從大氣穩定度到CAPE 吳清吉副教授主講

從大氣穩定度到CAPE 吳清吉副教授主講

大氣穩定度的概念雖然表面上只是在描述空氣塊與周圍空氣之間的性質差異,以及造成空氣塊可能的後續運動與變化,但大氣穩定度其實就是發生天氣現象變化最重要的基本性質之一。因此,如何從只是定性描述大氣的穩定或不穩定狀態,到更進一步以量化的對流可用位能(Convective available potential energy,CAPE)來認識大氣穩定度的差異變化,讓我們可以更精確掌握天氣現象變化的機制與條件,是本次書報討論會的主題。

從部編版的地科課本到現在,大氣穩定度這個主題已經多次出現又消失,又再出現。以最近一次的103課綱微調為例,大氣穩定度又再次出現在地科下冊的內容之中,同時也是未來十二年國教107課綱地科加深加廣的內容之一。姑且不論大氣穩定度這個主題需不需要在課堂上講解,但「空氣上升然後可能成雲致雨」的過程卻是我們一定會講授到的內容。如果我們可以藉由對大氣穩定度更完整的認識來理解或預測天氣現象的發生,才能夠在教學上更深刻地與學生討論天氣現象變化背後的科學機制。

所以大氣穩定度絕對是我們在地科教學上一個值得深入認識及探討的主題。

活動主講:吳清吉副教授
國立臺灣大學大氣科學系退休副教授,目前仍留在系上擔任兼任副教授。吳教授過去為龍騰版地球科學教科書作者,對於課綱的發展及教科書的內容相當熟悉。吳教授過去曾經開設的課程科目包括:大氣熱力學、邊界層氣象學及大氣邊界層模式等科目。

活動內容摘要:
大氣穩定度和天氣變化有密切的關係,本報告從大氣穩定與否的定性描述,進一步考慮量化的對流可用位能(Convective available potential energy,CAPE)。
報告首先回顧各種溫度(如虛溫、相當溫度、位溫、虛位溫、相當位溫度)的意義,不同溼度(如絕對溼度、相對溼度、混合比、比溼)的表示方式,以及不同的絕熱過程(如乾絕熱過程、溼絕熱過程、假絕熱過程)中溫度、溼度的變化,然後再介紹氣塊法(Air parcel method)和氣片法(Slice method)對大氣穩定度的探討。接著介紹探空時常用到的斜溫圖,由斜溫圖再引入CAPE的概念。

對應107課綱:
EFa-Vc-3大氣溫度與壓力會隨高度而變化。
EIb-Vc-1一定氣壓下,氣溫越高,空氣所能容納的水氣含量越高。
EIb-Vc-2當水氣達到飽和時,多餘的水氣會凝結或凝固。
EIb-Vc-3空氣中的水氣量可以用濕度來表示。
EIb-Vc-4空氣上升時會因為膨脹而降溫。

指定閱讀論文:
Pucik et al., 2015: Proximity Soundings of Severe and Nonsevere Thunderstorms in Central Europe, Mon. Wea. Rev., 143, 4805-4821, DOI: 10.1175/MWR-D- 15-0104.1。
https://goo.gl/yzPwyr

相關參考資料:
Bohren, C. F., and B. A. Albrecht, 1998: Atmospheric thermodynamics, Oxford, Chap 6. https://goo.gl/8GXmVL
Tsonis, A. A., 2007: An introduction to atmospheric thermodynamics, 2nd ed., Cambridge, Chap 7-9. https://goo.gl/VC87OD

論文的簡單導讀(文化大學大氣科學系王嘉琪教授):
我用很快的速度瀏覽過論文,因為我的專長不是中小尺度天氣系統,所以先以我自己的理解簡單說明一下論文在研究什麼,希望拋磚引玉讓大家比較能加入討論。

最近幾年因為閃電頻率比較容易觀測,很多氣象單位開始利用此數據作劇烈天氣的預報,但是閃電數據對於區分極端天氣可能會造成的災害種類(冰雹、強風、龍捲風、強降雨)還是有不足的地方。所以這篇想要找出哪些環境場變數可以用來區分這四種災害及災害的強度。

分析的變數有:
CAPE: 對流可用位能 (簡單的講可理解為整朵雲中的浮力總和)
DLS: 深層整體風切(等吳老師解釋)
LR86 : 800-600 hPa 垂直降溫率(用來判斷中層穩定度的變化)
LLS: 低層整體風切,類似DLS,只是範圍只用地面以上 0~1km 這層
SRH:風暴螺旋性,通常對流胞裡進入的氣流會以螺旋狀路徑流入,螺旋特性越強表示風暴越強
LCL:舉升凝結高度(通常是雲底的高度),這個變數單獨使用時效果不好,但是跟其他變數一起用來評估還是有點用處
跟陣風有關的幾個變數(DCAPE,三個不同高度的風切,4km以下最高風速):DCAPE等吳老師解釋,我也不懂啊~
跟降水有關的幾個變數(露點溫度,相對濕度)

結論:
這些變數有些好用,有些不好用,有些可以用來區分冰雹事件的強度,有些可以用來區分龍捲風是否會發生,但是寫起來資訊有點瑣碎……總之變數好不好用也跟區域有關,跟季節也有關。

以下兩個是論文中沒有註明全文的縮寫

1. 0-6km bulk shear (DLS): DLS 全名 deep layer shear,指地面以上 0~6km 這層大氣的整體風切(bulk wind shear or bulk shear)

2. AGL : above ground level 地面以上

活動紀錄:
感謝各位老師的參與,以及主辦單位文化大學的招待,讓這個第一次的書報討論會活動順利完成。

由於攝影器材操作上的失誤,我們非常遺憾地沒有錄下吳清吉老師精彩的演講,老實說當時我也是失望到說不出話來,只能說幸好我有在現場聽到,但對於沒到現場的老師真是相當抱歉。

活動結束後,吳清吉老師和王嘉琪老師各自提供了許多相關參考資料,簡單整理如下:

吳清吉老師演講的電腦簡報檔案:https://goo.gl/rq7Hrv(討論會當天使用的最後版本)、https://goo.gl/6LUjQS(DCAPE和SRH補充)
吳清吉老師提供的相關論文:https://goo.gl/LOuIrL(論文清單)、https://goo.gl/HnCghW(論文電子檔)、https://goo.gl/8qrGno(其他補充資料)
王嘉琪老師提供的補充資料:https://goo.gl/iSO3CP(大氣熱力圖教學範例電腦簡報)、https://goo.gl/BFJnOC(大氣熱力圖圖檔)

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