T-lnP图的解析及各指数的产生原理和应用

T-lnP图的解析及各指数的产生原理和应用罗忠红2013.9.26为什么要学习T-lnP图分析？T-lnP图是分析大气层结稳定度的基本工具与多种天气的预报有关强对流天气：冰雹，雷暴大风，短时强降水，龙卷、最高温度、雾其它用途分析锋面、气团、对流层顶、垂直运动、行星边界层过程实例：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。20年来最猛烈；持续时间只有5分钟左右。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）•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•午后不稳定将增强早晨近地面逆温早晨边界层湿度大干绝热递减率湿绝热递减率风向顺转风向逆转•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-lnP图是分析大气层结稳定度的基本工具结论大气层结的稳定度层结----指大气中温度、湿度等要素的垂直分布。气象稳定度：动力稳定度-----大气波动中长波、短波的发展问题静力稳定度-----大气层结稳定度大气层结稳定度：主要是讨论与大气的温湿垂直分布状态相联系的垂直运动的发展问题。大气层结的稳定度稳定度的判别层结稳定度：气块收到垂直方向的扰动后，层结使它具有返回或远离其平衡位置的趋势和程度。不稳定：进一步远离平衡位置的趋势中性：既不使其远离、也不使其返回稳定：具有返回原来平衡位置的趋势大气层结的稳定度稳定度的判别对某一气块引进“加速度（a）”：气块受力：浮力（垂直气压梯度力）和重力（g）zp1gzpa1大气层结的稳定度•环境大气一般情况下，环境大气满足静力平衡：gzpee气块法假定（1）绝热条件：气块在升降中做绝热变化，与外界始终无热量和质量交换。【说明】近似合理。因为大气中的一些热量传递过程，一般都比对流运动缓慢。（2）气块的移动始终不扰动环境大气【说明】不能严格达到。气块上升时，必然有下沉气流来补偿。（3）准静态条件：升降运动中的任一时刻，气块的压强与同高度的环境空气的压强相等【说明】很好的假设。因为气压达成平衡的速度很快，只要运动不太激烈，这个假设可以成立。大气层结的稳定度根据气块法假设，则：物理意义：气块垂直速度的变化由气块内外的密度差所引起。zpzpe)(ega大气层结的稳定度•根据状态方程（）换算成：•物理意义：气块垂直速度的变化由气块内外的温差所引起。)(eeTTTga（*）RTp垂直温度递减率•环境的垂直温度递减率环境大气（气层）温度随高度的变化率：环境温度随高度变化：zTeedzTTee0垂直温度递减率•气块的垂直温度递减率干绝热递减率（未饱和）湿绝热递减率（饱和）dzdT''dzTT'0'静力稳定度判据)(eeTTTgadzTgaee'静力稳定度判据•a0ɤɤ’静力不稳定•a=0ɤ=ɤ’中性•a0ɤɤ’静力稳定条件不稳定•实际大气往往是静力稳定的。对流活动一般并不是直接由静力不稳定造成，而通常是由“条件性不稳定”造成。•条件性不稳定：对于未饱和湿空气而言，气层是静力稳定的，但当空气饱和后，对于饱和湿空气而言，气层是静力不稳定的。条件不稳定判据静力不稳定ɤ=ɤ·中性静力稳定ɤ·包括了ɤd和ɤs，并总有ɤdɤs判据：ɤɤdɤs绝对不稳定（干绝热不稳定）ɤɤsɤd绝对稳定ɤsɤɤd条件不稳定大气热力学大气中发生的各种物理过程常伴有不同形式能量间的相互转化，引起大气状态及其运动的变化，能量转化遵循热力学的一般定律。大气热力学热力学第一定律：外界传给系统的热量=系统热能的变化+系统对外界所做的功。△Q=△U+△W△Q：外界传给系统的热量，△U:系统的热能变化，△W：外界对系统做的功。一般用单位质量的式子dq=du+dw大气热力学做功项(dw):在理想气体的准静态过程中气体对外做功:dw=psdl=pdv大气热力学内能项(du)：对于理想气体来说，内能的增加表现为温度升高du=cvdT或du=cpdTcv、cp定容、定压比热，不是常数，不仅随物质不同而不同，即使同一种气体，还和状态变化的过程有关。空气而言，cv=0.169卡/克、cp=0.2375卡/克大气热力学热力学第一定律：dq=cvdT+pdv(1)状态方程：PV=RT(2)对（2）微分：Pdv+Vdp=RdTdq=(cv+R)dT–Vdpdq=cpdT-(RT/P)dp绝热变化：dq=0cpdT=(RT/P)dp积分PCRPPTT00位温PCRPT1000正负面积和不稳定能量每一小块面积：dA=（T-Te）dlnp单位质量气块受扰动后，垂直位移了dz，气块所做的功：利用静力学关系：状态方程：dzTTTgdzadweegzp1RTppRpdpRdzTgeln正负面积和不稳定能量pRpdpRdzTgelndzTTTgdzadweedA=（T-Te）dlnppTTRdweln)(因此，状态曲线与层结曲线所包围的面积，实质上表示了气块做垂直位移时层结内力对它所做的功，也就是表示了层结所具有的潜在不稳定能量的大小。正负面积和不稳定能量•当状态曲线在层结曲线左方时，他们所包围的面积为负（蓝色），表示气块做负功。面积大小代表要使对流得到发展，层结所缺乏的不稳定能量大小。•当状态曲线在层结曲线右方时，他们所包围的面积为正（红色），表示气块做正功。面积大小表示层结所具有的克供对流发展的潜在不稳定能量大小对流性不稳定•气块理论——气层本身是静止的。实际大气常被整层抬升（如气流过山，空气沿着锋面抬升）•不论气层原先的层结稳定性如何，在其被抬升达到饱和后，如果是稳定的，称为对流性稳定，如果不稳定，称为对流性不稳定，如果中性，称为对流性中性。•上干下湿的条件性稳定气层，甚至是绝对稳定的气层（如有逆温），经过整层抬升，可能变为不稳定。对流性不稳定判据•用假相当位温、相当位温、假湿球温度表示•对流性稳定•对流性中性•对流性不稳定0zse对流性不稳定和条件性不稳定比较【相同点】•都是潜在性不稳定•需要一定的外加抬升力才能使得潜在的不稳定转化成真实的不稳定对流性不稳定和条件性不稳定比较•【不同点】•触发机制，天气特征•对流性不稳定：需要有天气尺度系统（如锋面）的配合或地形的抬升作用。造成的对流性天气往往比较剧烈，水平范围也大。•条件性不稳定：除了上述触发机制外，局地的对流或动力因子对空气的抬升也可以将不稳定释放，从而造成局地性的对流天气。T-lnP图的构造和点绘纵坐标:表示气压的对数（lnP）。气压以hPa为单位，图右侧从1050hpa起，自下向上递减到200hPa，每隔100hPa标上百帕数。图左侧，从250hPa起自下向上递减至50hPa，每隔50hPa标百帕数，每小格表示2.5hPa，纵坐标上气压最低值为50hPa。横坐标:温度（T）。温度以摄氏度为单位，每隔10度标出度数（小字表示绝对温度）。T-lnP图的构造和点绘干绝热线即等位温线：黄色斜实线，表示未饱和空气在绝热升运动中状态的变化。每隔10度标出位温（θ）的数值（气压低于200hPa，位温值标注在括号中）。湿绝热线即等θse线：图上的绿色虚线，表示饱和空气由绝热升降运动中状态的变化。在这种曲线上，每隔10度标有假相当位温（θse）的数值。等饱和比湿线：绿色实线，是饱和空气比湿的等值线。每条线上都标有比湿值。当气压值低于200hPa时，等饱和比湿值标在括号中。T-lnP图上的两种线层结曲线（廓线）和过程曲线温度廓线：观测到的温度随高度的分布，揭示环境大气的温度特征（客观事实）。露点廓线：观测到的露点随高度的分布，揭示环境大气的湿度特征（客观事实）。其作法是，将各层上的露点数据用绿铅笔依次点绘在图上，然后用实线依次连接起来。T-lnP图上的两种线层结曲线（廓线）和过程曲线状态曲线（或称过程曲线）：表示气块在绝热上升过程中温度随高度而变化的曲线。某一高度上气块若先经历了干绝热上升，达到饱和后，再经历湿绝热上升的过程，则在温度—对数压力图上要先通过该气块的温压点，平行于干绝热线而画线；同时通过该气块的露压点平行于等比湿线而画线，两线相交于一点，从交点平行于湿绝热线再画一线，这条线便是状态曲线。一些特征高度及对流温度的求法抬升凝结高度（LCL）定义：气块绝热上升至其水汽达到饱和时的高度。上式中γs=γτ=0.17℃／100m。T，Td为起始高度的气决温度、露点，γd=0.977ºC／100m。一些特征高度及对流温度的求法求法：通过地面温压点作干绝热线，通过地面露压点作等饱和比湿线，两线相交于一点，此点所在的高度就是抬升凝结高度。有时，由于考虑到地面温度的代表性较差，也可用850hPa到地面气层内的平均温度及露点代表地面温度及露点来求LCL。有时，近地面有辐射逆温层，此时可用辐射逆温层顶作为起始高度来求LCL。一些特征高度及对流温度的求法自由对流高度（LFC）定义：状态曲线与层结曲线的交点高度。它的高低决定了对流发展所需外加扰动（或抬升力）的强弱。求法：根据地面温、压、露点值作状态曲线，它与层结曲线相交之点所在的高度就是自由对流高度（如图中的D点）。一些特征高度及对流温度的求法对流上限定义：对流所能达到的最大高度。求法：通过自由对流高度的状态曲线继续向上延伸，并再次和层结曲线相交之点所在的高度，就是对流上限，即经验云顶。一些特征高度及对流温度的求法对流凝结高度（CCL）定义：由于下垫面加热作用，使下层大气的减温率达到干绝热减温率，而开始发生热对流时，地面气块上升到其所含水汽达饱和时的高度。它的高低反映了局地热对流云底的高度求法：通过地面露压点的等饱和比湿线，与层结曲线相交，交点所在高度，即是对流凝结高度。一些特征高度及对流温度的求法对流温度（Tg）定义：气块自对流凝结高度干绝热下降到地面时所具有的温度。若地面加热使气温能超过Tg，则有发生热对流的可能，否则，将不会产生热对流。求法：沿经过对流凝结高度的干绝热线下降到地面，它所对应的温度，就是对流温度。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压高曲线的绘制及H0和H–20的求法为了在垂直方向上得到不同气压所对应的高度和比较准确地计算云高、云厚、零度层高度（H0）以及–20ºC层高度（H–20）等，可在温度一对数压力图上绘制压高曲线，其方法是：①改横坐标的温度值为从右向左增大的高度值：温度间隔10ºC改为高度间隔1000m。纵坐标不变。②将探空报告中的气压值和高度值依次点在图上：然后连接各点，即得压高曲线。如图所示，欲知某点A的高度，只要过点A作横轴的平行线，交于压高曲线上一点A’，过A’作纵轴平行线交干横轴上一点H，H即为A的高度（图中H为3500m）。同样办法，我们可以求得认及H0（图中为4750m，H－20为7750m）。压高曲线的绘制及应用一些常用稳定度指标的求法1、沙氏指数（SI）：500hPa环境温度与850hPa上升到500hPa时气块的温度之差。SI=T500－Ts其中T500为500hPa上的实际温度。Ts为气块从850hPa开始，沿干绝热线抬升到凝结高度，然后再沿湿绝热线抬升到500hPa的温度（状态曲线的温度）