Sådan læser du Skew-T-diagrammer

Hvis du ikke har set et Skew-T-diagram før, er det en stor underdrivelse at sige, at det kan virke lidt skræmmende. Men med lidt øvelse kan du blive en Skew-T mester og åbne nye døre for at lære om en lang række meteorologiske emner. Skew-T-diagrammer er utroligt nyttige til hurtigt og præcist at se atmosfærens struktur hele vejen fra overfladen til 100.000 fod, og de har eksisteret i LANG tid – siden 1947, for at være helt præcis1.

Skew-T-diagrammer bruges oftest til at plotte parametre, der måles af radiosonder, efterhånden som de stiger op gennem atmosfæren. De viser kun tre målinger: temperatur, dugpunkt og vindhastighed (vindens hastighed OG retning). Desuden er der 5 linjer på et Skew-T-kort: isotermer, isobarer, tørre adiabater, fugtige adiabater og linjer for mætningsblandingsforholdet.

Udover blot at fungere som en skabelon til at plotte temperatur, dugpunkt og vind, er Skew-T’er nyttige til nemt at finde placeringerne og værdierne for vigtige niveauer og parametre i atmosfæren. CAPE, LCL og LFC er blot nogle få ting, der nemt kan findes med en Skew-T.

Lad os starte vores rejse med at lære om hver enkelt linje på en Skew-T.

Isothermer

Isothermer er linjer med konstant temperatur. De er navnebror for Skew-T-diagrammet, fordi de er skæve 45 grader til højre. At skævvride Ts kan virke lidt uintuitivt, men et Skew-T giver os mulighed for nemt at beregne vigtige atmosfæriske niveauer og parametre som f.eks. løftekondensationsniveauet (LCL), niveauet for fri konvektion (LFC), ligevægtsniveauet og CAPE. En Stüve er som en Skew-T, men uden de skæve temperaturlinjer. Den er ikke så nyttig til de fleste meteorologiske anvendelser, fordi adiabaterne på den ikke er krumme, hvilket betyder, at vi ikke præcist kan beregne de ting, der er nævnt ovenfor.

Isobarer

Isobarer er defineret som “linjer med konstant tryk”. På et Skew-T-diagram er trykket, IKKE højden, plottet på y-aksen, så isobarer er simpelthen parallelle med x-aksen. Fordi trykket falder langsommere med højden, jo højere man kommer, er trykket plottet logaritmisk på Skew-T-diagrammer. Af denne grund kaldes Skew-T-diagrammer også almindeligvis Skew-T/Log-P-diagrammer. Hvis vi ikke havde logaritmisk plottet trykket, ville Skew-T-diagrammerne være lige så høje som de vejrballoner, de plottede, rejste – ca. 100.000 fod høje!

Tørre adiabater

Adiabatiske processer er processer, hvor der ikke udveksles varme med det ydre system (i vores tilfælde atmosfæren), og tørre adiabater viser, hvor meget en umættet pakke afkøles, når den løftes gennem atmosfæren. Du tænker sikkert “hvordan kan en pakke køle af og samtidig bevare det samme varmeindhold?” Jo, husk på, at når en luftpakke stiger, udvider den sig, fordi den omgivende atmosfære udøver mindre tryk på den, så det samlede varmeindhold forbliver det samme.

Adiabatiske processer er en konsekvens af termodynamikkens første lov, som siger, at den varme, der tilføres en bestemt masse af en gas, er lig med ændringen i dens indre energi + det arbejde, der udføres AF gassen PÅ omgivelserne. Ved at lave nogle smarte matematiske manøvrer og anvende loven om den ideelle gas finder vi ud af, at den første lov siger, at ændringer i temperatur er positivt korreleret med ændringer i tryk. Jeg vil diskutere dette og mere i en tutorial i fremtiden, men det vigtigste at vide er, at når en umættet luftpakke stiger og en ALLE luftpakke synker, vil den bevæge sig parallelt med disse adiabater.

Disse adiabater følger “Dry Adiabatic Lapse Rate”, som er ca. 10 grader Celsius pr. kilometer.

Fugtige adiabater

Når mættet luft stiger, følger den “mætningen” eller de “fugtige adiabater”. Når luften når mætning, kondenserer gasformig vanddamp til flydende vanddråber, og denne faseændring frigiver “latent varme” til atmosfæren. På grund af dette er den fugtige adiabatiske lapse rate ALTID mindre end den tørre adiabatiske lapse rate, men som du kan se ovenfor, er de fugtige adiabater IKKE parallelle og varierer en hel del med både temperatur OG højde.

Det vigtigste at huske om fugtige adiabater er, at en mættet luftpakke KUN vil følge dem, hvis den er stigende. Hvis pakken synker, varmer den væk fra mætning og vil følge de tørre adiabater.

Saturation Mixing Ratio Lines

Mætningens blandingsforhold er det forhold, i gram vanddamp pr. kilogram luft, som en luftpakke skal have ved et givet tryk og en given temperatur for at blive betragtet som “mættet”. Når en luftpakke først er mættet, kan den generelt ikke rumme mere vanddamp.

Nu kender du linjerne – lad os finde ud af, hvordan vi kan bruge dem til at beregne nogle særligt vigtige niveauer i atmosfæren. Vi skal lære at beregne det løftende kondensationsniveau (LCL), det konvektive kondensationsniveau (CCL), niveauet for fri konvektion (LFC) og ligevægtsniveauet (EL) samt den konvektive tilgængelige potentielle energi (CAPE) og den konvektive hæmning (CIN).

Lifting Condensation Level (LCL)

LCL er det trykniveau, som en luftpakke skal hæves (tørre adiabatisk) til for at blive mættet. For at finde LCL skal du følge en tør adiabat fra din overfladeklimatiske temperatur og en linje for mætningsblandingsforholdet fra din overfladetemperatur med dugpunkt. Skæringspunktet mellem disse linjer markerer placeringen af LCL. LCL er vigtig, fordi den markerer det sted, hvor luftpakken holder op med at stige med den tørre adiabatiske lapse rate og skifter til den fugtige adiabatiske lapse rate.

Convective Condensation Level (CCL)

Et nært beslægtet niveau er det konvektive kondensationsniveau, eller CCL. CCL er det trykniveau, som en pakke, hvis den opvarmes til den “konvektive temperatur”, frit ville stige op og danne en cumulussky. Den konvektive temperatur er den temperatur, som overfladen skal nå, for at luften frit kan stige op, og CCL ligger ved skæringspunktet mellem omgivelsestemperaturen (IKKE en tør adiabat fra overfladen… det er LCL) og linjen for mætningsblandingsforholdet fra overfladens dugpunktstemperatur.

Noter: LCL og CCL er nyttige til at bestemme højden af skybaser. For ikke-konvektive skyer, der er tvunget til at stige, er LCL en god tilnærmelse. På den anden side er CCL et bedre skøn for skyer dannet af konvektion, som f.eks. cumulusskyer. I virkeligheden ligger skybaserne generelt et sted mellem LCL og CCL.

Grunden til, at tordenvejr i ørkenen ofte har høje baser, er, at overflade dugpunktet er lavt der, hvilket medfører, at LCL og CCL ligger højt i atmosfæren. Omvendt har tordenvejr på fugtige steder generelt lavere baser, fordi LCL er lavere.

Niveauet af fri konvektion (LFC)

LFC er det trykniveau, som en luftpakke skal hæves, for at dens temperatur er lig med omgivelsestemperaturen. Det findes ved at tage det fugtige adiabat fra LCL, indtil det skærer omgivelsestemperaturen. Herefter er luftpakken varmere end omgivelserne og kan frit stige op (deraf navnet – niveau for fri konvektion).

Der er nogle få isolerede situationer, hvor denne fremgangsmåde ikke vil fungere – f.eks. hvis overfladen har nået den ovenfor nævnte “konvektionstemperatur”, så er LFC ved overfladen. Men i langt de fleste situationer fungerer denne metode glimrende.

Det er ikke alle pejlinger, der har en LFC. Hvis den fugtige adiabat aldrig skærer omgivelsestemperaturen, fordi atmosfæren er relativt stabil og ikke udviser et kraftigt fald i temperatur med højden, er der ingen LFC. Desuden har mange steder, der har et LFC om dagen, måske ikke et om natten, hvor overfladen er køligere, og atmosfæren er mere stabil.

Equilibrium Level (EL)

Gligevægtsniveauet eksisterer kun, hvis der er et LFC, og det er defineret som det niveau, hvor den fugtige adiabat, der angiver luftpakkens vej, krydser omgivelsestemperaturen igen. Ved EL har luftparken samme temperatur som omgivelserne, og over dette niveau er den køligere og mere tæt. EL kan findes ved at se på “amboltene” på tordenvejr, da disse markerer det sted, hvor en stigende luftpakke ikke længere har positiv opdrift. Den “overshooting top” af et tordenvejr overskrider ligevægtsniveauet, men det er kun fordi impulsen fra stormens overmægtige opadgående strøm gør det muligt for den at nå en større højde, IKKE fordi luften over ligevægtsniveauet er positivt opdriftsgivende.

Convective Available Potential Energy (CAPE) og Convective Inhibition (CIN)

CAPE er det område, der er afgrænset af omgivelsestemperaturen og temperaturen af en pakke, når den stiger langs den fugtige adiabatiske lapse rate. Den nedre grænse for CAPE er pr. definition LFC, og den øvre grænse er EL. Da CAPE måler, hvor opdriften af en luftpakke er i forhold til omgivelserne, kan den bruges til at vurdere den maksimale styrke af opadgående strømme i en storm og dermed, hvor alvorlig en storm kan blive. Hvis man ønsker store storme, skal man have en stor CAPE. Periode.

CIN er CAPE’s modsætning: Mens CAPE måler den positive opdrift og styrken af den mulige konvektion, måler CIN den negative opdrift og modstanden mod konvektion. CIN er afgrænset af omgivelsestemperaturen til højre og temperaturen af den opstigende pakke til højre og måles fra LFC og ned til det sted, hvor omgivelsestemperaturen og pakkens temperatur er den samme, hvilket næsten altid er overfladen. I dette område er pakkens temperatur lavere end omgivelsestemperaturen, hvilket gør pakken mere tæt og får den til at synke, hvis der ikke er nogen ydre påvirkning. CIN topper generelt tidligt om morgenen og falder i løbet af dagen, efterhånden som solen opvarmer overfladen.

CIN er faktisk en nødvendig ingrediens for alvorlige storme, fordi det gør det muligt for CAPE at opbygge enorme niveauer ved at forhindre konvektion og opblanding af atmosfæren i løbet af morgentimerne. Når opvarmningen fra overfladen endelig udhuler CIN, er CAPE-værdierne blevet astronomisk store, og enhver stormudvikling er eksplosiv, hvilket fører til kraftige superceller med store hagl, ødelæggende vinde og tornadoer.

Her er en klassisk voldsom vejrlyd fra Oklahoma City, der blev optaget tre timer før den ødelæggende 2013 Moore, OK EF-5 tornado fra 2013 i Moore, OK. Se om du kan finde LCL, CCL, LFC, EL, CAPE og CIN på denne lydning!

Tak for læsning, jeg håber du har lært noget!

Skrevet af Charlie Phillips – charlie.weathertogether.net. Sidst opdateret 17/5/2017

1. National Weather Service (n.d.). Skew-T Log-P-diagrammer. Hentet den 10. maj 2017 fra http://www.srh.noaa.gov/jetstream/upperair/skewt.html
2. University Corporation for Atmospheric Research (n.d.). Skew-T Mastery. Hentet 17. maj 2017, fra http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/skewt/
3. Ladd, R. (2014, 25. april). Grundlæggende principper for en vejrmåling af voldsomt vejr. Hentet 17. maj 2017, fra http://wx4cast.blogspot.com/2014/04/the-basics-of-severe-weather-sounding.html