טפיגרמה

טפיגרמה היא אחת מארבע דיאגרמות תרמודינמיות המשמשות לניתוח מזג אוויר ולחיזויו. השם התפתח מהצורה "T-ϕ-gram", כדי לתאר את צירי הטמפרטורה - T וציר האנטרופיה - ϕ שסייעו לשרטט תרשים. בדרך כלל, מידע על נקודת הטל מרדיוסונדה משורטט על דיאגרמות אלה כדי לאפשר חישובים של יציבות קונבקטיבית, ושל אנרגיה פוטנציאלית קונבקטיבית זמינה (CAPE). סימוני הרוח מופיעים בדרך כלל בצד הטפיגרמה כדי לציין את הרוח בגבהים שונים.

תיאור

הטפיגרמה הומצאה על ידי המטאורולוג הבריטי נפיאר שאו ב-1915, ומשמשת בעיקר בבריטניה ובקנדה. במדינות אחרות משתמשים בדיאגרמות דומות למטרה זהה, אך פרטי מבניהן מגוונים. בטפיגרמה האיזותרמות הן ישרות, ולהן 45 מע' הטיה לימין, בעוד האיזוברים אופקיים ומעוקלים קמעא. אדיאבטות יבשות (קווי ירידת הטמפרטורה במפל הטמפרטורה האדיאבטי היבש) ישרות גם הן, ובנות הטיה של 45 מע' לשמאל. אדיאבטות לחות מעוקלות.

הסיבה העיקרית שהטפיגרמה משמשת בבריטניה בקנדה ובאירלנד היא התכונה שלאזורים המוגבלים על ידי העקומים אנרגיה זהה עבור אזורים שווים - דבר התורם להשוואות טובות יותר של CAPE, וכך אפוא גם למערכות קונבקטיביות.

הסבר באמצעות טפיגרמת השירות המטאורולוגי הישראלי

טפיגרמת השרות המטאורולוגי הישראלי

משמאל ניתן לראות את הטפיגרמה המשמשת את השירות המטאורולוגי בישראל (מומלץ ללחוץ על התמונה כדי לראות מקרוב את הסימונים על הטפיגרמה ואת משמעותם).

ראשית, הקווים האנכיים מציינים את הטמפרטורה - כדי לבדוק מה הטמפרטורה בלחץ מסוים, יש לעקוב אחרי הקו מטה, ולקרוא את הטמפרטורה המתאימה. הקווים האופקיים, מתארים את הטמפרטורה הפוטנציאלית, שאם ההתקררות אדיאבטית יבשה בלבד, היא אינה משתנה. כשנעים שמאלה לאורך הקווים האופקיים - הטמפרטורה בפועל יורדת לפי המפל האדיאבטי היבש.

העקומות מתארות את המפל האדיאבטי הלח - שהוא מתון יותר, מפאת חום כמוס שמשתחרר עם העיבוי. הוא מתאים לחבילת אוויר שהגיעה ל-100% של לחות יחסית. הקווים המקווקווים האדמדמים האלכסוניים מתארים את יחס העירוב ברוויה (בנקודת הטל) - מסת אדי המים ביחס למסת האוויר בטמפרטורה שבה חבילת אוויר מגיעה לרוויה. יחס זה מתאר אם כך, את מסת אדי המים המרבית שיכול האוויר להכיל בהינתן לחץ וטמפרטורה מסוימים. הערך של טמפרטורת נקודת הטל נמדד באמצעות רדיוסונדה, והוא מתאר את כמות האדים שנמצאת בגובה מסוים. חלוקת יחס העירוב ברוויה ביחס העירוב של הטמפרטורה בפועל, מניבה את הלחות היחסית.

הנקודות שמצוירות על הטפיגרמה משרטטות את "מפל הסביבה" של הטמפרטורה. זהו מפל הטמפרטורה בפועל, והוא שונה מהמפל האדיאבטי היבש או הלח, מפאת ערבול האוויר, הסעה, ותופעות מטאורולוגיות שונות. הסיבה שיש עניין במדידתו היא השוואת טמפרטורת הסביבה לטמפרטורה של "חבילה אוויר" (נפוץ המונח האנגלי Air parcel). חבילת אוויר היא גוש אוויר שגבולותיו דמיוניים, והוא בדרך כלל מתנהג שונה מהסביבה - עולה או יורד. הנחה מאוד חשובה לצורך הניתוח (והיא נכונה בקירוב טוב) היא ההנחה האדיאבטית (ראו תהליך אדיאבטי). לפי הנחה זו, אין חילוף חום בין הסביבה וחבילת האוויר על ידי הולכה. הנחה זו טובה, כיוון שנסיקת חבילת האוויר מהירה יחסית, וחילוף החום אכן זניח.

דוגמה למפל טמפרטורת הסביבה - יציבותן של שכבות שונות באטמוספירה תלויה במפל הטמפרטורה שלהן.

אוויר חם צפוף פחות מאוויר קר, ולכן יעלה (לפי חוק ארכימדס) - זו קונבקציה אטמוספירית. קונבקציה מעודדת יצירת ענני קומולוס מסוגיהם השונים. מניתוח הטפיגרמה ושרטוט המפלים, ניתן לראות אם חבילת האוויר חמה או קרה מסביבתה, וכך לנבא את ירידתה או עלייתה. מאחר שהנחנו תהליך אדיאבטי, חבילה האוויר אם תעלה, תתקרר לפי אחד משני המפלים האדיאבטיים התאורטיים.

בערך מפל הטמפרטורה באטמוספירה הסבר מפורט על יציבות האוויר בהקשר של מפלים אדיאבטיים, ואולם נוח מאוד לראות את היציבות בטפיגרמה. שהרי אם הטמפרטורה של חבילה המתקררת לפי המפל האדיאבטי היבש גבוהה ממפל הסביבה, האוויר בלתי יציב באופן מובהק - משום שגם לפי התקררות זו, העזה ביותר האפשרית של חבילת האוויר, היא חמה מסביבתה, ולכן תמשיך לנסוק. אם מפל הסביבה הוא בין המפל היבש למפל הלח, הרי היציבות תלויה בשאלה האם החבילה מתקררת לפי המפל היבש או המפל הלח, ולכן מצב זה מכונה בלתי יציב על תנאי. אם מפל הסביבה מתקרר בצורה מתונה אף מהמפל הלח, האוויר יציב, כיוון ששום מפל אינו מאפשר לחבילה להיות חמה מסביבתה. מצב שבו האוויר מתחמם עם הגובה, נקרא אינוורסיה, והוא יציב מאוד.

חבילת אוויר תתחיל לעלות אם למשל אזור מסוים בקרקע מתחמם מהר יותר מסביבתו, וכך אזור מסוים ייצור אוויר קל יותר. גם טופוגרפיה יכולה לגרום לעליית אוויר. זרימה של אוויר במדרונות הרים עשויה להביא לנסיקתו לגובה של מאות או אלפי מטרים.

חבילות אוויר מתחילות בדרך כלל את דרכן יבשות - בהקשר זה, פחות מ-100% לחות. אם הן עולות, הן מתקררות לפי המפל האדיאבטי היבש. בחבילת האוויר יש אדי מים שהיא נושאת עמה מהגובה המקורי שממנו עלתה. בדרך כלל מדובר בגובה הקרקע, ולכן יחס העירוב המתאר את הלחות של חבילת האוויר הוא יחס העירוב של הקרקע, גם כשהחבילה נמצאת בגובה אחר. כאשר חבילת אוויר עולה אם כן, היא מתקררת לפי המפל האדיאבטי היבש (הקווים האופקיים), אם האוויר בלתי יציב. כשהלחות היחסית עולה ל-100% מתחיל עיבוי, ואז היא מתקררת לפי המפל האדיאבטי הלח. בטפיגרמה הלחות היחסית עולה ל-100% כאשר הקו האופקי הרלוונטי המתאר את ההתקררות האדיאבטית היבשה פוגש ביחס העירוב ברוויה בקרקע. מנקודה זו ההתקררות היא לפי המפל האדיאבטי הלח (העקומות), עד שאנו נפגשים במפל טמפרטורה סביבתי יציב. כל הטווח הזה בגובה - מתחילתו של העיבוי, ועד המפגש עם האוויר היציב הוא ענן. אפשר לדעת את גובהו, ולחשב את פוטנציאל המשקעים שלו, באמצעות חישוב האנרגיה הפוטנציאלית הקונבקטיבית הזמינה (CAPE).

$\mathrm {CAPE} =\int _{z_{\mathrm {f} }}^{z_{\mathrm {n} }}g\left({\frac {T_{\mathrm {v,parcel} }-T_{\mathrm {v,env} }}{T_{\mathrm {v,env} }}}\right)\ dz$

נקודות הטל בגבהים השונים מצביעות על הלחות בחלקים הגבוהים יותר של האטמוספירה - ככל שהטמפרטורה בפועל רחוקה מטמפרטורת נקודת הטל, כך יבש יותר.