对流有效势能CAPE
在前面的章节中，我们分析了小块体位移的稳定性温度递减率。在本节中，我们将继续分析稳定性，但从能量的角度。我们已经证明，当T-ln p图上的环境曲线和绝热曲线之间的闭环中存在正面积时，换句话说，如果一个包裹(在轻推后)具有正浮力，该包裹的动能就会增加。考虑在条件不稳定的大气中最初不饱和的包裹。在图7.13所示的温度探测例子中，我们用A表示包裹的初始位置。当提包时，包裹首先遵循一个干燥的绝热，直到它到达拼箱。随着进一步的提升，它会出现一个潮湿的绝热。如果向上的运动强大到足以把包裹带到它的LFC，包裹就会变成正浮力。图7.16的发音与图7.13相同。包裹路径与LFC和LNB边界的测深之间的正区域(图7.16中黑色阴影部分)称为对流有效势能(角)。CAPE表示一个正浮力包裹在不与环境交换动量(涡流摩擦)、热量和水分的情况下上升所能获得的最大动能。
-20 -10 0 10 20 30 40 0.6 1.0 2.0 3.0 5.0 10.0 20.0 40.0
克/公斤
图7.16发音与图7.13相同。暗灰色和浅灰色区域代表对流有效势能(CAPE)和对流抑制能量(CIN)。
600 700 800 900 1000
-20 -10 0 10 20 30 40 0.6 1.0 2.0 3.0 5.0 10.0 20.0 40.0
克/公斤
图7.16发音与图7.13相同。暗灰色和浅灰色区域分别代表对流有效势能(CAPE)和对流抑制能(CIN)。
通过从LFC到LNB的积分(7.5)，可以计算出正浮力作用下单位质量动能的理想变化量。在这种情况下释放的动能量是f ZLNB Ta - Te CAPE = AK = g—dz。
CAPE是衡量雷暴严重程度的一个有用指标，因为它可以让我们估计最大可能垂直速度的值。实际上，如果一个包裹在LFC处的垂直速度为零，则从(7.17)开始
在这种考虑中，我们忽略了水凝结的影响，它会略微降低浮力。CAPE大于1000 J kg-1，表明存在强对流的可能性。即使最终垂直速度小于最大值，能量仍然在云内的湍流中消散。
现在让我们回到图7.13。在从A点出发的包裹到达LFC之前，它必须克服LCL和LFC之间的势能势垒，在势垒中包裹比环境温度低，负浮力倾向于使包裹返回地面。包裹路径和环境之间由LCL和LFC限定的负区域称为对流抑制能量(CIN)。如图7.16中浅灰色区域所示。CIN控制对流是否真的发生。它是衡量克服负浮力和允许对流需要多少能量的指标。为了找到CIN，我们必须从LCL到LFC积分(7.5)，即rZLFc Ta - Te CIN = / g dz。
如果CIN大于100jkg 1，则需要一个显著的升力源将包裹带至LFC，以便为深对流创造有利条件。
图7.17发音与图7.13相同。对于发源于点B的包裹，CAPE为零。
600 700 800 900 1000
图7.17发音与图7.13相同。对于发源于点B的包裹，CAPE为零。
0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 5.0 10.0 20.0 40.0 g/kg图7.18假设探测示意图
0.1 0.2 0.6 1.0 2.0 3.0 5.0 10.0 20.0 40.0 g/kg图7.18假设探测示意图
例如，如果我们对同一测深图上从B点开始而不是从A点开始的一个空气包的CAPE感兴趣(图7.17)，那么CAPE为零。包裹从点B开始的路径在图7.17中用虚线显示。这个地区总是比当地环境凉爽。值得注意的是，CAPE的值取决于最初的包裹位置。
考虑如图7.18所示的探测。从表面出发的包裹将受到负浮力。CIN对应的区域如图7.19所示为浅灰色，这只是将我们感兴趣的图7.18的部分放大。深灰色阴影区域对应CAPE。要想具有积极的浮力，从表面(图中a点)开始的包裹必须克服这个“浅灰色”区域。现在想象一下，我们期望在接下来的几个小时内表面会变暖。然后，包裹不是从点A开始，而是从点A1开始(图7.20)。它不再经历负浮力;它的LFC与LCL重合，这是强烈雷暴活动的绝佳条件。如果相反，我们期望表面被冷却(图7.21，第2点)
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- 图7.19发音与图7.18相同。从地表(A点)开始的包裹CAPE和CIN分别用深灰色和浅灰色表示。
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- 图7.20发音与图7.18相同。假设地表变暖的插图。发源于Ai点的包裹，没有CIN。
A2)，那么情况反过来了。CIN变大，CAPE变小。这意味着雷暴的条件不再有利。
幸运的是，对于预测者来说，上面讨论的许多参数(CAPE, CIN等)的值都打印在互联网上许多网站上发布的倾斜T图上。因此，用户不需要繁琐的面积计算。
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- 图7.21发音与图7.18相同。假设表面冷却的插图。对于A2点出发的包裹，CAPE相对于A点出发的包裹减少，而CIN相对于A点出发的包裹增加。
继续阅读:标准生成焓
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