Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
График с наклонной Т-образной кривой показывает утреннее зондирование с большим гидролапсом, за которым следует дневное зондирование, показывающее похолодание (красная кривая, движущаяся влево), которое произошло на средних уровнях, что привело к нестабильной атмосфере, поскольку участки поверхности теперь стали отрицательно плавучими. Красная линия - температура, зеленая линия - точка росы, а желтая линия - поднятая воздушная посылка.

В метеорологии , конвективная доступная потенциальная энергия (сокращенно CAPE ), [1] представляет собой интегрированный объем работы , что вверх (положительная) выталкивающая сила будет выполнять на заданную массе воздуха (называется воздушная посылка ) , если она выросла вертикально через вся атмосфера. Положительный CAPE вызовет подъем воздушной посылки, в то время как отрицательный CAPE вызовет опускание воздушной посылки. Ненулевой CAPE - индикатор нестабильности атмосферы при любом заданном зондировании атмосферы , необходимое условие для развития кучевых и кучево-дождевых облаков.облака с сопутствующими опасными погодными условиями .

Механика [ править ]

Диаграмма Skew-T с отмеченными важными характеристиками

CAPE существует в условно нестабильном слое тропосферы , свободном конвективном слое (FCL), где поднимающийся воздушный пакет теплее окружающего воздуха. CAPE измеряется в джоулях на килограмм воздуха (Дж / кг). Любое значение, превышающее 0 Дж / кг, указывает на нестабильность и возрастающую вероятность грозы и града. Общий CAPE рассчитывается путем вертикального интегрирования локальной плавучести участка от уровня свободной конвекции (LFC) до уровня равновесия (EL):

Где - высота уровня свободной конвекции и - высота уровня равновесия (нейтральная плавучесть), где - виртуальная температура конкретного участка, где - виртуальная температура окружающей среды (обратите внимание, что температуры должны быть в градусах Кельвина). шкала), а где - ускорение свободного падения . Этот интеграл представляет собой работу, совершаемую подъемной силой за вычетом работы, совершаемой против силы тяжести, следовательно, это избыточная энергия, которая может стать кинетической энергией.

CAPE для данного региона чаще всего рассчитывается по термодинамической диаграмме или диаграмме зондирования (например, диаграмма Skew-T log-P ) с использованием данных о температуре воздуха и точке росы, обычно измеряемых с помощью метеозонда .

CAPE - это положительная плавучесть, выражаемая B + или просто B ; противоположность конвективного торможения (CIN) , которая выражается как B- и может рассматриваться как «отрицательный CAPE». Как и в случае с CIN, CAPE обычно выражается в Дж / кг, но может также выражаться в м 2 / с 2 , поскольку значения эквивалентны. Фактически, CAPE иногда называют положительной выталкивающей энергией ( PBE ). Этот тип CAPE - это максимальная энергия, доступная восходящему участку и влажной конвекции. Когда присутствует слой CIN, этот слой должен быть разрушен нагреванием поверхности или механическим подъемом, чтобы конвективный пограничный слойпосылки могут достигать своего уровня свободной конвекции (LFC).

На диаграмме зондирования CAPE - это положительная область над LFC, область между виртуальной температурной линией участка и виртуальной температурной линией окружающей среды, где восходящий участок теплее окружающей среды. Пренебрежение поправкой на виртуальную температуру может привести к существенным относительным ошибкам в вычисленном значении CAPE для малых значений CAPE. [2] CAPE может также существовать ниже LFC, но если присутствует слой CIN ( проседание ), он недоступен для глубокой влажной конвекции до тех пор, пока CIN не будет исчерпан. Когда происходит механический подъем до насыщения , основание облака начинается с приподнятого уровня конденсации (LCL); отсутствие форсирования, основание облаканачинается на уровне конвективной конденсации (CCL), где нагрев снизу вызывает самопроизвольный плавучий подъем до точки конденсации при достижении конвективной температуры . Когда CIN отсутствует или преодолевается, насыщенные участки в LCL или CCL, которые были небольшими кучевыми облаками , поднимутся до LFC, а затем спонтанно поднимутся, пока не достигнут стабильного слоя равновесного уровня. Результатом является глубокая влажная конвекция (DMC) или просто гроза.

Когда участок нестабилен, он будет продолжать двигаться вертикально в любом направлении, в зависимости от того, получает ли он восходящее или нисходящее усилие, пока не достигнет стабильного слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие воздействия могут привести к тому, что участок продолжится). Существует несколько типов CAPE, CAPE с нисходящим потоком ( DCAPE ), оценивает потенциальную силу дождя и нисходящего потока с испарительным охлаждением . Другие типы CAPE могут зависеть от рассматриваемой глубины. Другими примерами являются CAPE на поверхностной основе ( SBCAPE ), CAPE со смешанным или средним слоем ( MLCAPE ), CAPE с наиболее нестабильным или максимально используемым слоем (MUCAPE ) и нормализованный CAPE ( NCAPE ). [3]

Текучие элементы, смещенные вверх или вниз в такой атмосфере, расширяются или сжимаются адиабатически , чтобы оставаться в равновесии давления с окружающей их средой, и таким образом становятся менее или более плотными.

Если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности меньше, чем уменьшение или увеличение плотности окружающей (неподвижной) среды, то вытесненный жидкий элемент будет подвергаться давлению снизу или вверх, которое будет функционировать, чтобы восстановить его исходное состояние. позиция. Следовательно, начальному смещению будет противодействовать сила. Такое состояние называется конвективной устойчивостью .

С другой стороны, если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности больше, чем в окружающей текучей среде, смещение вверх или вниз будет встречаться с дополнительной силой в том же направлении, оказываемой окружающей текучей средой. В этих условиях небольшие отклонения от исходного состояния будут усиливаться. Это состояние называется конвективной неустойчивостью . [4]

Конвективная неустойчивость также называется статической неустойчивостью , потому что нестабильность не зависит от существующего движения воздуха; это контрастирует с динамической нестабильностью, когда нестабильность зависит от движения воздуха и связанных с ним эффектов, таких как динамический подъем .

Значение для гроз [ править ]

Грозы образуются при вертикальном подъеме посылок . Глубокая влажная конвекция требует поднятия посылки к LFC, где она затем самопроизвольно поднимается, пока не достигнет уровня неположительной плавучести. Атмосфера теплый на поверхность и нижние уровни тропосферы , где есть смесительный ( планетарный пограничный слой (PBL) ), но становится существенно холоднее с высотой. Температурный профиль атмосферы, изменение температуры, степень ее охлаждения с высотой - это градиент . Когда поднимающийся воздушный пакет охлаждается медленнее, чем окружающая атмосфера, он остается более теплым и менее плотным.. Посылка продолжает свободно подниматься ( конвективно ; без механического подъема) через атмосферу, пока не достигнет области воздуха с меньшей плотностью (теплее), чем она сама.

Размер и форма области положительной плавучести модулируют скорость восходящего потока , поэтому экстремальный CAPE может привести к развитию взрывной грозы; такое быстрое развитие обычно происходит, когда CAPE, хранящийся путем переворота укупорки, высвобождается, когда «крышка» взламывается нагреванием или механическим подъемом. Количество CAPE также модулирует то, как низкоуровневая завихренность уносится, а затем растягивается восходящим потоком , что важно для торнадогенеза . Самый важный CAPE для торнадо находится в пределах от 1 до 3 км (от 0,6 до 1,9 миль) атмосферы, в то время как CAPE глубокого слоя и ширина CAPE на средних уровнях важны для суперячейки . Вспышки торнадо обычно происходят в средах с высоким CAPE. Большой CAPE требуется для образования очень большого града из-за силы восходящего потока, хотя вращающийся восходящий поток может быть сильнее с меньшим CAPE. Large CAPE также способствует молниеносной активности. [5]

Два знаменательных дня для суровой погоды показали значения CAPE более 5 кДж / кг. За два часа до вспышки торнадо в Оклахоме в 1999 г., произошедшей 3 мая 1999 г., значение CAPE, измеренное в Оклахома-Сити, составило 5,89 кДж / кг. Спустя несколько часов торнадо F5 пронесся через южные окраины города. Также 4 мая 2007 г. были достигнуты значения CAPE 5,5 кДж / кг, и торнадо EF5 пронесся через Гринсбург, штат Канзас . В эти дни было очевидно, что условия созрели для торнадо, и CAPE не был решающим фактором. Однако экстремальный CAPE, модулируя восходящий (и нисходящий) поток, может допускать исключительные события, такие как смертельные торнадо F5, обрушившиеся на Плейнфилд, штат Иллинойс.28 августа 1990 г. и Джаррелл, штат Техас, 27 мая 1997 г. в дни, которые не были очевидны как благоприятные для крупных торнадо. Согласно оценкам, CAPE превышал 8 кДж / кг в условиях шторма Плейнфилд и составлял около 7 кДж / кг во время шторма Джаррелл .

В районах с низкими значениями CAPE могут возникать суровые погодные условия и торнадо. Удивление тяжелым погодным явлением , которое произошло в штате Иллинойс и Индиана 20 апреля 2004 , является хорошим примером. Важным в этом случае было то, что, хотя общий CAPE был слабым, был сильный CAPE на самых низких уровнях тропосферы, что привело к вспышке минисуперячейков, производящих большие, длинные, интенсивные торнадо. [6]

Пример из метеорологии [ править ]

Хороший пример конвективной нестабильности можно найти в нашей атмосфере. Если сухой воздух среднего уровня засасывается через очень теплый влажный воздух в нижней тропосфере , гидролапс (область, где температура точки росы быстро снижается с высотой) приводит к тому, что влажный пограничный слой встречается с воздухом среднего уровня. По мере того, как дневное отопление увеличивает перемешивание во влажном пограничном слое, часть влажного воздуха начинает взаимодействовать с сухим воздухом среднего уровня над ним. Из-за термодинамических процессов, когда сухой средний воздух медленно насыщается, его температура начинает падать, увеличивая адиабатический градиент . При определенных условиях погрешность может значительно увеличиться за короткий промежуток времени, в результате чегоконвекция . Высокая конвективная нестабильность может привести к сильным грозам и торнадо, так как влажный воздух, который задерживается в пограничном слое, в конечном итоге становится крайне отрицательно плавучим по сравнению с адиабатическим градиентом и улетает в виде быстро поднимающегося пузыря влажного воздуха, вызывая развитие кучевых или кучево-дождевых облаков. .

См. Также [ править ]

  • Атмосферная термодинамика
  • Поднятый индекс
  • Максимальная потенциальная интенсивность

Ссылки [ править ]

  1. ^ MW Moncrieff, MJ Миллер (1976). «Динамика и моделирование тропических кучево-дождевых облаков и линий шквала». QJR Meteorol. Soc . 120 (432): 373–94. Bibcode : 1976QJRMS.102..373M . DOI : 10.1002 / qj.49710243208 .
  2. ^ Чарльз А. Досвелл III , Э. Н. Расмуссен (декабрь 1994). «Влияние пренебрежения виртуальной температурной поправкой на вычисления CAPE» . Погода и прогнозирование . 9 (4): 625–9. Bibcode : 1994WtFor ... 9..625D . DOI : 10,1175 / 1520-0434 (1994) 009 <0625: TEONTV> 2.0.CO; 2 .
  3. ^ Томпсон, Рич (2006). «Разъяснение параметров суровой погоды SPC» . Центр прогнозирования штормов . Проверено 30 мая 2007 .
  4. ^ Шу, Франк (1992). «Физика астрофизики, том II: Газовая динамика». Физика астрофизики. Том Ii: Газовая динамика . Bibcode : 1992pavi.book ..... S . ISBN 978-0-935702-65-1.
  5. ^ Крейвен, Джеффри П .; HE Brooks (декабрь 2004 г.). «Базовая климатология зондирования производных параметров, связанных с глубокой влажной конвекцией» (PDF) . Национальный метеодайджест . 28 : 13–24.
  6. ^ Pietrycha, Альберт Э .; Дж. М. Дэвис; М. Ратцер; П. Мерзлок (октябрь 2004 г.). «Торнадо в обманчиво маленькой среде CAPE: вспышка 4/20/04 в Иллинойсе и Индиане» . Препринты 22-й конференции по сильным локальным штормам . Хианнис, Массачусетс: Американское метеорологическое общество .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Барри, Р. и Чорли, Р. Дж. Атмосфера, погода и климат (7-е изд.) Рутледж, 1998 г., стр. 80-81 ISBN 0-415-16020-0 

Внешние ссылки [ править ]

  • Карта текущего глобального CAPE