探空读图指南(施工中)

一篇尚未完工的文章,先放上来存个档。暂时也没有配图。

探空图的主要构成

目前最常用的探空图一般为T-lnP图,以及由此衍生出的Skew-T图。顾名思义,T-lnP图的横轴为温度,纵轴为气压的对数,而Skew-T图是在此基础上把横轴倾斜了一定角度。

观测要素

一般来说无线电探空仪会测量气温,相对湿度,风向,风速,气压,位势高度等要素,而在探空图上直观反映出的主要为气温,露点温度和风向风速。图上露点曲线和气温曲线(也叫层结曲线)靠得越近就代表相对湿度越大,两线重合则代表水汽饱和。通常情况下,探空图的左侧或者右侧会有一列风羽代表不同高度的风场,读图方式和其他地方出现的风羽是一致的。

状态曲线

状态曲线是气块在简单理想条件下的变化路径,其中一个重要的假设是气块抬升时和外界没有热量交换。当此假想气块从地面抬升时,如果还未饱和,它将服从干绝热过程。由公式推导可得出干绝热过程中温度递减率约为1度/100米。随着温度的下降,气块保有水分的能力下降,所以在某个时刻它将会饱和,这个高度被称为抬升凝结高度 (Lifted Condensation Level, LCL)。饱和气块在绝热过程中则遵循湿绝热过程。湿绝热递减率的表达式较为复杂,不过定性的看,由于抬升过程中水汽凝结释放潜热,湿绝热递减率是小于干绝热递减率的。这两部分过程加在一起构成了完整的状态曲线。由于上文中提到的直减率的差异,状态曲线一开始较陡而后面较缓。

由状态曲线衍生出的参数

因为状态曲线描述了地面气块抬升之后的温度,而探空仪观测的是环境的温度,所以这两个温度的差异可以用来反映大气的不稳定度。当气块温度比环境温度高时,气块密度较周围环境空气小,则周围环境将给予气块向上的浮力,使其具有向上发展的动能。所以状态曲线在层结曲线右侧围成的面积能反映上升气块可获得的能量,而这部分也正比于对流有效位能 (Convective Available Potential Energy, CAPE)。CAPE越高代表大气越不稳定。类似地,当气块温度低于环境温度,气块则倾向于下沉,不利于对流发展,这部分区域围成的面积正比于对流抑制能 (Convective Inhibition, CIN)。在状态曲线和层结曲线的交点,气块和周围环境处于平衡状态。当CAPE为正时,在状态曲线与层结曲线的第一个交点,气块再往上抬升就可以获得向上的浮力,这里一般被看做对流的起点。此交点被称自由对流高度 (Level of Free Convection, LFC)。而在第二个交点,上升的气块无法继续获取浮力,达到平衡,所以这个交点被称为平衡高度 (Equilibrium Level, EL)。

    \begin{equation*} CAPE=\int_{LFC}^{EL}\left(\frac{T_{parcel}-T_{env}}{T_{env}}\right)g\mathrm{d}z \end{equation*}

除此之外,在500 hPa层面环境温度与气块温度的差被定义为抬升指数 (Lifed Index, LI),LI为负时代表气块温度高于环境温度,按照上述逻辑可以推断出大气不稳定。

速端曲线 (Hodograph)

速端曲线由每一个风矢量与其相邻风矢量的首部连线得到,可以从中解读出大量信息。

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