5.1. Краткая характеристика параметров атмосферы

5.1.1 Описание индексов, характеризующих состояние атмосферы

Существуют параметра, которые характеризуют состояние атмосферы: доступная конвективная потенциальная энергия и индекс плавучести.

CAPE (Convective Available Potential Energy) – доступная конвективная потенциальная энергия представляет собой количество энергии плавучести, доступной для ускорения частицы воздуха по вертикали или количество работы, совершающей частицей воздуха при подъёме. Используется для прогнозирования грозовой деятельности и конвективных явлений. САРЕ - это положительная область на диаграмме между линией влажной адиабаты и кривой состояния воздуха от уровня свободной конвекции до уровня выравнивания температуры. САРЕ измеряется в Джоулях на кг воздуха и рассчитывается по формуле 5.1:

(5.1)

zf, zn - высоты соответственно свободной конвекции и уровня выравнивания температур (нейтральная плавучесть);

Tνparcel - виртуальная температура определённой частицы воздуха;

Тνbnv - виртуальная температура окружающей среды;

g - ускорение свободного падения (9,81 м/с2).

Когда частица неустойчива (её температура выше окружающей среды), она будет продолжать подниматься вверх, пока не достигнет устойчивого слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие силы могут заставить частицу продолжать двигаться). Существуют разнообразные типы САРЕ: САРЕ нисходящего потока (DCAPE) – показывает потенциальную силу дождя и т.д.

Характеристики индекса доступной конвективной потенциальной энергии:

- САРЕ ниже 0 – устойчивое состояние (грозы невозможны);

- САРЕ от 0 до 1000 – слабая неустойчивость (возможны грозы);

- САРЕ от 1000 до 2500 – умеренная неустойчивость (сильные грозы и ливни);

- САРЕ от 2500 до 3500 – сильная неустойчивость (очень сильные грозы, град, шквалы);

- САРЕ выше 3500 – взрывная конвекция (суперячейки, торнадо и т.п.).

Нормализованная CAPE является более усовершенствованной разновидностью обычной САРЕ и определяется: CAPE/FCL, где FCL – мощность слоя свободной конвекции (Free Convective Layer). Обычная САРЕ не всегда является хорошим показателем плавучести, поэтому ввели некоторое дополнение. Единицы измерения NCAPE такие же, то есть Дж/кг или м/с2. Для получения полной картины состояния атмосферы нужно учитывать и САРЕ и NCAPE.

Индекс плавучести (Li) является ещё одним показателем неустойчивости. Этот индекс рассчитывается по формуле 5.2:

Li = T500mb(окр.ср.) - Т500mb(част.), (5.2)

то есть значение температуры воздушного слоя на уровне 500 гПа (около 5,5 км) минус значение температуры воздушной массы, поднятой в результате конвекции до уровня 500 гПа и вторгшейся в этот воздушный слой. Например, температура воздушного слоя на уровне 500 гПа равна -5°. Температура воздушной массы, которая из-за конвекции поднялась до уровня 500 гПа и вторглась в этот воздушный слой, составляет +3°. Отнимаем: -5—(+3)=-8. LI = -8. И тут ничего сложного нет. Если конвекция настолько бурная, что поднимающиеся воздушные массы просто не успевают охладиться сильнее, чем окружающий их воздух, то тогда и возникают сильно отрицательные (-3 и ниже) значения LI, что служит "пищей" для сильных гроз. Отрицательные значения указывают на неустойчивость в атмосфере, они указывают на наличие сильных восходящих потоков, являющихся причиной гроз и сильных осадков. Напротив, при отсутствии конвекции слой воздуха на уровне 500 гПа однороден, и никаких атмосферных мини-катаклизмов не возникает. Этот показатель часто используется совместно с САРЕ для прогнозирования гроз. Однако при этом нужно обязательно учитывать влажность воздуха, т.к. одной конвекции недостаточно для возникновения грозы[36].

Характеристики индекса плавучести:

LI ≥ 4 – абсолютная устойчивость, вероятность грозы 0%;

LI 2…3 – возможны изолированные Cu cong., вероятность грозы 0 – 19%;

LI 1…2 – слабая конвекция (Cu cong.), вероятность гроз 19 – 32%;

LI 0...1 – возможны слабые ливни (отдельные Cb), вероятность грозы 32 – 45%;

LI 0...-1 – возможны слабые грозы, вероятность 45 – 58%;

LI -1…-2 – слабые грозы почти повсеместно, возможны шквалы, вероятность грозы 58 – 71%;

LI -2…-3 – вероятность гроз высока (71 – 84%), они могут быть умеренной силы;

LI -3…-4 – ожидаются сильные грозы (вероятность 84 – 100%), шквалы, возможен град;

LI -4…-5 – сильные грозы повсеместно, шквалы, град, глубокая конвекция;

LI -5…-6 – очень сильные грозы, формирование суперячеек, крупный град, возможны смерчи;

LI < -6 – «взрывная» конвекция, торнадо, наводнения, разрушительные шквалы, степень угрозы крайне высока;[40]

Существует 2 разновидности индекса плавучести:

Surfaced-based LI – данный индекс рассчитывается ежечасно, принимая, что частица поднимается от поверхности. Для его вычисления используется значение приземной влажности и температуры. Этот метод допустим для хорошо перемешанного почти сухоадиабатического пограничного слоя, где характеристики поверхности подобны тем, что наблюдаются в слое 50 – 100 мб.

Best LI – самое низкое значение Li, вычисленное от поверхности земли до слоя 850 мб[37].

Далее приведен пример по индексам для 1 июня 2011 г. Именно по этим данным мы находим два индекса: доступной потенциальной конвективной энергии и индекс подъема.

Значения различных параметров атмосферы

Station information and sounding indices

Station identifier: ULLI

Station number: 26063

Observation time: 110601/1200

Station latitude: 59.95

Station longitude: 30.70

Station elevation: 78.0

Showalter index: 0.19

Lifted index: -0.90

LIFT computed using virtual temperature: -1.24

SWEAT index: 159.88

K index: 24.30

Cross totals index: 23.10

Vertical totals index: 25.70

Totals totals index: 48.80

Convective Available Potential Energy: 283.30

CAPE using virtual temperature: 340.00

Convective Inhibition: 0.00

CINS using virtual temperature: 0.00

Equilibrum Level: 319.55

Equilibrum Level using virtual temperature: 320.91

Level of Free Convection: 824.96

LFCT using virtual temperature: 824.96

Bulk Richardson Number: 74.13

Bulk Richardson Number using CAPV: 88.97

Temp [K] of the Lifted Condensation Level: 283.26

Pres [hPa] of the Lifted Condensation Level: 824.96

Mean mixed layer potential temperature: 299.27

Mean mixed layer mixing ratio: 9.51

1000 hPa to 500 hPa thickness: 5638.00

Precipitable water [mm] for entire sounding: 29.82[35]

Остальные индексы в данной работе не используются, поэтому необходимости раскрывать их значения нет.