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1、大气层结分析（T-logP图）,陶祖钰 郑永光 原稿 北京大学物理学院 国家气象中心 魏鸣 改编 南京信息工程大学 2011年6月,主要内容, 目的意义 T-logP图的基本构造和性质 3 T-logP图的分析和应用 4 思考题, 目的意义,为什么要学习T-logP图的分析？ T-logP图大气层结分析：垂直剖面的大气热力学分析 目的： 预报对流性天气 分析锋面、气团、对流层顶、垂直运动、行星边界层等,实例：北京“05_531”强冰雹,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
2、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“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。 20年来最猛烈；持续时间只有5分钟左右。 1969年，北京遭遇过一次严重的冰雹袭击； 80年代也有一场强冰雹袭击北京 （不确切的记忆：白石桥，雷击死亡，云图上突然出现的粒状对流！）,冰雹前1小时,典型的 冷涡型 午后对流,冰雹开始时,冰雹中,发展迅速的锋前 粒状对流 （尺度很小）,蓝线：气块温度， 红线：环境温度,所以：,对流天气预报的关键： 大气层结是否具备静力不稳定条件？ T-logP图（温熵图）是
3、分析大气层结的基本工具（也写为：T-lnP）,T-logP图的基本构造和性质 T-logP图上的两种线： 层结曲线和过程曲线,温度廓线、露点廓线观测到的温度和露点随高度的分布，揭示环境大气的温湿特征（客观事实）； 层结曲线也称为“环境曲线”。 过程曲线假设地面气块在上升过程中，如果与外界没有热量交换，气块温度随高度的变化曲线。 过程曲线也称为“状态曲线”，揭示气块的状态变化。,T-logP图的基本构造和性质（1）,1等温线竖直线 2 等压线（等高线）横线 3 等位温线黄斜线 （ =(t,p)，干绝热过程曲线，位温守恒，可逆） 4 等饱和比湿线实绿线 （qs=qs(p,t),干绝热过程中比湿也守
4、恒，1kg湿空气中的水汽质量：g/kg） 5 等相当位温线虚绿线 （ e=e(q,t,p) ，湿绝热过程曲线， e=常数，不可逆， 夏季e ，冬季e = ）,T-logP图： 温度对数压力图,T-logP图的基本构造和性质（2）,干绝热递减率d，d =9.8 0C / km 湿绝热递减率m，m 5 0C9.8 0C/ km（范围很宽） 大气的一般绝热递减率=6.5 0C / km（请思考为什么？） 性质： 干绝热递减率d大于湿绝热递减率m 温度越高、比湿越大，湿绝热递减率越小 温度越低、比湿越小，湿绝热递减率接近干绝热递减率m = 9.8 C / km（两线趋于平行）,气块过程曲线,大气环境曲
5、线 温度廓线,干绝热线,湿绝热线,等比湿线,气块过程曲线,对流凝结高度,对流温度,自由对流高度,正,负,过程曲线的构成,气块起始高度,抬升凝结高度,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,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 ； 未饱和时露点温度沿等比湿线变化（露点的垂直递减率很小）,静力不稳定,静力平衡
6、：浮力（垂直气压梯度力）和重力 “稳定”与“不稳定”：偏离后能自动回复到平衡位置为稳定，反之为不稳定（既可向上偏离，也可向下偏离）。 方法：比较气块温度与环境温度，气块热则浮力上升，反之下沉。 对饱和湿空气向上不稳定的大气层结，但向下时是稳定的（如凝结物没有蒸发等）,静力不稳定是发生对流的必要条件,绝对不稳定（干空气块） d 条件性不稳定（湿空气块） m CIN （正面积负面积） （对流有效位能）静力不稳定能量,对流性不稳定（上干下湿气层）判据： e,上 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）,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
7、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 （首先上升到抬升凝结高度） 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,气块过程曲线,大气环境曲线 温度廓线,干绝热线,湿绝热线,等比湿线,气块过程曲线,对流凝结高度,对流温度,自由对流高度,正,负,过程曲线的构成,气块起始高度,抬升凝结高度,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,过程曲线的制作（1）,气块起始高度：地面或700hPa以下e最大的高度 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
8、露点温度的等比湿线相交） 抬升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）,过程曲线的制作（2）,LFC自由对流高度(hPa) 从抬升凝结高度出发，沿湿绝热线（即等相当位温线）上升到与环境曲线的相交处 自由对流高度以上过程曲线在层结曲线之上（气块温度高于环境温度，有不稳定能量） 气块相当位温的查找方法(此等相当位温线的数值) 等位温线和等相当位温线的数值一定和此线与1000 hPa等压线相交点的温度数值相同,CAPE对流有效位能（上升）(J/kg, 正面积) CIN对流抑制能量(J/kg，
9、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,3 T-logP图的分析和应用（1）,对流有效位能（CAPE） （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表示在自由对流高度之上，气块温度Tva高于环境温度Tve，气块因浮力作功而获得的能量。 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：,气块起始高度,红线：气块温度
10、；蓝线：环境温度,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）: 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
11、点（地面受热上升气块在干绝热过程中比湿不变。） 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。,干绝热线,湿绝热线,气块过程曲线,等比湿线,温度廓线,露点廓线,2008年8月8日08时23时850 hPa以下边界层的温度日变化 北京RUC廓线 层结曲线无明显的增湿现象，CAPE傍晚增大到1000以上，但抬升凝结高度等仍较高，发生对流的条件不很好 。,08,11,14,17,20,23,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
12、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：,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。大气沿假绝热线下沉至大气底，这条假绝热线与大气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。,湿绝热线,湿绝热线,大气环境曲线 温度廓线,大气
13、环境曲线 露点廓线,下沉气块过程曲线,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 扰动逆温 特征：逆温层以下与地面之间层结曲线趋于干绝热线 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） 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。,T-logP图的分析和应用（2） 4种逆温,温度对数压力图 T-logP 分析云层的稳定性,稳定层性质的判断,锋面定义 锋面：冷、暖气团之间的交界面。 温度的不连续几何面（0阶） 由于地球旋转，在空间锋面是个倾斜面（锋面坡度）。
14、冷气团密度大位于下面，暖气团位于上面。 实际大气中冷、暖气团之间是一个过渡带锋区/锋带 宽度几百公里。长度数千公里 锋面是过渡带的上界面和下界面。 在锋的上下界面之间温度梯度很大。 锋面既可指上界面，也可指下界面。 与地表面的交线称为锋线或简称为锋（上界或下界）。 锋面不是温度的零阶不连续面 而是温度的一阶（梯度）不连续面 锋面逆温 逆温在剖面图和廓线图上的形式,锋面逆温,注意廓线图和剖面图坐标不同！ 斜率表示垂直梯度,08年1月冰雪灾害华南静止锋锋面逆温 自南向北，无湿绝热线，无过程曲线，不典型（锋下也潮湿）,西沙（17N）： 热带气团，对流层顶位于100hPa以上,暖平流,2800Z测站探
15、空曲线 自南向北，无湿绝热线，无过程曲线,无,海口（20N）： 锋区上界位于925hPa,阳江（22N）： 锋区上界位于925hPa,层和饱,清远（24N）： 锋区上界850hPa，下界1000hPa,饱和层,深厚的西风区,锋区内,郴州（26N）： 锋区上界830hPa，下界900hPa,饱和层,深厚的西风区,锋区内,长沙（28N）： 锋区上界770hPa，下界850hPa,饱和层,深厚的西风区,锋区内,饱和层,武汉（31N）： 锋区上界670hPa，下界820hPa,深厚的西风区,低层冷空气,锋区内,深厚的西风区,郑州（35N）： 锋区上界650hPa，下界820hPa,饱和层,饱和层,暖平流,邢台（37N）： 锋区上界630hPa，下界700hPa；对流层顶230hPa,饱和层,饱和层,低层冷空气,T-logP图的分析和应用（3）,对流和降水正在发生时的 大气层结特点 （08年7月30日夜间奥运开幕式预演 大雷雨0802时全过程）,对流和降水过程是（准）湿绝热过程； 露点廓线接近温度廓线（准）饱和； 温度廓线（层结曲线）接近湿绝热线（过程曲线）； 相当位温（准）守恒 相当位温垂直梯度 =0没有预报意义！,北京7月30日夜彩排台风外围暴雨 晚8点到11点，31日凌晨24点,雨量：主要在西南到西北部，150毫米以上的测站有昌平区长陵镇（168毫米）、太平庄（1
