Войти
Т-образный график, показывающий утреннее зондирование с большим гидролапсом, за которым следует дневное зондирование, показывающее охлаждение (красная кривая движется слева), которые произошли на средних уровнях, что привело к нестабильности атмосферы, поскольку участки поверхности теперь стали отрицательно плавучими. Красная линия - температура, зеленая линия - точка росы, а желтая линия - поднятая воздушная посылка. В метеорологии, доступная конвективная потенциальная энергия (обычно сокращенно обозначается как CAPE ), представляет собой интегрированное количество работы, которое восходящая (положительная) сила плавучести будет выполнять с заданной массой воздуха (называемой воздухом parcel ), если он поднимался вертикально через всю атмосферу. Положительный CAPE вызовет подъем воздушной посылки, в то время как отрицательный CAPE вызовет опускание посылки. Ненулевой CAPE - индикатор атмосферной нестабильности при любом заданном зондировании атмосферы, необходимое условие для развития кучевых и кучево-дождевых облаков с сопровождающий суровые погодные условия опасности.
Диаграмма Skew-T с важными характеристиками, обозначенными CAPE, существует в слое тропосферы, свободноконвективном слое (FCL), где восходящий воздушный поток теплее окружающего воздуха. CAPE измеряется в джоулях на килограмм воздуха (Дж / кг). Любое значение выше 0 Дж / кг указывает на нестабильность и возрастающую вероятность грозы и града. Общий CAPE рассчитывается путем интегрирования по вертикали локальной плавучести участка от уровня свободной конвекции (LFC) до уровня равновесия (EL):
где 
CAPE для данной области чаще всего рассчитывается по диаграмме термодинамики или зондирования (например, диаграммы Skew-T log-P ) с использованием данных о температуре воздуха и точке росы, обычно измеряемых с помощью метеозонда.
CAPE, можно получить положительную плавучесть, выраженную B + или просто B; противоположность конвективного торможения (CIN), которая выражается как B- и может рассматриваться как «отрицательный CAPE». Как и CIN, CAPE обычно выражается в Дж / кг, но может также выражаться в м / с, поскольку значения эквивалентны. Фактически, CAPE иногда называют положительной выталкивающей энергией (PBE). Этот тип CAPE - это максимальная энергия, доступная восходящему участку и влажной конвекции. Когда присутствует слой CIN, этот слой должен быть разрушен нагревом поверхности или механическим подъемом, чтобы участки конвективного пограничного слоя могли достичь своего уровня свободной конвекции (LFC).
На диаграмме зондирования CAPE - это положительная область над LFC, область между виртуальной температурной линией участка и виртуальной температурной линией окружающей среды, где восходящий участок теплее окружающей среды. Пренебрежение виртуальной коррекцией температуры может привести к существенным относительным ошибкам в вычисленном значении CAPE для малых значений CAPE. CAPE может также существовать ниже LFC, но если присутствует слой CIN (проседание ), он недоступен для глубокой влажной конвекции до тех пор, пока CIN не будет исчерпан. При механическом подъеме до насыщения, основание облака начинается на повышенном уровне конденсации (LCL); при отсутствии воздействия основание облака начинается на уровне конвективной конденсации (CCL), где нагрев снизу вызывает самопроизвольный подъем до точки конденсации, когда конвективная температура. Когда CIN отсутствует или преодолен, насыщенные участки в LCL или CCL, которые были небольшими кучевыми облаками, поднимутся до LFC, а затем спонтанно поднимутся, пока не достигнут стабильного слоя равновесного уровня. Результатом является глубокая влажная конвекция (DMC) или просто гроза.
Когда участок нестабилен, он будет продолжать двигаться вертикально, в любом направлении, в зависимости от того, получает ли он восходящее или нисходящее воздействие, пока не достигнет стабильного слоя (хотя импульс, сила тяжести и другие силы могут вызвать посылку продолжить). Существует несколько типов CAPE, CAPE с нисходящим потоком (DCAPE), оценивает потенциальную силу дождя и охлаждаемых испарением нисходящих потоков. Другие типы CAPE могут зависеть от рассматриваемой глубины. Другими примерами являются CAPE на основе поверхности (SBCAPE), смешанный слой или средний слой CAPE (MLCAPE), наиболее нестабильный или максимально пригодный для использования CAPE (MUCAPE) и нормализованный CAPE (NCAPE).
Элементы жидкости, смещенные вверх или вниз в такая атмосфера расширяется или сжимается адиабатически, чтобы оставаться в состоянии равновесия давления с окружающей средой, и таким образом становится менее или более плотной.
Если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности меньше, чем уменьшение или увеличение плотности окружающей (неподвижной) среды, то вытесненный жидкий элемент будет подвергаться давлению снизу или вверх, что будет работать чтобы вернуть его в исходное положение. Следовательно, начальному смещению будет противодействовать сила. Такое состояние называется конвективной устойчивостью.
С другой стороны, если адиабатическое уменьшение или увеличение плотности больше, чем в окружающей текучей среде, смещение вверх или вниз будет встречаться с дополнительной силой в том же направлении, оказываемой окружающей текучей средой. В этих условиях небольшие отклонения от исходного состояния будут усиливаться. Это состояние упоминается как конвективная нестабильность.
Конвективная неустойчивость также называется статической нестабильностью, поскольку нестабильность не зависит от существующего движения воздуха; это контрастирует с динамической нестабильностью, где нестабильность зависит от движения воздуха и связанных с ним эффектов, таких как.
Грозы образуются, когда посылки с воздухом поднимаются вертикально. Глубокая влажная конвекция требует поднятия посылки к LFC, где она затем самопроизвольно поднимается, пока не достигнет уровня неположительной плавучести. атмосфера теплая на поверхности и нижних уровнях тропосферы, где есть перемешивание (планетарный пограничный слой (PBL) ), но с высотой становится существенно холоднее. Температурный профиль атмосферы, изменение температуры, степень ее охлаждения с высотой - это градиент. Когда поднимающийся воздушный пакет охлаждается медленнее, чем окружающая атмосфера, он остается более теплым и менее плотным. Пакет продолжает свободно подниматься (конвективно ; без механического подъема) через атмосферу до тех пор, пока не достигнет области воздуха с меньшей плотностью (теплее), чем он сам.
Размер и форма области положительной плавучести модулируют скорость восходящих потоков, таким образом, экстремальный CAPE может привести к развитию взрывной грозы; такое быстрое развитие обычно происходит, когда CAPE, сохраненный с помощью перевернутой крышки, высвобождается, когда «крышка» сломана нагреванием или механическим подъемом. Количество CAPE также модулирует то, как низкоуровневая завихренность уносится, а затем растягивается в восходящем потоке, что имеет значение для торнадогенеза. Самый важный CAPE для торнадо находится в пределах от 1 до 3 км (от 0,6 до 1,9 мили) атмосферы, в то время как CAPE глубокого слоя и ширина CAPE на средних уровнях важны для суперячейки. Вспышки торнадо обычно происходят в средах с высоким CAPE. Большой CAPE требуется для образования очень большого града из-за силы восходящего потока, хотя вращающийся восходящий поток может быть сильнее с меньшим CAPE. Большой CAPE также способствует молниеносной активности.
Два знаменательных дня для суровой погоды показали значения CAPE более 5 кДж / кг. За два часа до вспышки торнадо в Оклахоме в 1999 г., произошедшей 3 мая 1999 г., значение CAPE, измеренное в Оклахома-Сити, составило 5,89 кДж / кг. Через несколько часов торнадо F5 пронесся через южные окраины города. Также 4 мая 2007 г. были достигнуты значения CAPE в 5,5 кДж / кг, и торнадо EF5 пронесся через Гринсбург, штат Канзас. В эти дни было очевидно, что условия созрели для торнадо, и CAPE не был решающим фактором. Однако экстремальный CAPE, модулируя восходящий (и нисходящий) поток, может допускать исключительные события, такие как смертоносные торнадо F5, обрушившиеся на Плейнфилд, Иллинойс 28 августа 1990 года и Джаррелл, Техас 27 мая 1997 года в дни, которые не были очевидны как подходящие для крупных торнадо. Согласно оценкам, CAPE превышал 8 кДж / кг в условиях шторма Плейнфилд и составлял около 7 кДж / кг во время шторма Джаррелла.
. Суровая погода и торнадо могут возникать в области с низким Ценности CAPE. неожиданное суровое погодное явление, которое произошло в Иллинойсе и Индиане 20 апреля 2004 г., является хорошим примером. Важным в этом случае было то, что, хотя общий CAPE был слабым, был сильный CAPE на самых низких уровнях тропосферы, что привело к вспышке минисуперячейков, производящих большие, длинные, интенсивные торнадо.
Хороший пример конвективной нестабильности можно найти в нашей атмосфере. Если сухой воздух среднего уровня засасывается через очень теплый влажный воздух в нижней тропосфере, a (область, где температура точки росы быстро уменьшается с высотой) приводит к области, где влажный пограничный слой и средний воздух встречаются. По мере того, как дневное отопление усиливает перемешивание во влажном пограничном слое, часть влажного воздуха начинает взаимодействовать с сухим воздухом среднего уровня над ним. Вследствие термодинамических процессов, когда сухой средний воздух медленно насыщается, его температура начинает падать, увеличивая адиабатический градиент. При определенных условиях погрешность может значительно увеличиться за короткий промежуток времени, что приведет к конвекции. Высокая конвективная нестабильность может привести к сильным грозам и смерчам, так как влажный воздух, который задерживается в пограничном слое, в конечном итоге становится очень плавучим по сравнению с адиабатическим градиентом и улетает в виде быстро поднимающегося пузыря. влажного воздуха, вызывающего образование кучевых или кучево-дождевых облаков.
