讲稿-大气层结分析讲述

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

１目的意义２T-logP图的基本构造和性质

3

T-logP图的分析和应用

4思考题１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γd，γd=9.80C/km湿绝热递减率γm，γm5

0C~9.80C/km（范围很宽）

大气的一般绝热递减率γ=6.5

0C/km（请思考为什么？）性质：干绝热递减率γd大于湿绝热递减率γm

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γm=<9.8C/km（两线趋于平行）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：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

<<d（常态）若垂直运动强，气块抬升到自由对流高度以上，出现重力不稳定若垂直运动弱，继续保持原有层结，不显示其不稳定真潜不稳定

CAPE>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<e,下（de/dz<0）

抬升前未饱和>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1000hPa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，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3T-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；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850hPa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。081114172023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）。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08~02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2~4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（155毫米），延庆大庄科（156毫米）。水文站最大降雨量为昌平区的碓臼峪，达214毫米

稳定度分析：CAPE,CIN,LCH,FCH,螺旋度30日00Z的预报场：00，03,……,12,15网格距：15km北京（南郊）层结曲线08时850以下层结稳定，500以上顺转暖平流，700上干下湿，900以下不很湿，500以下和边界层风速很小层结很稳定，没有自由对流高度午后900以下温度急升，接近干绝热；露点几乎不变（与等比湿线平行）800以下转东风，但风速很小其他与08时同14时20时800hPa以下东风显著增强（这点可能是预报夜间强降水的关键。应考察北京的风廓线记录）500~700间露点增大显著层结变得不稳定，开始有自由对流高度边界层下部的风速超过10米/秒，最大可能超过16米/秒23时700hPa以下温度和露点非常接近，说明已是湿绝热层结，反映正在下雨02时温度廓线和湿绝热线两条弧线几乎平行，说明整个对流层都处于湿绝热状态（深对流）垂直运动的判读

奥运前一天分析（8月7日）T-logP图的分析和应用（4）LCL=847LFC=740，较高地面温度33.1℃接近最高温度，所以850-地面接近干绝热（反之亦然）TC=35.4℃14时对流凝结高度CCL=813mb,地面达到最高温度后开始对流，气块上升到饱和的高度风向顺转，暖平流；但风速小，故平流不强，动力上升弱，高空无急流，垂直风切变较小800~700接近等温，露点和比湿剧减，说明有弱的下沉运动800以下接近干绝热-等比湿（物理意义？）800饱和说明有低云20时700以上，露点剧减，比湿略减，在未饱和的情况下，气块在垂直运动过程中相对湿度随高度改变，比湿却具有一定的保守性。（请解释！）解读：1）841mb以下温度层结干绝热，露点廓线和等比湿线平行，到841和温度廓线相交，达到饱和，故低层上升或湍流混合；2）700mb以下逆温，露点急减；500~700mb露点廓线和等比湿线平行，700和500b比湿相等，下沉过程比湿不会增加，说明700的空气来自500。思考题为什么图中等比湿线只画到700mb？CAPE>50