温熵图在气象中的原理与应用

黄 亿，傅灵艳

(中国民用航空华北地区空中交通管理局气象中心，北京100621)

气象学科其实就是对大气物理状态的研究。大气是一个热机，从垂直和水平方向把较暖的地面能量运送到较冷的地方。它的驱动力是太阳辐射。短波辐射主要被地面吸收;大气作为介质流体，吸收长波辐射，由运动系统把能量分布在所有的时间和空间尺度上。目前研究大气物理状态多以T－ln P图的分析为主，研究探空结构和环境参数特征、分析雷暴大风等强对流天气的不稳定度指数和能量特征［1－3］。而国内以温熵图来分析大气物理状态的研究鲜有报道，因此笔者从温熵图的原理出发，具体阐述分析其所表达的气象意义，并结合数值预报的优势应用于现代天气预报业务中。

1 原理

温熵图是一种热力学图表。从温度和湿度的角度来解释大气结构，被广泛使用在热力学和气象学。通过温熵图解可以得到许多有用的物理量，获取天气演变的信息。在实际工作中，也常应用等熵面的形势图——等熵图来决定空气质点的轨迹，确定气旋与反气旋的发展，确定锋生和锋消，并做出云和降水及强对流的预报。其具有特征为:在图中相应区域代表相应能量，可以对大气过程的计算进行图形化表示。图1表示一张温熵图，有等压线、等温线、等位温(θ)线、等饱和比湿线以及饱和空气的等相当位温(θe)线5条主要的等值线［4－5］。

温熵图的主要2条线分别是等温线和等相当位温线，它们互相垂直，将其进行45°逆时针旋转后可得到如图1所示的温熵图，可以使得等温线从图的左下角直到图的右上角。旋转的结果使得等压线几乎是水平的，略微向图的左下角呈弯曲状，高度从下往上是递增的。假相当位温线(常被叫做饱和湿绝热线)在图上呈最明显的曲率，在等压线高值区几乎呈垂直的线条(近地面，图的底部)，随着温度的降低与干绝热线接近。由于水汽凝结释放潜热，饱和空气冷却速度比干燥空气慢;其冷却速度变化依赖于饱和水汽压随温度的非线性变化。饱和湿绝热线通常仅延伸至－40℃线的位置;在这样低的温度下，空气的水汽含量很少，本质上可以认为大气气块是干燥的;而在较低温度下，饱和湿绝热线则被假定等于干绝热线。且等饱和比湿线从图的左下角延伸至右上角。通常由无线电探空仪获得温熵图上所表示的空气温度(T)和露点温度(露点)，它们随着气压递减。

图1 温熵图

气块的热力学性质被界定为在等压面上的对应点温度和露点曲线。该露点温度为气块定压冷却时水蒸汽的凝结温度，这定义了气块的实际混合比(图2a)。如果气块将被绝热冷却抬升，如被迫迎山坡抬升，它描绘出气块沿干绝热线变化的状态，直到饱和混合比下降到实际混合比;在这一点上的水会凝结形成云，这个高度就是众所周知的抬升凝结高度(LCL)。如果气块仍然抬升得较高，其温度将沿着饱和湿绝热线变化(图2a)。温度和露点温度相等的区域代表无线电探空仪探测到的饱和气团，即云区(图2b)。

图2 非饱和空气(a)和饱和空气(b)温熵图

2 大气层结稳定度

图3 绝对静力稳定(a)和绝对静力不稳定(b)的理想模型

大气的稳定度可由温熵图上的温度分布、大致的对流抬升的垂直范围和形成的云来确定。气块的稳定度取决于气块本身和环境空气的密度以及密度造成的垂直变化。如果气块密度比环境空气大，气块会向下沉，反之密度比环境空气小，气块会向上升。空气密度的变化取决于温度和水汽混合比的变化，这两者在温熵图上都是沿着湿绝热线运动的。暖空气比周围的空气密度低而被抬升，则认为该层气块是不稳定的;反之冷空气比周围的空气密度高，该层则被认为是稳定的。如图3a显示了一条稳定的温度曲线，即低层的空气被迫抬升;沿着干绝热线冷却，直至达到抬升凝结高度(LCL)，之后再沿着饱和湿绝热线进一步抬升;在各层上，气块越冷，密度越大，此时环境空气被抬升;因此，此时气块是稳定的，趋于下沉状态并在初始位置附近运动。上层的空气做下沉运动时，气块相对较暖，密度越小，因此气块做抬升运动。此时气块将在初始位置附近振荡，且能量慢慢衰减。这种振荡作用被称为重力波，并常发生在由于地形而被迫抬升的稳定大气中。气块沿着干绝热抬升使得气块变暖，密度比环境空气小，气块膨胀上升运动发展成为对流空气柱，它沿着干绝热线抬升直至到达抬升凝结高度(LCL)，然后再沿着饱和湿绝热线抬升。从图3b可以看到，在边界层顶600 hPa左右处存在强烈的逆温层，环境空气的温度随着高度的增加而升高。当对流空气柱中的大气温度与环境空气的温度相同时，空气不再运动，这样的大气则为中性气层。图3b的2条曲线相交区域的面积分别表示正不稳定能量(正浮力)和负不稳定能量(负浮力)，当它们相等时，中性层结则最容易被破坏。在实际情况中，由于气块在抬升过程中摩擦力的拖曳作用消耗能量，这种极端的情况很少能达到，但仍可将它作为一个有用的指标来估算对流层顶高度。

图4为大气条件性不稳定的示例。气块从近地面开始沿干绝热线抬升，同样相较于环境空气较冷，因此它是稳定的。如果气块仍保持干燥，那么无论它被抬升到任何高度，它均将保持稳定;但当抬升凝结高度(LCL)达到约850 hPa时，状态曲线递减率近似于饱和湿绝热线的递减率。饱和湿绝热线与层结曲线相交于约680 hPa处，如果近地面的气块被抬升超过这一点后，它较环境空气暖，因此表现为正浮力，并继续对流性抬升至340 hPa处，在此处以上的地方，它又变成负浮力了。这样的情况则被称为条件性不稳定，是因为达到湿不稳定是建立在干绝热稳定性条件下的(对干空气是稳定的，对湿空气为不稳定的)。

3 温熵图在强对流天气中的应用

温熵图能分析出降水和对流发生发展时的大气层结特征，有利于对强对流天气的预警。以北京地区2008年7月30日夜间台风外围暴雨为例，当日北京多地测站降水量达150 mm。14:00(图5a)，850 hPa以下层结较稳定，抬升凝结高度(LCL)较低，700 hPa以上较干燥，露点线与等比湿线平行(对流混合充分干)，800 hPa以下转东风，但风速较小，风向顺转显著(存在暖平流，暖切变);20:00(图5b)，800 hPa以下东风显著增强，边界层下部的风速超过10 m/s，最大可能超过16 m/s，500～700 hPa露点差显著缩小，相对湿度增大(暖平流上升所致)，层结变得不稳定，开始有自由对流高度(LFC);23:00(图5c)，700 hPa以下温度和露点非常接近，说明已是湿绝热层结，表示当前正在下雨，风向顺转显著，暖平流，动力强迫上升;31日02:00(图5d)，温度廓线、露点廓线和湿绝热线2条弧线几乎平行，说明整个对流层均处于湿绝热状态(处于强对流当中)，短时降水强度大。

图4 大气条件性不稳定的理想化模型

图5 2008年7月30日强对流天气温熵图

4 温熵图在冰雪及低能见度天气中的应用 温熵图能分析出降雪和低能见度发生时的大气层结特征，有利于对冰雪及低能见度天气的预警。以首都机场2011年12月6日夜间降雪及冻雾引起低能见天气过程为例，机场实况6日24:00～7日03:38为降雪时段，6日19:07～7日06:20为冻雾引起低能见度时段。

6日20:00(图6a)，低能见度主要是由于地面锋面过境引起的锋面逆温所引起，逆温层以上相对湿度大、以下相对湿度小(喇叭口向下)。锋面雾在锋面过境前后均有出现，强度大、持续时间长，锋区附近具有逆湿分布特征，随着低层空气中的相对湿度逐渐增大，至7日02:00(图6b)，700 hPa以下温度与露点线无限接近，已达到饱和状态，低空温度维持在－2～－10℃，空中积冰概率极大，锋面雾的持续过程中伴有锋面降水，雪雾加重锋面雾的强度，因此低能见度天气仍将维持。

图6 2011年12月6日20:00(a)和7日02:00(b)冰雪及冻雾天气温熵图

5 展望

温熵图基于大气稳定度和大气垂直结构分析，在民航气象领域它是准确分析和预报影响飞行危险天气(雷雨、冰雪、低能见度等)的重要工具和有效方法。民航气象预报人员在数值模式天气分析的基础上结合使用温熵图，可以明显提高对重要天气关键点和转折点在时间上的把握，且对天气系统的垂直结构配置有更为细致、直观、立体的理解，有助于进一

［1］董海萍，李振军，刘淑媛，等.T－lnP图的制作及一些稳定度指数不稳定能量的计算［J］.气象科学，2001(4):474－479.

［2］陈子通，闫敬华，黄晓梅，等.应用于强对流天气预报的模式探空产品［J］.热带气象学报，2006(4):321 －325.

［3］秦丽，李耀东，高守亭.北京地区雷暴大风的天气－气候学特征研究［J］.气候与环境研究，2006(6):754 －762.

［4］CLIFFORD M.Alvord and robert hall smith:The tephigram1-Its theory and practical use in weather forecasting［J］.Mon Wea Rev，1929，57:361－369.

［5］POULTER R M.Cloud forecasting:The daily use of the tephigram［J］.Q J Roy Meteor Soc，1938，64(275):277 －292.