Термодинамические диаграммы в физике атмосферы
Для описания и анализа термодинамических процессов, происходящих в атмосфере, особенно связанных с вертикальным перемещением воздушных масс, используются термодинамические диаграммы. Эти графические инструменты позволяют наглядно и количественно представлять взаимосвязи между температурой, давлением, влажностью, удельной энтальпией, потенциальной температурой и другими важными параметрами воздушной массы. В метеорологии термодинамические диаграммы применяются при анализе зондирования атмосферы (аэрологические диаграммы), расчётах устойчивости стратификации, определении уровней конденсации и подъёма, прогнозировании облакообразования и конвективных процессов.
Термодинамические диаграммы, несмотря на большое разнообразие форм, имеют общую структуру. Вертикальная ось всегда представляет давление (обычно в гПа или мбар), которое убывает с высотой. Горизонтальная ось может представлять температуру (°C или К), энтропию, или их комбинации в криволинейной системе координат.
Наиболее распространённые типы диаграмм:
Для метеорологической практики особенно распространена Skew-T log-P диаграмма, поскольку она позволяет легче интерпретировать вертикальные профили и производить расчёты.
Линии постоянного давления. Они параллельны горизонтальной оси в большинстве диаграмм, но могут быть кривыми в логарифмическом масштабе.
Линии постоянной температуры. В зависимости от типа диаграммы они могут быть вертикальными (стаграмма), наклонными (skew-T), либо криволинейными (тефиграмма).
Линии, вдоль которых перемещается ненасыщенный воздух при адиабатическом процессе без теплообмена и без конденсации. Они отображают изменение температуры воздушного пакета при подъёме или спуске в сухом состоянии. В диаграмме skew-T сухие адиабаты — изогнутые линии, идущие снизу вправо вверх.
Линии, вдоль которых перемещается насыщенный воздух с учётом конденсации водяного пара. При этом часть скрытой теплоты конденсации компенсирует охлаждение при подъёме, что делает градиент температуры меньшим по модулю, чем в сухом случае.
Показывают, как температура изменяется с давлением при адиабатическом процессе. Полезны для оценки стабильности атмосферы и анализа стратификации.
Линии, соответствующие равному содержанию водяного пара — например, линии постоянной относительной влажности или удельной влажности.
При зондировании атмосферы радиозондами регистрируются значения температуры, влажности и давления на разных высотах. Полученные данные наносятся на термодинамическую диаграмму в виде термодинамического профиля — кривой, отображающей изменение температуры и точки росы с высотой.
На основе этих профилей можно определить следующие важные уровни:
Термодинамические диаграммы позволяют количественно и качественно оценить устойчивость атмосферы. Это делается путём сравнения температуры поднимающегося воздушного пакета (по адиабате) с температурой окружающей среды.
Часто используется величина CAPE (Convective Available Potential Energy) — мера положительной плавучести, и CIN (Convective Inhibition) — мера препятствия к началу подъёма. Обе величины рассчитываются как площадь между кривой температуры пакета и температурой окружающей среды на диаграмме.
По точке росы и температуре можно определить, при каком подъёме произойдёт насыщение и начнётся конденсация — т.е. сформируются облака. Также определяются:
Анализ CAPE, CIN, LFC и EL даёт оценку грозового потенциала. Высокие значения CAPE, особенно в сочетании с малым CIN, свидетельствуют о возможности мощной конвекции и развития гроз. При наличии сильного сдвига ветра по высоте можно оценить вероятность развития суперячейчных структур и мезоциклонической активности.
По насыщению и вертикальному профилю можно судить о вероятности и интенсивности осадков. Значительное насыщение при наличии конвекции или фронтального подъёма указывает на вероятность ливней.
Для количественного анализа в диаграммах применяются уравнения:
Потенциальная температура:
$$ \theta = T \left( \frac{p_0}{p} \right)^{\kappa}, \quad \kappa = \frac{R}{c_p} $$
Температура точки росы (аппроксимация):
$$ T_d = \frac{b \cdot \gamma(T, RH)}{a - \gamma(T, RH)}, \quad \gamma = \ln \left( \frac{RH}{100} \right) + \frac{a T}{b + T} $$
Влагосодержание и парциальное давление водяного пара:
$$ e = RH \cdot e_s(T), \quad q = \frac{\epsilon e}{p - (1 - \epsilon) e} $$
где $\epsilon = \frac{R_d}{R_v} \approx 0.622$
Работа с термодинамическими диаграммами требует умения:
Современные метеорологические системы автоматизируют многие из этих операций, но принципиальное понимание логики диаграмм необходимо для корректной интерпретации и прогноза.
Термодинамические диаграммы являются фундаментальным инструментом в физике атмосферы, обеспечивая физически обоснованное и графически наглядное представление термодинамического состояния воздушной массы. Их использование — обязательная составляющая анализа атмосферной нестабильности, диагностики и прогноза погоды, особенно в условиях глубоких вертикальных движений, связанных с фронтами, циклонами и конвективными процессами.