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  Rln pp0
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   Rln 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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講義資料2(気象学の理解において必須の「温位」の理解の仕方)