陶祖钰-大气层结分析

大气层结分析

原理和概念、实例、方法

（预报员轮训C_6班，2010-08）陶祖钰郑永光北京大学物理学院国家气象中心

章丽娜（培训中心）（taozuyu@）缘起——问题是怎么提出来的？数值预报应用2008年北京奥运开幕式天气预报BJ-RUC——北京（中尺度数值预报）快速更新循环系统临近探空CloseProximitySoundingsCT和CCL（对流温度和对流凝结高度）午后的热对流过程气象学报：基于BJ-RUC系统的临近探空及其在北京地区对流短时预报中的初步应用（陈敏范水勇郑祚芳仲跻芹）ThompsonRichardL.，EdwardsRoger，HartJohnA.，等.CloseProximitySoundingswithinSupercellEnvironmentsObtainedfromtheRapidUpdateCycle[J].WeatherandForecasting.2003,18(6):1243-1261.new为什么要学习

T-logP图的分析？预报对流性天气多种用途：分析锋面、气团、对流层顶、垂直运动、行星边界层过程与冬夏多种天气的预报有关：对流、最高温度、最低温度、雾、大风边学习、边提高实例：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（不稳定能量大）中层很干（DCAPE大）结论：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逆转风向顺转

高空冷平流，低空暖平流是冷涡背景下常有的特点The“LoadedGun”sounding

引自Doswell

“装满弹药的枪”探空型ElevatedMixedLayer对流温度CappingLayer

低空非常潮湿（绿色箭头所指为低空的湿层；39为对流温度，气块过程曲线的出发点）干暖盖（一定有下沉）

抬高的混合层（？）CAPE应从对流温度开始！Low-levelMoisture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之一（必要条件）是大气层结是否具备静力不稳定能量T-logP图（温熵图）是分析大气层结稳定度的基本工具小结T-logP图分析具有严谨性

大气热力学的具体体现

故名：热力学图解强调大气物理的基本概念（三个热力学过程气压—温度—湿度的关系）气块法（拉格朗日方法）学习要求：操作、应用、理解（最低到最高三个层次）自学三大内容T-logP图的构造环境曲线和过程曲线T-logP图的应用实例部分可作为自学和实习材料T-logP图的基本构造和性质（1）（5条线：2个坐标，3个物理规律的等值线）等温线（饱和时即等露点线）等压线（等高线）等位温线，干绝热过程中气块温度随气压变化的规律=(t,p)等饱和比湿线，饱和湿空气的水汽含量随温度和气压变化的规律qs=qs(p,td）等相当位温线，湿绝热过程中气块温度随气压变化的规律（e=e(t,td,p)T-logP图的基本构造和性质（2）

等位温线位温定义：1000hPa的温度为什么？为了比较，为了追踪气块等位温线即干绝热过程曲线过程：气块的热力学过程；干绝热过程：气压变化…..描述气块上升和下沉过程中温度的变化，即气块温度和气压的关系=(t,p)干绝热递减率γd=9.8ºC/km,T-logP图的基本构造和性质（2）

等位温线干绝热过程中位温守恒，有可逆性上升下沉一样作业：查一查下图广州、北京、乌兰巴托等4站100hPa的位温值查与不查不一样！-80，-73，-56，-45℃S－N=-35℃102，113，147，168℃S－N=-66℃为什么广州温度反而最低？平流层温度水平梯度是北暖南冷？为什么？牢记冷空气在下，暖空气在上。为什么不可能相反？

平流层没有冷空气永远不要忘记！作业温度——对数压力图温度（露点）高度湿绝热线等相当位温线干绝热线等位温线等饱和比湿线T-logP图的基本构造和性质（2）

等饱和比湿线比湿的定义：1kg湿空气中的水汽质量，常用单位g/kg，或10-3kg/kg；属于绝对湿度；比湿与体积无关，虽然温度和气压改变会引起体积变化；饱和：温度降到露点（开始凝结）饱和比湿：……..相对湿度：实际比湿和饱和比湿之比（%），温度-露点差（℃）T-logP图的基本构造和性质（2）

等饱和比湿线比湿查找：露点温度所对应的等饱和比湿线在发生凝结以前气块在上升和下沉过程中比湿不变[注：因为没有凝结发生]，但露点温度略有变化等比湿线描述未饱和湿空气的露点温度随气压的变化qs=qs(p,td）（不能用于饱和以后）等比湿线的分布反映了水汽垂直和水平分布的气候规律28度和10度的比较30℃27g/kg120℃20℃15g/kg65℃10℃7.7g/kg35℃0℃3.8g/kg12℃-10℃1.6g/kg-5℃1000hPa露点温度所对应的比湿和相当位温及其之差30℃27g/kg120℃

90℃20℃15g/kg65℃35℃10℃7.7g/kg35℃25℃0℃3.8g/kg12℃12℃-10℃1.6g/kg-5℃5℃水汽可忽略不计水汽集中区水汽随高度按指数快速减小（因为气压随高度按指数减小，温度随高度线性减小）高温饱和空气的位温和相当位温差别巨大低温饱和空气位温和相当位温相差无几自己查一查T-logP图的基本构造和性质（3）

等相当位温e线等相当位温线即湿绝热过程曲线；描述上升气块达到饱和后温度随气压的变化，反映潜热释放对温度的影响；上升过程中凝结释放的潜热使湿绝热过程减温率γm≤γd，γm不是常数，夏季近地面只有4ºC/km，冬季高空接近9.8ºC/kme和td关系密切，td大，e>>；td小，e≈；（见上页）温度很低时湿绝热线和干绝热线趋于平行争论：

新疆露点温度会不会高于华南沿海？问题从何而来？（新疆的温度非常高，而温度露点差也有很小的时候）露点是否与比湿密切相关？温度露点差能否表示水汽的多少？问题的严重性？（气象学和天气学的基本概念）为什么绝对不可能？（气团，水汽来源）你持何观点？想一想最大29（1站）最小32010年7月31日05时露点2010年8月1日11时露点最大28最小-52010年8月2日11时温度2010年8月2日11时露点2010年8月2日11时相对湿度2010年8月2日14时温度2010年8月2日14时露点2010年8月2日14时相对湿度850hPa天气图最高温度在西北28℃等温线，但温度露点差高达44℃，露点温度只有-16℃，比湿非常小；华南沿海20℃等温线，温度露点差只有6℃左右，露点温度高达14℃，比湿非常大。850hPa温度—露点差的大小

反映什么？

显著湿区？（相对湿区）湿度（比湿）？相对湿度（距饱和的程度）？云雨区？上升和下沉运动区？可降水量的大小？实证：任选一天对比得出自己的结论夹生饭

1）对各种知识按其基础性的高、低进行排序和使用。（先用最基础的知识）

2）四门基础学科（数学、物理、化学、工程学）的基本内容优先于专业知识。

3）永远不要吸收任何出处不明的跨学科知识（或出处没搞懂的知识）

4）要出创造新观点必须先征明旧观点是错误的。

——查理.芒格谈多学科教育

“各取所需”，所取的观点必须：1）有明确的出处；2）一定要优先采纳最基本的解释。

——查理.芒格谈多学科教育解读：不明白的不用（要用就要弄明白了再用）能用简单的，就不用复杂的能用旧的，就不用新的（不忽悠，不随风倒）T-logP图上分析的两种线

层结曲线（廓线）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。（气压始终处于平衡状态）环境&过程3种情况，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[注]

；未饱和时气块的露点温度沿等比湿线变化（露点的垂直递减率很小）还有一种特殊情况！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）

边操作，边思考气块起始高度（可选）地面、CCT、700hPa以下e最大的高度、移植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-比湿的保守性）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）根据温度露点差，查找不出比湿！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（请自己查看一下）静力稳定度基本参数：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(热对流云底高）TC对流温度（午后最高温度）DCAPE下沉对流有效位能（下击暴流强度）静力稳定度的参数和指数——经验指标T-logP图的分析和应用（1）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）。对饱和湿空气向上不稳定的大气层结，但向下时是稳定的（如果凝结物没有蒸发等）[*]气块和和气层不稳定（潜在的，有条件的）梅雨锋上和锋前降水的区别静力不稳定是发生对流的必要条件绝对不稳定（干空气）>d条件性不稳定（湿空气）m

>>d（常态）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）e,上<e,下抬升前未饱和<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）其它：倾斜对流（尚未学懂；有怀疑_实用性方面）气层法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（？）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，气块温度高于环境温度，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。-比湿的保守性）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温熵图温度坐标旋转45度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。08时夜间辐射逆温11时14时边界层的日变化（边界层内对流热交换）温度廓线和干绝热线平行；露点廓线和等比湿线平行17时20时23时Severeornon-severe?

强风暴和非强风暴的区别ThedefinitionsofsevereconvectionaremostlyarbitraryTherefore,thedistinctionbetweensevereandnon-severeismostlynotmeteorological!Whatdistinguishesseverefromnon-severestorms?Updraftstrength-hail,rainfallrateDowndraftstrength-windRotation-tornadoes强风暴的定义通常是人为的因此它们的区别往往不是气象学意义上的区别区别强风暴的标志有哪些？上升气流的强度

-

冰雹，

雨强下沉气流强度

–

风力旋转性

–

龙卷下沉对流有效位能（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：云内雨水下泻过程中的下沉湿绝热过程冷冷

“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“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。”4种逆温锋面逆温特征：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）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湍流逆温特征：1）边界层风力大；2）逆温层位于边界层顶附近；3）逆温层以下露点廓线和等比湿线平行。T-logP图的分析和应用（2）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

饱和层清远（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（中性层结），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850以下层结稳定，抬升凝结高度较低，700上湿下干，900以下不很湿，500附近干400以上顺转暖平流，变湿500以下和边界层风速很小层结很稳定，没有自由对流高度08时午后900以下温度急升，接近干绝热；露点线与等比湿线平行（对流混合充分）800以下转东风，但风速较小，风向顺转显著（暖平流，暖切变）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间露点差显著缩小（暖平流上升所致）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，反映正在下雨风向顺转显著，暖平流，动力强迫上升02时温度廓线、露点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）下沉绝热增温和下沉逆温示意图单位截面积气柱△p=ρg△z其厚度为△z其质量为ρ△z气柱从p1下沉到p2，

(p2>p1)气压增加绝热压缩，厚度减小、密度增大、温度升高（平衡状态：气柱内外的气压始终处于平衡状态）p1p2TZLCL=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=