大氣層結分析

原理和概念、實例、方法

（預報員輪訓C_6班，2010-08）陶祖鈺鄭永光北京大學物理學院國家氣象中心

章麗娜（培訓中心）（taozuyu@）緣起——問題是怎么提出來的？數值預報應用2008年北京奧運開幕式天氣預報BJ-RUC——北京（中尺度數值預報）快速更新循環系統臨近探空CloseProximitySoundingsCT和CCL（對流溫度和對流凝結高度）午后的熱對流過程氣象學報：基于BJ-RUC系統的臨近探空及其在北京地區對流短時預報中的初步應用（陳敏范水勇鄭祚芳仲躋芹）ThompsonRichardL.，EdwardsRoger，HartJohnA.，等.CloseProximitySoundingswithinSupercellEnvironmentsObtainedfromtheRapidUpdateCycle[J].WeatherandForecasting.2003,18(6):1243-1261.new為什么要學習

T-logP圖的分析？預報對流性天氣多種用途：分析鋒面、氣團、對流層頂、垂直運動、行星邊界層過程與冬夏多種天氣的預報有關：對流、最高溫度、最低溫度、霧、大風邊學習、邊提高實例：北京“05_531”強冰雹新聞報道時間——下午2點30分和傍晚19點地點——門頭溝至京南的方莊小區，由西北向東南形成了一個冰雹鏈。城區南部和東部（門頭溝、石景山、豐臺、宣武、崇文、朝陽的部分地區），宣武區最嚴重。大小——亦莊“巨型冰雹”，乒乓球大小，個別的有“女人拳頭”大小；李先生看到直徑達15厘米的巨型冰雹。海淀區羊坊店直徑有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；持續時間只有5分鐘左右。冰雹前1小時典型的冷渦型午后對流冰雹開始時冰雹中發展迅速的鋒前粒狀對流（尺度很?。┰绯拷孛婺鏈氐蛯訚穸却?，有輕霧，條件性不穩定層結，略有不穩定能量（對流有效位能CAPE）下部風向隨高度順轉，上部逆轉，層結穩定度將減小下濕、上干（不穩定能量大）中層很干（DCAPE大）結論：午后不穩定將增強

早晨近地面逆溫早晨邊界層濕度大干絕熱遞減率濕絕熱遞減率風向逆轉風向順轉

高空冷平流，低空暖平流是冷渦背景下常有的特點The“LoadedGun”sounding

引自Doswell

“裝滿彈藥的槍”探空型ElevatedMixedLayer對流溫度CappingLayer

低空非常潮濕（綠色箭頭所指為低空的濕層；39為對流溫度，氣塊過程曲線的出發點）干暖蓋（一定有下沉）

抬高的混合層（？）CAPE應從對流溫度開始！Low-levelMoisture對流系統的尺度很小，天氣圖不能直接分析對流天氣預報的關鍵之一（必要條件）是大氣層結是否具備靜力不穩定能量T-logP圖（溫熵圖）是分析大氣層結穩定度的基本工具小結T-logP圖分析具有嚴謹性

大氣熱力學的具體體現

故名：熱力學圖解強調大氣物理的基本概念（三個熱力學過程氣壓—溫度—濕度的關系）氣塊法（拉格朗日方法）學習要求：操作、應用、理解（最低到最高三個層次）自學三大內容T-logP圖的構造環境曲線和過程曲線T-logP圖的應用實例部分可作為自學和實習材料T-logP圖的基本構造和性質（1）（5條線：2個坐標，3個物理規律的等值線）等溫線（飽和時即等露點線）等壓線（等高線）等位溫線，干絕熱過程中氣塊溫度隨氣壓變化的規律=(t,p)等飽和比濕線，飽和濕空氣的水汽含量隨溫度和氣壓變化的規律qs=qs(p,td）等相當位溫線，濕絕熱過程中氣塊溫度隨氣壓變化的規律（e=e(t,td,p)T-logP圖的基本構造和性質（2）

等位溫線位溫定義：1000hPa的溫度為什么？為了比較，為了追蹤氣塊等位溫線即干絕熱過程曲線過程：氣塊的熱力學過程；干絕熱過程：氣壓變化…..描述氣塊上升和下沉過程中溫度的變化，即氣塊溫度和氣壓的關系=(t,p)干絕熱遞減率γd=9.8oC/km,T-logP圖的基本構造和性質（2）

等位溫線干絕熱過程中位溫守恒，有可逆性上升下沉一樣作業：查一查下圖廣州、北京、烏蘭巴托等4站100hPa的位溫值查與不查不一樣！-80，-73，-56，-45℃S－N=-35℃102，113，147，168℃S－N=-66℃為什么廣州溫度反而最低？平流層溫度水平梯度是北暖南冷？為什么？牢記冷空氣在下，暖空氣在上。為什么不可能相反？

平流層沒有冷空氣永遠不要忘記！作業溫度——對數壓力圖溫度（露點）高度濕絕熱線等相當位溫線干絕熱線等位溫線等飽和比濕線T-logP圖的基本構造和性質（2）

等飽和比濕線比濕的定義：1kg濕空氣中的水汽質量，常用單位g/kg，或10-3kg/kg；屬于絕對濕度；比濕與體積無關，雖然溫度和氣壓改變會引起體積變化；飽和：溫度降到露點（開始凝結）飽和比濕：……..相對濕度：實際比濕和飽和比濕之比（%），溫度-露點差（℃）T-logP圖的基本構造和性質（2）

等飽和比濕線比濕查找：露點溫度所對應的等飽和比濕線在發生凝結以前氣塊在上升和下沉過程中比濕不變[注：因為沒有凝結發生]，但露點溫度略有變化等比濕線描述未飽和濕空氣的露點溫度隨氣壓的變化qs=qs(p,td）（不能用于飽和以后）等比濕線的分布反映了水汽垂直和水平分布的氣候規律28度和10度的比較30℃27g/kg120℃20℃15g/kg65℃10℃7.7g/kg35℃0℃3.8g/kg12℃-10℃1.6g/kg-5℃1000hPa露點溫度所對應的比濕和相當位溫及其之差30℃27g/kg120℃

90℃20℃15g/kg65℃35℃10℃7.7g/kg35℃25℃0℃3.8g/kg12℃12℃-10℃1.6g/kg-5℃5℃水汽可忽略不計水汽集中區水汽隨高度按指數快速減?。ㄒ驗闅鈮弘S高度按指數減小，溫度隨高度線性減小）高溫飽和空氣的位溫和相當位溫差別巨大低溫飽和空氣位溫和相當位溫相差無幾自己查一查T-logP圖的基本構造和性質（3）

等相當位溫e線等相當位溫線即濕絕熱過程曲線；描述上升氣塊達到飽和后溫度隨氣壓的變化，反映潛熱釋放對溫度的影響；上升過程中凝結釋放的潛熱使濕絕熱過程減溫率γm≤γd，γm不是常數，夏季近地面只有4oC/km，冬季高空接近9.8oC/kme和td關系密切，td大，e>>；td小，e≈；（見上頁）溫度很低時濕絕熱線和干絕熱線趨于平行爭論：

新疆露點溫度會不會高于華南沿海？問題從何而來？（新疆的溫度非常高，而溫度露點差也有很小的時候）露點是否與比濕密切相關？溫度露點差能否表示水汽的多少？問題的嚴重性？（氣象學和天氣學的基本概念）為什么絕對不可能？（氣團，水汽來源）你持何觀點？想一想最大29（1站）最小32010年7月31日05時露點2010年8月1日11時露點最大28最小-52010年8月2日11時溫度2010年8月2日11時露點2010年8月2日11時相對濕度2010年8月2日14時溫度2010年8月2日14時露點2010年8月2日14時相對濕度850hPa天氣圖最高溫度在西北28℃等溫線，但溫度露點差高達44℃，露點溫度只有-16℃，比濕非常??；華南沿海20℃等溫線，溫度露點差只有6℃左右，露點溫度高達14℃，比濕非常大。850hPa溫度—露點差的大小

反映什么？

顯著濕區？（相對濕區）濕度（比濕）？相對濕度（距飽和的程度）？云雨區？上升和下沉運動區？可降水量的大??？實證：任選一天對比得出自己的結論夾生飯

1）對各種知識按其基礎性的高、低進行排序和使用。（先用最基礎的知識）

2）四門基礎學科（數學、物理、化學、工程學）的基本內容優先于專業知識。

3）永遠不要吸收任何出處不明的跨學科知識（或出處沒搞懂的知識）

4）要出創造新觀點必須先征明舊觀點是錯誤的。

——查理.芒格談多學科教育

“各取所需”，所取的觀點必須：1）有明確的出處；2）一定要優先采納最基本的解釋。

——查理.芒格談多學科教育解讀：不明白的不用（要用就要弄明白了再用）能用簡單的，就不用復雜的能用舊的，就不用新的（不忽悠，不隨風倒）T-logP圖上分析的兩種線

層結曲線（廓線）和過程曲線溫度廓線、露點廓線——觀測到的溫度和露點隨高度的分布，揭示環境大氣的溫濕特征（客觀事實）；層結曲線也稱為“環境曲線”。過程曲線——假設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。（氣壓始終處于平衡狀態）環境&過程3種情況，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(p,T,Td)的變化曲線絕對干的空氣塊，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[注]

；未飽和時氣塊的露點溫度沿等比濕線變化（露點的垂直遞減率很小）還有一種特殊情況！氣塊過程曲線大氣環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流凝結高度對流溫度自由對流高度正負過程曲線的構成氣塊起始高度抬升凝結高度過程曲線由一段干絕熱線（在層結曲線之下）和一段濕絕熱線組成過程曲線的制作（1）

邊操作，邊思考氣塊起始高度（可選）地面、CCT、700hPa以下e最大的高度、移植LCL抬升凝結高度(hPa)沿干絕熱線（即等位溫線）上升到飽和（即與通過地面露點溫度的等比濕線相交-比濕的保守性）凝結高度以下過程曲線在層結曲線之下（氣塊溫度低于環境溫度）。氣塊位溫的查找方法(此等位溫線的數值)比濕的查找方法（通過地面露點溫度的等比濕線的數值）根據溫度露點差，查找不出比濕！過程曲線的制作（2）LFC自由對流高度(hPa)從抬升凝結高度出發，沿濕絕熱線（即等相當位溫線）上升到與環境曲線的相交處自由對流高度以上過程曲線在層結曲線之上（氣塊溫度高于環境溫度，有不穩定能量）氣塊相當位溫的查找方法(此等相當位溫線的數值)等位溫線和等相當位溫線的數值一定和此線與1000hPa等壓線相交點的溫度數值相同（請自己查看一下）靜力穩定度基本參數：CAPE對流有效位能（上升）(J/kg,正面積)CIN對流抑制能量(J/kg，負面積)CCL對流凝結高度(熱對流云底高）TC對流溫度（午后最高溫度）DCAPE下沉對流有效位能（下擊暴流強度）靜力穩定度的參數和指數——經驗指標T-logP圖的分析和應用（1）靜力不穩定靜力平衡：浮力（垂直氣壓梯度力）和重力“穩定”與“不穩定”：偏離后能自動回復到平衡位置為穩定，反之為不穩定（既可向上偏離，也可向下偏離）。對飽和濕空氣向上不穩定的大氣層結，但向下時是穩定的（如果凝結物沒有蒸發等）[*]氣塊和和氣層不穩定（潛在的，有條件的）梅雨鋒上和鋒前降水的區別靜力不穩定是發生對流的必要條件絕對不穩定（干空氣）>d條件性不穩定（濕空氣）m

>>d（常態）真潛不穩定

CAPE>CIN（正面積>負面積）（對流有效位能）靜力不穩定能量對流性不穩定（上干下濕氣層）e,上<e,下抬升前未飽和<m,

，

抬升到整層飽和后>m

相當位溫：濕空氣潛熱釋放的貢獻總溫度（總靜力能量相當溫度）其它：傾斜對流（尚未學懂；有懷疑_實用性方面）氣層法初始抬升是發生對流的充分條件初始抬升到一定高度才能發生對流（對流的觸發機制）氣塊必須上升到自由對流高度以上

（首先上升到凝結高度）地面邊界層輻合地表熱力性質差異（水和陸、山地等）低空動力抬升（鋒面、切變線、輻合線、渦旋等）

*氣層：整層抬升一定高度（？）對流有效位能（CAPE）

（空氣所劉玉玲）

當氣塊的重力與浮力不相等且浮力大于重力時，一部分位能可以釋放，并可在對流過程中轉化成大氣動能，故稱其為對流有效位能，即?，攬D上的正面積。其表達式為：

CAPE表示在自由對流高度之上，氣塊溫度高于環境溫度，氣塊因浮力作功而獲得的能量。對于實際大氣，氣塊與環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。實際計算時，把上式轉化到氣壓坐標系并按氣壓等間隔離散，變為：

氣塊起始高度對流抑制能量（CIN）

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

CIN的物理意義是：處于大氣底部的氣塊，若要參與對流，必須從環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對流凝結高度和TC對流溫度CCL對流凝結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到d而產生對流的云底高。可用于預報云底高。通過地面露點的等比濕線和環境溫度廓線的交點（地面受熱上升氣塊在干絕熱過程中比濕不變。-比濕的保守性）TC對流溫度表示因輻射加熱，午后地面可能達到的最高溫度?？捎糜陬A報最高溫度。從CCL沿干絕熱下降到地面時的溫度。

干絕熱線濕絕熱線氣塊過程曲線等比濕線溫度廓線露點廓線溫熵圖溫度坐標旋轉45度8月8日08時~23時850hPa以下邊界層的溫度日變化北京RUC廓線層結曲線無明顯的增濕現象，CAPE傍晚增大到1000以上，但抬升凝結高度等仍較高，發生對流的條件不很好。08時夜間輻射逆溫11時14時邊界層的日變化（邊界層內對流熱交換）溫度廓線和干絕熱線平行；露點廓線和等比濕線平行17時20時23時Severeornon-severe?

強風暴和非強風暴的區別ThedefinitionsofsevereconvectionaremostlyarbitraryTherefore,thedistinctionbetweensevereandnon-severeismostlynotmeteorological!Whatdistinguishesseverefromnon-severestorms?Updraftstrength-hail,rainfallrateDowndraftstrength-windRotation-tornadoes強風暴的定義通常是人為的因此它們的區別往往不是氣象學意義上的區別區別強風暴的標志有哪些？上升氣流的強度

-

冰雹，

雨強下沉氣流強度

–

風力旋轉性

–

龍卷下沉對流有效位能（DCAPE）

對流中的下沉運動的原因是外界干冷空氣被吸入對流云體，并被云內降落的水和冰粒子拖曳下瀉，由于水和冰的蒸發和融化而使氣塊降溫，并低于環境溫度，產生向下的浮力，使下沉加速。下沉對流有效位能從理論上反映，對流云體中下沉氣流到達地面時可能有的最大動能（下擊暴流的強度）即環境對氣塊的負浮力做功所產生的動能。其數學表達為式：云內雨水下瀉過程中的下沉濕絕熱過程冷冷

“把中層干冷空氣的侵入點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的溫度經等焓蒸發至飽和時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曲線所圍成的面積所表示的能量為下沉對流有效位能。”“利用實際探空判斷下沉起點時，可把中層大氣中相當位溫最小的點作為下沉起始高度，把該高度處的露點溫度作為下沉起始溫度?！?/p>

濕絕熱線濕絕熱線大氣環境曲線

溫度廓線大氣環境曲線

露點廓線下沉氣塊過程曲線“把中層大氣中相當位溫最小的點作為下沉起始高度，把該高度處的露點溫度作為下沉起始溫度?！?種逆溫鋒面逆溫特征：逆溫層高度與距鋒面的距離有關，逆溫層以上相對濕度大，以下相對濕度?。ɡ瓤谙蛳拢┙孛孑椛淠鏈靥卣鳎嘿N近地面，日出后從下往上逐漸減弱，近地面相對濕度往往較大下沉逆溫特征：1）逆溫層以上濕度很?。ɡ瓤谙蛏希?）逆溫層以上溫度廓線接近干絕熱線湍流逆溫特征：1）邊界層風力大；2）逆溫層位于邊界層頂附近；3）逆溫層以下露點廓線和等比濕線平行。T-logP圖的分析和應用（2）鋒面定義鋒面：冷、暖氣團之間的交界面。溫度的不連續幾何面（0階）由于地球旋轉，在空間鋒面是個傾斜面（鋒面坡度）。冷氣團密度大位于下面，暖氣團位于上面。實際大氣中冷、暖氣團之間是一個過渡帶——鋒區/鋒帶寬度幾百公里。長度數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稱為鋒（上界或下界）。鋒面不是溫度的零階不連續面而是溫度的一階（梯度）不連續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不同！斜率表示垂直梯度08年1月冰雪災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，對流層頂位于100hPa以上暖平流2800Z測站探空曲線自南向北，無濕絕熱線，無過程曲線無海口（20N）：鋒區上界位于925hPa陽江（22N）：鋒區上界位于925hPa

飽和層清遠（24N）：鋒區上界850hPa，下界1000hPa

飽和層

深厚的西風區鋒區內郴州（26N）：鋒區上界830hPa，下界900hPa

飽和層

深厚的西風區鋒區內長沙（28N）：鋒區上界770hPa，下界850hPa

飽和層

深厚的西風區鋒區內

飽和層武漢（31N）：鋒區上界670hPa，下界820hPa

深厚的西風區低層冷空氣鋒區內

深厚的西風區鄭州（35N）：鋒區上界650hPa，下界820hPa

飽和層

飽和層暖平流邢臺（37N）：鋒區上界630hPa，下界700hPa；對流層頂230hPa

飽和層

飽和層低層冷空氣T-logP圖的分析和應用（3）對流和降水正在發生時的

大氣層結特點

（08年7月30日夜間奧運開幕式預演

大雷雨08~02時全過程）對流和降水過程是（準）濕絕熱過程；露點廓線接近溫度廓線（準）飽和；溫度廓線（層結曲線）接近濕絕熱線（過程曲線）；相當位溫（準）守恒相當位溫垂直梯度?=0（中性層結），沒有預報意義！北京7月30日夜彩排臺風外圍暴雨

晚8點到11點，31日凌晨2~4點雨量：主要在西南到西北部，150毫米以上的測站有昌平區長陵鎮（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的碓臼峪，達214毫米

穩定度分析：CAPE,CIN,LCH,FCH,螺旋度30日00Z的預報場：00，03,……,12,15網格距：15km北京（南郊）層結曲線850以下層結穩定，抬升凝結高度較低，700上濕下干，900以下不很濕，500附近干400以上順轉暖平流，變濕500以下和邊界層風速很小層結很穩定，沒有自由對流高度08時午后900以下溫度急升，接近干絕熱；露點線與等比濕線平行（對流混合充分）800以下轉東風，但風速較小，風向順轉顯著（暖平流，暖切變）其他與08時同14時20時800hPa以下東風顯著增強（這點可能是預報夜間強降水的關鍵。應考察北京的風廓線記錄）500~700間露點差顯著縮小（暖平流上升所致）層結變得不穩定，開始有自由對流高度邊界層下部的風速超過10米/秒，最大可能超過16米/秒23時700hPa以下溫度和露點非常接近，說明已是濕絕熱層結，反映正在下雨風向順轉顯著，暖平流，動力強迫上升02時溫度廓線、露點廓線和濕絕熱線兩條弧線幾乎平行，說明整個對流層都處于濕絕熱狀態（深對流）垂直運動的判讀

奧運前一天分析（8月7日）T-logP圖的分析和應用（4）下沉絕熱增溫和下沉逆溫示意圖單位截面積氣柱△p=ρg△z其厚度為△z其質量為ρ△z氣柱從p1下沉到p2，

(p2>p1)氣壓增加絕熱壓縮，厚度減小、密度增大、溫度升高（平衡狀態：氣柱內外的氣壓始終處于平衡狀態）p1p2TZLCL=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時對流凝結高度CCL=