講稿-大氣層結(jié)分析講述

大氣層結(jié)分析（T-logP圖）

陶祖鈺鄭永光原稿北京大學(xué)物理學(xué)院國(guó)家氣象中心魏鳴改編南京信息工程大學(xué)2011年6月主要內(nèi)容

１目的意義２T-logP圖的基本構(gòu)造和性質(zhì)

3

T-logP圖的分析和應(yīng)用

4思考題１目的意義為什么要學(xué)習(xí)T-logP圖的分析？T-logP圖—大氣層結(jié)分析：垂直剖面的大氣熱力學(xué)分析目的：預(yù)報(bào)對(duì)流性天氣分析鋒面、氣團(tuán)、對(duì)流層頂、垂直運(yùn)動(dòng)、行星邊界層等實(shí)例：北京“05_531”強(qiáng)冰雹新聞報(bào)道時(shí)間——下午2點(diǎn)30分和傍晚19點(diǎn)地點(diǎn)——門頭溝至京南的方莊小區(qū)，由西北向東南形成了一個(gè)冰雹鏈。城區(qū)南部和東部（門頭溝、石景山、豐臺(tái)、宣武、崇文、朝陽的部分地區(qū)），宣武區(qū)最嚴(yán)重。大小——亦莊“巨型冰雹”，乒乓球大小，個(gè)別的有“拳頭”大?。焕钕壬吹街睆竭_(dá)15厘米的巨型冰雹。海淀區(qū)羊坊店直徑有3厘米；永定門西街冰雹有大杏大小最大的冰雹如雞蛋大小。

20年來最猛烈；持續(xù)時(shí)間只有5分鐘左右。1969年，北京遭遇過一次嚴(yán)重的冰雹襲擊；80年代也有一場(chǎng)強(qiáng)冰雹襲擊北京（不確切的記憶：白石橋，雷擊死亡，云圖上突然出現(xiàn)的粒狀對(duì)流?。?/p>

冰雹前1小時(shí)典型的冷渦型午后對(duì)流冰雹開始時(shí)冰雹中發(fā)展迅速的鋒前粒狀對(duì)流（尺度很?。┧{(lán)線：氣塊溫度，

紅線：環(huán)境溫度所以：對(duì)流天氣預(yù)報(bào)的關(guān)鍵：大氣層結(jié)是否具備靜力不穩(wěn)定條件？T-logP圖（溫熵圖）是分析大氣層結(jié)的基本工具（也寫為：T-lnP）T-logP圖的基本構(gòu)造和性質(zhì)

T-logP圖上的兩種線：

層結(jié)曲線和過程曲線溫度廓線、露點(diǎn)廓線——觀測(cè)到的溫度和露點(diǎn)隨高度的分布，揭示環(huán)境大氣的溫濕特征（客觀事實(shí)）；層結(jié)曲線也稱為“環(huán)境曲線”。過程曲線——假設(shè)地面氣塊在上升過程中，如果與外界沒有熱量交換，氣塊溫度隨高度的變化曲線。過程曲線也稱為“狀態(tài)曲線”，揭示氣塊的狀態(tài)變化。T-logP圖的基本構(gòu)造和性質(zhì)（1）1等溫線——豎直線2等壓線（等高線）——橫線3等位溫線——黃斜線（=(t,p)，干絕熱過程曲線，位溫守恒，可逆）4等飽和比濕線——實(shí)綠線（qs=qs(p,t),干絕熱過程中比濕也守恒，1kg濕空氣中的水汽質(zhì)量：g/kg）5等相當(dāng)位溫線——虛綠線（e=e(q,t,p)，濕絕熱過程曲線，e=常數(shù)，不可逆，

夏季e>>，冬季e>

=）T-logP圖：溫度—對(duì)數(shù)壓力圖T-logP圖的基本構(gòu)造和性質(zhì)（2）干絕熱遞減率γd，γd=9.80C/km濕絕熱遞減率γm，γm5

0C~9.80C/km（范圍很寬）

大氣的一般絕熱遞減率γ=6.5

0C/km（請(qǐng)思考為什么？）性質(zhì)：干絕熱遞減率γd大于濕絕熱遞減率γm

溫度越高、比濕越大，濕絕熱遞減率越小溫度越低、比濕越小，濕絕熱遞減率接近干絕熱遞減率γm=<9.8C/km（兩線趨于平行）氣塊過程曲線大氣環(huán)境曲線溫度廓線干絕熱線濕絕熱線等比濕線氣塊過程曲線對(duì)流凝結(jié)高度對(duì)流溫度自由對(duì)流高度正負(fù)過程曲線的構(gòu)成氣塊起始高度抬升凝結(jié)高度過程曲線由一段干絕熱線（在層結(jié)曲線之下）和一段濕絕熱線組成3種過程及其曲線

(干絕熱線、濕絕熱線、等比濕線）過程曲線：氣塊在垂直位移過程中氣塊狀態(tài)(p,T,Td)的變化曲線絕對(duì)干的空氣塊，上升和下沉溫度隨氣壓的變化都沿干絕熱線；濕空氣塊的上升，未飽和時(shí)溫度沿干絕熱線變化，比濕沿等比濕線不變；飽和后，沿濕絕熱線變化；濕空氣塊下沉，飽和、未飽和，均沿干絕熱線變化

；未飽和時(shí)露點(diǎn)溫度沿等比濕線變化（露點(diǎn)的垂直遞減率很?。╈o力不穩(wěn)定靜力平衡：浮力（垂直氣壓梯度力）和重力“穩(wěn)定”與“不穩(wěn)定”：偏離后能自動(dòng)回復(fù)到平衡位置為穩(wěn)定，反之為不穩(wěn)定（既可向上偏離，也可向下偏離）。方法：比較氣塊溫度與環(huán)境溫度，氣塊熱則浮力上升，反之下沉。對(duì)飽和濕空氣向上不穩(wěn)定的大氣層結(jié)，但向下時(shí)是穩(wěn)定的（如凝結(jié)物沒有蒸發(fā)等）靜力不穩(wěn)定是發(fā)生對(duì)流的必要條件絕對(duì)不穩(wěn)定（干空氣塊）>d條件性不穩(wěn)定（濕空氣塊）m

<<d（常態(tài)）若垂直運(yùn)動(dòng)強(qiáng)，氣塊抬升到自由對(duì)流高度以上，出現(xiàn)重力不穩(wěn)定若垂直運(yùn)動(dòng)弱，繼續(xù)保持原有層結(jié)，不顯示其不穩(wěn)定真潛不穩(wěn)定

CAPE>CIN（正面積>負(fù)面積）（對(duì)流有效位能）靜力不穩(wěn)定能量對(duì)流性不穩(wěn)定（上干下濕氣層）判據(jù)：e,上<e,下（de/dz<0）

抬升前未飽和>m

抬升到整層飽和后<m

相當(dāng)位溫：濕空氣潛熱釋放的貢獻(xiàn)總溫度（總靜力能量相當(dāng)溫度）初始抬升是發(fā)生對(duì)流的充分條件初始抬升到一定高度才能發(fā)生對(duì)流（對(duì)流的觸發(fā)機(jī)制）氣塊必須上升到自由對(duì)流高度以上（首先上升到抬升凝結(jié)高度）地面邊界層輻合地表熱力性質(zhì)差異（水和陸、山地等）低空動(dòng)力抬升（鋒面、切變線、輻合線、渦旋等）

*氣層：整層抬升一定高度氣塊過程曲線大氣環(huán)境曲線溫度廓線干絕熱線濕絕熱線等比濕線氣塊過程曲線對(duì)流凝結(jié)高度對(duì)流溫度自由對(duì)流高度正負(fù)過程曲線的構(gòu)成氣塊起始高度抬升凝結(jié)高度過程曲線由一段干絕熱線（在層結(jié)曲線之下）和一段濕絕熱線組成過程曲線的制作（1）氣塊起始高度：地面或700hPa以下e最大的高度LCL抬升凝結(jié)高度(hPa)：沿干絕熱線（即等位溫線）上升到飽和（即與通過地面露點(diǎn)溫度的等比濕線相交）抬升凝結(jié)高度以下過程曲線在層結(jié)曲線之下（氣塊溫度低于環(huán)境溫度）氣塊位溫的查找方法(此等位溫線的數(shù)值)比濕的查找方法（通過地面露點(diǎn)溫度的等比濕線的數(shù)值）過程曲線的制作（2）LFC自由對(duì)流高度(hPa)從抬升凝結(jié)高度出發(fā)，沿濕絕熱線（即等相當(dāng)位溫線）上升到與環(huán)境曲線的相交處自由對(duì)流高度以上過程曲線在層結(jié)曲線之上（氣塊溫度高于環(huán)境溫度，有不穩(wěn)定能量）氣塊相當(dāng)位溫的查找方法(此等相當(dāng)位溫線的數(shù)值)等位溫線和等相當(dāng)位溫線的數(shù)值一定和此線與1000hPa等壓線相交點(diǎn)的溫度數(shù)值相同CAPE對(duì)流有效位能（上升）(J/kg,正面積)CIN對(duì)流抑制能量(J/kg，負(fù)面積)CCL對(duì)流凝結(jié)高度(云底高）TC對(duì)流溫度（午后最高溫度）DCAPE下沉對(duì)流有效位能3T-logP圖的分析和應(yīng)用（1）對(duì)流有效位能（CAPE）

（空氣所劉玉玲）

當(dāng)氣塊的重力與浮力不相等且浮力大于重力時(shí)，一部分位能可以釋放，并可在對(duì)流過程中轉(zhuǎn)化成大氣動(dòng)能，故稱其為對(duì)流有效位能，即?，攬D上的正面積。其表達(dá)式為：

CAPE表示在自由對(duì)流高度之上，氣塊溫度Tva高于環(huán)境溫度Tve，氣塊因浮力作功而獲得的能量。對(duì)于實(shí)際大氣，氣塊與環(huán)境的溫度差和虛溫差非常接近，為方便起見，忽略虛溫的影響。實(shí)際計(jì)算時(shí)，把上式轉(zhuǎn)化到氣壓坐標(biāo)系并按氣壓等間隔離散，變?yōu)椋?/p>

氣塊起始高度紅線：氣塊溫度；藍(lán)線：環(huán)境溫度對(duì)流抑制能量（CIN）

氣塊在到達(dá)自由對(duì)流高度（LFC）以前，氣塊溫度低于環(huán)境溫度，必須有外力克服重力對(duì)氣塊做功，而功的大小與從氣塊起始位置到LFC間的狀態(tài)曲線與層結(jié)曲線所圍成的面積成正比，這個(gè)面積被稱為負(fù)面積（NA），即對(duì)流抑制能量（CIN）:

CIN的物理意義是：處于大氣底部的氣塊，若要參與對(duì)流，必須從環(huán)境大氣獲得的能量下限。通常凌晨CIN最大，午后隨著地面溫度升高CIN變小。CCL對(duì)流凝結(jié)高度和TC對(duì)流溫度CCL對(duì)流凝結(jié)高度由于地面受太陽短波輻射加熱，午后低層大氣溫度遞減率達(dá)到d而產(chǎn)生對(duì)流的云底高?？捎糜陬A(yù)報(bào)云底高。

通過地面露點(diǎn)的等比濕線和環(huán)境溫度廓線的交點(diǎn)（地面受熱上升氣塊在干絕熱過程中比濕不變。）TC對(duì)流溫度表示因輻射加熱，午后地面可能達(dá)到的最高溫度?？捎糜陬A(yù)報(bào)最高溫度。

從CCL沿干絕熱下降到地面時(shí)的溫度。干絕熱線濕絕熱線氣塊過程曲線等比濕線溫度廓線露點(diǎn)廓線2008年8月8日08時(shí)~23時(shí)850hPa以下邊界層的溫度日變化北京RUC廓線層結(jié)曲線無明顯的增濕現(xiàn)象，CAPE傍晚增大到1000以上，但抬升凝結(jié)高度等仍較高，發(fā)生對(duì)流的條件不很好。081114172023下沉對(duì)流有效位能（DCAPE）

對(duì)流中的下沉運(yùn)動(dòng)的原因是外界干冷空氣被吸入對(duì)流云體，并被云內(nèi)降落的水和冰粒子拖曳下瀉，由于水和冰的蒸發(fā)和融化而使氣塊降溫，并低于環(huán)境溫度，產(chǎn)生向下的浮力，使下沉加速。下沉對(duì)流有效位能從理論上反映對(duì)流云體中下沉氣流到達(dá)地面時(shí)可能有的最大動(dòng)能（下?lián)舯┝鞯膹?qiáng)度）即環(huán)境對(duì)氣塊的負(fù)浮力做功所產(chǎn)生的動(dòng)能。其數(shù)學(xué)表達(dá)為式：

把中層干冷空氣的侵入點(diǎn)作為氣塊下沉的起始高度。下沉起始溫度以大氣在下沉起點(diǎn)的溫度經(jīng)等焓蒸發(fā)至飽和時(shí)所具有的溫度作為大氣開始下沉的溫度。大氣沿假絕熱線下沉至大氣底，這條假絕熱線與大氣層結(jié)曲線所圍成的面積所表示的能量為下沉對(duì)流有效位能。利用實(shí)際探空判斷下沉起點(diǎn)時(shí)，可把中層大氣中相當(dāng)位溫最小的點(diǎn)作為下沉起始高度，把該高度處的露點(diǎn)溫度作為下沉起始溫度。

濕絕熱線濕絕熱線大氣環(huán)境曲線

溫度廓線大氣環(huán)境曲線

露點(diǎn)廓線下沉氣塊過程曲線近地面輻射逆溫特征：貼近地面，日出后從下往上逐漸減弱，近地面相對(duì)濕度往往較大擾動(dòng)逆溫特征：逆溫層以下與地面之間層結(jié)曲線趨于干絕熱線鋒面逆溫特征：逆溫層高度與距鋒面的距離有關(guān)，逆溫層以上相對(duì)濕度大，以下相對(duì)濕度小（喇叭口向下）下沉逆溫特征：1）逆溫層以上濕度很?。ɡ瓤谙蛏希?；2）逆溫層以上溫度廓線接近干絕熱線。T-logP圖的分析和應(yīng)用（2）4種逆溫溫度對(duì)數(shù)壓力圖

T-logP

分析云層的穩(wěn)定性穩(wěn)定層性質(zhì)的判斷鋒面定義鋒面：冷、暖氣團(tuán)之間的交界面。溫度的不連續(xù)幾何面（0階）由于地球旋轉(zhuǎn)，在空間鋒面是個(gè)傾斜面（鋒面坡度）。冷氣團(tuán)密度大位于下面，暖氣團(tuán)位于上面。實(shí)際大氣中冷、暖氣團(tuán)之間是一個(gè)過渡帶——鋒區(qū)/鋒帶寬度幾百公里。長(zhǎng)度數(shù)千公里鋒面是過渡帶的上界面和下界面。在鋒的上下界面之間溫度梯度很大。鋒面既可指上界面，也可指下界面。與地表面的交線稱為鋒線或簡(jiǎn)稱為鋒（上界或下界）。鋒面不是溫度的零階不連續(xù)面而是溫度的一階（梯度）不連續(xù)面鋒面逆溫逆溫在剖面圖和廓線圖上的形式鋒面逆溫注意廓線圖和剖面圖坐標(biāo)不同！斜率表示垂直梯度08年1月冰雪災(zāi)害華南靜止鋒鋒面逆溫自南向北，無濕絕熱線，無過程曲線，不典型（鋒下也潮濕）西沙（17N）：熱帶氣團(tuán)，對(duì)流層頂位于100hPa以上

暖平流2800Z測(cè)站探空曲線自南向北，無濕絕熱線，無過程曲線無?？冢?0N）：鋒區(qū)上界位于925hPa陽江（22N）：鋒區(qū)上界位于925hPa層和飽清遠(yuǎn)（24N）：鋒區(qū)上界850hPa，下界1000hPa

飽和層

深厚的西風(fēng)區(qū)鋒區(qū)內(nèi)郴州（26N）：鋒區(qū)上界830hPa，下界900hPa

飽和層

深厚的西風(fēng)區(qū)鋒區(qū)內(nèi)長(zhǎng)沙（28N）：鋒區(qū)上界770hPa，下界850hPa

飽和層

深厚的西風(fēng)區(qū)鋒區(qū)內(nèi)

飽和層武漢（31N）：鋒區(qū)上界670hPa，下界820hPa

深厚的西風(fēng)區(qū)

低層冷空氣鋒區(qū)內(nèi)

深厚的西風(fēng)區(qū)鄭州（35N）：鋒區(qū)上界650hPa，下界820hPa

飽和層

飽和層

暖平流邢臺(tái)（37N）：鋒區(qū)上界630hPa，下界700hPa；對(duì)流層頂230hPa

飽和層

飽和層

低層冷空氣T-logP圖的分析和應(yīng)用（3）對(duì)流和降水正在發(fā)生時(shí)的

大氣層結(jié)特點(diǎn)

（08年7月30日夜間奧運(yùn)開幕式預(yù)演

大雷雨08~02時(shí)全過程）對(duì)流和降水過程是（準(zhǔn)）濕絕熱過程；露點(diǎn)廓線接近溫度廓線（準(zhǔn)）飽和；溫度廓線（層結(jié)曲線）接近濕絕熱線（過程曲線）；相當(dāng)位溫（準(zhǔn)）守恒相當(dāng)位溫垂直梯度?=0沒有預(yù)報(bào)意義！北京7月30日夜彩排臺(tái)風(fēng)外圍暴雨

晚8點(diǎn)到11點(diǎn)，31日凌晨2~4點(diǎn)雨量：主要在西南到西北部，150毫米以上的測(cè)站有昌平區(qū)長(zhǎng)陵鎮(zhèn)（168毫米）、太平莊（155毫米），延慶大莊科（156毫米）。水文站最大降雨量為昌平區(qū)的碓臼峪，達(dá)214毫米

穩(wěn)定度分析：CAPE,CIN,LCH,FCH,螺旋度30日00Z的預(yù)報(bào)場(chǎng)：00，03,……,12,15網(wǎng)格距：15km北京（南郊）層結(jié)曲線08時(shí)850以下層結(jié)穩(wěn)定，500以上順轉(zhuǎn)暖平流，700上干下濕，900以下不很濕，500以下和邊界層風(fēng)速很小層結(jié)很穩(wěn)定，沒有自由對(duì)流高度午后900以下溫度急升，接近干絕熱；露點(diǎn)幾乎不變（與等比濕線平行）800以下轉(zhuǎn)東風(fēng)，但風(fēng)速很小其他與08時(shí)同14時(shí)20時(shí)800hPa以下東風(fēng)顯著增強(qiáng)（這點(diǎn)可能是預(yù)報(bào)夜間強(qiáng)降水的關(guān)鍵。應(yīng)考察北京的風(fēng)廓線記錄）500~700間露點(diǎn)增大顯著層結(jié)變得不穩(wěn)定，開始有自由對(duì)流高度邊界層下部的風(fēng)速超過10米/秒，最大可能超過16米/秒23時(shí)700hPa以下溫度和露點(diǎn)非常接近，說明已是濕絕熱層結(jié)，反映正在下雨02時(shí)溫度廓線和濕絕熱線兩條弧線幾乎平行，說明整個(gè)對(duì)流層都處于濕絕熱狀態(tài)（深對(duì)流）垂直運(yùn)動(dòng)的判讀

奧運(yùn)前一天分析（8月7日）T-logP圖的分析和應(yīng)用（4）LCL=847LFC=740，較高地面溫度33.1℃接近最高溫度，所以850-地面接近干絕熱（反之亦然）TC=35.4℃14時(shí)對(duì)流凝結(jié)高度CCL=813mb,地面達(dá)到最高溫度后開始對(duì)流，氣塊上升到飽和的高度風(fēng)向順轉(zhuǎn)，暖平流；但風(fēng)速小，故平流不強(qiáng)，動(dòng)力上升弱，高空無急流，垂直風(fēng)切變較小800~700接近等溫，露點(diǎn)和比濕劇減，說明有弱的下沉運(yùn)動(dòng)800以下接近干絕熱-等比濕（物理意義？）800飽和說明有低云20時(shí)700以上，露點(diǎn)劇減，比濕略減，在未飽和的情況下，氣塊在垂直運(yùn)動(dòng)過程中相對(duì)濕度隨高度改變，比濕卻具有一定的保守性。（請(qǐng)解釋?。┙庾x：1）841mb以下溫度層結(jié)干絕熱，露點(diǎn)廓線和等比濕線平行，到841和溫度廓線相交，達(dá)到飽和，故低層上升或湍流混合；2）700mb以下逆溫，露點(diǎn)急減；500~700mb露點(diǎn)廓線和等比濕線平行，700和500b比濕相等，下沉過程比濕不會(huì)增加，說明700的空氣來自500。思考題為什么圖中等比濕線只畫到700mb？CAPE>50