溫熵圖在氣象中的原理與應用

黃 億，傅靈艷

(中國民用航空華北地區空中交通管理局氣象中心，北京100621)

氣象學科其實就是對大氣物理狀態的研究。大氣是一個熱機，從垂直和水平方向把較暖的地面能量運送到較冷的地方。它的驅動力是太陽輻射。短波輻射主要被地面吸收;大氣作為介質流體，吸收長波輻射，由運動系統把能量分布在所有的時間和空間尺度上。目前研究大氣物理狀態多以T－ln P圖的分析為主，研究探空結構和環境參數特征、分析雷暴大風等強對流天氣的不穩定度指數和能量特征［1－3］。而國內以溫熵圖來分析大氣物理狀態的研究鮮有報道，因此筆者從溫熵圖的原理出發，具體闡述分析其所表達的氣象意義，并結合數值預報的優勢應用于現代天氣預報業務中。

1 原理

溫熵圖是一種熱力學圖表。從溫度和濕度的角度來解釋大氣結構，被廣泛使用在熱力學和氣象學。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。在實際工作中，也常應用等熵面的形勢圖——等熵圖來決定空氣質點的軌跡，確定氣旋與反氣旋的發展，確定鋒生和鋒消，并做出云和降水及強對流的預報。其具有特征為:在圖中相應區域代表相應能量，可以對大氣過程的計算進行圖形化表示。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位溫線，它們互相垂直，將其進行45°逆時針旋轉后可得到如圖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。旋轉的結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，本質上可以認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)和露點溫度(露點)，它們隨著氣壓遞減。

圖1 溫熵圖

氣塊的熱力學性質被界定為在等壓面上的對應點溫度和露點曲線。該露點溫度為氣塊定壓冷卻時水蒸汽的凝結溫度，這定義了氣塊的實際混合比(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，直到飽和混合比下降到實際混合比;在這一點上的水會凝結形成云，這個高度就是眾所周知的抬升凝結高度(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)。溫度和露點溫度相等的區域代表無線電探空儀探測到的飽和氣團，即云區(圖2b)。

圖2 非飽和空氣(a)和飽和空氣(b)溫熵圖

2 大氣層結穩定度

圖3 絕對靜力穩定(a)和絕對靜力不穩定(b)的理想模型

大氣的穩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。氣塊的穩定度取決于氣塊本身和環境空氣的密度以及密度造成的垂直變化。如果氣塊密度比環境空氣大，氣塊會向下沉，反之密度比環境空氣小，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動的。暖空氣比周圍的空氣密度低而被抬升，則認為該層氣塊是不穩定的;反之冷空氣比周圍的空氣密度高，該層則被認為是穩定的。如圖3a顯示了一條穩定的溫度曲線，即低層的空氣被迫抬升;沿著干絕熱線冷卻，直至達到抬升凝結高度(LCL)，之后再沿著飽和濕絕熱線進一步抬升;在各層上，氣塊越冷，密度越大，此時環境空氣被抬升;因此，此時氣塊是穩定的，趨于下沉狀態并在初始位置附近運動。上層的空氣做下沉運動時，氣塊相對較暖，密度越小，因此氣塊做抬升運動。此時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，并常發生在由于地形而被迫抬升的穩定大氣中。氣塊沿著干絕熱抬升使得氣塊變暖，密度比環境空氣小，氣塊膨脹上升運動發展成為對流空氣柱，它沿著干絕熱線抬升直至到達抬升凝結高度(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左右處存在強烈的逆溫層，環境空氣的溫度隨著高度的增加而升高。當對流空氣柱中的大氣溫度與環境空氣的溫度相同時，空氣不再運動，這樣的大氣則為中性氣層。圖3b的2條曲線相交區域的面積分別表示正不穩定能量(正浮力)和負不穩定能量(負浮力)，當它們相等時，中性層結則最容易被破壞。在實際情況中，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到，但仍可將它作為一個有用的指標來估算對流層頂高度。

圖4為大氣條件性不穩定的示例。氣塊從近地面開始沿干絕熱線抬升，同樣相較于環境空氣較冷，因此它是穩定的。如果氣塊仍保持干燥，那么無論它被抬升到任何高度，它均將保持穩定;但當抬升凝結高度(LCL)達到約850 hPa時，狀態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后，它較環境空氣暖，因此表現為正浮力，并繼續對流性抬升至340 hPa處，在此處以上的地方，它又變成負浮力了。這樣的情況則被稱為條件性不穩定，是因為達到濕不穩定是建立在干絕熱穩定性條件下的(對干空氣是穩定的，對濕空氣為不穩定的)。

3 溫熵圖在強對流天氣中的應用

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

圖4 大氣條件性不穩定的理想化模型

圖5 2008年7月30日強對流天氣溫熵圖

4 溫熵圖在冰雪及低能見度天氣中的應用 溫熵圖能分析出降雪和低能見度發生時的大氣層結特征，有利于對冰雪及低能見度天氣的預警。以首都機場2011年12月6日夜間降雪及凍霧引起低能見天氣過程為例，機場實況6日24:00～7日03:38為降雪時段，6日19:07～7日06:20為凍霧引起低能見度時段。

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，強度大、持續時間長，鋒區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以下溫度與露點線無限接近，已達到飽和狀態，低空溫度維持在－2～－10℃，空中積冰概率極大，鋒面霧的持續過程中伴有鋒面降水，雪霧加重鋒面霧的強度，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

溫熵圖基于大氣穩定度和大氣垂直結構分析，在民航氣象領域它是準確分析和預報影響飛行危險天氣(雷雨、冰雪、低能見度等)的重要工具和有效方法。民航氣象預報人員在數值模式天氣分析的基礎上結合使用溫熵圖，可以明顯提高對重要天氣關鍵點和轉折點在時間上的把握，且對天氣系統的垂直結構配置有更為細致、直觀、立體的理解，有助于進一

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

［2］陳子通，閆敬華，黃曉梅，等.應用于強對流天氣預報的模式探空產品［J］.熱帶氣象學報，2006(4):321 －325.

［3］秦麗，李耀東，高守亭.北京地區雷暴大風的天氣－氣候學特征研究［J］.氣候與環境研究，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.

［5］POULTER R M.Cloud forecasting:The daily use of the tephigram［J］.Q J Roy Meteor Soc，1938，64(275):277 －292.