менения являются адиабатическими при иенасыщении и псевдоадиабатическими при насыщении. Если воздух не насыщен, имеются два условия, используемые для BbipaHjeHHH возможности неустойчивости за счет эффектов влажности при восходящем двилсении. Первое условие - условная неустойчивость - означающее, что вертикальный градиент находится между Гз и Г, не принимает во внимание относительные уровни влажности соседних объемов. Однако возмолиость неустойчивости молет существовать, даже если профиль устойчив всюду в том смысле, что вертикальный градиент всюду меньше, чем Гз. Это может произойти, когда верхний из двух объемов более сухой, чем нижний, так что если оба объема выталкиваются вверх выше их уровней конденсации, потенциальная температура верхнего объема становится меньше, чем температура иил<него объема. Условие появления этой конвективной (или потенциальной) неустойчивости имеет вид

dQJdz < 0. (3.8.6)

На рис. 3.5 показан типичный профиль потенциальной температуры 0 и эквивалентной потенциальной температуры 0е для тропиков. Всюду dQ/dz пололсительна, что указывает иа устойчивость тропической атмосферы при этих условиях для сухоадиа-батических процессов. С другой стороны, dBe/dz отрицательна при давлениях нил<е 700 мбар, что означает конвективную неустойчивость атмосферы в этом регионе, тогда как отрицательные значения dQjdz (указывающие на условную неустойчивость) встречаются даже на еще больших высотах. Несмотря иа эту неустойчивость, которая типична всюду !> тропиках, глубокая конвекция имеет место только в небольшой части всего региона [673].

3.9. ГРАФИЧЕСКОЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ЗОНДИРОВАНИЙ

Основные свойства влажного воздуха мол<но представить графически с помощью диаграмм (называемых иногда псевдоадиабатическими картами), изобралсениых на рис. 3.6. На этих диаграммах показаны потенциальная температура 0, смешаиный коэффициент насыщения rw и эквивалентная потенциальная температура 0* для насыщенного воздуха как функции давления р и температуры Т.

Рассмотрим вначале рис. 3.6, а (называемый иногда диаграммой Стюве), иа котором р есть ордината, а Г -абсцисса. Такой выбор масштабов по осям делает графики 0 прямыми линиями в силу формулы (3.7.4) для потенциальной температуры. Наклон этих прямых обратно пропорционален 0. Кривые для смешанного коэффициента насыщения, заданные формулами

Наоыцаницев отношенив смешбтя г/кг

Температура Г, °С

600

Рис. 3.6. Примеры двух псевдоадиабатических карт, которые показывают свойства влажного воздуха в графической форме, (а) В качестве осей выбраны Vv. (1 Т (диаграмма Стюве). Наклонные сплошные прямые линии являются сухими адиабатами, т. е. графиками потенциальной температуры 0 через интервалы в 10 К. Граф очень близки к прямым и изображены в виде наклонных отрезков вверху и внизу диаграммы. Насыщающие псевдоадиабаты показаны штриховыми линиями н помечены значением эквивалентной потенциальной температуры 0о (в градусах Кельвина) совместно с соответствующим значением потенциальной температуры 0w точки росы (в градусах Цельсия) в скобках. Интервал между графиками последней величины равен 10С. Жирные линии показывают образец зондирования температуры Г (справа) и точки росы Та (слева). 5l - уровень конденсации поднимающего воздуха, соответствующий частице иа 830 мб с температурой В и точкой росы fid. Она является пересечением графика О (0 == 300 К), проходящего через точку В, и графика rw (г - 2 г/кг), проходящего через точку Вй. At соотвегствует пересечению графиков для точек А - /Id. (б) Другая форма псевдоадиабатической карты - Т1к)пграмм;1. Оси, на которых отоложсны log 0 и Г, повернуты на 45°, так что графики л:\п.поиня прпмс)но горизонтальны. Штриховые линии - влажные псспдоаднабаты.

ИЗ приложения 4, оказываются близкими к прямым линиям; поэтому они показаны короткими наклонными отрезками на верхнем и нил<ием краях диаграммы. Наконец, насыщающие псевдоадиабаты, или графики Э*, даиы приближенно согласно (3.8.5) и показаны штриховыми линиями. Как требует их определение, они асимптотически приближаются к адиабатам сухого воздуха для соответствующих значений 0, когда р->0.

Рис. 3.6,6, показанный ие так детально, как предыдущий, известен как тифиграмма {Т-ср-грамма), так как ее осями (которые имеют наклон 45° и показаны сплошными линиями) являются log0 (пропорциональный энтропии, которая часто обозначается через ср, а не через ц, как в этой книге) и Т. Графики давления в этом представлении слегка искривлены, однако близки к горизонтальным прямым. Польза этой диаграммы в том, что на ней площади пропорциональны энергиям, а всякая диаграмма с таким свойством иазывается термодинамической диаграммой. Другие примеры рассмотрены в [323].

Зондирование с помощью радиозондов можно представить на таких диаграммах линиями, показывающими, как температура Т и, скажем, температура точки росы Td меняются в зависимости от давления. Диаграмму (которую тогда можно назвать аэрологической диаграммой) можно использовать для выводов относительно устойчивости, результатов подъема образцов воздуха и т. д. Одни пример (Кейптаун, Южная Африка) показан жирными линиями на рис. 3.6, а. Сразу ясно, что в нижнем километре воздух ближе к насыщению, чем воздух над ним, так как в нем разность между Т и Td относительно мала. Свойства устойчивости можно оценить, сравнивая наклон температурной кривой, полученный при зондировании, с наклоном сухой и влажной адиабат. В данном примере воздух около земли условно устойчив, так как наблюдаемый наклон - промежуточный между наклонами этих двух адиабат. Нижний километр относительно влажного воздуха перекрывается слоем инверсии, где Т растет с высотой (до уровня 830 мбар); на более высоких уровнях воздух сухой. Ои настолько сух, что только наклон относительно сухой адиабаты является показательным и свидетельствует об устойчивости (0 растет с высотой).

Если объем воздуха (обозначенный через В) на верхней границе слоя инверсии поднимается адиабатически, то его температурные изменения будут совпадать с изменениями, полученными иа сухой адиабате (в данном случае О = 300 К), пока поднимающийся объем не достигнет уровня конденсации. Этот уровень можно найти, используя тот факт, что отношение смешения г для объема равно rw при температуре точки росы Td (обозначенной через Ва иа диаграмме); эта величина в данном случае равна 2 моль/кг. Линии rw == 2 и О == 300 пересекаются в точке Bl, так что уровень конденсации для поднимающегося