آب و هواشناسی سینوپتیک
مطالب مختلف در مورد اقلیم ایران و جهان.دانلود نرم افزارهای اقلیمی و داده های هواشناسی.عضویت در گروه اقلیم شناسان ایرانی
آب و هواشناسی سینوپتیک
مطالب مختلف در مورد اقلیم ایران و جهان.دانلود نرم افزارهای اقلیمی و داده های هواشناسی.عضویت در گروه اقلیم شناسان ایرانینمودارهای Skew-T
پس از
پیدایش دیده بانی های ایستگاه راوین سوند (Rawinsonde)، نمودارهای
ترمودینامیکی جهت ترسیم داده عمل کاوش (سوندینگ) و به منظور ارزیابی
پایداری جو، مورد استفاده قرار گرفتند.
به رغم پیشرفت های متعدد در تکنولوژی و روش های پیش بینی، نمودارهای ترمودینامیکی بعنوان یک ابزار لازم برای مفسر امروزی اوضاع جوی باقی مانده است. با این حال اکنون ترسیم و تحلیل سونداژها به نحو مطلوبی از راوین سوندهای سنتی به سونداژهای ارائه شده توسط مدل های NWP و مشاهدات ماهواره های سنجش از راه دور، توسعه یافته است.
نمودارهای ترمودینامیکی مستعمل جهت تحلیل کاوش در تحقیقات و عملیات علوم جوی شامل نمودار Stüve، نمودار emagram، نمودار tephigram و نمودار Skew-T/ P-Log می باشند. در این مقاله بر روی نمودار اخیر تمرکز می شود که به طور گسترده بیش از 50 سال در پیش بینی های عملیاتی نیروی هوایی، دریایی و سرویس ملی آب و هوای ایالات متحده مورد استفاده واقع شده است. بسیاری از اطلاعات این مقاله برگرفته از سناد کاربرد نمودار Skew-T/ P-Log در تحلیل و پیش بینی سرویس آب و هوا بوده که یک مرجع راهنما مهم در تحلیل کاوش (سوندینگ) برای پیش بینی های عملیاتی در طول سالیان متمادی بوده است.
نمودار Skew-T/Log-P یکی از 4 نمودار ترمودینامیک کاربردی در تحلیل و پیش بینی آب و هواست. استفاده عمده نمودار Skew-T/ log-P ترسیم سونداژ رادیو سوند می باشد که نیمرخ قائم دما و نقطه شبنم را در سرتا سر جو بالای یک نقطه مشخص بر روی زمین فراهم می آورد.
اطلاعات لازم جهت رسم سونداژ از منابع گوناگونی نظیر رادیوسوندها، دراپسوندها، بالن های اکتشافی، هواپیما، برونداد مدل NWP و سوندرهای ماهواره ای جمع آوری می شوند.
از آنجا که فشار با افزایش ارتفاع در جو لگاریتمی کاهش می یابد، نمودار دارای خط هایی از فشار ثابت (isobars) با فاصله لگاریتمی (Log-P) بوده و همچنین ظاهر مورب خطوط دما (Skew-T) های ثابت (isotherms) سبب نامیده شدن آن به نمودار skew-T/log-P شده است.
چرا ما به نمودار Skew-T Log-P احتیاج داریم؟
- می توان پایدرای جو را ارزیابی کرد.
- می توان عناصر آب و هوا را در هر لایه جو دیده بانی نمود.
- تعیین شدت پایداری، دمای همرفت، پیش بینی دماها و خصوصیات آب و هوایی سخت (severe weather)
- این داده برای ایجاد مدل های پیش بینی مقیاس سینوپتیک استفاده می شود.
برخی معایب نمودار Skew - T چیست؟
- تنها 2 بار در روز (ساعت 00 و 12 زولو) در دسترس هستند.
- خصوصیت آب و هوا می تواند به طور چشمگیری بین کاوش ها تغییر کند.
- سونداژ، هنگامی که باد بالن را به پایین می راند، اندازه عمودی واقعی را فراهم نمی آورد.
- عمل کاوش، از آنجایی که برای پیمایش از سطح زمین تا تروپوسفر بالایی چندین دقیقه طول می کشد، اندازه گیری های لحظه ای درستی ارائه نمی دهد.
در ادامه مجموعه ی گوناگونی از خطوط و اطلاعات ارائه شده در نمودار اسکیوتی، تشریح می شوند:
همفشارها (Isobars): خطوط افقی، با فشار یکسان که دارای فاصله لگاریتمی از 1050 تا 100 هکتوپاسکال بوده و هر 50 هکتوپاسکال ترسیم می شوند. این خطوط از چپ به راست امتداد می یابند.
در نسخه های کاغذی نمودار Skew-T/ Log-P، ارتفاع های جو معیار ICAO ، در زیر همفشارهای مورد نظر در سمت راست نمودار، بر حسب فوت (در پرانتزها) و متر [در کروشه ها] چاپ می شود. همچنین مقیاس ارتفاع در سمت راست نمودار وجود دارد.
همدماها (Isotherms): همدماها خطوط ثابت دما هستند. در نمودار Skew-T، همدماها مستقیم، خطوط یکپارچه، شیبدار از پایین سمت چپ به سمت بالا راست می باشند. در این مثال، فاصله همدما 10 درجه سلسیوس بوده و از 40 - تا 40 + در پایین نمودار درجه بندی شده اند.
افتاهنگ بی دررو های خشک (Dry adiabatic lapse rate): نشان دهنده خطوط دمای پتانسیل ثابت می باشند. افتاهنگ بی دررو خشک، نرخ سرمایش (10 درجه سلسیوس در هر کیلومتر) یک بسته هوا در حال صعود در حالت غیر اشباع را نشان می دهد.. در نمودار Skew-T، بی درروهای خشک کمی منحنی، خطوط یکپارچه شیبدار از سمت راست پایین به سمت چپ بالا می باشند. بی دررو خشک به ازای هر 10 درجه سلسیوس در یک نقطه با همدماها و همفشار 1000 هکتوپاسکال، مشترک می شوند.
افتاهنگ بی دررو های اشباع (Moist adiabatic lapse rate): نشان دهنده خطوط ثابت دمای پتانسیل معادل می باشد. افتاهنگ بی دررو های اشباع، نرخ سرمایش (بسته به میزان رطوبت هوا) یک بسته هوا در حال صعود در حالت اشباع را نشان می دهد. در نمودار Skew-T، خطوط بی درروهای اشباع کمی منحنی هستند. توجه کنید که شیب و فاصله خطوط، بویژه در ترازهای پائین به میزان قابل توجهی با ارتفاع و دما تغییر می یابد. افتاهنگ بی دررو اشباع از آنجا که هوای سرد محتوای رطوبت کمتری نسبت به هوای گرم دارد با ارتفاع افزایش می یابد.
خطوط نسبت آمیختگی اشباع (Saturation mixing ratio lines): خطوط نسبت اختلاط اشباع نشان دهنده مقادیر ظرفیت بخار آب (جرم بخار آب بر جرم هوای خشک _ گرم بر کیلوگرم) هستند. در نمودار Skew-T، خطوط نسبت اختلاط اشباع (ws) کمی منحنی بوده و به صورت خط چین از چپ پایین به راست بالا شیبدار هستند. آنها در پایین نمودار برای یک رنج 0.1 تا 40 گرم بر کیلوگرم مقدار گزاری شده اند؛ به عبارت دیگر، مقدار بخار آب در هر 1000 قسمت از هوای خشک می باشد. توجه داشته باشید از آنجایی که ظرفیت بخار هوا تغییرات غیر خطی با دما دارد، فاصله گذاری برای خطوط ws یکنواخت نیست.
کاوش محیطی (Environmental sounding): همان دمای اندازه گیری شده واقعی در جو می باشد. این خط ناهموار (منحنی) از جنوب به شمال در نمودار امتداد یافته و همواره در سمت راست منحنی نقشه شبنم می باشد. در رسم آن اغلب از رنگ قرمز استفاده می شود.
منحنی نقطه شبنم (Dewpoint curve): خط منحنی از جنوب به شمال در نمودار بوده که اندازه گیری واقی دمای نقطه شبنم در ترازهای مختلف جو را بیان می کند و در رسم آن معملا از رنگ سبز استفاده می شود.
نقطه شبنم دمایی ست که یک بسته هوا در یک فشار ثابت به درجه اشباع می رسد بدون آنکه به آن بخار آب اضافه شود. به عبارت دیگر، دمایی ست در سطح زمین که منجر به تشکیل شبنم می شود.
افتاهنگ بسته (Parcel lapse rate): مقدار دیده بانی شده کاهش دمای هوا نسبت به ارتفاع در صورتی که هوا هیچگونه حرکت عمودی به بالا یا پایین نداشته باشد را افتاهنگ یا لپس ریت گفته می شود. به عبارت دیگر افتاهنگ گرادیان واقعی دما نسبت به ارتفاع در وضعیتی که هوا بدون حرکات عمودی باشد. همان طوری که گفته شد افتاهنگ مقدار ثابتی نیست و در یک نقطه فقط از روی اندازه گیری دما در ارتفاعات مختلف می توان مقدار متوسطی برای آن بدست آورد.
افتاهنگ از تا زمان رسید به حالت اشباع از افتاهنگ بی دررو خشک (DALR) پیروی می کند پس از آن از افتاهنگ بی دررو اشباع (MALR) پیروی می نماید.
ازخط افتاهنگ بسته جهت محاسبه شاخص های CAPE، CINH، LI و سایر شاخص های ترمودینامیکی استفاده می شود.
نمایه باد (Wind Staff): بادها در نمودار Skew-T با استفاده از مدل قراردادی بادها، رسم می شوند.
انتهای صاف نمایه، راستای وزش باد را نشان می دهند. بدین گونه، یک نمایه مستقیم رو به بالا یک باد جنوبی را نشان می دهد. یک نمایه به سمت راست یک باد غربی را نشان می دهد و مانند آن.
سرعت باد با پیکان ها و پرچم ها در نمایه ترسیم می شوند: هر پرچم نشان دهنده 50 نات، هر پیکان کامل شامل 10 نات و هر نیم پیکان شامل 5 نات می باشد. برای مثال، 3 پیکان کامل و نیم پیکان نشان دهنده 35 نات بوده این در حالی ست که یک پرچم، یک پیکان کامل و نیم پیکان شامل 65 نات می باشد.
نمایه بادهای نیمرخ قائم جو، در ترازهای مشخص آنها، در سمت راست نمودار Skew-T ترسیم می شوند، در اشاره به ارتفاع یا سطح فشار خاصی که باد در آن گزارش شده است.
هودوگراف (Hodograph)
هودوگراف یک ابزار گرافیکی ست که در ارزیابی چینش باد عمودی به مفسران کمک می کند. در یک محیط همرفتی، یک درک درست از چینش عمودی باد جهت پیش بینی نوع طوفان همرفتی ، احتمال ابر سلول طوفان ها (supercell storms)، که در آن طوفان های جدید می توانند تشکیل شوند، و حتی طوفان و حرکت سیستم طوفانی بسیار مهم است.
هودوگراف ها اغلب همراه با سوندینگ ها در نمودار Skew-T درج می شوند. در تصویر زیر یک سوندینگ مدل AFWA MM5 را همراه با هودوگراف در گوشه بالای سمت راست نشان می دهد (برگرفته از وبسایت اطلاعات شبکه آب و هوا نیرو هوایی ارتش، JAAWIN). نمودارهای سوندینگ/هدودوگراف از بسیاری منابع قابل دسترسی هستند.
پیکان های باد (Wind Barbs) در برابر بردارهای باد (Wind Vectors)
هواشناسان همه با شکل سنتی باد که خطوط خاردار (پیکان ها) برای راستا و سرعت باد در ترازهای گوناگون استفاده می شود، آشنا هستند. هودوگراف همین اطلاعات را در غالب بردارهای باد نشان می دهد. با این حال، از آنجا که هدف اصلی مشخص شدن چینش باد عمودی ست، هودوگراف مبتنی بر بردارهای باد می باشد. بر خلاف پیکان باد، یک بردار بواسطه طولش نشان دهنده سرعت به جای ترکیبی از پیکان ها، می باشد.
نمودار مختصات قطبی (Polar Coordinate Chart)
در یک هودوگراف، بردارهای باد در یک نمودار مختصات قطبی ترسیم شده اند. محورهای نمودار نشان دهنده 4 راستای قطب نما می باشند. همه بردارهای باد از مبدا و راس، در راستای حرکت باد امتداد می یابند. از آنجا که طول بردار نشان دهنده میزان سرعت می باشد، دوایر متحد المرکز کشیده شده در اطراف مبدا نشان دهنده سرعت ثابت باد می باشد. برای مثال، این هودو گراف نشان می دهد هر دو بردار باد 4 و 5 کیلومتر، 25 متر بر ثانیه می باشند، گرچه راستای آنها بترتیب از غرب و غرب-شمال غربی هستند.
معمولا، بردارهای باد در هودوگراف ترسیم نمی شوند، بلکه توسط نقاط انتهایی در نمودار مختصات قطبی نشان داده می شوند. هودوگراف از اتصال نقاط انتهایی هر یک از بردارهای باد ترسیم می شود.
رطوبت/نمناکی
اطلاعات رسم شده در نمودار Skew-T شامل دما، نقطه شبنم، سرعت و راستای باد می باشند. طراحی نمودار Skew-T، محاسبه انبوهی از مقادیر هواشناسی گزارش نشده مربوط به دما، رطوبت، پایداری و دیگر خواص ترمودیناکی جو را فراهم می آورد. در این بخش به روش شناسی تعیین و محاسبه کمیت ها و پارامترها در یک گمانه زنی (sounding) رسم شده در نمودار اسکویتی پرداخته می شود.
نسبت آمیختگی اشباع (Saturation Mixing Ratio = ws)نسبت آمیختگی اشباع (ws)، نسبت آمیختگی جرم بخار آب (Mv) به جرم هوای خشک (Md) در یک بسته هوا اشباع می باشد. به عبارت دیگر، ws، ماگزیمم مقدار بخار آبی ست که یک بسته بدون تراکم (میعان) می تواند حفظ نماید:ws = Mv / Mdنسبت آمیختگی اشباع، قسمت در هزار، معمولا گرم (بخار آب) بر کیلوگرم (هوای خشک) بیان می شود. جهت تعیین نسبت آمیختگی اشباع برای یک فشار معین در نمودار اسکیوتی، خط نسبت آمیختگی اشباع که منحی دما (T curve) را در آن فشار قطع می کند، به صورت مستقیم یا توسط میان یابی قرائت می شود.در این مثال، یک بسته هوا در 850 هکتوپاسکال با دمای 5 درجه سلسیوس، یک نسبت آمیختگی اشباع g/kgا6.5 دارد.
نسبت آمیختگی (Mixing Ratio = w)
در یک نمونه هوای مرطوب، نسبت آمیختگی (w)، نسبت جرم بخار آب (Mv) به جرم هوای خشک (Md) می باشد:w = Mv / Md
نسبت آمیختگی، قسمت در هزار، معمولا گرم (بخار آب) بر کیلوگرم (هوای خشک) بیان می شود. نسبت آمیختگی از نسبت آمیختگی اشباع از این حیث که آن مقدار واقعی وجود بخار آب را اندازه گیری می کند متفاوت است، در حالی که نسبت اختلاط اشباع مقدار بخار آبی موجود در حالت اشباع را اندازه گیری می نماید.باید توجه داشت که برای محاسبات فیزیکی بسیار دقیق، نم ویژه (specific humidity)، شاخص q، اغلب یک کمیت برتر ست. نم ویژه، نسبت جرم بخار آب موجود بر جرم هوای مرطوب ست:(q = Mv / (Mv + Md
در اهداف پیش بینی همدید، نسبت آمیختگی به قدر کافی معرف بوده و ارزیابی آن آسان می باشد.
جهت تعیین نسبت آمیختگی (w) برای یک فشار معین در نمودار Skew-T، خط نسبت آمیختگی اشباع که منحی دما را در آن فشار قطع می کند به طور مستقیم یا میان یابی قرائت می کنند.در این مثال، یک بسته هوا در 850 هکتوپاسکال با یک نقطه شبنم 6 - درجه سلسیوس، دارای نسبت آمیختگی g/kgا6.5 می باشد. رطوبت نسبی (Relative Humidity = RH)رطوبت نسبی (RH) نسبت مقدار بخار آب در یک حجم معینی از هوا به میزان مقداری که هوا تمایل به نگه داشت آن دارد تا به اشباع برسد، که بر حسب درصد بیان می شود.رطوبت نسبی را می توان از نسبت آمیختگی (w) و نسبت آمیختگی اشباع (ws) توسط معادله زیر بدست آورد:(RH= 100 * (w/wsدر این مثال، یک بسته هوا در فشار 850hpa دارای نسبت آمیختگی 3g/kg و نسبت آمیختگی 6.5g/kg و رطوبت نسبی % 46 می باشد.توجه داشته باشید که در تعریف بالا، نسبت آمیختگی اشباع (و رطوبت نسبی) برای آب مایع فرض شده است (نه یخ).
نزول نقطه شبنم (Dewpoint depression= Tdd)نزول نقطه شبنم (Tdd) تفاوت (دلتا) بین دما و دمای نقطه شبنم می باشد. برونداد (خروجی) رطوبت مشاهدات راوین سوند به طور معمول به صورت نزول نقطه شبنم گزارش شده است. در شرایط اشباع، نزول نقطه شبنم 0 درجه سلسیوس می باشد، در حالی که در شرایط خشک، نزول نقطه شبنم مقادیر بزرگتری دارد. نمودار اسکیوتی زیر معمول یک صبح تابستانی در طول ساحل شمال کالیفرنیاست.نزول نقطه شبنم در سطح زمین 0 می باشد، شرایط در سطح زمین اشباع می باشد که احتمالا سبب بروز مه می شود و در تراز 850hpa معادل 44 درجه سلسیوس می باشد. شرایط خشک سریع بالای مه، سرمایش تابشی (radiative) و تبخیری (evaporative) در بالای مه را تقویت می کند. این سرمایش به ماندگاری مه کمک می کند. فشار بخار اشباع (saturation vapor pressure =es)بخشی از کل فشار جو مربوط به بخار آب در صورتیکه هوا اشباع باشد، بواسطه اشباع بودن هوا، بیانگر بیشینه بخار آب ممکن در فشار و دمای معین است.از منحنی گمانه زنی دما (T) در فشار معین، همواره همدما تا فشار 622hpa دنبال می شود. در صورت نیاز، مقدار خط نسبت آمیختگی اشباع، بوسیله میان یابی قرائت شده، از این نقطه در فشار 622hpa، فشار بخار اشباع در فشار معین بر حسب هکتوپاسکال (hpa) بدست می آید. در این مثال، هوا در فشار hpa850 با دمای 3C0 دارای فشار بخار hpa7.5 می باشد. توجه داشته باشید که این روش برای تعیین فشار بخار (e) کاملا مشابه روش تعیین فشار بخار اشباع (es) ست. تنها تفاوت این است که در تعیین فشار بخار با نقطه شبنم و در تعیین فشار بخار اشباع با دما شروع می شود.فشار بخار (vapor pressure =e)فشار بخار (e) بخشی از مجموع فشار جو مربوط به بخار آب تعریف می شود. از منحنی گمانه زنی نقطه شبنم (Td) در فشار معین، همواره همدما تا همفشار 622 hpa دنبال می شود. در صورت نیاز مقدار خط نسبت آمیختگی اشباع، توسط میان یابی قرائت شده و از این نقطه در 622hpa، فشار بخار بر حسب هکتوپاسکال (hpa) بدست می آید. در این مثال، هوا در فشار 850hpa با نقطه شبنم 9C0 - دارای فشار بخار 3.0hpa می باشد.
دماها/ترازها
دمای مجازی (virtual temperature =Tv)دمای مجازی (Tv) یک نمونه هوای نمناک، دمایی ست که در آن دما هوای خشک باید با همان فشار کل، همان چگالی نمونه را دارا باشد. به عبارت دیگر، 2 نمونه هوا با دمای مجازی یکسان چگالی یکسانی، صرفه نظر از دمای واقعی یا رطوبت نسبی شان دارند.به دلیل اینکه بخار آب چگالی کمتری نسبت به هوای خشک و هوای گرم چگالی کمتر نسبت به هوای سرد دارد، دمای مجازی همواره بزرگتر یا مساوی دمای واقعی ست.توجه داشته باشید که به دلیل اینکه نسبت آمیختگی اشباع با دما، تصاعدی افزایش می یابد (حدود 2 برابر با هر افزایش حدود 10 درجه سلسیوس)، تصحیح دمای مجازی برای نقاط شبنم بالاتر به طور فراینده ای اهمیت می یابد.
جهت تعیین دمای مجازی در نمودار Skew-T در یک فشار معین به صورت زیر عمل می شود:1. تعیین نسبت آمیختگی (g/kg ،w)، به این صورت که در یک فشار معین طول خط نسبت آمیختگی اشباع از نقطه شبنم (Td) عبور می کند.2. دمای مجازی به صورت زیر محاسبه می شود:Tv ~ T + w/6در این مثال:T = 5°C و Td = -6°Cبنابر این، w = 3.0 g/kgTv = T + w/6 = 5 + 3/6 = 5.5°C
دمای پتانسیل (potential temperature=θ)این کمیت مقدار دمایی است که یک نمونه هوا باید داشته باشد، در حالی که به طور بی دررو خشک به 1000 میلی بار برده شود. دمای پتانسیل معمولا بر حسب کلوین بیان می شود. اما در این مقاله ما ازسلسیوس جهت راحتی استفاده خواهیم کرد. به منظور تبدیل از K به 0C به سادگی 273.15 کسر می گردد.از منحنی دما در فشار معین، بی دررو خشک تا همفشار 1000hpa دنبال می شود، مقدار همدما در این نقطه برابرست با دمای پتانسیل بسته هوا. بی دررو خشک یک همدمای پتانسیل ثابت می باشد. بنابر این هوا با یک دمای 300C- در 500hpa (نمایش داده شده) دارای همان دمای پتانسیل هوا، با دمای 00C در 750hpa یا 230C در 1000hpa می باشد.پایه ابر فرارفتی یا تراز میعان ترازش (lifting condensation level =LCL)ترازی ست که در آن یک نمونه هوای نمناک باید به طور بی دررو خشک بالا رود تا اشباع شود. منظور از پایه ابر فرارفتی، ارتفاعی است که اگر هوای سطحی به صورت آزاد یا واداشته صعود کند، در آن ارتفاع به نقطه شبنم خود رسیده و بنابراین اشباع خواهد شد. این ارتفاع به خودی خود دارای کاربرد خاصی نمی باشد ولی در تعیین سایر پارامترهای جوی مؤثر، نقش بسزایی را ایفا میکند. با رسم خط دمای پتانسیل برای دمای سطحی و نیز خط میزان اختلاط مربوط به دمای نقطه شبنم و به دست آوردن محل تلاقی آن ها این ارتفاع به دست خواهد آمد.فصل مشترک گذر خط نسبت آمیختگی اشباع از کف منحی نقطه شبنم (Td) با گذر خط بی دررو خشک از کف منحنی دما (T) بعنوان تراز LCL در گمانه زنی (سوندینگ) بیان می شود. در این مثال هوا با دمای 90C و نقطه شبنم 00C در تراز سطحی، در صورت صعود بی دررو خشک در تراز 870hpa به درجه اشباع خواهد رسید، این تراز بعنوان تراز پایه ابر فرارفتی یا تراز میعان ترازش شناخته می شود.توجه: هنگامی که مقدار رطوبت در لایه های نزدیک سطح به طور قابل توجهی تغییر می نماید، در محاسبه LCL ممکن است میانگین مقدار رطوبت لایه پائین بجای مقدار رطوبت سطح بسته استفاده شود. چنان که گفته شد،در سطح LCL ابر تشکیل می شود. اما این ابر در سطوح بالاتر نیز ادامه خواهد یافت، زیرا فرارفت آزاد، حالت اشباع موجود را همچنان حفظ میکند تا وقتی که رطوبت جوی در اثر ارتفاع، کاهش یابد و انرژی لازم برای صعود آزاد تأمین نگردد. بنابراین تا جائی که انرژی لازم موجود باشد، ابر وجود خواهد داشت و به محض عدم تأمین این انرژی، قله ابر ظاهر خواهد شد و پس از آن، وارونگی هوا ایجاد شده و در نتیجه هوا خشک خواهد شد.
برای تعیین قله ابر، باید از سطح FCL مجدداً در امتداد خط دمای پتانسیل اشباع حرکت نمود تا جائی که نمایه قائم دما دوباره قطع شود.دمای معادل (equivalent temperature =Te)
دمای معادل (Te) حجمی از هوا، دمایی ست که نمونه هوا از راه چگالش تمامی بخار آبش و به کار گرفتن گرمای نهان برای گرم کردن هوای خشک درون نمونه، پیدا می کند. این عمل یک فرایند تک _ فشار است، یعنی فشار ثابت می ماند. دمای هم ارز دمایی ست در یک تراز، که یک نمونه هوا پیدا می کند، اگر تمام رطوبتش توسط یک فرایند شبکه بی دررو (نظر به اینکه تمام رطوبت چگالش شده فورا از نمونه هوا خارج شود) چگالش شود. گرمای نهان میعان سپس نمونه هوا را گرم می کند. این دمای معادل گاها دمای معادل بی دررو نامیده می شود.1. از نقطه شبنم در فشار معین، یک خط به سمت بالا موازی با خطوط نسبت آمیختگی اشباع ترسیم می شود. همچنین، از منحنی دما (T) در فشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد یک بی دررو خشک، تا زمانی که خط ترسیم شده از نقطه شبنم را قطع کند، ترسیم می شود. یادآوری می شود که این تراز LCL می باشد.2. از LCL، یک بی دررو اشباع به سمت بالا تا فشاری که بی دررو اشباع با بی دررو خشک موازی می شود، دنبال می شود. این این تراز فشاری ست که تمام رطوبت از نمونه چگالش شده است. 3. از این فشار، یک بی دررو خشک، در بازگشت به فشار اولیه دنبال می شود. مقدار همدما در این نقطه برابر دمای همر ارز (Te) می باشد.در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 100C و نقطه شبنم 80C- دارای دمای هم ارز 170C می باشد.
دمای پتانسیل معادل (equivalent potential temperature=θe)دمای پتانسیل معادل دمایی ست که یک نمونه هوا پیدا می کند، در صورتی که تمام رطوبت آن توسط یک فرایند شبکه بی دررو (به عنوان مثال، با گرمای نهان میعان موجود صرف گرم شدن نمونه هوا) چگالش شود، و سپس نمونه تا 1000hpa به طور بی دررو خشک برده شود.دمای معادل پتانسیل مانند دمای معادل بوده، با این تفاوت که نمونه هوا از دمای معادل در سطح اولیه به صورت بی دررو خشک برده می شود تا نسبت به دمای پتانسیل در تراز 1000hpa. دمای پتانسیل هم ارز معمولا بر حسب کلوین بیان می شوند. به هر روی در این مقاله جهت راحتی کار از درجه سلسیوس استفاده می شود. برای تبدل کلوین به سلسیوس به سادگی 273.15 کسر می گردد.
جهت تعیین کمیت در نمودار اسکویتی به صورت زیر عمل می شود:
1. از نقطه شبنم درفشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع ترسیم می گردد. همچنین، از منحنی T در فشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد یک بی دررو خشک تا قطع شدن خط ترسیم شده از نقطه شبنم در LCL ترسیم می شود.
2. از این تقاطع، یک بی دررو اشباع به سمت بالا تا یک فشار که بی دررو اشباع و بی دررو خشک موازی می شوند دنبال می شود. این تراز فشاری ست که تمام رطوبت از نمونه چگالش شده است. 3. از این فشار، بی دررو خشک به سمت پائین تا هم فشار 1000 hpa دنبال می شود. دمایی که بی دررو خشک، از هم فشار 1000 hpa عبور می کند بعنوان دمای پتانسیل معادل تعیین می شود.
در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 100C و نقطه شبنم 80C- دارای دمای پتانسیل هم ارز 320C می باشد.
دمای تر (wet-bulb temperature= TW)دمای تر (Tw) دمایی ست که در آن یک نمونه هوا باید از راه تبخیر آب درونش در فشار ثابت سرد شود، تا اینکه به حالت اشباع برسد. این دما توسط یک نم سنج دمایی، که از دماسنج خشک و تر تشکیل شده است، تعیین می شود. فرایند هواشناختی که هوا توسط آن به دمای تر خود می رسد، تبخیر باران نازل شده در لایه هوای نا اشباع اولیه ست. بنابر این در دمای تر، بسته هوا اشباع می شود. دمای تر همواره مابین نقطه شبنم و دما افت می کند، جز اینکه هوا اشباع باشد. در حالت اشباع، دما، نقطه شبنم و دمای تر برابر هستند. در جو واقعی Tw اغلب یک برآورد خوبی از دمای سطحی پس از آغاز بارش و شرایط تبدیل شدن به اشباع فراهم می کند. جهت تعیین کیمت در نمودار در یک فشار میعن، به صورت زیر عمل می شود:1. از دما، به سمت بالا در امتداد بی دررو خشک دنبال می شود.2. از نقطه شبنم در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع به سمت بالا دنبال می شود.3. از محل تلاقی 2 خط ، به سمت پایین در امتداد بی دررو اشباع به سطح اولیه دنبال می شود.در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 200C و نقطه شبنم 00C دارای دمای تر 100C می باشد.دمای پتانسیل تر (wet-bulb potential temperature θw)
دمای پتانسیل تر، دمای تری که یک نمونه هوا پیدا می کند در صورتی که در راستای بی دررو اشباع به فشاری 1000 hpa برده شود.
دمای پتانسیل تر همانند دمای تر بوده، با این تفاوت که نمونه هوا از دمای تر در سطح اولیه به صورت بی دررو مرطوب برده شده تا نسبت به دمای پتانسیل تر در تراز 1000 hpa. دمای پتانسیل تر معمولا بر حسب کلوین بیان می شود اما جهت سهولت در این مقاله از سلسیوس استفاده می شود که برای تبدیل کلوین به سلسیوس به سادگی 273.15 کسر می گردد.
جهت تعیین آن به صورت زیر عمل می شود:
1. پیدا کردن دمای تر.
2. از دمای تر، بی دررو اشباع تا همفشار 1000 hpa دنبال می شود.
3. مقدار همدما در این تقاطع برابر با دمای پتانسیل تر در فشار معین.
در این مثال ، هوا در 700hpa با دمای 50C- و نقطه شبنم 130C- دارای دمای تر 70C- و دمای پتانسیل تر 100C می باشد.
تراز میعان همرفتی (convective condensation level =CCL)تراز میعان همرفتی (CCL) ارتفاعی ست که یک بسته هوا، در صورت گرم شدن بقدر کافی از زیر، به صورت بی دررو صعود کرده تا اینکه در همان لحظه به اشباع برسد. معمولا، آن ارتفاع پایه ابرهای کومه ای (cumuliform) ایجاد شده توسط گرمایش همرفت به سبب صرف گرماش سطحی ست. جهت تعیین CCL در یک گمانه زنی ( sounding)، ابتدا در کف نقطه شبنم، در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع به سمت بالا دنبال می شود تا اینکه خط مذکور پروفایل دما را در گمانه زنی قطع نماید. تراز محل تقاطع CCL می باشد.در این مثال، هوا در سطح با نقطه شبنم 0 درجه سلسیوس تمایل به داشتن CCL معادل 750 hpa می باشد.توجه: هنگامی که مقدار رطوبت در لایه های نزدیک به سطح به طور قابل توجهی تغییر می کند، یک میانگین مقدار رطوبت لایه پائین ممکن ست به جای مقدار رطوبت سطح بسته در محاسبه CCL استفاده شود.دمای همرفت (convective temperature =Tc)
دمای همرفت (Tc) دمای سطحی که باید برای شروع تشکیل ابرهای همرفتی بسبب گرمایش خورشیدی لایه نزدیک به سطح، رسیده باشد.از تراز میعان همرفت (CCL) در پروفایل دما، در امتداد بی دررو خشک پائین رو به همفشار فشار سطحی دنبال شود، دمای قرائت شده در این تقاطع دمای همرفت (Tc) می باشد.در این مثال خطوط CCL در 750hpa و دمای همرفت 20 درجه سلسیوس می باشد.ضخامت (Thickness)
به رغم پیشرفت های متعدد در تکنولوژی و روش های پیش بینی، نمودارهای ترمودینامیکی بعنوان یک ابزار لازم برای مفسر امروزی اوضاع جوی باقی مانده است. با این حال اکنون ترسیم و تحلیل سونداژها به نحو مطلوبی از راوین سوندهای سنتی به سونداژهای ارائه شده توسط مدل های NWP و مشاهدات ماهواره های سنجش از راه دور، توسعه یافته است.
نمودارهای ترمودینامیکی مستعمل جهت تحلیل کاوش در تحقیقات و عملیات علوم جوی شامل نمودار Stüve، نمودار emagram، نمودار tephigram و نمودار Skew-T/ P-Log می باشند. در این مقاله بر روی نمودار اخیر تمرکز می شود که به طور گسترده بیش از 50 سال در پیش بینی های عملیاتی نیروی هوایی، دریایی و سرویس ملی آب و هوای ایالات متحده مورد استفاده واقع شده است. بسیاری از اطلاعات این مقاله برگرفته از سناد کاربرد نمودار Skew-T/ P-Log در تحلیل و پیش بینی سرویس آب و هوا بوده که یک مرجع راهنما مهم در تحلیل کاوش (سوندینگ) برای پیش بینی های عملیاتی در طول سالیان متمادی بوده است.
نمودار Skew-T/Log-P یکی از 4 نمودار ترمودینامیک کاربردی در تحلیل و پیش بینی آب و هواست. استفاده عمده نمودار Skew-T/ log-P ترسیم سونداژ رادیو سوند می باشد که نیمرخ قائم دما و نقطه شبنم را در سرتا سر جو بالای یک نقطه مشخص بر روی زمین فراهم می آورد.
اطلاعات لازم جهت رسم سونداژ از منابع گوناگونی نظیر رادیوسوندها، دراپسوندها، بالن های اکتشافی، هواپیما، برونداد مدل NWP و سوندرهای ماهواره ای جمع آوری می شوند.
از آنجا که فشار با افزایش ارتفاع در جو لگاریتمی کاهش می یابد، نمودار دارای خط هایی از فشار ثابت (isobars) با فاصله لگاریتمی (Log-P) بوده و همچنین ظاهر مورب خطوط دما (Skew-T) های ثابت (isotherms) سبب نامیده شدن آن به نمودار skew-T/log-P شده است.
چرا ما به نمودار Skew-T Log-P احتیاج داریم؟
- می توان پایدرای جو را ارزیابی کرد.
- می توان عناصر آب و هوا را در هر لایه جو دیده بانی نمود.
- تعیین شدت پایداری، دمای همرفت، پیش بینی دماها و خصوصیات آب و هوایی سخت (severe weather)
- این داده برای ایجاد مدل های پیش بینی مقیاس سینوپتیک استفاده می شود.
برخی معایب نمودار Skew - T چیست؟
- تنها 2 بار در روز (ساعت 00 و 12 زولو) در دسترس هستند.
- خصوصیت آب و هوا می تواند به طور چشمگیری بین کاوش ها تغییر کند.
- سونداژ، هنگامی که باد بالن را به پایین می راند، اندازه عمودی واقعی را فراهم نمی آورد.
- عمل کاوش، از آنجایی که برای پیمایش از سطح زمین تا تروپوسفر بالایی چندین دقیقه طول می کشد، اندازه گیری های لحظه ای درستی ارائه نمی دهد.
در ادامه مجموعه ی گوناگونی از خطوط و اطلاعات ارائه شده در نمودار اسکیوتی، تشریح می شوند:
همفشارها (Isobars): خطوط افقی، با فشار یکسان که دارای فاصله لگاریتمی از 1050 تا 100 هکتوپاسکال بوده و هر 50 هکتوپاسکال ترسیم می شوند. این خطوط از چپ به راست امتداد می یابند.
در نسخه های کاغذی نمودار Skew-T/ Log-P، ارتفاع های جو معیار ICAO ، در زیر همفشارهای مورد نظر در سمت راست نمودار، بر حسب فوت (در پرانتزها) و متر [در کروشه ها] چاپ می شود. همچنین مقیاس ارتفاع در سمت راست نمودار وجود دارد.
همدماها (Isotherms): همدماها خطوط ثابت دما هستند. در نمودار Skew-T، همدماها مستقیم، خطوط یکپارچه، شیبدار از پایین سمت چپ به سمت بالا راست می باشند. در این مثال، فاصله همدما 10 درجه سلسیوس بوده و از 40 - تا 40 + در پایین نمودار درجه بندی شده اند.
افتاهنگ بی دررو های خشک (Dry adiabatic lapse rate): نشان دهنده خطوط دمای پتانسیل ثابت می باشند. افتاهنگ بی دررو خشک، نرخ سرمایش (10 درجه سلسیوس در هر کیلومتر) یک بسته هوا در حال صعود در حالت غیر اشباع را نشان می دهد.. در نمودار Skew-T، بی درروهای خشک کمی منحنی، خطوط یکپارچه شیبدار از سمت راست پایین به سمت چپ بالا می باشند. بی دررو خشک به ازای هر 10 درجه سلسیوس در یک نقطه با همدماها و همفشار 1000 هکتوپاسکال، مشترک می شوند.
افتاهنگ بی دررو های اشباع (Moist adiabatic lapse rate): نشان دهنده خطوط ثابت دمای پتانسیل معادل می باشد. افتاهنگ بی دررو های اشباع، نرخ سرمایش (بسته به میزان رطوبت هوا) یک بسته هوا در حال صعود در حالت اشباع را نشان می دهد. در نمودار Skew-T، خطوط بی درروهای اشباع کمی منحنی هستند. توجه کنید که شیب و فاصله خطوط، بویژه در ترازهای پائین به میزان قابل توجهی با ارتفاع و دما تغییر می یابد. افتاهنگ بی دررو اشباع از آنجا که هوای سرد محتوای رطوبت کمتری نسبت به هوای گرم دارد با ارتفاع افزایش می یابد.
خطوط نسبت آمیختگی اشباع (Saturation mixing ratio lines): خطوط نسبت اختلاط اشباع نشان دهنده مقادیر ظرفیت بخار آب (جرم بخار آب بر جرم هوای خشک _ گرم بر کیلوگرم) هستند. در نمودار Skew-T، خطوط نسبت اختلاط اشباع (ws) کمی منحنی بوده و به صورت خط چین از چپ پایین به راست بالا شیبدار هستند. آنها در پایین نمودار برای یک رنج 0.1 تا 40 گرم بر کیلوگرم مقدار گزاری شده اند؛ به عبارت دیگر، مقدار بخار آب در هر 1000 قسمت از هوای خشک می باشد. توجه داشته باشید از آنجایی که ظرفیت بخار هوا تغییرات غیر خطی با دما دارد، فاصله گذاری برای خطوط ws یکنواخت نیست.
کاوش محیطی (Environmental sounding): همان دمای اندازه گیری شده واقعی در جو می باشد. این خط ناهموار (منحنی) از جنوب به شمال در نمودار امتداد یافته و همواره در سمت راست منحنی نقشه شبنم می باشد. در رسم آن اغلب از رنگ قرمز استفاده می شود.
منحنی نقطه شبنم (Dewpoint curve): خط منحنی از جنوب به شمال در نمودار بوده که اندازه گیری واقی دمای نقطه شبنم در ترازهای مختلف جو را بیان می کند و در رسم آن معملا از رنگ سبز استفاده می شود.
نقطه شبنم دمایی ست که یک بسته هوا در یک فشار ثابت به درجه اشباع می رسد بدون آنکه به آن بخار آب اضافه شود. به عبارت دیگر، دمایی ست در سطح زمین که منجر به تشکیل شبنم می شود.
افتاهنگ بسته (Parcel lapse rate): مقدار دیده بانی شده کاهش دمای هوا نسبت به ارتفاع در صورتی که هوا هیچگونه حرکت عمودی به بالا یا پایین نداشته باشد را افتاهنگ یا لپس ریت گفته می شود. به عبارت دیگر افتاهنگ گرادیان واقعی دما نسبت به ارتفاع در وضعیتی که هوا بدون حرکات عمودی باشد. همان طوری که گفته شد افتاهنگ مقدار ثابتی نیست و در یک نقطه فقط از روی اندازه گیری دما در ارتفاعات مختلف می توان مقدار متوسطی برای آن بدست آورد.
افتاهنگ از تا زمان رسید به حالت اشباع از افتاهنگ بی دررو خشک (DALR) پیروی می کند پس از آن از افتاهنگ بی دررو اشباع (MALR) پیروی می نماید.
ازخط افتاهنگ بسته جهت محاسبه شاخص های CAPE، CINH، LI و سایر شاخص های ترمودینامیکی استفاده می شود.
نمایه باد (Wind Staff): بادها در نمودار Skew-T با استفاده از مدل قراردادی بادها، رسم می شوند.
انتهای صاف نمایه، راستای وزش باد را نشان می دهند. بدین گونه، یک نمایه مستقیم رو به بالا یک باد جنوبی را نشان می دهد. یک نمایه به سمت راست یک باد غربی را نشان می دهد و مانند آن.
سرعت باد با پیکان ها و پرچم ها در نمایه ترسیم می شوند: هر پرچم نشان دهنده 50 نات، هر پیکان کامل شامل 10 نات و هر نیم پیکان شامل 5 نات می باشد. برای مثال، 3 پیکان کامل و نیم پیکان نشان دهنده 35 نات بوده این در حالی ست که یک پرچم، یک پیکان کامل و نیم پیکان شامل 65 نات می باشد.
نمایه بادهای نیمرخ قائم جو، در ترازهای مشخص آنها، در سمت راست نمودار Skew-T ترسیم می شوند، در اشاره به ارتفاع یا سطح فشار خاصی که باد در آن گزارش شده است.
هودوگراف (Hodograph)
هودوگراف یک ابزار گرافیکی ست که در ارزیابی چینش باد عمودی به مفسران کمک می کند. در یک محیط همرفتی، یک درک درست از چینش عمودی باد جهت پیش بینی نوع طوفان همرفتی ، احتمال ابر سلول طوفان ها (supercell storms)، که در آن طوفان های جدید می توانند تشکیل شوند، و حتی طوفان و حرکت سیستم طوفانی بسیار مهم است.
هودوگراف ها اغلب همراه با سوندینگ ها در نمودار Skew-T درج می شوند. در تصویر زیر یک سوندینگ مدل AFWA MM5 را همراه با هودوگراف در گوشه بالای سمت راست نشان می دهد (برگرفته از وبسایت اطلاعات شبکه آب و هوا نیرو هوایی ارتش، JAAWIN). نمودارهای سوندینگ/هدودوگراف از بسیاری منابع قابل دسترسی هستند.
پیکان های باد (Wind Barbs) در برابر بردارهای باد (Wind Vectors)
هواشناسان همه با شکل سنتی باد که خطوط خاردار (پیکان ها) برای راستا و سرعت باد در ترازهای گوناگون استفاده می شود، آشنا هستند. هودوگراف همین اطلاعات را در غالب بردارهای باد نشان می دهد. با این حال، از آنجا که هدف اصلی مشخص شدن چینش باد عمودی ست، هودوگراف مبتنی بر بردارهای باد می باشد. بر خلاف پیکان باد، یک بردار بواسطه طولش نشان دهنده سرعت به جای ترکیبی از پیکان ها، می باشد.
نمودار مختصات قطبی (Polar Coordinate Chart)
در یک هودوگراف، بردارهای باد در یک نمودار مختصات قطبی ترسیم شده اند. محورهای نمودار نشان دهنده 4 راستای قطب نما می باشند. همه بردارهای باد از مبدا و راس، در راستای حرکت باد امتداد می یابند. از آنجا که طول بردار نشان دهنده میزان سرعت می باشد، دوایر متحد المرکز کشیده شده در اطراف مبدا نشان دهنده سرعت ثابت باد می باشد. برای مثال، این هودو گراف نشان می دهد هر دو بردار باد 4 و 5 کیلومتر، 25 متر بر ثانیه می باشند، گرچه راستای آنها بترتیب از غرب و غرب-شمال غربی هستند.
معمولا، بردارهای باد در هودوگراف ترسیم نمی شوند، بلکه توسط نقاط انتهایی در نمودار مختصات قطبی نشان داده می شوند. هودوگراف از اتصال نقاط انتهایی هر یک از بردارهای باد ترسیم می شود.
رطوبت/نمناکی
اطلاعات رسم شده در نمودار Skew-T شامل دما، نقطه شبنم، سرعت و راستای باد می باشند. طراحی نمودار Skew-T، محاسبه انبوهی از مقادیر هواشناسی گزارش نشده مربوط به دما، رطوبت، پایداری و دیگر خواص ترمودیناکی جو را فراهم می آورد. در این بخش به روش شناسی تعیین و محاسبه کمیت ها و پارامترها در یک گمانه زنی (sounding) رسم شده در نمودار اسکویتی پرداخته می شود.
نسبت آمیختگی اشباع (Saturation Mixing Ratio = ws)نسبت آمیختگی اشباع (ws)، نسبت آمیختگی جرم بخار آب (Mv) به جرم هوای خشک (Md) در یک بسته هوا اشباع می باشد. به عبارت دیگر، ws، ماگزیمم مقدار بخار آبی ست که یک بسته بدون تراکم (میعان) می تواند حفظ نماید:ws = Mv / Mdنسبت آمیختگی اشباع، قسمت در هزار، معمولا گرم (بخار آب) بر کیلوگرم (هوای خشک) بیان می شود. جهت تعیین نسبت آمیختگی اشباع برای یک فشار معین در نمودار اسکیوتی، خط نسبت آمیختگی اشباع که منحی دما (T curve) را در آن فشار قطع می کند، به صورت مستقیم یا توسط میان یابی قرائت می شود.در این مثال، یک بسته هوا در 850 هکتوپاسکال با دمای 5 درجه سلسیوس، یک نسبت آمیختگی اشباع g/kgا6.5 دارد.
نسبت آمیختگی (Mixing Ratio = w)
در یک نمونه هوای مرطوب، نسبت آمیختگی (w)، نسبت جرم بخار آب (Mv) به جرم هوای خشک (Md) می باشد:w = Mv / Md
نسبت آمیختگی، قسمت در هزار، معمولا گرم (بخار آب) بر کیلوگرم (هوای خشک) بیان می شود. نسبت آمیختگی از نسبت آمیختگی اشباع از این حیث که آن مقدار واقعی وجود بخار آب را اندازه گیری می کند متفاوت است، در حالی که نسبت اختلاط اشباع مقدار بخار آبی موجود در حالت اشباع را اندازه گیری می نماید.باید توجه داشت که برای محاسبات فیزیکی بسیار دقیق، نم ویژه (specific humidity)، شاخص q، اغلب یک کمیت برتر ست. نم ویژه، نسبت جرم بخار آب موجود بر جرم هوای مرطوب ست:(q = Mv / (Mv + Md
در اهداف پیش بینی همدید، نسبت آمیختگی به قدر کافی معرف بوده و ارزیابی آن آسان می باشد.
جهت تعیین نسبت آمیختگی (w) برای یک فشار معین در نمودار Skew-T، خط نسبت آمیختگی اشباع که منحی دما را در آن فشار قطع می کند به طور مستقیم یا میان یابی قرائت می کنند.در این مثال، یک بسته هوا در 850 هکتوپاسکال با یک نقطه شبنم 6 - درجه سلسیوس، دارای نسبت آمیختگی g/kgا6.5 می باشد. رطوبت نسبی (Relative Humidity = RH)رطوبت نسبی (RH) نسبت مقدار بخار آب در یک حجم معینی از هوا به میزان مقداری که هوا تمایل به نگه داشت آن دارد تا به اشباع برسد، که بر حسب درصد بیان می شود.رطوبت نسبی را می توان از نسبت آمیختگی (w) و نسبت آمیختگی اشباع (ws) توسط معادله زیر بدست آورد:(RH= 100 * (w/wsدر این مثال، یک بسته هوا در فشار 850hpa دارای نسبت آمیختگی 3g/kg و نسبت آمیختگی 6.5g/kg و رطوبت نسبی % 46 می باشد.توجه داشته باشید که در تعریف بالا، نسبت آمیختگی اشباع (و رطوبت نسبی) برای آب مایع فرض شده است (نه یخ).
نزول نقطه شبنم (Dewpoint depression= Tdd)نزول نقطه شبنم (Tdd) تفاوت (دلتا) بین دما و دمای نقطه شبنم می باشد. برونداد (خروجی) رطوبت مشاهدات راوین سوند به طور معمول به صورت نزول نقطه شبنم گزارش شده است. در شرایط اشباع، نزول نقطه شبنم 0 درجه سلسیوس می باشد، در حالی که در شرایط خشک، نزول نقطه شبنم مقادیر بزرگتری دارد. نمودار اسکیوتی زیر معمول یک صبح تابستانی در طول ساحل شمال کالیفرنیاست.نزول نقطه شبنم در سطح زمین 0 می باشد، شرایط در سطح زمین اشباع می باشد که احتمالا سبب بروز مه می شود و در تراز 850hpa معادل 44 درجه سلسیوس می باشد. شرایط خشک سریع بالای مه، سرمایش تابشی (radiative) و تبخیری (evaporative) در بالای مه را تقویت می کند. این سرمایش به ماندگاری مه کمک می کند. فشار بخار اشباع (saturation vapor pressure =es)بخشی از کل فشار جو مربوط به بخار آب در صورتیکه هوا اشباع باشد، بواسطه اشباع بودن هوا، بیانگر بیشینه بخار آب ممکن در فشار و دمای معین است.از منحنی گمانه زنی دما (T) در فشار معین، همواره همدما تا فشار 622hpa دنبال می شود. در صورت نیاز، مقدار خط نسبت آمیختگی اشباع، بوسیله میان یابی قرائت شده، از این نقطه در فشار 622hpa، فشار بخار اشباع در فشار معین بر حسب هکتوپاسکال (hpa) بدست می آید. در این مثال، هوا در فشار hpa850 با دمای 3C0 دارای فشار بخار hpa7.5 می باشد. توجه داشته باشید که این روش برای تعیین فشار بخار (e) کاملا مشابه روش تعیین فشار بخار اشباع (es) ست. تنها تفاوت این است که در تعیین فشار بخار با نقطه شبنم و در تعیین فشار بخار اشباع با دما شروع می شود.فشار بخار (vapor pressure =e)فشار بخار (e) بخشی از مجموع فشار جو مربوط به بخار آب تعریف می شود. از منحنی گمانه زنی نقطه شبنم (Td) در فشار معین، همواره همدما تا همفشار 622 hpa دنبال می شود. در صورت نیاز مقدار خط نسبت آمیختگی اشباع، توسط میان یابی قرائت شده و از این نقطه در 622hpa، فشار بخار بر حسب هکتوپاسکال (hpa) بدست می آید. در این مثال، هوا در فشار 850hpa با نقطه شبنم 9C0 - دارای فشار بخار 3.0hpa می باشد.
دماها/ترازها
دمای مجازی (virtual temperature =Tv)دمای مجازی (Tv) یک نمونه هوای نمناک، دمایی ست که در آن دما هوای خشک باید با همان فشار کل، همان چگالی نمونه را دارا باشد. به عبارت دیگر، 2 نمونه هوا با دمای مجازی یکسان چگالی یکسانی، صرفه نظر از دمای واقعی یا رطوبت نسبی شان دارند.به دلیل اینکه بخار آب چگالی کمتری نسبت به هوای خشک و هوای گرم چگالی کمتر نسبت به هوای سرد دارد، دمای مجازی همواره بزرگتر یا مساوی دمای واقعی ست.توجه داشته باشید که به دلیل اینکه نسبت آمیختگی اشباع با دما، تصاعدی افزایش می یابد (حدود 2 برابر با هر افزایش حدود 10 درجه سلسیوس)، تصحیح دمای مجازی برای نقاط شبنم بالاتر به طور فراینده ای اهمیت می یابد.
جهت تعیین دمای مجازی در نمودار Skew-T در یک فشار معین به صورت زیر عمل می شود:1. تعیین نسبت آمیختگی (g/kg ،w)، به این صورت که در یک فشار معین طول خط نسبت آمیختگی اشباع از نقطه شبنم (Td) عبور می کند.2. دمای مجازی به صورت زیر محاسبه می شود:Tv ~ T + w/6در این مثال:T = 5°C و Td = -6°Cبنابر این، w = 3.0 g/kgTv = T + w/6 = 5 + 3/6 = 5.5°C
دمای پتانسیل (potential temperature=θ)این کمیت مقدار دمایی است که یک نمونه هوا باید داشته باشد، در حالی که به طور بی دررو خشک به 1000 میلی بار برده شود. دمای پتانسیل معمولا بر حسب کلوین بیان می شود. اما در این مقاله ما ازسلسیوس جهت راحتی استفاده خواهیم کرد. به منظور تبدیل از K به 0C به سادگی 273.15 کسر می گردد.از منحنی دما در فشار معین، بی دررو خشک تا همفشار 1000hpa دنبال می شود، مقدار همدما در این نقطه برابرست با دمای پتانسیل بسته هوا. بی دررو خشک یک همدمای پتانسیل ثابت می باشد. بنابر این هوا با یک دمای 300C- در 500hpa (نمایش داده شده) دارای همان دمای پتانسیل هوا، با دمای 00C در 750hpa یا 230C در 1000hpa می باشد.پایه ابر فرارفتی یا تراز میعان ترازش (lifting condensation level =LCL)ترازی ست که در آن یک نمونه هوای نمناک باید به طور بی دررو خشک بالا رود تا اشباع شود. منظور از پایه ابر فرارفتی، ارتفاعی است که اگر هوای سطحی به صورت آزاد یا واداشته صعود کند، در آن ارتفاع به نقطه شبنم خود رسیده و بنابراین اشباع خواهد شد. این ارتفاع به خودی خود دارای کاربرد خاصی نمی باشد ولی در تعیین سایر پارامترهای جوی مؤثر، نقش بسزایی را ایفا میکند. با رسم خط دمای پتانسیل برای دمای سطحی و نیز خط میزان اختلاط مربوط به دمای نقطه شبنم و به دست آوردن محل تلاقی آن ها این ارتفاع به دست خواهد آمد.فصل مشترک گذر خط نسبت آمیختگی اشباع از کف منحی نقطه شبنم (Td) با گذر خط بی دررو خشک از کف منحنی دما (T) بعنوان تراز LCL در گمانه زنی (سوندینگ) بیان می شود. در این مثال هوا با دمای 90C و نقطه شبنم 00C در تراز سطحی، در صورت صعود بی دررو خشک در تراز 870hpa به درجه اشباع خواهد رسید، این تراز بعنوان تراز پایه ابر فرارفتی یا تراز میعان ترازش شناخته می شود.توجه: هنگامی که مقدار رطوبت در لایه های نزدیک سطح به طور قابل توجهی تغییر می نماید، در محاسبه LCL ممکن است میانگین مقدار رطوبت لایه پائین بجای مقدار رطوبت سطح بسته استفاده شود. چنان که گفته شد،در سطح LCL ابر تشکیل می شود. اما این ابر در سطوح بالاتر نیز ادامه خواهد یافت، زیرا فرارفت آزاد، حالت اشباع موجود را همچنان حفظ میکند تا وقتی که رطوبت جوی در اثر ارتفاع، کاهش یابد و انرژی لازم برای صعود آزاد تأمین نگردد. بنابراین تا جائی که انرژی لازم موجود باشد، ابر وجود خواهد داشت و به محض عدم تأمین این انرژی، قله ابر ظاهر خواهد شد و پس از آن، وارونگی هوا ایجاد شده و در نتیجه هوا خشک خواهد شد.
برای تعیین قله ابر، باید از سطح FCL مجدداً در امتداد خط دمای پتانسیل اشباع حرکت نمود تا جائی که نمایه قائم دما دوباره قطع شود.دمای معادل (equivalent temperature =Te)
دمای معادل (Te) حجمی از هوا، دمایی ست که نمونه هوا از راه چگالش تمامی بخار آبش و به کار گرفتن گرمای نهان برای گرم کردن هوای خشک درون نمونه، پیدا می کند. این عمل یک فرایند تک _ فشار است، یعنی فشار ثابت می ماند. دمای هم ارز دمایی ست در یک تراز، که یک نمونه هوا پیدا می کند، اگر تمام رطوبتش توسط یک فرایند شبکه بی دررو (نظر به اینکه تمام رطوبت چگالش شده فورا از نمونه هوا خارج شود) چگالش شود. گرمای نهان میعان سپس نمونه هوا را گرم می کند. این دمای معادل گاها دمای معادل بی دررو نامیده می شود.1. از نقطه شبنم در فشار معین، یک خط به سمت بالا موازی با خطوط نسبت آمیختگی اشباع ترسیم می شود. همچنین، از منحنی دما (T) در فشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد یک بی دررو خشک، تا زمانی که خط ترسیم شده از نقطه شبنم را قطع کند، ترسیم می شود. یادآوری می شود که این تراز LCL می باشد.2. از LCL، یک بی دررو اشباع به سمت بالا تا فشاری که بی دررو اشباع با بی دررو خشک موازی می شود، دنبال می شود. این این تراز فشاری ست که تمام رطوبت از نمونه چگالش شده است. 3. از این فشار، یک بی دررو خشک، در بازگشت به فشار اولیه دنبال می شود. مقدار همدما در این نقطه برابر دمای همر ارز (Te) می باشد.در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 100C و نقطه شبنم 80C- دارای دمای هم ارز 170C می باشد.
دمای پتانسیل معادل (equivalent potential temperature=θe)دمای پتانسیل معادل دمایی ست که یک نمونه هوا پیدا می کند، در صورتی که تمام رطوبت آن توسط یک فرایند شبکه بی دررو (به عنوان مثال، با گرمای نهان میعان موجود صرف گرم شدن نمونه هوا) چگالش شود، و سپس نمونه تا 1000hpa به طور بی دررو خشک برده شود.دمای معادل پتانسیل مانند دمای معادل بوده، با این تفاوت که نمونه هوا از دمای معادل در سطح اولیه به صورت بی دررو خشک برده می شود تا نسبت به دمای پتانسیل در تراز 1000hpa. دمای پتانسیل هم ارز معمولا بر حسب کلوین بیان می شوند. به هر روی در این مقاله جهت راحتی کار از درجه سلسیوس استفاده می شود. برای تبدل کلوین به سلسیوس به سادگی 273.15 کسر می گردد.
جهت تعیین کمیت در نمودار اسکویتی به صورت زیر عمل می شود:
1. از نقطه شبنم درفشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع ترسیم می گردد. همچنین، از منحنی T در فشار معین، یک خط به سمت بالا در امتداد یک بی دررو خشک تا قطع شدن خط ترسیم شده از نقطه شبنم در LCL ترسیم می شود.
2. از این تقاطع، یک بی دررو اشباع به سمت بالا تا یک فشار که بی دررو اشباع و بی دررو خشک موازی می شوند دنبال می شود. این تراز فشاری ست که تمام رطوبت از نمونه چگالش شده است. 3. از این فشار، بی دررو خشک به سمت پائین تا هم فشار 1000 hpa دنبال می شود. دمایی که بی دررو خشک، از هم فشار 1000 hpa عبور می کند بعنوان دمای پتانسیل معادل تعیین می شود.
در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 100C و نقطه شبنم 80C- دارای دمای پتانسیل هم ارز 320C می باشد.
دمای تر (wet-bulb temperature= TW)دمای تر (Tw) دمایی ست که در آن یک نمونه هوا باید از راه تبخیر آب درونش در فشار ثابت سرد شود، تا اینکه به حالت اشباع برسد. این دما توسط یک نم سنج دمایی، که از دماسنج خشک و تر تشکیل شده است، تعیین می شود. فرایند هواشناختی که هوا توسط آن به دمای تر خود می رسد، تبخیر باران نازل شده در لایه هوای نا اشباع اولیه ست. بنابر این در دمای تر، بسته هوا اشباع می شود. دمای تر همواره مابین نقطه شبنم و دما افت می کند، جز اینکه هوا اشباع باشد. در حالت اشباع، دما، نقطه شبنم و دمای تر برابر هستند. در جو واقعی Tw اغلب یک برآورد خوبی از دمای سطحی پس از آغاز بارش و شرایط تبدیل شدن به اشباع فراهم می کند. جهت تعیین کیمت در نمودار در یک فشار میعن، به صورت زیر عمل می شود:1. از دما، به سمت بالا در امتداد بی دررو خشک دنبال می شود.2. از نقطه شبنم در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع به سمت بالا دنبال می شود.3. از محل تلاقی 2 خط ، به سمت پایین در امتداد بی دررو اشباع به سطح اولیه دنبال می شود.در این مثال، هوا در 850hpa با دمای 200C و نقطه شبنم 00C دارای دمای تر 100C می باشد.دمای پتانسیل تر (wet-bulb potential temperature θw)
دمای پتانسیل تر، دمای تری که یک نمونه هوا پیدا می کند در صورتی که در راستای بی دررو اشباع به فشاری 1000 hpa برده شود.
دمای پتانسیل تر همانند دمای تر بوده، با این تفاوت که نمونه هوا از دمای تر در سطح اولیه به صورت بی دررو مرطوب برده شده تا نسبت به دمای پتانسیل تر در تراز 1000 hpa. دمای پتانسیل تر معمولا بر حسب کلوین بیان می شود اما جهت سهولت در این مقاله از سلسیوس استفاده می شود که برای تبدیل کلوین به سلسیوس به سادگی 273.15 کسر می گردد.
جهت تعیین آن به صورت زیر عمل می شود:
1. پیدا کردن دمای تر.
2. از دمای تر، بی دررو اشباع تا همفشار 1000 hpa دنبال می شود.
3. مقدار همدما در این تقاطع برابر با دمای پتانسیل تر در فشار معین.
در این مثال ، هوا در 700hpa با دمای 50C- و نقطه شبنم 130C- دارای دمای تر 70C- و دمای پتانسیل تر 100C می باشد.
تراز میعان همرفتی (convective condensation level =CCL)تراز میعان همرفتی (CCL) ارتفاعی ست که یک بسته هوا، در صورت گرم شدن بقدر کافی از زیر، به صورت بی دررو صعود کرده تا اینکه در همان لحظه به اشباع برسد. معمولا، آن ارتفاع پایه ابرهای کومه ای (cumuliform) ایجاد شده توسط گرمایش همرفت به سبب صرف گرماش سطحی ست. جهت تعیین CCL در یک گمانه زنی ( sounding)، ابتدا در کف نقطه شبنم، در امتداد خط نسبت آمیختگی اشباع به سمت بالا دنبال می شود تا اینکه خط مذکور پروفایل دما را در گمانه زنی قطع نماید. تراز محل تقاطع CCL می باشد.در این مثال، هوا در سطح با نقطه شبنم 0 درجه سلسیوس تمایل به داشتن CCL معادل 750 hpa می باشد.توجه: هنگامی که مقدار رطوبت در لایه های نزدیک به سطح به طور قابل توجهی تغییر می کند، یک میانگین مقدار رطوبت لایه پائین ممکن ست به جای مقدار رطوبت سطح بسته در محاسبه CCL استفاده شود.دمای همرفت (convective temperature =Tc)
دمای همرفت (Tc) دمای سطحی که باید برای شروع تشکیل ابرهای همرفتی بسبب گرمایش خورشیدی لایه نزدیک به سطح، رسیده باشد.از تراز میعان همرفت (CCL) در پروفایل دما، در امتداد بی دررو خشک پائین رو به همفشار فشار سطحی دنبال شود، دمای قرائت شده در این تقاطع دمای همرفت (Tc) می باشد.در این مثال خطوط CCL در 750hpa و دمای همرفت 20 درجه سلسیوس می باشد.ضخامت (Thickness)
ضخامت نشان دهنده فاصله عمودی بین 2 سطح فشاری (همفشار) می باشد. ضخامت یک لایه مربوط به متوسط دمای مجازی (Tv) بر طبق فرمول زیر است: ΔZ = ضخامت (متر)Rd = ثابت گازهای برای هوای خشک = متوسط دمای مجازی برای لایهp1 = فشار در کف لایهp2 = فشار در بالای لایهg = شتاب گرانشیتوجه داشته باشید که برای جفت فشار معین، ضخامت متناسب با متوسط دمای مجازی (Tv) در لایه می باشد. نمودار ضخامت 1000:500 hpa شاید رایج ترین بوده و به طور معمول با کنتورهای (پربند) 60 متر ترسیم شده است. در این حالت هر کنتور نشان دهنده تغییر متوسط دمای مجازی 3 درجه سلسیوس می باشد. در گذشته، ضخامت لایه ها می توانست به صورت دستی توسط مراجعه به منحنی دمای مجازی رسم شده و مقیاس های ضخامت در نمودار Skew-T تعیین شود. امروزه، ضخامت به طور معمول در نسخه الکترونیکی نمودار Skew-T محاسبه و نمایش داده می شود. در Skew-T تعاملی، ضخامت لایه 1000-500 hpa برونداد (خروجی) به سمت راست نمودار ست.نقاط قوت و محدودیت هابا توجه به اینکه مقادیر ضخامت متناسب با متوسط دماها در لایه های جو بوده و از آنجا که محاسبه مدل های عددی با پیش بینی های دما سطح، بسیار مشکل دارند، مقادیر ضخامت به طور گسترده ای جهت پیش بینی دماهای بالا و پائین سطح استفاده شده است. در یک مکان مشخص، بسته به فصل و پوشش ابر، نمونه مقادیر ضخامت های برآمده از مطالعات تجربی، جهت بدست آوردن یک ارزیابی از دماهای بیشینه و کمینه روزانه کاربردی می باشند.مقادیر ضخامت همچنین به منظور پیش بینی نوع بارش استفاده می شوند. برای مثال، آستانه بحرانی باران/برف یک ضخامت 1000-500، 5400 متر (540 دکامتر)، با مقادیر بحرانی بیشتر در ارتفاعات بالاتر و مقادیر پائین تر در مناطق دریایی می باشد. توجه: مقادیر آستانه ضخامت به عنوان یک ابزار استفاده می شود، و دیگر عوامل مهم سرمایش نهان، نرخ بارش، فرارفت سرما، عمق ابر و غیره را در نظر نمی گیرد.
منبع: آژانس هواشناسی ایران
ممنون مطالب خوبی بود.