • 温度越低、比湿越小，湿绝热递减率 接近干绝热递减率γm = < 9.8 º / km C （两线趋于平行）
新闻报道
时间——下午2点30分和傍晚19点
地点——门头沟至京南的方庄小区，由西 北向东南形成了一个冰雹链。城区南部和东
部（门头沟、石景山、丰台、宣武、崇文、朝阳的部 分地区），宣武区最严重。
大小——亦庄 “巨型冰雹”，乒乓球大 小，个别的有“女人拳头”大小；李先生看
到直径达15厘米的巨型冰雹。海淀区羊坊店直径有3厘米；永 定门西街冰雹有大杏大小 最大的冰雹如鸡蛋大小。
初始抬升是发生对流的充分条件
• 初始抬升到一定高度才能发生对流（对 流的触发机制） 气块必须上升到自由对流高度以上 （首先上升到凝结高度）
地面边界层辐合 地表热力性质差异（水和陆、山地等） 低空动力抬升 （锋面、切变线、辐合线、涡旋等）
* 气层：整层抬升一定高度（？）
过程曲线的构成
大气环境曲线 温度廓线 气块过程曲线
T-logP图的分析和应用（1）
• • • • • • CAPE对流有效位能（上升）(J/kg, 正面积) CIN对流抑制能量(J/kg，负面积) CCL对流凝结高度(云底高） TC 对流温度（午后最高温度） DCAPE 下沉对流有效位能 静力稳定度的参数和指数（经验指标）
对流有效位能（CAPE）
– Updraft strength - hail, rainfall rate – Downdraft strength - wind – Rotation - tornadoes
• 强风暴的定义通常是人为 的 • 因此它们的区别往往不是 气象学意义上的区别 • 区别强风暴的标志有哪些？ – 上升气流的强度 - 冰雹， 雨强 – 下沉气流强度 – 风力 – 旋转性 – 龙卷
• 午后不稳定将增强
湿绝热 递减率
干绝热 递减率
早晨边界 层湿度大
风 向 顺 转 风 向 逆 转 早晨近地 面逆温
高空冷平流，低空暖 平流是冷涡背景下 常有的特点
The “Loaded Gun” sounding 引自Doswell “装满弹药的枪” 探空型• 低空非常潮湿（
位温使用 摄氏温标 较直观！
大气层结分析
原理和概念、实例、方法
（预报员轮训C班，2010-03）
陶祖钰 郑永光 北京大学物理学院 国家气象中心 章丽娜（培训中心） （taozuyu@）
为什么要学习 T-logP图的分析？ •预报对流性天气
• 其它分析：锋面、气团、对流层顶、 垂直运动、行星边界层物理
实例：北京“05_531”强冰雹
• 绝对不稳定（干空气） >d • 条件性不稳定（湿空气） m > > d（常态） • 真潜不稳定 CAPE > CIN （正面积>负面积） （对流有效位能）静力不稳定能量
气层法
• 对流性不稳定（上干下湿气层） e,上< e,下 抬升前未饱和 < m, ， 抬升到整层饱和后 > m 相当位温：湿空气潜热释放的贡献 总温度（总静力能量相当温度） 其它： 倾斜对流（？）
（空气所 刘玉玲） 当气块的重力与浮力不相等且浮力大于重力时，一 部分位能可以释放，并可在对流过程中转化成大气动 能，故称其为对流有效位能，即埃玛图上的正面积。 其表达式为：
CAPE g
Ze Zf
1 (Tva Tve )dz Tve
CAPE表示在自由对流高度之上，气块温度高于环境温 度，气块因浮力作功而获得的能量。
• 早晨近地面逆温 • 低层湿度大，有轻雾， • 条件性不稳定层结，略有不稳定 能量（对流有效位能CAPE） • 下部风向随高度顺转，上部逆转， 层结稳定度将减小 • 下湿、上干， • 中层很干
• 午后不稳定将增强
湿绝热 递减率
干绝热 递减率
早晨边界 层湿度大
风 向 顺 转 风 向 逆 转 早晨近地 面逆温
正
对流凝结高度
湿绝热线 自由对流高度 抬升凝结高度 干绝热线
过程曲线由 一段干绝热 线（在层结 曲线之下） 和一段湿绝 热线组成
等比湿线
负
对流温度
气块过程曲线
气块起始高度
过程曲线的制作（1）
• • 边操作，边思考 气块起始高度（可选） 地面，或700 hPa以下e最大的高度；移植 LCL抬升凝结高度( hPa) 沿干绝热线 （即等位温线）上升到饱和（即与通过 地面露点温度的等比湿线相交-比湿的保守 性） 凝结高度以下过程曲线在层结曲线之下 （气块温度低于环境温度）。 气块位温的查找方法(此等位温线的数值) 比湿的查找方法（通过地面露点温度的 等比湿线的数值）
绿色箭头所指为低 空的湿层；39为 对流温度，气块过 程曲线的出发点）
• 干暖盖（一定有 下沉）
• 抬高的混合层
Elevated Mixed Layer Capping Layer Low-level Moisture 对流温度
结论 • 对流系统的尺度很小，天气 图不能直接分析 • 对流天气预报的关键是大气 层结是否具备静力不稳定 （必要条件） • T-logP图（温熵图）是分析大气层 结稳定度的基本工具
大气环境曲线 温度廓线
湿绝热线
大气环境曲线 露点廓线
湿绝热线 下沉气块过程曲线
T-logP图的分析和应用（2）
4种逆温
• 锋面逆温 特征：逆温层高度与距锋面的距离 有关，逆温层以上相对湿度大，以下相对湿度 小（喇叭口向下） • 近地面辐射逆温 特征：贴近地面，日出后从 下往上逐渐减弱，近地面相对湿度往往较大 • 下沉逆温 特征：1）逆温层以上湿度很小 （喇叭口向上）；2）逆温层以上温度廓线接 近干绝热线 • 湍流逆温 特征：1）边界层风力大；2）逆温 层位于边界层顶附近；3）逆温层以下露点廓 线和登比湿线平行。
对于实际大气，气块与环境的温度差和虚温差非常接近，为 方便起见，忽略虚温的影响。实际计算时，把上式转化到气压坐 标系并按气压等间隔离散，变为：
CAPE R (T ai T ei ) ln( P i 1 / P i )
i 1 N
气块起始高度
对流抑制能量（CIN）
气块在到达自由对流高度（LFC）以前，气块温度 低于环境温度，必须有外力克服重力对气块做功，而 功的大小与从气块起始位置到LFC间的状态曲线与层结 曲线所围成的面积成正比，这个面积被称为负面积 （NA），即对流抑制能量（CIN）:
17时
20时
23时
Severe or non-severe?
强风暴和非强风暴的区别
• The definitions of severe convection are mostly arbitrary • Therefore, the distinction between severe and nonsevere is mostly not meteorological! • What distinguishes severe from non-severe storms?
DCAPE＝g
ZD Z sfc
1 (Tve Tva )dZ Tve
把中层干冷空气的侵入点作为气块下沉的起始高 度。下沉起始温度以大气在下沉起点的温度经等焓蒸 发至饱和时所具有的温度作为大气开始下沉的温度。 冷 大气沿假绝热线下沉至大气底，这条假绝热线与大气 冷 层结曲线所围成的面积所表示的能量为下沉对流有效 位能。 利用实际探空判断下沉起点时，可把中层大气 中相当位温最小的点作为下沉起始高度，把该高度处 的露点温度作为下沉起始温度。
NA CIN
p起始 pLFC
Rd (Tvp Tve )d ln p
CIN的物理意义是：处于大气底部的气块，若要 参与对流，必须从环境大气获得的能量下限。 通常 凌晨CIN最大，午后随着地面温度升高CIN 变小。
CCL对流凝结高度和TC对流温度
• CCL对流凝结高度 由于地面受太 阳短波辐射加热，午后低层大气温 度递减率达到 d而产生对流的云底 高。可用于预报云底高。 通过地面露点的等比湿线和环 境温度廓线的交点（地面受热上升 气块在干绝热过程中比湿不变。 比湿的保守性） • TC对流温度 表示因辐射加热，午 后地面可能达到的最高温度。可用 于预报最高温度。 从CCL沿干绝热下降到地面时的 温度。
下沉对流有效位能（DCAPE）
对流中的下沉运动的原因是外界干冷空气被吸入对流 云体，并被云内降落的水和冰粒子拖曳下泻，由于水 和冰的蒸发和融化而使气块降温，并低于环境温度， 产生向下的浮力，使下沉加速。下沉对流有效位能从 理论上反映，对流云体中下沉气流到达地面时可能有 的最大动能（下击暴流的强度）即环境对气块的负浮 力做功所产生的动能。其数学表达为式：