Termiikin ennustaminen radioluotauksista. Heikki Pohjola ja Kristian Roine

Transkriptio

1 Termiikin ennustaminen radioluotauksista Heikki Pohjola ja Kristian Roine

2 Maanpintahavainnot havaintokojusta: lämpötila, kostea lämpötila (kosteus), vrk minimi ja maksimi. Lisäksi tuulen nopeus ja suunta, pilvien määrä ja korkeus, sademäärä, paine, lumensyvyys, maanpintaminimi. Ylempää ilmakehästä radioluotainten avulla: paine, lämpötila, kostea lämpötila (kosteus), tuulen nopeus ja suunta (GPS). Säähavainnot

3 Luotaustiedon esitys Tyypillisesti lämpötila, kastepiste ja tuuli plotattuna termodynaamisella diagrammilla Suomessa ja Euroopassa käytetyin diagrammi on emagrammi, pystyakselina logaritminen ilmanpaine ja vaaka-akselina lämpötila. Yhdysvalloissa käytetyin ns skew T, log p - diagrammi (muunnos emagrammista ja tefigrammista), jossa pystyakselina logaritminen paine, mutta vaaka-akselin lämpötilaviivat ovat vinoja. Diagrammeilla energia-pinta-ala vastaavuus, joka mahdollistaa esim. käytettävissä olevan konvektiivisen potentiaalienergian, CAPE:n, laskemisen

4 Paine/hPa Emagrammi Lämpötila/C

5 Paine/hPa Emagrammi Kuiva-adiabaatti Lämpötila/C

6 Paine/hPa Emagrammi Kuiva-adiabaatti Kostea-adiabaatti Lämpötila/C

7 Paine/hPa Emagrammi Kuiva-adiabaatti Kostea-adiabaatti Kyllästysominaiskosteus Lämpötila/C

8 Paine/hPa Skew-T, log p diagrammi Lämpötila/C

9 Paine/hPa Skew-T, log p diagrammi Kuiva-adiabaatti Lämpötila/C

10 Paine/hPa Skew-T, log p diagrammi Kuiva-adiabaatti Kostea-adiabaatti Kyllästysominaiskosteus Lämpötila/C

11 Paine/hPa Skew-T, log p diagrammi Kuiva-adiabaatti Kostea-adiabaatti Kyllästysominaiskosteus Lämpötila/C

12 Ilmapakettiajattelu Meterologiassa monet asiat käsitellään ilmapakettiajattelun kautta Otetaan esimerkiksi maanpinnalta ympäristön olosuhteita vastaava ilmapaketti ja aletaan nostaa sitä ylöspäin. Ilmanpaine alkaa laskea ja paketti alkaa jäähtyä Jäähtyy termodynamiikan lakien mukaisesti noin 9,8 C/km (kuiva-adiabaatti) Ilmapaketti kantaa mukanaan myös kosteutta. Jossain vaiheessa nousua kyllästystila saavutetaan ja vesihöyry alkaa tiivistyä pisaroiksi, syntyy pilvi. Jos nostoa edelleen jatketaan, jäähtyminen jatkuu ja pilvipisaroiden tiivistyminen jatkuu Tiivistyminen vapauttaa lämpöä ja jäähtyminen onkin vain noin 6,5 C/km (kostea-adiabaatti).

13 Stabiilisuus Alkusysäys ilmapaketin nousulle on esimerkiksi maan pinnan läheisen ilmakerroksen lämpiäminen ympäristöä lämpimämmäksi auringon lämmityksen vaikutuksesta Mitä siitä seuraa riippuu täysin ympäristön olosuhteista (luotaus) Jos ilmapaketti on edelleen nousun jälkeen ympäristöään lämpimämpi, se jatkaa nousuaan. Tällöin tilanne on epävakaa eli labiili. Ympäristö Ilmapaketti

14 Stabiilisuus Jos ilmapaketti tuleekin ympäristöään kylmemmäksi, se vajoaa raskaana takaisin alas ja kyseessä on vakaa eli stabiili tilanne. Ympäristö Ilmapaketti

15 Stabiilisuus Jos siis luotauksen lämpötilaprofiili on tarpeeksi loiva (lähes kuivaadiabaattinen), mahdollisuudet konvektioon ovat hyvät. Tällöin ympäristön lämpötila pienenee nopeasti ylöspäin mennessä ja nousevalla ilmapaketilla on hyvät mahdollisuudet pysyä ympäristöään lämpimämpänä ja jatkaa nousua. Jos sen sijaan lämpötila käyrä on hyvin jyrkkä eli lämpötila laskee hyvin hitaasti ylöspäin mentäessä tai jopa nousee (inversiokerros), nousevasta ilmapaketista tulee hyvin nopeasti ympäristöään kylmempi ja se vajoaa alas

16 Ilmakehän tasapainotilat Siis kuopassa oleva pallo on vakaassa eli stabiilissa tasapainotilassa: jos sitä tönäistään hieman, se palaa takaisin kuopan pohjalle. Ympäristö Ilmapaketti

17 Ilmakehän tasapainotilat Kummun päällä oleva pallo tasapaino on epävakaa eli labiili (instabiili): pienikin häiriö saa pallon kierimään kauas lähtökohdastaan Ympäristö Ilmapaketti

18 Ilmakehän tasapainotilat Tasaisella oleva pallo on neutraalissa tilassa: liikkuu tönäisyn verran, eikä pyri palaamaan takaisin tai jatkamaan liikettään Ympäristö Ilmapaketti Ympäristö Ilmapaketti

19 Ilmakehän tasapainotilat Ehdollisesti epävakaa eli ehdollisesti labiili: jos palloa tönäistään vasemmalle, se käyttäytyy kuin stabiilissa tilassa. Jos tönäistään oikealle, se käyttäytyy kuin labiilissa tilassa Riippuu siis siitä onko ilma kyllästystilassa vai ei Ympäristö tai ilmapaketti 2 Ilmapaketti1

20 Kun ilmakehää lämmitetään alhaalta päin, syntyy konvektiota, ts. keliä Aivan maanpinnan lähelle syntyy ohut labiili kerros Ylempänä ilmakehässä lämpötilaprofiili muuttuu neutraaliksi Labiili ilmakehä ei ole termiikin edellytys, vaan konvektion lopputulos on neutraali lämpötilaprofiili.

21 Termiikin voimakkuuden ja korkeuden määrää lämpötilan pystyprofiili Esim 1. Stabiili alkutilanne, keli kehittyy hitaasti ja jää matalaksi Yö Iltapäivä

22 Esim 2. Ns. hyvä kelipäivä Lämpötilaprofiili on valmiiksi neutraali ylhäällä, pinnassa pieni pintainversio yöllisen ulossäteilyn vuoksi Keli alkaa nopeasti ja vie korkealle Yö Iltapäivä

23 Myös kosteus sekoittuu ylöspäin päivän kuluessa Auringon lämmittäessä maanpinnan lähelle jää kosteampi kerros (vettä haihtuu maanpinnasta) Ylempänä kastepisteen pystyprofiili on kyllästyssekoituskäyrä n suuntainen (laskee noin asteen kilometrilla ylöspäin mentäessä)

24 Kastepiste vaihtelee päivän mittaan usealla asteella Minimi auringon noustessa, jolloin kosteus on siirtynyt ilmasta kasteeksi maanpintaan Maksimi hetkeä ennen kelin alkua, jolloin maasta haihtunut kosteus ei ole vielä alkanut sekoittua ylöspäin Päivän kuluessa pientä kuivumista

25

26 Kumpupilven alarajan määritys graafisesti Pintalämpötilasta mennään ylöspäin kuiva-adiabaattia pitkin Kastepisteestä ylöspäin kyllästyskosteuskäy rää pitkin Pilviraja leikkauspisteessä Käytä tarvittaessa ennustettuja lämpötiloja Sama numeerisesti: Alaraja [m]= ( T Td ) * 125 Esim. T= 25, Td = 10, Alaraja=(25-10)*125=1875m

27 Inversiokerroksen korkeus ja pilvien korkeus Mitä korkeammalla inversio on, sitä korkeammaksi pilvet tulevat Ääripäinä ukkoskuurot ja kuivatermiikki

28 Kokonaispilvisyyden määrää ilmakehän suhteellinen kosteus kerroksessa johon kumpupilvet kehittyvät Lauttautumista esiintyy jos lämpötilan ja kastepisteen erotus on alle 5 astetta pilven korkeudella ja päällä on terävä inversio Kuiva kerros tyypillinen korkeapaineissa Lauttautuminen

29 Paine/hPa, korkeus/m Vihreät viivat = kuivaadiabaatti Siniset viivat = kosteaadiabaatti Violetit viivat = kyllästysominaiskosteus Pilven huippu: inversio, kuiva kerros LCL taso, pilvenpohja Lämpötila/C

30 Paine/hPa, korkeus/m Vihreät viivat = kuivaadiabaatti Siniset viivat = kosteaadiabaatti Violetit viivat = kyllästysominaiskosteus Pilven huippu: inversio, kuiva kerros LCL taso, pilvenpohja Lämpötila/C

31 Paine/hPa, korkeus/m Vihreät viivat = kuivaadiabaatti Siniset viivat = kosteaadiabaatti Violetit viivat = kyllästysominaiskosteus LCL taso inversiota ylempänä -> ei pilviä -> kuivatermiikkiä Lämpötila/C

32 Paine/hPa, korkeus/m Yöluotaus Vihreät viivat = kuivaadiabaatti Siniset viivat = kosteaadiabaatti Violetit viivat = kyllästysominaiskosteus Lämpötila/C LCL taso, pilvenpohja Ennustettu päivän maksimilämpötila

33 Paine/hPa, korkeus/m Pilven huiput, kuuroja LCL taso, pilvenpohja Lämpötila/C

34

35 Ilmakehän tasapainotilat Kuopassa oleva pallo on vakaassa eli stabiilissa tasapainotilassa: jos sitä tönäistään hieman, se palaa takaisin kuopan pohjalle. Kummun päällä oleva pallo tasapaino on epävakaa eli labiili (instabiili): pienikin häiriö saa pallon kierimään kauas lähtökohdastaan Tasaisella oleva pallo on neutraalissa tilassa: liikkuu tönäisyn verran, eikä pyri palaamaan takaisin tai jatkamaan liikettään Ehdollisesti epävakaa eli ehdollisesti labiili: jos palloa tönäistään vasemmalle, se käyttäytyy kuin stabiilissa tilassa. Jos tönäistään oikealle, se käyttäytyy kuin labiilissa tilassa