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利用温熵图评估大气稳定度

利用温熵图评估大气稳定度

关锦伦、黄秀霞
2018年2月

大气是否稳定与天气现象的出现有非常密切的关系。例如,辐射雾会出现在比较稳定的大气,而强对流天气则发生在不稳定的大气中。
大气稳定度原来跟大气层的温度及湿度随高度的变化有关。简单来说,大气压力随高度上升而减少,当一块气团上升时会因为气压减小而膨胀;按能量守恒定律,空气膨胀便会降温。若果气团内的水分未饱和,气团每上升1公里,温度便会下降9.8度(称为干直减率)。若果气团内的水分已达到饱和,温度则会按湿直减率下降。如上升气团降温后要比周围的空气暖,它便会因为密度较低而继续上升(大气不稳定)。反之,如上升气团降温后比周围空气冷,则会因自身的重量而下降至原来的位置(大气稳定)(见图一)。
由此可知,当前大气是否稳定要视乎实际气温及湿度随高度的变化而定。大气垂直温度及湿度的变化传统上靠探空气球来测量。要快捷地知道大气是否稳定,可把探空的数据绘画在一张名为温熵图的图表上(见图二)。将实测的温度曲线和干/湿直减率来做对比,就能分辨出大气中不同高度层的稳定状态。如实测的温度线(黑色)处于直减率线的右方代表大气稳定;处于左方就代表不稳定。在不稳定的情况下,受到扰动的气团会持续上升及降温直至空气当中的水汽凝结成云滴;空气中水汽充沛的话会进一步聚集成雨;若上升气流剧烈,甚至会产生雷暴天气。
因此温熵图对户外活动人士,特别是喜爱飞行活动例如滑翔运动爱好者,用来分析当天的大气状态是否适宜进行活动是十分实用的。滑翔运动没有使用机器提供动力,倚靠的是低层大气中的上升气流以及风所带来的浮力以维持在空中飞行。如果大气十分穏定,抬升力会较小而风力较弱,便没法进行活动。另一方面,若果大气非常不穏定,却有可能下雨或形成雷暴,便更不适合飞行运动了。故此判断当前的大气稳定度能否产生合适的上升气流对飞行活动十分重要,滑翔运动只能在一定的大气条件下才能既安全又好玩。
大家在图二中可见温熵图上尚有许多线,原来它们各有其妙用,往后再谈。
图一
图一   当气团的温度较周遭环境气温高,会因密度较低而受到浮力向上升,形成上升气流。
图二
图二   气温是用黑色绘画,露点温度则用红色绘画。黑线及红线之间的距离越大,代表空气越干燥。当两线相当贴近,代表空气潮湿有利于云的形成。在温熵图上的高度是用气压单位来表示。图中向右倾斜45度的直线为等温线; 向左倾斜45度的直线为干绝热直减率; 接近垂直方向的曲线则是湿绝热直减率;而向右倾斜的粉红色线是饱和水汽混合比,代表某温度下饱和空气中的含水量。