How To Read Skew-T Charts

Jos et ole ennen nähnyt Skew-T-kaaviota, on vähättelyä sanoa, että se voi näyttää hieman pelottavalta. Mutta pienellä harjoittelulla sinusta voi tulla Skew-T:n mestari ja avata uusia ovia oppiaksesi monenlaisista meteorologisista aiheista. Skew-T-kaaviot ovat uskomattoman käyttökelpoisia, kun halutaan nopeasti ja tarkasti tarkastella ilmakehän rakennetta aina pinnasta 100 000 jalkaan asti, ja niitä on käytetty jo PITKÄSTI – tarkalleen ottaen vuodesta 1947 lähtien1.

Skew-T-kaavioita käytetään yleisimmin radiosondien mittaamien parametrien kuvaamiseen niiden noustessa ilmakehässä. Niissä esitetään vain kolme mittausta: lämpötila, kastepiste ja tuulen nopeus (tuulen nopeus JA suunta). Lisäksi Skew-T-kaaviossa on viisi viivaa: isotermit, isobaarit, kuivien adiabaattien, kosteiden adiabaattien ja kylläisyyden sekoittumissuhteen viivat.

Skew-T-kaavioista on hyötyä sen lisäksi, että ne toimivat pelkkänä mallina lämpötilan, kastepisteen ja tuulen piirtämisessä, myös ilmakehän tärkeiden tasojen ja parametrien sijaintien ja arvojen löytämiseksi helposti. CAPE, LCL ja LFC ovat vain muutamia asioita, jotka voidaan helposti löytää Skew-T:n avulla.

Aloitetaan matkamme tutustumalla Skew-T:n kuhunkin viivaan.

Isotermit

Isotermit ovat viivoja, joilla on vakio lämpötila. Ne ovat Skew-T-kaavion nimiä, koska ne ovat vinossa 45 astetta oikealle. Ts:n vinoutuminen saattaa vaikuttaa hieman epäintuitiiviselta, mutta Skew-T:n avulla voidaan helposti laskea tärkeitä ilmakehän tasoja ja parametreja, kuten LCL-taso (Lifting Condensation Level), LFC-taso (Level of Free Convection), tasapainotaso (Equilibrium Level) ja CAPE. Stüve on kuin Skew-T, mutta ilman vinoja lämpötilaviivoja. Se ei ole yhtä käyttökelpoinen useimmissa meteorologisissa sovelluksissa, koska sen adiabaatit eivät ole kaarevia, eli emme voi laskea tarkasti edellä lueteltuja asioita.

Isobaarit

Isobaarit määritellään ”vakiopaineviivoiksi”. Skew-T-kaaviossa paine, EI korkeus, piirretään y-akselille, joten isobaarit ovat yksinkertaisesti yhdensuuntaisia x-akselin kanssa. Koska paine laskee hitaammin korkeuden myötä mitä korkeammalle mennään, paine piirretään logaritmisesti Skew-T-kaavioissa. Tästä syystä Skew-T-kaavioita kutsutaan yleisesti myös Skew-T/Log-P-kaavioiksi. Jos emme kuvaisi painetta logaritmisesti, Skew-T-kaaviot olisivat yhtä korkeita kuin niiden kuvaamat sääilmapallot – noin 100 000 jalan korkeudessa!

Kuivat adiabaatit

Adiabaattiset prosessit ovat prosesseja, joissa lämpöä ei vaihdeta ulkopuolisen systeemin (tapauksessamme ilmakehän) kanssa, ja kuivat adiabaatit kertovat, kuinka paljon kyllästymätön paketti jäähtyy, kun se nousee ilmakehän läpi. Ajattelet varmaan ”miten paketti voi jäähtyä ja säilyttää saman lämpösisällön?”. No, pidä mielessä, että kun ilmapaketti nousee, se laajenee, koska ympäröivä ilmakehä aiheuttaa siihen vähemmän painetta, joten kokonaislämpösisältö pysyy samana.

Adiabaattiset prosessit ovat seurausta termodynamiikan ensimmäisestä laista, jonka mukaan tiettyyn kaasumassaan lisätty lämpö on yhtä suuri kuin sen sisäenergian muutos + työ, jonka kaasu tekee ympäristöön. Tekemällä joitakin näppäriä matemaattisia kikkailuja ja soveltamalla ideaalikaasulakia havaitsemme, että ensimmäisen lain mukaan lämpötilan muutokset korreloivat positiivisesti paineen muutosten kanssa. Keskustelen tästä ja muusta tulevassa opetusohjelmassa, mutta tärkeintä on tietää, että kun kyllästämätön ilmapaketti nousee ja JOKAINEN ilmapaketti vajoaa, se kulkee näiden adiabaattien suuntaisesti.

Nämä adiabaatit noudattavat ”kuivaa adiabaattista lapseerausnopeutta”, joka on noin 10 celsiusastetta kilometriä kohti.

Kosteat adiabaatit

Kun kyllästynyt ilma nousee ylöspäin, se noudattaa ”kyllästymis-” tai ”kosteita adiabaatteja”. Kun ilma saavuttaa kylläisyyden, kaasumainen vesihöyry tiivistyy nestemäisiksi vesipisaroiksi, ja tämä faasimuutos vapauttaa ilmakehään ”piilevää lämpöä”. Tästä johtuen kostea adiabaattinen virtausnopeus on AINA pienempi kuin kuiva adiabaattinen virtausnopeus, mutta kuten yllä näkyy, kosteat adiabaatit EIVÄT ole samansuuntaisia ja vaihtelevat melko paljon sekä lämpötilan että korkeuden mukaan.

Kosteista adiabaateista tärkeintä on muistaa, että kylläinen ilmapaketti seuraa niitä AINOASTAAN, jos se nousee. Jos ilmapaketti laskee, se lämpenee poispäin kylläisyydestä ja seuraa kuivia adiabaatteja.

Kylläisyyden sekoitussuhdelinjat

Kylläisyyden sekoitussuhdelinja on vesihöyryn grammoina ilmakiloa kohden ilmaa ilmaa ilmaa kohti laskettu suhdeluku (grammaa vesihöyryä/ilmakilo), joka ilmapaketin on oltava tietyssä paineessa ja lämpötilassa, jotta sitä voidaan pitää ”kylläisenä”. Kun ilmapaketti on kyllästynyt, se ei yleensä pysty enää pitämään sisällään vesihöyryä.

Nyt kun tunnet viivat – katsotaanpa, miten voimme käyttää niitä joidenkin erityisen tärkeiden ilmakehän tasojen laskemiseen. Opimme laskemaan nostavan kondensoitumistason (LCL), konvektiivisen kondensoitumistason (CCL), vapaan konvektion tason (LFC) ja tasapainotason (EL) sekä konvektiivisen käytettävissä olevan potentiaalienergian (CAPE) ja konvektiivisen eston (CIN).

Lifting Condensation Level (LCL)

LCL on se painetaso, jonka ilmapaketti täytyisi nostaa (kuivaa adiabaattisesti), jotta se muuttuisi kylläiseksi. Löytääksesi LCL:n seuraa kuivaa adiabaattia ympäristön pintalämpötilasta ja kyllästymissuhteen sekoitussuhdeviivaa pintakastepistelämpötilasta. Näiden leikkauspiste merkitsee LCL:n sijaintia. LCL on tärkeä, koska se merkitsee paikan, jossa ilmapaketti lakkaa nousemasta kuivalla adiabaattisella virtausnopeudella ja siirtyy kostealle adiabaattiselle virtausnopeudelle.

Konvektiivinen tiivistymisaste (CCL)

Konvektioon läheisesti liittyvä taso on konvektiivinen kondensoitumistaso (Convective Condensation Level, CCL). CCL on se painetaso, jolla paketti, jos se lämmitettäisiin ”konvektiolämpötilaan”, nousisi vapaasti ylös ja muodostaisi cumulus-pilven. Konvektiolämpötila on lämpötila, joka pinnan on saavutettava, jotta ilma voi vapaasti nousta, ja CCL on ympäristön lämpötilan (EI kuivaa adiabaattia pinnasta… se on LCL) ja pinnan kastepistelämpötilasta lasketun kyllästymissuhteen viivan leikkauspisteessä.

Huom: LCL ja CCL ovat hyödyllisiä pilvipohjien korkeuden määrittämisessä. Ei-konvektiivisille pilville, joiden on pakko nousta, LCL on hyvä approksimaatio. Toisaalta CCL on parempi arvio konvektion muodostamille pilville, kuten cumulus-pilville. Todellisuudessa pilvien pohjat ovat yleensä jossakin LCL:n ja CCL:n välissä.

Syy siihen, että aavikolla esiintyvillä ukkosmyrskyillä on usein korkeat pohjat, on se, että pintakastepisteet ovat siellä alhaiset, jolloin LCL ja CCL ovat korkealla ilmakehässä. Sitä vastoin kosteiden paikkojen ukkosilla on yleensä matalammat pohjat, koska LCL on matalampi.

Vapaan konvektion taso (LFC)

LFC on painetaso, jota ilmapaketti pitäisi nostaa, jotta sen lämpötila olisi sama kuin ympäristön lämpötila. Se löytyy ottamalla kostea adiabat LCL:stä, kunnes se leikkaa ympäristön lämpötilan. Tämän jälkeen ilmapaketti on ympäristöään lämpimämpi ja voi vapaasti nousta (tästä nimi – level of free convection).

On muutamia yksittäisiä tilanteita, joissa tämä lähestymistapa ei toimi – esimerkiksi jos pinta on saavuttanut edellä mainitun ”konvektiolämpötilan”, LFC on pinnalla. Mutta suurimmassa osassa tilanteita tämä menetelmä toimii erinomaisesti.

Ei kaikissa luotauksissa ole LFC:tä. Jos kostea adiabat ei koskaan leikkaa ympäristön lämpötilaa, koska ilmakehä on suhteellisen vakaa eikä lämpötilassa tapahdu jyrkkää laskua korkeuden myötä, LFC:tä ei ole. Lisäksi monissa paikoissa, joissa on LFC päivällä, ei välttämättä ole LFC:tä yöllä, jolloin pinta on viileämpi ja ilmakehä vakaampi.

Tasapainotaso (EL)

Tasapainotaso on olemassa vain, jos LFC on olemassa, ja se määritellään tasoksi, jolla ilmapaketin reittiä kuvaava kostea adiabaatti risteää ympäristön lämpötilan kanssa. EL-tasolla ilmapaketti on samassa lämpötilassa kuin ympäristönsä, ja sen yläpuolella se on viileämpi ja tiheämpi. EL:n voi löytää katsomalla ukkosmyrskyjen ”anvilleja”, sillä ne merkitsevät paikkaa, jossa nouseva ilmapaketti ei ole enää positiivisesti kelluva. Ukkosmyrskyn ”ylikorkeus” ylittää tasapainotason, mutta tämä johtuu vain siitä, että myrskyn erittäin voimakkaan nousuvirtauksen vauhti antaa myrskylle mahdollisuuden nousta korkeammalle, EIKÄ siitä, että tasapainotason yläpuolella oleva ilma on positiivisesti kelluvaa.

Konvektiivinen käytettävissä oleva potentiaalienergia (CAPE) ja konvektiivinen inhibitio (CIN)

CAPE on ympäristön lämpötilan ja kostean adiabaattisen virtausnopeuden myötä kohoavan ilmapaketin nousevan lämpötilan rajaama alue. Määritelmän mukaan CAPE:n alaraja on LFC ja yläraja EL. Koska CAPE mittaa ilmapaketin kelluvuutta suhteessa ympäristöönsä, sen avulla voidaan arvioida myrskyn nousuvirtausten enimmäisvoimakkuutta ja sitä kautta myrskyn vakavuutta. Jos halutaan suuria myrskyjä, tarvitaan suuria CAPE-arvoja. Jakso.

CIN on CAPE:n vastakohta: kun CAPE mittaa positiivista kelluvuutta ja mahdollisen konvektion voimakkuutta, CIN mittaa negatiivista kelluvuutta ja konvektion vastustusta. CIN rajoittuu ympäristön lämpötilaan oikealla ja nousevan paketin lämpötilaan oikealla, ja se mitataan LFC:stä alaspäin sinne, missä ympäristön lämpötila ja paketin lämpötila ovat samat, mikä on lähes aina pinta. Tällä alueella paketin lämpötila on alhaisempi kuin ympäristön lämpötila, mikä tekee paketista tiheämmän ja saa sen vajoamaan ilman ulkoista pakotetta. CIN on yleensä suurimmillaan varhain aamulla ja vähenee päivän mittaan, kun aurinko lämmittää pintaa.

CIN on itse asiassa välttämätön ainesosa ankarille myrskyille, koska se mahdollistaa CAPE:n kasvamisen valtaville tasoille estämällä konvektiota ja ilmakehän sekoittumista aamuyön tunteina. Kun pinnan lämpeneminen lopulta murentaa CIN:n, CAPE-arvot ovat kasvaneet tähtitieteellisen suuriksi ja kaikki myrskykehitys on räjähdysmäistä, mikä johtaa voimakkaisiin supersoluihin, joissa on suuria raekuuroja, vahingollisia tuulia ja tornadoja.

Tässä on klassinen ankaran sään ääni Oklahoma Citystä, joka otettiin 3 tuntia ennen tuhoisaa vuoden 2013 Moore, OK EF-5-tornadoa. Yritä löytää LCL, CCL, LFC, EL, CAPE ja CIN tästä luotauskuvauksesta!

Kiitos lukemisesta, toivottavasti opit jotain!

Kirjoittanut Charlie Phillips – charlie.weathertogether.net. Päivitetty viimeksi 17.5.2017

1. National Weather Service (n.d.). Skew-T Log-P Diagrams. Haettu 10.5.2017 osoitteesta http://www.srh.noaa.gov/jetstream/upperair/skewt.html
2. University Corporation for Atmospheric Research (n.d.). Skew-T Mastery. Haettu 17. toukokuuta 2017 osoitteesta http://www.meted.ucar.edu/mesoprim/skewt/
3. Ladd, R. (2014, April 25). Vaikean sään luotauksen perusteet. Haettu 17. toukokuuta 2017, osoitteesta http://wx4cast.blogspot.com/2014/04/the-basics-of-severe-weather-sounding.html