WikiDer > Повышенный уровень конденсации

Эта статья нужны дополнительные цитаты для проверка. Пожалуйста помоги улучшить эту статью к добавление цитат в надежные источники. Материал, не полученный от источника, может быть оспорен и удален. Найдите источники: «Повышенный уровень конденсации» – Новости · газеты · книги · ученый · JSTOR (Август 2009 г.) (Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения)

Схема LCL в зависимости от температуры и точки росы и их вертикальных профилей; кривая влажной адиабатической температуры над LCL также представлена ​​для справки.

В повышенный уровень конденсации или же подъем уровня конденсации (LCL) формально определяется как высота, на которой относительная влажность (RH) из воздушная посылка достигнет 100% по отношению к жидкой воде при ее охлаждении сухим адиабатический подъем. Относительная влажность воздуха увеличивается при его охлаждении, поскольку количество водяного пара в воздухе (т. Е. Его удельная влажность) остается постоянным, а давление насыщенного пара уменьшается почти экспоненциально с понижением температуры. Если воздушная посылка поднимается дальше, чем LCL, водяной пар в воздухе посылка начнется уплотнение, формируя облачные капли. (В реальной атмосфере обычно необходимо, чтобы воздух был немного перенасыщенныйобычно примерно на 0,5% до того, как произойдет конденсация; это означает около 10 метров дополнительного подъема над LCL.) LCL - хорошее приближение к высоте облачная база что будет наблюдаться в те дни, когда воздух механически поднимается от поверхности к основанию облаков (например, из-за схождения воздушных масс).

Определение LCL

LCL может быть вычислен или определен графически с использованием стандартных термодинамические диаграммы такой как диаграмма skew-T log-P или тефиграмма. Почти во всех этих формулировках используется взаимосвязь между LCL и точка росы, какой температура которому необходимо охладить воздушную посылку изобарически пока его относительная влажность не достигнет 100%. LCL и точка росы похожи, с одним ключевым отличием: чтобы найти LCL, воздушную посылку давление уменьшается, когда он поднимается, заставляя его расширяться, что, в свою очередь, вызывает его охлаждение. Напротив, для определения точки росы давление поддерживается постоянным, а воздушный пакет охлаждается путем соприкосновения с более холодным телом (это похоже на конденсат, который вы видите на внешней стороне стакана, полного холодного напитка). . Ниже LCL температура точки росы ниже фактической температуры (по сухому термометру). При подъеме посылки с воздухом давление и температура в ней снижаются. Его температура точки росы также снижается при понижении давления, но не так быстро, как его температура, так что, если давление снизится достаточно сильно, в конечном итоге температура воздушного пакета будет равна температуре точки росы при этом давлении. Это точка LCL; это графически изображено на схеме.

Используя этот фон, LCL можно найти на стандартной термодинамической диаграмме следующим образом:

1. Начните с начальной температуры (T) и давления воздушной посылки и следуйте сухой адиабатический градиент линия вверх (при условии, что относительная влажность в воздушной посылке меньше 100%, в противном случае она уже на уровне LCL или выше).
2. С начального точка росы Температура (Td) пакета при его начальном давлении, следуйте линии для постоянного равновесного соотношения смешивания (или "соотношения смешивания насыщения") вверх.
3. Пересечение этих двух линий и есть LCL.

Точное выражение для LCL

До недавнего времени считалось, что не существует точной аналитической формулы для LCL. В 2015 году Инь и др. разработал аналитическое выражение для высоты LCL, используя Функция Ламберта-W в предположении постоянной скрытой теплоты парообразования^[1]. Отдельно в 2017 г. Дэвид Romps получили явное и аналитическое выражение для LCL и аналогичного подъемного уровня отложения (LDL), предполагая только постоянную теплоемкость^[2]:

${displaystyle {egin {alignat} {1} T_ {ext {LCL}} & ;; =; расщелина [W _ {- 1} слева ({ext {RH}} _ {l} ^ {1 / a}, c, e ^ {c} ight) ight] ^ {- 1} T p_ {ext {LCL}} & ;; =; pleft ({frac {T_ {ext {LCL}}} {T}} ight) ^ {c_ {pm} / R_ {m}} z_ {ext {LCL}} & ;; =; z + {frac {c_ {pm}} {g}} влево (T-T_ {ext {LCL}} ight) a & ;; =; {frac {c_ {pm}} {R_ {m}}} + {frac {c_ {vl} -c_ {pv}} {R_ {v}}} b & ;; =; - {frac { E_ {0v} - (c_ {vv} -c_ {vl}) T_ {ext {trip}}} {R_ {v} T}} c & ;; =; b / a ,, конец {выровнено}}}$

куда ${displaystyle T}$, ${displaystyle p}$, ${displaystyle z}$, и ${displaystyle {ext {RH}} _ {l}}$ - начальная температура, давление, высота и относительная влажность посылки по отношению к жидкой воде, и ${displaystyle T_ {ext {LCL}}}$, ${displaystyle p_ {ext {LCL}}}$, и ${displaystyle z_ {ext {LCL}}}$ - температура, давление и высота посылки в ее LCL. Функция ${displaystyle W _ {- 1}}$ это ${displaystyle -1}$ филиал W функция Ламберта. Наилучшее соответствие эмпирическим измерениям давления насыщенного пара дает ${displaystyle R_ {a} = 287,04 {ext {Дж / кг / К}}}$, ${displaystyle c_ {va} = 719 {ext {Дж / кг / К}}}$, ${displaystyle c_ {vv} = 1418 {ext {Дж / кг / К}}}$, ${displaystyle p_ {ext {trip}} = 611,65 {ext {Pa}}}$, ${displaystyle T_ {ext {trip}} = 273,16}$ ${displaystyle {ext {K}}}$, ${displaystyle E_ {0v} = 2,3740 imes 10 ^ {6} {ext {Дж / кг}}}$, ${displaystyle R_ {v} = 461 {ext {Дж / кг / К}}}$, и ${displaystyle c_ {vl} = 4119 {ext {Дж / кг / К}}}$. Определение ${displaystyle q_ {v}}$ - массовая доля водяного пара в воздушной посылке, удельная газовая постоянная посылки и удельная теплоемкость при постоянном объеме равны ${Displaystyle R_ {m} = (1-q_ {v}) R_ {a} + q_ {v} R_ {v}}$ и ${displaystyle c_ {pm} = (1-q_ {v}) c_ {pa} + q_ {v} c_ {pv}}$, соответственно. Компьютерные программы для вычисления этих значений LCL в R, Python, Matlab и Fortran 90: доступно для скачивания.

Определение подъема отложение уровень (LDL) как высота, на которой воздушный пакет становится насыщенным по отношению к лед, аналогичное выражение для ЛПНП:

${displaystyle {egin {alignat} {1} T_ {ext {LDL}} & ;; =; расщелина [W _ {- 1} слева ({ext {RH}} _ {s} ^ {1 / a}, c, e ^ {c} ight) ight] ^ {- 1} T p_ {ext {LDL}} & ;; =; pleft ({frac {T_ {ext {LDL}}} {T}} ight) ^ {c_ {pm} / R_ {m}} z_ {ext {LDL}} & ;; =; z + {frac {c_ {pm}} {g}} влево (T-T_ {ext {LDL}} ight) a & ;; =; {frac {c_ {pm}} {R_ {m}}} + {frac {c_ {vs} -c_ {pv}} {R_ {v}}} b & ;; =; - {frac { E_ {0v} + E_ {0s} - (c_ {vv} -c_ {vs}) T_ {ext {trip}}} {R_ {v} T}} c & ;; =; b / a ,, end { выровнен}}}$

где наиболее подходящие константы определены выше, а также ${displaystyle E_ {0s} = 0,3337 imes 10 ^ {6} {ext {Дж / кг}}}$ и ${displaystyle c_ {vs} = 1861 {ext {Дж / кг / К}}}$. Здесь, ${displaystyle {ext {RH}} _ {s}}$ - начальная относительная влажность воздушной посылки по отношению к твердой воде (т. е. льду).

Приближенные выражения для LCL

Есть также много разных способов аппроксимировать LCL с разной степенью точности. Наиболее известным и широко используемым среди них является уравнение Эспи, которое Джеймс Эспи сформулированы еще в начале 19 века^[3]. Его уравнение использует взаимосвязь между LCL и температурой точки росы, описанной выше. В атмосфере Земли у поверхности скорость отклонения для сухого адиабатического подъема составляет около 9,8 К / км, а градиент точки росы составляет около 1,8 К / км (он колеблется в пределах примерно 1,6-1,9 К / км). Это дает наклон кривых, показанных на диаграмме. Высота, на которой они пересекаются, может быть вычислена как отношение разницы между начальной температурой и начальной температурой точки росы. ${displaystyle T-T_ {d}}$ на разницу в наклонах двух кривых. Поскольку уклоны представляют собой две скорости уклона, их разница составляет около 8 км / км. Инвертирование дает 0,125 км / К или 125 м / К. Признавая это, Эспи указал, что LCL можно приблизительно представить как:

${displaystyle h_ {LCL} = {frac {T-T_ {d}} {Gamma _ {d} -Gamma _ {dew}}} = 125 (T-T_ {d})}$

куда ${displaystyle h}$ высота LCL (в метрах), ${displaystyle T}$ температура в градусах Цельсия (или кельвины), и ${displaystyle T_ {d}}$ - температура точки росы (также в градусах Цельсия или Кельвинах, в зависимости от того, что используется для Т). Эта формула имеет точность примерно 1% для высоты LCL при нормальных атмосферных условиях, но требует знания температуры точки росы.

Связь с CCL

В уровень конвективной конденсации (CCL) возникает, когда сильный нагрев поверхности вызывает жизнерадостный подъем поверхностного воздуха и последующее перемешивание планетарный пограничный слой, так что слой у поверхности заканчивается сухим адиабатическим градиентом. По мере того, как смешивание становится более глубоким, оно дойдет до точки, где LCL воздушной посылки, начинающейся с поверхности, будет наверху смешанной области. Когда это происходит, то любое дальнейшее солнечное нагревание поверхности вызовет образование облака, покрывающего хорошо перемешанный пограничный слой, и уровень, на котором это происходит, называется CCL. Если пограничный слой начинается со стабильного температурного профиля (то есть с градиентом меньше, чем скорость сухого адиабатического градиента), тогда CCL будет выше, чем LCL. В природе фактическая основа облачности часто изначально находится где-то между LCL и CCL. Если образуется гроза, то по мере ее роста и созревания такие процессы, как повышенное насыщение на более низких уровнях из-за осадков и более низкое приземное давление, обычно приводят к понижению нижней границы облаков.

Наконец, LCL также можно рассматривать в связи с уровень свободной конвекции (LFC). Меньшая разница между LCL и LFC (LCL-LFC) способствует быстрому формированию гроз. Одна из причин этого в том, что посылка требует меньше работай и время пройти сквозь слой конвективное торможение (CIN), чтобы достичь своего уровень свободной конвекции (LFC), после чего глубокая влажная конвекция следует и воздушные посылки бодро подняться в положительная область зондирования, накопления конвективная доступная потенциальная энергия (МЫС) до достижения уровень равновесия (EL).

Смотрите также

• Атмосферная конвекция
• Атмосферная термодинамика

Рекомендации

Связанное чтение

• Борен, К.Ф. и Б. Альбрехт, Атмосферная термодинамика, Oxford University Press, 1998. ISBN 0-19-509904-4
• М. К. Яу и Р. Р. Роджерс, Краткий курс физики облаков, третье издание, опубликовано Butterworth-Heinemann, 1 января 1989 г., 304 страницы. ISBN 9780750632157 ISBN 0-7506-3215-1

внешняя ссылка

• LCL учебник
• SKEW-T: ВЗГЛЯД НА SBLCL
• Повышение уровня конденсации (LCL) (Глоссарий по метеорологии)