VlazenZrak_2017

Transkripcija

1 Procesi v vlažnem zraku Osnove meteorologije in

2 Spremenljivke za opis vlažnega zraka q = e p R d R v r = e p e R d R v = ε e p e = ε p e ε e p Specifična vlaga Razmerje mešanosti R = e e s 100 r r s 100 q q s 100 Relativna vlažnost T d = " $ # 1 T o R v L ln e s e so % ' & 1 Temperatura rosišča

3 Enačba Clausius-Clapeyrona opisuje spremembe nasičenega tlaka vodne pare v odvisnosti od temperature de s dt = Le s R v T 2 Različne oblike C-C enačbe v uporabi v meteorološkipraksi: npr. Tetenova formula, formula WMO Več na Arhiv sondaž dostopen na spletu (University of Wyoming)

4 Saturation vapor pressure Količina vodne pare potrebna za nasičenje 1 kg suhega zraka na različnih temperaturah. Približno se podvoji vsakih 10 C 11/8/10

5 Temperatura vlažnega zraka p = p d + e e = ρ v R v T p = ρr d T v Uporabljamo Daltonov zakon Vodna para, enačba plinskega stanja Vlažen zrak, enačba plinskega stanja " T v = T e % $ ' # p & 1 = T r ( ) Virtualna temperatura

6 Merjenje vlažnosti zraka Določanje relativne vlage s pomočjo Assmannovega psihrometra Izmerjene vrednosti v F okoli 13. ure: p = hpa (dostopno s postaje pred FMF) T= 23.8 o C temperatura suhega termometra Tm = 15.6 o C temperatura mokrega termometra Naloga: Izračunaj relativno vlago iz izmerjenih podatkov Postopek: Uporabimo 1. stavek termodinamike pri p=konst LΔq = C p ΔT L( q s q) = C p ( T T m ) q s določimo iz enačbe Clausius-Clapeyrona (kida e s ) in izraza Iz zgornje enačbe (q s, T, T m ) določimo količino vlage v F3 q s = ε e s p Relativna vlaga R = q q s 100%

7 Domača naloga : rešitev p=975.2 hpa T= 23.8 o C temperatura suhega termometra Tm = 15.6 o C temperatura mokrega termometra Rešitev: Za uporabljene konstante: L=2.26x10 6 J/kg za 100 o C, C p =1005 J/kg/K, R v =461 J/kg/K e s = 25.7 hpa q s = 16.4 g/kg q = 12.8 g/kg R = 78%

8 Nenasičeni adiabatni procesi

9 Dviganje vlažnega zraka

10 Dviganje vlažnega zraka Odvisno je o količini vlage v zraku Mokro-adiabatni dvig: ~5 C/km Suho-adiabatani dvig: 9.8 C/km

11 Ekvivaletna potencialna temperatura Lq s Cp T θ e θ Maksimalna temperature, ki jo delec zraka lahko doseže v primeru, ko se vsa vlaga kondenzira, sproščena latentna toplota preda okolici in delec adiabatno spusti nazaj na 1000 hpa. Ohranjena za mokro-adiabatne procese (nasičen zrak). Mokra adiabata=krivuljaθ e = konst.

12 Termodinamični diagrami Različne vrste diagramov so v uporabi od konca 19. stoletja. Vsi so zgrajeni na istem principu in upoštevajo osnovne termodinamične zakone in povezave med T,p,q Osnovni princip konstrukcije diagrama: enake površine predstavljajo enako energijo v vsaki točki diagrama Vsaki diagram vsebuje pet vrst izolinij 5 izolinij: T, p, r s, Θ, Θe Diagrami omogočajo enostavno določanje nivoja kondenzacije, nivoja in temperature proste konvekcije, energije dostopne za konvekcijo itn.

13 Vrste termodinamičnih diagramov the Emagram the Tephigram the SkewT/Log P diagram (modified emagram) the Psuedoadiabatic (or Stüve) diagram ** The emagram was devised in 1884 by H. Hertz. In this plot, the dry adiabatic lines have an angle of about 45degrees with the isobars; isopleths of saturation mixing ratio are almost straight and vertical. In 1947, N. Herlofson proposed a modification to the emagram which allows straight, horizontal isobars, and provides for a large angle between isotherms and dry adiabats, similar to that in the tephigram. ** The Tephigram takes its name from the rectangular Cartesian coordinates : temperature and entropy. The Greek letter 'phi' was used for entropy, hence Te-phigram (or T-Φ-gram). The diagram was developed by Sir William Napier Shaw, a British meteorologist about 1922 or 1923, and was officially adopted by the International Commission for the Exploration of the Upper Air in 1925.

14 Vrste termodinamičnih diagramov (2) ** The Stüve diagram was developed circa 1927 by G. Stüve and gained widespread acceptance in the United States: it uses straight lines for the three primary variables, pressure, temperature and potential temperature. In doing so we sacrifices the equal-area requirements (from the original Clapeyron diagram) that are satisfied in the other two diagrams. ** The SkewT/Log(-P)diagram is also in widespread use in North America, and in many services with which the United States (various) weather services have had connections. This is in fact a variation on the original Emagram, which was first devised in 1884 by H. Hertz.

15 y = -RlnP x = T + klnp Termodinamični diagrami SKEW-T/LOG(P) Parameter k se določi tako, da je kot med izotermami in suhimi adiabatmi priližno 90 o.

16 Termodinamični diagrami 5 vrst izolinij: T, p, r s, Θ, Θe SKEW-T/LOG(P) T p r s Θ Θe

17 Termodinamični diagrami T izoterme p izobare r s izograme Θ suha (nenasičena) adiabata: Θemokra (nasičena) adiabata: Γ d Γ m

18 Stabilnost vlažnega zraka Γ = Γ d Nenasičeno nevtralno ozračje Γ = Γ m (B) Nasičeno nevtralno ozračje Γ > Γ d (D) Absolutno labilno ozračje Γ < Γ m (A) Absolutno stabilno ozračje Γ < Γ d in Γ > Γ m (C) Pogojno stabilno ozračje: labilno glede na nasičeno in stabilno glede na nenasičeno (suho) adiabato

19 Stabilnost vlažnega zraka pogojno stabilno labilno stabilno Θ suha (nenasičena) adiabata: Γ d Θemokra (nasičena) adiabata: Γm

20 Parametri, ki jih določamo s pomočjo termodinamičnega diagrama LCL kondenzacijski nivo CCL nivo konvektivne kondenzacije (baza oblakov Cu) LFC nivo proste konvekcije (točka pozitivnega vzgona) EL ravnovesni nivo (točka ničlega vzgona, ~vrh konv. oblaka) CAPE energija, dostopna za konvektivni razvoj CIN energija, potrebna za dvig delca na LFC

21 Struktura ozračja nad Ljubljano, , ob 4 uri

22 Struktura ozračja nad Ljubljano, , ob 4 uri

23 Vertikalna struktura ozračja , ob 00 Zagreb Udine Kaksna je stabilnostzraka v razlicnih slojih v Ljubljani, Udinah in Zagrebu?

24 Ljubljana, +4 Zagreb 11/8/10 Graz Udine

25 Domača naloga : rešitev Naloga 1) Za delec zraka izmerjen določikondenzacijskinivo (LCL) in temperaturo na nivoju kondenzacije Rešitev: Iz prej določenihparametrov delca lahko izračunamo razmerje mešanostir za delec na začetnem nivoju. Ta r je ohranjen med adiabatnim dvigom do nivoja LCL. r=16 g/kg, p(lcl) = 940 hpa, T(LCL) = 291 K Naloga 2) Če se delec dvigne z LCL za dodatnih 200 hpa, določi maso kondenzirane vodne pare. Rešitev: okoli 10 gramov

26 Konvekcija

27 Energija, dostopna za konvekcijo CAPE = convective available potential energy CAPE z LNB z LFC g T v,delec T v,okolica T v,delec dz CAPE = w 2 max 2 J/kg CIN = convective inhibition CIN=energija, potrebna za dvig delca na nivo proste konvekcije

28 Razvoj konvekcije: tipična sondaža

29 Globalni hidrološki cikel Ozračje oceani kopno

30 Globalni hidrološki cikel E-evaporation, Q-atmospheric water vapour advection, P- precipitation, Ro-river runoff, Ru-undergraound runoff Q Q Q E C E P P Ro Ru Pet komponent sistema: Oceani, ledeniki in sneg, vode na kopnu, ozračje in biosfera Vodna bilanca sistema: S=P-E-Ro-Ru totalna količina vode v sistemu je ohranjena

31 Globalni hidrološki cikel <0.1% ~97.5% ~2.4% Če kondenziramo vso vodo v ozračju višina stolpca vode znaša približno 2.5 cm

32 Globalni hidrološki cikel

33 350,000 Globalni hidrološki cikel Procesi v oceanih so dominanten vir in ponor vode v ozračju Volume of Water (km 3 ) 300, , , , ,000 50,000 0 Ocean Evap Ocean Precip Land Precip Evap/trans Runoff process Ocean Evap Ocean Precip Land Precip Evap/trans Runoff

34 Padavine: globalna klimatologija letno povprečje (mm/dan) Variabilnost na skali > leta Vir: reanalize ERA40 (

35 Izhlapevanje-Padavine (letno povprečje)

36 Padavine Globalno letno povprečje padavin: ~1 m vode Povprečna količina vode v zraku: ~2.5 cm Povprečna življenska doba vodne kaplje: 0.025/1 na leto kar znaša okoli 9 dni Sledi, da se voda v ozračju v povprečju izmeni vsakih 40 dni

37 Padavine v Sloveniji: (30-letno povprečje, mm/leto)

38 Klimatologija padavin na obmocju Alp Vir: Letno povprečje (mm/dan) Postaje Povprecje za november Povprecje za julij