Конвективная доступная потенциальная энергия

График с наклоном T, показывающий утреннее зондирование с большим гидролапсом, за которым последовало дневное зондирование, показывающее охлаждение (красная кривая движется влево), которое произошло на средних уровнях, что привело к нестабильной атмосфере, поскольку приземные участки теперь стали иметь отрицательную плавучесть. Красная линия — температура, зеленая линия — точка росы, черная линия — поднятый пакет воздуха.

В метеорологии , доступная конвективная потенциальная энергия (обычно сокращенно CAPE ) Это мера способности атмосферы поддерживать движение воздуха вверх, которое может привести к образованию облаков и штормам. Некоторые атмосферные условия, такие как очень теплый и влажный воздух в атмосфере, которая быстро остывает с высотой, могут способствовать сильному и устойчивому восходящему движению воздуха, возможно, стимулируя образование кучевых облаков или кучево-дождевых облаков (грозовых облаков). В этой ситуации потенциальная энергия атмосферы, вызывающая движение воздуха вверх, очень высока, поэтому CAPE (мера потенциальной энергии) будет высокой и положительной. Напротив, другие условия, такие как менее теплый воздушный пакет или пакет в атмосфере с температурной инверсией (при которой температура повышается выше определенной высоты), имеют гораздо меньшую способность поддерживать энергичное движение воздуха вверх, поэтому потенциальный уровень энергии (CAPE) будет намного ниже, как и вероятность гроз.

С технической точки зрения CAPE — это интегрированный объем работы , которую восходящая (положительная) сила плавучести выполнила бы над данной массой воздуха (называемой воздушным пакетом ), если бы она поднималась вертикально через всю атмосферу. Положительное значение CAPE приведет к подъему воздушного пакета, а отрицательное значение CAPE приведет к его опусканию. Ненулевой CAPE является индикатором нестабильности атмосферы при любом заданном атмосферном зондировании , необходимым условием развития кучевых и кучево-дождевых облаков с сопутствующими серьезными погодными опасностями.

Механика

Диаграмма Skew-T с отмеченными важными функциями.

CAPE существует внутри условно неустойчивого слоя тропосферы , слоя свободной конвекции (FCL), где восходящий поток воздуха теплее окружающего воздуха. CAPE измеряется в джоулях на килограмм воздуха (Дж/кг). Любое значение, превышающее 0 Дж/кг, указывает на нестабильность и возрастающую вероятность гроз и града. Общий CAPE рассчитывается путем вертикального интегрирования локальной плавучести груза от уровня свободной конвекции (LFC) до равновесного уровня (EL): $$\mathrm {CAPE} =\int _{z_{\mathrm {f} }}^{z_{\mathrm {n} }}g\left({\frac {T_{\mathrm {v,parcel} }-T_{\mathrm {v,env} }}{T_{\mathrm {v,env} }}}\right)\,dz$$

Где $z_{\mathrm {f} }$ – высота уровня свободной конвекции и $z_{\mathrm {n} }$ – высота уровня равновесия (нейтральной плавучести), где $T_{\mathrm {v,parcel} }$ — виртуальная температура конкретной посылки, где $T_{\mathrm {v,env} }$ — виртуальная температура окружающей среды (обратите внимание, что температуры должны быть в шкале Кельвина), и где $g$ это ускорение свободного падения . Этот интеграл представляет собой работу, совершенную выталкивающей силой, за вычетом работы, совершаемой против силы тяжести, следовательно, именно избыточная энергия может стать кинетической энергией.

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

CAPE — это, по сути, положительная плавучесть, выражаемая B+ или просто B ; противоположность конвективному торможению (CIN) , которое выражается как B- и может рассматриваться как «негативное CAPE». Как и CIN, CAPE обычно выражается в Дж/кг, но может также выражаться как м ² /с ² , поскольку значения эквивалентны. Фактически, CAPE иногда называют положительной плавучей энергией ( PBE ). Этот тип CAPE представляет собой максимальную энергию, доступную восходящему пакету и влажной конвекции. Когда присутствует слой CIN, этот слой должен быть разрушен за счет нагрева поверхности или механического подъема, чтобы участки конвективного пограничного слоя могли достичь уровня свободной конвекции (LFC).

На диаграмме зондирования CAPE — это положительная область над LFC, область между линией виртуальной температуры участка и линией виртуальной температуры окружающей среды, где восходящий участок теплее окружающей среды. Пренебрежение виртуальной температурной поправкой может привести к существенным относительным ошибкам в расчете значения CAPE для небольших значений CAPE. слой CIN ( оседание CAPE также может существовать ниже LFC, но если присутствует ), он недоступен для глубокой влажной конвекции до тех пор, пока CIN не будет исчерпан. При механическом подъеме до нижняя насыщения граница облака начинается на уровне поднятой конденсации (LCL); В отсутствие воздействия нижняя граница облака начинается на уровне конвективной конденсации (CCL), где нагрев снизу вызывает самопроизвольный плавучий подъем до точки конденсации при конвективной температуры достижении . При отсутствии или преодолении CIN насыщенные участки на LCL или CCL, представлявшие собой небольшие кучевые облака , поднимутся до LFC, а затем самопроизвольно поднимутся до достижения устойчивого слоя равновесного уровня. Результатом является глубокая влажная конвекция (DMC) или просто гроза.

Когда посылка нестабильна, она будет продолжать двигаться вертикально в любом направлении, в зависимости от того, подвергается ли она восходящей или нисходящей силе, пока не достигнет стабильного слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие силы могут заставить посылку продолжать движение). Существует несколько типов CAPE: CAPE с нисходящим потоком ( DCAPE ), который оценивает потенциальную силу дождя и нисходящие потоки , охлаждаемые за счет испарения . Другие типы CAPE могут зависеть от рассматриваемой глубины. Другими примерами являются CAPE на основе поверхности ( SBCAPE ), CAPE смешанного или среднего слоя ( MLCAPE ), наиболее нестабильный или максимально пригодный для использования CAPE ( MUCAPE ) и нормализованный CAPE ( NCAPE ).

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

Если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности меньше , чем уменьшение или увеличение плотности окружающей (неперемещенной) среды, то вытесненный жидкий элемент будет подвергаться нисходящему или восходящему давлению, которое будет восстанавливать его исходное состояние. позиция. Следовательно, будет действовать сила, противодействующая начальному смещению. Такое состояние называется конвективной устойчивостью .

С другой стороны, если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности больше , чем в окружающей жидкости, смещение вверх или вниз будет встречено дополнительной силой в том же направлении, действующей со стороны окружающей жидкости. В этих условиях небольшие отклонения от исходного состояния будут усиливаться. Это состояние называется конвективной неустойчивостью .

Конвективную неустойчивость также называют статической неустойчивостью , поскольку неустойчивость 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

Грозы образуются, когда воздушные пакеты поднимаются вертикально. Глубокая влажная конвекция требует, чтобы посылка была поднята в LFC, где она затем самопроизвольно поднимается, пока не достигнет слоя неположительной плавучести. Атмосфера ) теплая на поверхности и нижних уровнях тропосферы , где происходит перемешивание ( планетарный пограничный слой (ППС) , но с высотой становится существенно холоднее. Температурный профиль атмосферы, изменение температуры, степень ее охлаждения с высотой — это скорость градиента . Когда поднимающийся слой воздуха остывает медленнее, чем окружающая атмосфера, он остается более теплым и менее плотным . Посылка продолжает свободно ( конвекционно ; без механического подъема) подниматься через атмосферу, пока не достигнет области воздуха, менее плотной (более теплой), чем она сама.

Размер и форма области положительной плавучести модулируют скорость восходящих потоков , поэтому экстремальный CAPE может привести к взрывному развитию грозы; такое быстрое развитие обычно происходит, когда CAPE, хранящийся в результате переворачивания укупорки, высвобождается, когда «крышка» ломается при нагревании или механическом подъеме. Количество CAPE также модулирует то, как завихренность низкого уровня захватывается, а затем растягивается восходящим потоком , что имеет важное значение для торнадогенеза . Самый важный CAPE для торнадо находится в пределах самых нижних слоев атмосферы от 1 до 3 км (0,6–1,9 миль), тогда как CAPE глубокого слоя и ширина CAPE на средних уровнях важны для суперячеек . Вспышки торнадо , как правило, происходят в условиях высокого CAPE. Большой CAPE необходим для образования очень большого града из-за силы восходящего потока, хотя вращающийся восходящий поток может быть сильнее при меньшем CAPE. Большой CAPE также способствует молниеносной активности.

В два примечательных дня суровой погоды значения CAPE превышали 5 кДж/кг. За два часа до того, как 3 мая 1999 года в Оклахоме произошла вспышка торнадо в Оклахоме , значение CAPE, звучащее в Оклахома-Сити, составляло 5,89 кДж/кг. Несколько часов спустя торнадо F5 пронесся по южным пригородам города. Также 4 мая 2007 года были достигнуты значения CAPE 5,5 кДж/кг, и EF5 торнадо пронесся через Гринсбург, штат Канзас . В эти дни стало очевидно, что условия созрели для торнадо, и CAPE не является решающим фактором. Однако экстремальный CAPE, модулируя восходящий (и нисходящий) поток, может привести к исключительным событиям, таким как смертоносные торнадо F5, обрушившиеся на Плейнфилд, штат Иллинойс , 28 августа 1990 года и Джаррелл, штат Техас , 27 мая 1997 года, в дни, когда не было очевидно, что они способствуют возникновению крупных торнадо. По оценкам, CAPE превышала 8 кДж/кг в условиях шторма Плейнфилд и составляла около 7 кДж/кг для шторма Джаррелл .

В районе низких значений CAPE могут развиваться суровые погодные условия и торнадо. Хорошим примером является неожиданное суровое погодное явление , произошедшее в Иллинойсе и Индиане 20 апреля 2004 года. В этом случае важным было то, что, хотя в целом CAPE был слабым, на самых нижних уровнях тропосферы наблюдался сильный CAPE, что привело к вспышке мини-суперячейок, производящих большие, длинные и интенсивные торнадо.

Пример из метеорологии

Хороший пример конвективной неустойчивости можно найти в нашей атмосфере. Если сухой воздух среднего уровня втягивается над очень теплым и влажным воздухом в нижней тропосфере , возникает гидролапс (область быстрого снижения температуры точки росы с высотой) в области, где встречаются влажный пограничный слой и воздух среднего уровня, . Поскольку дневное отопление увеличивает перемешивание внутри влажного пограничного слоя, часть влажного воздуха начнет взаимодействовать с сухим воздухом среднего уровня над ним. Из-за термодинамических процессов, когда сухой воздух среднего уровня медленно насыщается, его температура начинает падать, увеличивая скорость адиабатического градиента . При определенных условиях скорость градиента может значительно увеличиться за короткий промежуток времени, что приведет к конвекции . Высокая конвективная неустойчивость может привести к сильным грозам и торнадо , поскольку влажный воздух, попавший в пограничный слой, в конечном итоге становится очень отрицательной плавучестью по отношению к адиабатической скорости градиента и выходит наружу в виде быстро поднимающегося пузыря влажного воздуха, вызывая развитие кучевое или кучево-дождевое облако.

Ограничения

Как и в случае с большинством параметров, используемых в метеорологии , следует иметь в виду некоторые предостережения, одно из которых заключается в том, что CAPE представляет собой физически и в каких случаях CAPE можно использовать. Одним из примеров, когда более распространенный метод определения CAPE может начать не работать, является наличие тропических циклонов (таких как тропические депрессии, тропические штормы или ураганы ).

Более распространенный метод определения CAPE может не работать вблизи тропических циклонов , поскольку CAPE предполагает, что жидкая вода теряется мгновенно во время конденсации . Таким образом, этот процесс необратим при адиабатическом спуске. Этот процесс нереален для тропических циклонов (сокращенно ТЦ). Чтобы сделать процесс более реалистичным для тропических циклонов, следует использовать обратимый CAPE (сокращенно RCAPE). RCAPE предполагает крайность, противоположную стандартному соглашению CAPE, и заключается в том, что жидкая вода не теряется во время процесса. Этот новый процесс придает посылкам большую плотность , связанную с содержанием воды.

RCAPE рассчитывается по той же формуле, что и CAPE, разница в формуле составляет виртуальную температуру . В этой новой формулировке мы заменяем коэффициент смешивания насыщения участка (который приводит к конденсации и исчезновению жидкой воды) на содержание воды в пакете. Это небольшое изменение может радикально изменить ценности, которые мы получаем в результате интеграции.

RCAPE действительно имеет некоторые ограничения, одно из которых заключается в том, что RCAPE предполагает отсутствие испарения, сохраняя постоянство при использовании внутри TC, но его следует использовать умеренно в других местах.

Еще одним ограничением CAPE и RCAPE является то, что в настоящее время обе системы не учитывают увлечение .

См. также

• Атмосферная термодинамика
• Поднятый индекс
• Максимальная потенциальная интенсивность

Дальнейшее чтение

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

Внешние ссылки

• Карта текущего глобального CAPE