温位を直感的に理解する 三重大学・大学院生物資源学研究科 共生環境学専攻 地球環境気候学研究室 教授 立花義裕 大気の安定・中立・不安定 “バランスする“という表現には穴がある 不安定 山の頂上のボールを動かすと 斜面を落ちていきつづける バランス・・・ 中立 平らな地面の上のボールは動かしても 戻りもしなければ、それ以上動きもしない。 安定 谷底のボールは、動かしても 元の場所に戻ってくる では、実際の大気を考えてみよう 冷たい 暖かい 空気の入った風船を動かしてみる いま、上昇による断熱膨張による冷却・下降による断熱圧縮による昇温 は考えないこととする。 安定 上空 W C 不安定 上空 W なにかのきっかけで 上昇した時を考えると 下降した時を考えると C C W 周囲に比べ密度が 周囲に比べ密度が 小さいからさらに上昇 大きいから更に下降 大きいから下降 小さいから上昇 C C W どちらも 地面 元の場所へ戻ろうとする。 C W W どちらも 地面 動いて行き続ける。 実線のような温度分布をラジオゾンデで観測したとしよう p (z) 周りより”冷たい” 風船の方が”重い” p1 安定 “下方”へ移動 乾燥断熱線 ある日の大気の温度減率 T 下記のように温度が上昇する場合 ある時の p 大気の温度分布 (z) p1 非常に安定 周りより”めちゃ冷たい” 乾燥断熱線 風船の方が”めちゃ重い” “下方”へ速く移動 T 気温減率がすごく大きいとき p (z) 周りより”暖かい” 風船の方が”軽い” p1 不安定 さらに“上方”へ移動 ある時の大気の 温度減率 乾燥断熱線 T 観測された温度分布がたまたま乾燥断熱減率と同じとき p (z) 周りと同じ気温 重さ同じ p1 中立 乾燥断熱線 p1に停止 ある時の大気の温度減率 T 大気の鉛直的安定や不安定は、温度と高さの関係図 だけからは判断するには、常に乾燥断熱減率線と 対比しながら、その傾きが乾燥断熱線よりも大きいか? 小さいか?ということから判断しないとならない。 これはすこぶる面倒で、直感的に一発では、安定なのか? 不安定なのかが分からない。 “温位”(Potential temperature) とい新概念を用いると, なんと、一発で、大気の安定・不安定 が直感的に分かってしまう。 温位を用いると・・・ p 不安定 (z) 中立 安定 温位 Θ “温位”を用いて大気の 安定・不安定・中立を考える 安定の場合 p (z) p (z) p4 p3 p2 p1 乾燥断熱線 1000 (hPa) S0 S1 S2 S3 S4 T S0 S1 S2 S3 S4 Θ 不安定の場合 p (z) p (z) 乾燥断熱線 p4 p3 p2 p1 1000 (hPa) S4 S3 S2 S1 S0 T S4 S3 S2 S1 S0 Θ のことを”温位”*1と言う 温位を求めてみよう!! Cp D ln T d ln p R Dz dz T0 p0 T p C p d ln T R d ln p (p,T)→(p0, T0)*2 C p ln T T0 Rln pp0 T p *2上空の空気をp0(1000hPa) まで断熱的に移動させた時の 温度をT0とする ⇒T0を求めたい(T0が温位) C p ln T0 ln T Rln p0 ln p ln T0 ln T ln T0 *1温位 (Potential Temperature) 1000hPaまで仮想的に, 断熱移動させた時の温度 (実際に移動はしない) R p0 ln Cp p p R ln 0 ln T Cp p p ln 0 p R Cp ln T R C p p ln T 0 p 温位を求める式 T0 p0 T p R Cp 地球の温位分布 図はJRA25から引用 断熱の場合、大気は異なる温位面に 移動は出来ない。(大気は等温位面 上のみ移動する)←これは、大気に とってかなりきつい束縛条件です。断 熱過程であれば、大気は地球上の3 次元空間を勝手に自由に動き回るこ とができないことを意味します。だから、 等温位線を図示すると、いろいろなこ とが視えてきます。等温位面上に、風 などの様々な物理量をプロットしても いろいろなことが視えてきます。
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