Понимание и расчет конвективной доступной потенциальной энергии (CAPE)

Понимание конвективной доступной потенциальной энергии (CAPE)

Конвективная доступная потенциальная энергия (CAPE) имеет решающее значение в метеорологии для прогнозирования силы штормов, включая грозы и торнадо. CAPE количественно определяет плавучесть в атмосфере и помогает метеорологам понять атмосферную нестабильность. Формула CAPE включает в себя несколько параметров, каждый из которых важен для описания атмосферных условий.

Подробности формулы CAPE:

Формула для CAPE выглядит следующим образом:

• LFC = Уровень свободной конвекции (метры)
• EL = Уровень равновесия (метры)
• g = Ускорение свободного падения (~9,81 м/с²)
• θv = Виртуальная потенциальная температура (Кельвин)
• Tv = Виртуальная температура воздушной порции (Кельвин)
• Tvp = Виртуальная температура окружающей среды (Кельвин)
• dZ = Малая вертикальная приращение (метры)

Понимание переменных

Понимание переменных необходимо для понимания значения CAPE:

• Уровень свободной конвекции (LFC): Высота, на которой поднимающийся пакет воздуха изначально становится теплее и менее плотным, чем окружающий воздух, что позволяет ему свободно подниматься.
• Уровень равновесия (EL): Высота, на которой поднимающийся пакет воздуха больше не является плавучим и устанавливается равновесие с температурой окружающей среды.
• Виртуальная потенциальная температура (θv): Это температура, которую имел бы пакет воздуха, если бы он адиабатически расширялся или сжимался до опорного давления.
• Виртуальная температура (Tv): Включает влагу в температуру пакета, что дает более точную меру плавучести.
• Ускорение под действием силы тяжести (g): Константа, приблизительно равная 9,81 м/с².

Разделение интегрирования

Интеграция от LFC до EL представляет собой суммирование небольших срезов плавучей энергии по вертикальному профилю. Член (g/θv) (Tv - Tvp) показывает, как плавучесть меняется в зависимости от разницы температур и воздействия силы тяжести.

Пример из реальной жизни: расчет CAPE

Чтобы сделать это наглядным, давайте рассмотрим гипотетический пример:

Предположим:

• LFC = 1000 метров
• EL = 4000 метров
• θv = 300 Кельвинов (средняя виртуальная потенциальная температура)
• Tv - Tvp = 5 Кельвинов (средняя разность температур)
• dZ = 1 метр (шаги интегрирования для простоты)

Для простоты предположим равномерную разность температур и виртуальную потенциальную температуру по высоте, расчет CAPE упрощается следующим образом:

Резюме

CAPE измеряет атмосферную нестабильность и играет ключевую роль в прогнозировании суровой погоды. Понимая его переменные и формулу, метеорологи могут прогнозировать погодные условия и точно принимать превентивные меры.