Sonderingsguiden

Om forfatteren: Emil Björck
Flygklubb: Ljungbyhed FK
Födt: 1987
Utbildning: Magisterexamen i fysik, inriktning meteorologi, från Lunds universitet
Yrke: Prognosmeteorolog på Sveriges meteorologiska och hydrologiska institut, SMHI
Fritidsintressen: Segelflyg, skidåkning, musik och träning i måttliga mängder.

Link to automatic translation

Om man vet hur de ska tolkas, kan prognossonderingar ganska effektivt ge information om hur ”kry” den luft vi vill flyga i är och vilken molnbas vi kan förvänta oss. Sonderingar kan även förse sträckflygaren med information om risken för utflakning i olika områden, eller om molnflygaren behöver oroa sig för överutveckling.

Skal vi flyve? Hvorhen? Hvornår? Emil Björk gennemgår her de vigtigste faktorer for at forstå vejret – læs artiklen ” Segelflygmeterologi for dummies” 

Det termodynamiska diagrammet

Innan vi tittar på hur en sondering av atmosfären kan se ut ska vi titta på det termodynamiska diagrammets beståndsdelar i Figur 1. Vi börjar med att bestämma att vi har höjden på den y-axeln och den anges här både som fallande tryck i hektopascal (hPa) och i meter (m). Ibland anges höjden endast som fallande tryck och som ungefärliga hållpunkter kan vi använda:
– 900 hPa motsvarar knappt 1000 m
– 850 hPa motsvarar cirka 1500 m

Figur 1: Det termodynamiska diagrammet

Det finns olika typer av termodynamiska diagram och lutningen på de olika linjerna i förhållande till varandra tycks vara en smaksak. De betyder dock samma sak, nämligen:
– Isoterm – röda linjer från sydväst till nordost. Även skalan på x-axeln.
– Torradiabat – svarta, heldragna linjer.
– Fuktadiabat – svarta, streckade linjer
– Blandningsförhållande – gröna, streckade linjer. Även den mindre tydliga, gråa skalan på x-axeln.

Isoterm
Dessa linjer anger kort och gott temperaturen i grader Celsius. Notera att temperaturen inte ligger parallellt med x-axeln utan är vinklad så att temperaturen stiger åt ”sydost” och faller åt ”nordväst”.

Torradiabat
Dessa linjer beskriver ett luftpakets färd i atmosfären adiabatiskt alltså utan att något energiutbyte sker med omgivningen och inget vatten varken kondenserar, sublimerar eller förångas. Vi kan tänka oss att en given torradiabat beskriver hur temperaturen avtar med höjden i en termikblåsa innan den nått kondensationsnivån (molnbasen). Att temperaturen avtar med höjden har således endast att göra med att trycket i luftpaketet faller.

Fuktadiabat
Dessa linjer beskriver ett luftpakets färd i atmosfären adiabatiskt men nu kondenserar vi vattenånga. På så sätt frigörs latent värme som tillförs luftpaketet och mycket riktigt ser vi att temperaturen i detta fuktadiabatiska luftpaket faller långsammare med höjden än för torradiabaten – energi tillförs luften i övergången från vattenånga till flytande vatten.

Blandningsförhållande
Luftens fuktinnehåll i gram vatten per kilogram luft (g/kg).

Figur 2: Ballongsondering från Wroclaw i Polen den 24:e maj 2012 klocka 12 UTC. Vi ser bland annat kurvornas knyck när stratosfären tar vid på knappt 11 000 meters höjd.

Sonderingen

Det finns både verkliga sonderingar, uppmätta med hjälp av en ballong, och prognossonderingar som framställs ur numeriska prognosmodeller. Får man tag på en verklig sondering för platsen man befinner sig på kan man skatta sig lycklig. Men de är sällsynta och därför är egentligen prognossonderingar mest intressanta för oss. Teorin är hursomhelst densamma och följande exempel är verkliga sonderingar.

Då en väderballong färdas uppåt genom atmosfären registrerar den temperatur och daggpunkt vilka vi sedan kan plotta som linjer i det termodynamiska diagrammet som i Figur 2. Dessa linjer kan aldrig korsa varandra så vi behöver inte oroa oss för att tappa bort vilken som är vilken, och daggpunkten ligger alltid till vänster.

I exemplet i Figur 2 ser vi att temperaturen vid marken är drygt 20C och på knappt 11 000 m cirka -55C. Här har vi tropopausen denna dag och vi ser sedan en tydlig knyck när vi går in i stratosfären och temperaturen så smått börjar stiga med höjden. Daggpunkten vid marken är 4C.
Utifrån sonderingen kan vi bestämma en rad tillstånd hos atmosfären. Vi börjar med att säga att ju längre ifrån varandra temperatur och daggpunkt ligger, desto torrare är atmosfären. Ligger de tätt är det fuktigt och risk för moln oavsett höjd.

Temperaturavtagande med höjden är definitionen för hur stabil atmosfären är. I diagrammet kan vi utläsa stabiliteten som:
– Stabil – ju mer högerut temperturlinjen lutar
– Labil – ju mer vänsterut temperturlinjen lutar
och vi återkommer till detta mer i detalj lite senare.

I exempelsonderingen i Figur 2 ser vi en typisk profil för en dag med termik och cumulus. Tyvärr stöter vi redan här på skillnaden i utformning mellan olika termodynamiska diagram. Jämför med Figur 1 för att känna igen linjerna.

Vi ser i Figur 2 att temperaturprofilen är parallell med torradiabaten den första biten upp till cirka 2000 m vilket hör till vanligheterna mitt på dagen en sommardag. På cirka 2000 m har vi en inversion där temperaturen stiger med höjden.

Foto 3: Trägen vinner. Ibland kan torrtermiken orka genom inversionen men i detta fallet var luften för torr för molnbildning.

I Foto 3 syns ett tydligt exempel på en inversion under en dag med torrtermik. Inversionen markeras tydligt av de partiklar som samlas i skiktet under inversionen. Över inversionen är luften klarare.

I det lägsta skiktet (lag, red.) upp till inversionen är luften väl omblandad vid den här tiden på dygnet och därför är temperaturlinjen (eller skiktningskurvan) parallell med torradiabaten i Figur 2. Vi ser även att daggpunkten nästintill går parallellt med linjerna för blandningsförhållande; den konvektiva omblandningen har jämnat ut fuktinnehållet i bottenskiktet och det är (nästan) lika mycket vattenånga överallt.

I det här torra skiktet får vi bedöma luftens stabilitet utifrån hur skiktningskurvan lutar jämfört med torradiabaten. Ju närmare torradiabatens lutning vi kommer, desto labilare är luften. Och just lutningen på torradiabaten är den mest labila luft vi kan få och därför kan temperaturkurvan inte luta mer vänsterut än vad den gör. Endast vid kraftig uppvärmning av det absolut lägsta skiktet närmast marken kan vi ha en labilare atmosfär än torradiabaten men detta beror endast på att solinstrålningen här är effektivare än luftens omblandning. I andra fall skulle denna labilitet utjämnas tämligen omgående.

I inversionen på ca 2000 m stiger temperaturen med cirka 4 grader ganska snabbt. Efter inversionen ser vi att temperaturen avtar långsammare med höjden (profilen lutar mer högerut) jämfört med under inversionen – luften är här torrstabil. Vad som händer ovanför inversionen ska vi återkomma till.

Praktik: Molnbasen

För vår del när vi segelflyger är hela sonderingen upp till tropopausen intressant men vi tar det allteftersom och börjar med det lägsta skiktet innan kondensationen – det luftlager vi normalt flyger i. Nu blir det lite mer praktiskt och vi försöker bestämma molnbasen utifrån sonderingen i Figur 4 som är samma sondering som i Figur 2 men inzoomad till det för tillfället mest intressanta skiktet.
Först ska vi komma ihåg att en prognossondering beskriver medelvärden för temperatur och daggpunkt för en omgivning som är ganska stor (för närvarande upp emot 2,7 x 2,7 km i SMHI:s prognoser). En verklig sondering å andra sidan beskriver verkligheten men endast i en punkt och sonderingar görs tämligen glest. Det kan och lär alltså förekomma variationer både inom ”prognosboxen” och vid sidan om punkten varifrån sonderingsballongen släppts.

Figur 4: Valda delar av sonderingen i Figur 2. Se texten för närmare beskrivning av den brandgula hävningskurvan.

För att vi ska få termik måste vi tillföra extra energi någonstans och det gör vi genom att simulera en höjning av temperaturen. Höj temperaturen vid marken 1 till 2 grader och gör en markering (1). Dra en linje från denna temperatur som går parallellt med torradiabaten (2).

Detta gör vi för att vi antar att termikblåsan stiger, att dess energiutbyte med omgivningen är lika med noll samt att dess temperaturavtagande endast är en funktion av lufttryckets avtagande med höjden.

Hitta daggpunkten vid marken och därmed också blandningsförhållandet mellan luft och vattenånga och gör en ny markering (3). Enligt adiabatisk teori (inget utbyte av någonting med omgivningen) ska vi ha samma fuktighet under hela termikblåsans färd och därför drar vi en ny linje (4) som går parallellt med linjerna för blandningsförhållande. När linje (2) och (4) möts är luften så pass kall att vattenångan börjar kondensera – vi har bestämt vår molnbas (5) som i det här fallet hamnar på ca. 2200 m. För att vi ska få cumulus måste linje (2) och (4) mötas innan inversionen. Annars kommer termikblåsan att stanna av innan vattenångan börjat kondensera och vi får istället torrtermik.

I denna sondering ligger daggpunkt och temperatur tillräckligt nära varandra vid (5) för att vi ska kunna förvänta oss cumulusbildning. Inversionen precis i detta skikt kommer att hämma cumulusmolnets fortsatta utveckling ty omgivningen är från och med (5) varmare än vår termikblåsa. Vi ser också att inversionen är torr – temperatur och daggpunkt ligger långt från varandra – vilket är gynnsamt för segelflygning och detta återkommer vi till.

Molntoppen

Vad som händer när väl ett cumulus bildats är betydande för hur den fortsatta segelflygdagen ska fortsätta. Figur 2 och 4 visar en dag då vi typiskt kan vänta oss små cumulus. Av erfarenhet vet vi att ju högre cumulusmolnen når, desto starkare blir oftast även termiken under moln – åtminstone i den övre halvan av molnbashöjden. Det kan därför vara intressant att undersöka förväntad molntoppshöjd för dagen. Vi tittar på lite scenarier i det här kapitlet och vi börjar för tydlighetens skull med en ytterlighet – överutveckling.

Överutveckling

Med överutveckling menar vi oftast stackmoln som växer i höjdled så pass att det till slut bildas upptornade cumulus congestus och senare skurmoln, cumulonimbus. Överutveckling kan ske även från den mest klarblåa himmel. Det beror på hur labil höjdluften är och om konvektionen vid marken når en tillräckligt hög energi för att sätta igång den högtsträckande, djupa konvektionen.
Vi utgår från sonderingen i Figur 5 och går till väga på precis samma sätt som när vi bestämde molnbasen.

Figur 5: Sondering från Poprad-Ganovce i Polen den 5:e augusti 2012. Hävningskurvan är inritad med brandgult och förklaras närmre i texten.

I figur 5 börjar vi med att lägga märke till att vi i detta exempel har fått hjälp med att hitta vår överskottstemperatur vid marken (1). Kraftig soluppvärmning har gett upphov till ett skikt nära marken med torrlabil luft precis som vi diskuterade tidigare. Från korsningen mellan linje (2) och (4) ska vi nu dra en ny linje (6) som är parallell med fuktadiabaten. Detta eftersom vattenångan (vanddamp, red.) i termikblåsan nu börjat kondensera och temperaturen avtar således långsammare på grund av tillförd latent värme.

Så länge linje (6) ligger till höger om temperaturprofilen är molnet varmare än omgivningen och kommer att fortsätta växa och vi kan fortsätta att förlänga linje (6). Men från att vi korsar temperaturprofilen och går över på vänster sida är termikblåsan kallare än omgivningen och kommer att bromsas in. Vi har i det ögonblicket nått en jämviktsnivå och därmed bestämt en rimlig molntoppshöjd (7).
Hur högt molnet blir har dock lite fler dimensioner och detta undersöks djupare i ett senare stycke om molntoppens energi. Som ett par tumregler kan vi så länge använda:
– Om molnets topp når -10 C, finns risk för nederbörd
– Om molnets topp når -25 C och molnets vertikala utsträckning (höjdskillnaden mellan (5) och (7)) är minst 3 km, finns risk för åska (torden, red.)

Molnet som vi bildat med vår hävningskurva i Figur 5 uppfyller båda dessa kriterier.
Om luften är upplagd för överutveckling finns det alltid en spärr som måste övervinnas innan molnet överutvecklas. Det kan vara en inversion på höjd som molnet måste ta sig genom eller något annat men den finns alltid där. Termiken måste nå nivån för fri konvektion varifrån den är varmare än omgivande luft upp till jämviktsnivån (7). I Figur 6 syns cumulonimbusmoln i bakgrunden. Molnen i förgrunden har ännu inte nått nivån för fri konvektion.

I exemplet i Figur 5 noterar vi att luften under kondensationsnivån är torrstabil (temperaturkurvan lutar mer högerut än torradiabaten) förutom i det uppvärmda skiktet i botten. Det var troligen därför inte någon stark termik under morgonen utan termiken bromsades ständigt då dess energi inte var tillräcklig för att stiga genom det torrstabila skiktet.

Men i takt med att marktemparaturen stiger kommer torrtermiken att nå allt högre. Soluppvärmningen vid marken blir till sist kraftig nog för att en termikblåsa ska vara varmare än omgivningen hela vägen upp till kondensationsnivån (5). Strax ovanför kondensationsnivån är det sedan fritt fram att stiga till knappt 12 000 m där vi når jämviktsnivån (7). Denna dag i Polen var det just ett stabilt skiktat bottenskikt som var spärren för överutveckling.

Vid sådana förhållanden dyker överutvecklingen verkligen upp från en klarblå himmel. När termikblåsan väl fått energi nog att nå kondensationsnivån når konvektionen snabbt högre höjder. På grund av den stabila skiktningen under molnbasen hittar vi dålig termik dock till allt högre höjd och till sist, då vi ser ett första cumulus, är överutvecklingen snart igång.

När man undersöker molntoppshöjden kan det även vara intressant att se vad som händer om daggpunkten vid marken skulle variera. Om vi med ett snabbt överslag i Figur 5 höjer daggpunkten en grad, ser vi att molnbasen hamnar lägre och det skulle således krävas något mindre soluppvärmning innan vi når nivån för fri konvektion.

I just detta fallet spelar en höjning av daggpunkten ingen större roll för molntoppshöjden utan kanske bara innebär överutveckling tidigare på dagen. Hade vi däremot haft en inversion på medelhög höjd, kan extra fukt vid marken vara avgörande för om molnet orkar bryta genom denna inversion eller ej. Det kan innebära skillnaden mellan regnskur och inte regnskur och daggpunkten vid marken spelar ofta en större roll vid sådana tveksamma lägen än vad temperaturen gör.

Figur 6: Väldigt labil luft på väg in från nordväst över Ljungbyhed.

Figur 6 kan vara ett exempel på detta. Det är inte orimligt att anta att molnen i förgrunden hämmas av en inversion på höjd medan cumulonimbusmolnet i bakgrunden orkat ta sig genom inversionen. Ovanför är det sedan fritt fram att stiga till tropopausen. Det kan ibland alltså vara värt att laborera lite med daggpunkten, särskilt då man tänkt sig att flyga i moln.