黃 億，傅靈艷

(中國民用航空華北地區(qū)空中交通管理局氣象中心，北京100621)

氣象學(xué)科其實(shí)就是對大氣物理狀態(tài)的研究。大氣是一個(gè)熱機(jī)，從垂直和水平方向把較暖的地面能量運(yùn)送到較冷的地方。它的驅(qū)動(dòng)力是太陽輻射。短波輻射主要被地面吸收;大氣作為介質(zhì)流體，吸收長波輻射，由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)把能量分布在所有的時(shí)間和空間尺度上。目前研究大氣物理狀態(tài)多以T－ln P圖的分析為主，研究探空結(jié)構(gòu)和環(huán)境參數(shù)特征、分析雷暴大風(fēng)等強(qiáng)對流天氣的不穩(wěn)定度指數(shù)和能量特征［1－3］。而國內(nèi)以溫熵圖來分析大氣物理狀態(tài)的研究鮮有報(bào)道，因此筆者從溫熵圖的原理出發(fā)，具體闡述分析其所表達(dá)的氣象意義，并結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)的優(yōu)勢應(yīng)用于現(xiàn)代天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中。

1 原理

溫熵圖是一種熱力學(xué)圖表。從溫度和濕度的角度來解釋大氣結(jié)構(gòu)，被廣泛使用在熱力學(xué)和氣象學(xué)。通過溫熵圖解可以得到許多有用的物理量，獲取天氣演變的信息。在實(shí)際工作中，也常應(yīng)用等熵面的形勢圖——等熵圖來決定空氣質(zhì)點(diǎn)的軌跡，確定氣旋與反氣旋的發(fā)展，確定鋒生和鋒消，并做出云和降水及強(qiáng)對流的預(yù)報(bào)。其具有特征為:在圖中相應(yīng)區(qū)域代表相應(yīng)能量，可以對大氣過程的計(jì)算進(jìn)行圖形化表示。圖1表示一張溫熵圖，有等壓線、等溫線、等位溫(θ)線、等飽和比濕線以及飽和空氣的等相當(dāng)位溫(θe)線5條主要的等值線［4－5］。

溫熵圖的主要2條線分別是等溫線和等相當(dāng)位溫線，它們互相垂直，將其進(jìn)行45°逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后可得到如圖1所示的溫熵圖，可以使得等溫線從圖的左下角直到圖的右上角。旋轉(zhuǎn)的結(jié)果使得等壓線幾乎是水平的，略微向圖的左下角呈彎曲狀，高度從下往上是遞增的。假相當(dāng)位溫線(常被叫做飽和濕絕熱線)在圖上呈最明顯的曲率，在等壓線高值區(qū)幾乎呈垂直的線條(近地面，圖的底部)，隨著溫度的降低與干絕熱線接近。由于水汽凝結(jié)釋放潛熱，飽和空氣冷卻速度比干燥空氣慢;其冷卻速度變化依賴于飽和水汽壓隨溫度的非線性變化。飽和濕絕熱線通常僅延伸至－40℃線的位置;在這樣低的溫度下，空氣的水汽含量很少，本質(zhì)上可以認(rèn)為大氣氣塊是干燥的;而在較低溫度下，飽和濕絕熱線則被假定等于干絕熱線。且等飽和比濕線從圖的左下角延伸至右上角。通常由無線電探空儀獲得溫熵圖上所表示的空氣溫度(T)和露點(diǎn)溫度(露點(diǎn))，它們隨著氣壓遞減。

圖1 溫熵圖

氣塊的熱力學(xué)性質(zhì)被界定為在等壓面上的對應(yīng)點(diǎn)溫度和露點(diǎn)曲線。該露點(diǎn)溫度為氣塊定壓冷卻時(shí)水蒸汽的凝結(jié)溫度，這定義了氣塊的實(shí)際混合比(圖2a)。如果氣塊將被絕熱冷卻抬升，如被迫迎山坡抬升，它描繪出氣塊沿干絕熱線變化的狀態(tài)，直到飽和混合比下降到實(shí)際混合比;在這一點(diǎn)上的水會凝結(jié)形成云，這個(gè)高度就是眾所周知的抬升凝結(jié)高度(LCL)。如果氣塊仍然抬升得較高，其溫度將沿著飽和濕絕熱線變化(圖2a)。溫度和露點(diǎn)溫度相等的區(qū)域代表無線電探空儀探測到的飽和氣團(tuán)，即云區(qū)(圖2b)。

圖2 非飽和空氣(a)和飽和空氣(b)溫熵圖

2 大氣層結(jié)穩(wěn)定度

圖3 絕對靜力穩(wěn)定(a)和絕對靜力不穩(wěn)定(b)的理想模型

大氣的穩(wěn)定度可由溫熵圖上的溫度分布、大致的對流抬升的垂直范圍和形成的云來確定。氣塊的穩(wěn)定度取決于氣塊本身和環(huán)境空氣的密度以及密度造成的垂直變化。如果氣塊密度比環(huán)境空氣大，氣塊會向下沉，反之密度比環(huán)境空氣小，氣塊會向上升。空氣密度的變化取決于溫度和水汽混合比的變化，這兩者在溫熵圖上都是沿著濕絕熱線運(yùn)動(dòng)的。暖空氣比周圍的空氣密度低而被抬升，則認(rèn)為該層氣塊是不穩(wěn)定的;反之冷空氣比周圍的空氣密度高，該層則被認(rèn)為是穩(wěn)定的。如圖3a顯示了一條穩(wěn)定的溫度曲線，即低層的空氣被迫抬升;沿著干絕熱線冷卻，直至達(dá)到抬升凝結(jié)高度(LCL)，之后再沿著飽和濕絕熱線進(jìn)一步抬升;在各層上，氣塊越冷，密度越大，此時(shí)環(huán)境空氣被抬升;因此，此時(shí)氣塊是穩(wěn)定的，趨于下沉狀態(tài)并在初始位置附近運(yùn)動(dòng)。上層的空氣做下沉運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣塊相對較暖，密度越小，因此氣塊做抬升運(yùn)動(dòng)。此時(shí)氣塊將在初始位置附近振蕩，且能量慢慢衰減。這種振蕩作用被稱為重力波，并常發(fā)生在由于地形而被迫抬升的穩(wěn)定大氣中。氣塊沿著干絕熱抬升使得氣塊變暖，密度比環(huán)境空氣小，氣塊膨脹上升運(yùn)動(dòng)發(fā)展成為對流空氣柱，它沿著干絕熱線抬升直至到達(dá)抬升凝結(jié)高度(LCL)，然后再沿著飽和濕絕熱線抬升。從圖3b可以看到，在邊界層頂600 hPa左右處存在強(qiáng)烈的逆溫層，環(huán)境空氣的溫度隨著高度的增加而升高。當(dāng)對流空氣柱中的大氣溫度與環(huán)境空氣的溫度相同時(shí)，空氣不再運(yùn)動(dòng)，這樣的大氣則為中性氣層。圖3b的2條曲線相交區(qū)域的面積分別表示正不穩(wěn)定能量(正浮力)和負(fù)不穩(wěn)定能量(負(fù)浮力)，當(dāng)它們相等時(shí)，中性層結(jié)則最容易被破壞。在實(shí)際情況中，由于氣塊在抬升過程中摩擦力的拖曳作用消耗能量，這種極端的情況很少能達(dá)到，但仍可將它作為一個(gè)有用的指標(biāo)來估算對流層頂高度。

圖4為大氣條件性不穩(wěn)定的示例。氣塊從近地面開始沿干絕熱線抬升，同樣相較于環(huán)境空氣較冷，因此它是穩(wěn)定的。如果氣塊仍保持干燥，那么無論它被抬升到任何高度，它均將保持穩(wěn)定;但當(dāng)抬升凝結(jié)高度(LCL)達(dá)到約850 hPa時(shí)，狀態(tài)曲線遞減率近似于飽和濕絕熱線的遞減率。飽和濕絕熱線與層結(jié)曲線相交于約680 hPa處，如果近地面的氣塊被抬升超過這一點(diǎn)后，它較環(huán)境空氣暖，因此表現(xiàn)為正浮力，并繼續(xù)對流性抬升至340 hPa處，在此處以上的地方，它又變成負(fù)浮力了。這樣的情況則被稱為條件性不穩(wěn)定，是因?yàn)檫_(dá)到濕不穩(wěn)定是建立在干絕熱穩(wěn)定性條件下的(對干空氣是穩(wěn)定的，對濕空氣為不穩(wěn)定的)。

3 溫熵圖在強(qiáng)對流天氣中的應(yīng)用

溫熵圖能分析出降水和對流發(fā)生發(fā)展時(shí)的大氣層結(jié)特征，有利于對強(qiáng)對流天氣的預(yù)警。以北京地區(qū)2008年7月30日夜間臺風(fēng)外圍暴雨為例，當(dāng)日北京多地測站降水量達(dá)150 mm。14:00(圖5a)，850 hPa以下層結(jié)較穩(wěn)定，抬升凝結(jié)高度(LCL)較低，700 hPa以上較干燥，露點(diǎn)線與等比濕線平行(對流混合充分干)，800 hPa以下轉(zhuǎn)東風(fēng)，但風(fēng)速較小，風(fēng)向順轉(zhuǎn)顯著(存在暖平流，暖切變);20:00(圖5b)，800 hPa以下東風(fēng)顯著增強(qiáng)，邊界層下部的風(fēng)速超過10 m/s，最大可能超過16 m/s，500～700 hPa露點(diǎn)差顯著縮小，相對濕度增大(暖平流上升所致)，層結(jié)變得不穩(wěn)定，開始有自由對流高度(LFC);23:00(圖5c)，700 hPa以下溫度和露點(diǎn)非常接近，說明已是濕絕熱層結(jié)，表示當(dāng)前正在下雨，風(fēng)向順轉(zhuǎn)顯著，暖平流，動(dòng)力強(qiáng)迫上升;31日02:00(圖5d)，溫度廓線、露點(diǎn)廓線和濕絕熱線2條弧線幾乎平行，說明整個(gè)對流層均處于濕絕熱狀態(tài)(處于強(qiáng)對流當(dāng)中)，短時(shí)降水強(qiáng)度大。

圖4 大氣條件性不穩(wěn)定的理想化模型

圖5 2008年7月30日強(qiáng)對流天氣溫熵圖

4 溫熵圖在冰雪及低能見度天氣中的應(yīng)用 溫熵圖能分析出降雪和低能見度發(fā)生時(shí)的大氣層結(jié)特征，有利于對冰雪及低能見度天氣的預(yù)警。以首都機(jī)場2011年12月6日夜間降雪及凍霧引起低能見天氣過程為例，機(jī)場實(shí)況6日24:00～7日03:38為降雪時(shí)段，6日19:07～7日06:20為凍霧引起低能見度時(shí)段。

6日20:00(圖6a)，低能見度主要是由于地面鋒面過境引起的鋒面逆溫所引起，逆溫層以上相對濕度大、以下相對濕度小(喇叭口向下)。鋒面霧在鋒面過境前后均有出現(xiàn)，強(qiáng)度大、持續(xù)時(shí)間長，鋒區(qū)附近具有逆濕分布特征，隨著低層空氣中的相對濕度逐漸增大，至7日02:00(圖6b)，700 hPa以下溫度與露點(diǎn)線無限接近，已達(dá)到飽和狀態(tài)，低空溫度維持在－2～－10℃，空中積冰概率極大，鋒面霧的持續(xù)過程中伴有鋒面降水，雪霧加重鋒面霧的強(qiáng)度，因此低能見度天氣仍將維持。

圖6 2011年12月6日20:00(a)和7日02:00(b)冰雪及凍霧天氣溫熵圖

5 展望

溫熵圖基于大氣穩(wěn)定度和大氣垂直結(jié)構(gòu)分析，在民航氣象領(lǐng)域它是準(zhǔn)確分析和預(yù)報(bào)影響飛行危險(xiǎn)天氣(雷雨、冰雪、低能見度等)的重要工具和有效方法。民航氣象預(yù)報(bào)人員在數(shù)值模式天氣分析的基礎(chǔ)上結(jié)合使用溫熵圖，可以明顯提高對重要天氣關(guān)鍵點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)在時(shí)間上的把握，且對天氣系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)配置有更為細(xì)致、直觀、立體的理解，有助于進(jìn)一

［1］董海萍，李振軍，劉淑媛，等.T－lnP圖的制作及一些穩(wěn)定度指數(shù)不穩(wěn)定能量的計(jì)算［J］.氣象科學(xué)，2001(4):474－479.

［2］陳子通，閆敬華，黃曉梅，等.應(yīng)用于強(qiáng)對流天氣預(yù)報(bào)的模式探空產(chǎn)品［J］.熱帶氣象學(xué)報(bào)，2006(4):321 －325.

［3］秦麗，李耀東，高守亭.北京地區(qū)雷暴大風(fēng)的天氣－氣候?qū)W特征研究［J］.氣候與環(huán)境研究，2006(6):754 －762.

［4］CLIFFORD M.Alvord and robert hall smith:The tephigram1-Its theory and practical use in weather forecasting［J］.Mon Wea Rev，1929，57:361－369.

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