Podstata energie CAPE ve vztahu k bouřkám
Jednou ze základních podmínek po vznik bouřek, v závislosti na dalších, je dostupnost energie pro konvekční procesy CAPE. Problematiku tohoto faktoru rozebereme detailněji v tomto článku. Energie CAPE je základní podmínkou pro vznik konvekce a bouřek, ale nikoli jistotou pro vznik bouřkové činnosti. Článek se zabývá tématem podstata energie CAPE ve vztahu k bouřkové činnosti a tedy ke konvekční činnosti v atmosféře.
Termická konvekce a CAPE
CAPE (z angl. Convection Available Potencial Energy) je v překladu potenciálně dostupná energie pro konvekci, přesněji pro konvekční procesy v atmosféře. Tato (dále jen “energie”) ukazuje tzv. výkonnost termiky. Jde o charakteristiku konvekčního prostředí. Termika, přesněji termická konvekce, jsou stoupavé proudy zahřátého vzduchu (přehřátého vzduchu vůči okolí), kdy při jeho výstupu vznikají za dalších podmínek konvekční (kupovité) oblaky Cumulus a s dalším růstem za dobrých podmínek tyto přerůstají v bouřkové oblaky Cumulonimbus. Více o stoupavých proudech termiky v případném jiném článku. Základní informace jsou na stránce Konvekce. Na tuto pro pochopení dalšího výkladu odkazujeme. Energie má vliv na výše stručně popsané stoupavé proudy zahřátého vzduchu.
Z tohoto vyplývá, že je nutný výskyt slunečního svitu o určité intenzitě a tedy co nejmenší množství oblačnosti na obloze. Proto se s termikou setkáme v teplé části roku, nejčastěji v létě, ale zpravidla ve větší míře již od května. Intenzita této energie do jisté míry určuje rychlost stoupavých proudů. Hodnoty energie jsou udávány v Joulech a kilogramy (J/kg). Dle praxe jsou pro výskyt významnější termiky považovány hodnoty energie nad 50J/kg, při hodnotách nad 500J/kg už přinášejí výskyt vertikálně vyvinutých oblaků Cumulus (stádium congestus) a hodnoty přibližně nad 600J/kg pak jsou indikátorem vyšší pravděpodobnosti výskytu bouřek. Mírnou až silnou konvekci představují podle některých autorů hodnoty CAPE 1000 až 3000J/kg. V našich podmínkách jsou dosahovány hodnoty nad 1000J/kg od května do srpna s maximem hodnoty nad 2000J/kg v červnu a červenci.
Výpočet hodnot CAPE a její druhy
Ač zde není v úmyslu prezentace rovnic, tak tuto jednoduchou rovnici pro výpočet energie CAPE si pro zajímavost dovolíme:
CAPE = integrál HVK, HNV g ((Tp-Te)/Te) dz, kde g je tíhové zrychlení, Tp je teplota stoupajícího vzduchu, Te je teplota okolního vzduchu a dz je . Spodní mez integrálu je výškou hladiny volné konvekce (HVK) a horní mez je výška nulového vztlaku (KNV).
Obr. 1 Znázornění dostupné energie CAPE na výřezu ze sondáže Praha-Libuš z 30.5.2008 12 UTC, zdroj: Dvořák P./chmi.cz 2008
Energii CAPE, přesněji vyjádřeno jako SB (Surfaced Based) jako nejobvyklejší formu výpočtu CAPE. Dále můžeme rozdělit výpočet na ML CAPE (Mixed Layer) a MU CAPE (Most Unstable). První typ uvažuje výstup vzduchu z přízemní teploty s předpokladem, že v mezní vrstvě určitého rozsahu dochází k adiabatickému (bez výměny tepla s okolním) promíchávání. Druhý typ je maximální hodnotou energie, která je dosažena při výstupech vzduchu ve spodní části (hladina spodních 300hPa).
CAPE = energie, kterou získává adiabaticky izolovaná částice vzduchu při výstupu z hladiny volné konvekce do hladiny nulového vztlaku. Energie závisí na hodnotách tlaku, teploty i vlhkosti stoupajícího vzduchu v počátku jejího výstupu. Od tohoto se určuje výpočet energie CAPE. Nejběžnější SB CAPE se počítá, pokud křivka vystupujícího vzduchu vychází z přízemních hodnot tlaku, teploty a teploty rosného bodu.
Jak správně porozumět energii CAPE?
Energie CAPE je prezentována v předpovědi jako pravděpodobnost výskytu bouřek. Ale to platí pouze za splnění dalších podmínek. Někdy bývá chybně označována jako za jednoznačný indikátor vzniku bouřek, kdy je například uvedeno “CAPE bude zítra velmi vysoké, mohou vznikat opravdu silné bouřky”. Takové tvrzení je bez zjištění dalších podmínek pro vznik bouřek (odkážeme zde na náš článek Podmínky pro vznik a rozvoj bouřkové činnosti, kde jsou tyto popsány komplexně a stručně. Tento článek rozšiřuje informace o jedné z mnoha podmínek). A toto tvrzení je ještě v jedné věci chybné a to ve formulaci “vysoké”. CAPE není středního rodu, ale ženského, kdy hovoříme o energii či případně obecně o veličině. Mnohdy se s tímto tvrzením ale můžeme setkat.
Energie CAPE je tzv. vodítkem a obecným indikátorem tohoto, že bude docházet ke konvekčním procesům v troposféře a že může dojít během dne i ke vzniku bouřek. Ke konvekčním procesům většinou i dochází, avšak v četných příkladech nejen že nevznikají bouřky, ale nevznikají ani kupovité oblaky. V takovém případě hovoříme o suché či přesněji bezoblačné konvekci. Částice vzduchu potřebuje k překonání tíhové síly při stoupání vzhůru určitou energii. Tuto když spotřebovává, posouvá se vzhůru. Jde též o práci, kterou zjistíme vynásobením síly a dráhy. Pokud částice vzduchu stoupá, přičítáme plochy jako součin vodorovné a svislé úsečky na aerologickém diagramu. Plocha je energií CAPE. Obdélníky přičítáme stále tak, jak se bude vzduch posouvat vždy o malý kousek nahoru. Součet ploch obdélníků označuje celkovou energii CAPE, spotřebovanou na konvekční proces.
CIN jako opak CAPE
Při hodnocení toho, zda vůbec bude docházet ke konvekčním procesům a zda je dána základní pravděpodobnost či možnost vzniku bouřek, musíme uvažovat též hodnoty CINu. CIN je též důležitým parametrem pro pravděpodobnost vývoje konvekce a vzniku bouřek.
CIN (z angl. Convective Inhibition) je doslova zádržná vrstva konvekce. Jedná se naopak o indikátor nemožnosti výskytu konvekčních procesů v troposféře a tedy nemožnosti vzniku bouřek. Jde přímo o energii, kterou je nutno vydat při výstupu vzduchu z přízemní hladiny do hladiny volné konvekce a vystupující částice je chladnější než okolí.
Tato vrstva je překážkou výstupu vzduchu. Jde o vzduchové vrstvy, v nichž se nachází teplotní inverze (teplota s výškou stoupá) nebo izotermie (teplota se s výškou nemění), tedy veškeré speciální vertikální průběhy teploty oproti běžnému, tedy poklesu teploty s výškou. Též se jedná o vrstvy vzduchu s nevýznamným poklesem teploty s výškou, oproti vrstvám vzduchu v okolí. Určujeme tedy pro účely vzniku konvekce průběh teploty s výškou určený vertikálním teplotním gradientem (rozdílem), což souhrnně nazýváme stratifikací.
Dovolíme si opět uvést vzorec pro výpočet hodnot CIN, který je až na integraci a znaménko shodný jako u CAPE, probraného výše:
CIN = -integrál HVK, 0 ((Tp-Te)/Te) dz, kde spodní mez integrálu je na zemském povrchu a horní je ve výšce hladiny volné konvekce (HVK).
Závěr
Základem předpokladu vzniku konvekčních procesů jsou ideální hodnoty CAPE (alespoň nad 600J/kg, nejlépe nad 1 000J/kg) a absence hodnot CIN (buďto minimální záporné hodnoty, nejlépe však zcela nulové). Teplotní rozdíl mezi vystupujícím vzduchem a okolním vzduchem nazýváme jako Lifted index (LI) a tento je zpravidla předpovídán současně s hodnotami CAPE. Jde o hladiny troposféry obvykle do 500hPa (cca 5 500 m n.m.). Teplota vystupujícího vzduchu musí být vyšší, čím více, tím lépe pro významné konvekční procesy. Výsledné hodnoty LI mohou být kladné a záporné. Pro větší pravděpodobnost významnější konvekce jsou potřebné záporné hodnoty tohoto indexu (hodnoty alespoň -2, ideálně -4 a nižší). Tento index ukazuje tedy stabilitu nebo nestabilitu atmosféry. O tomto blíže případně v jiném textu.
Literatura
DVOŘÁK, P. Atlas oblaků 2016. Cheb: Svět Křídel, 2016.
ŘEZÁČOVÁ, D. SETVÁK, M. NOVÁK, M. KAŠPAR, M. Fyzika oblaků a srážek. Praha: Academia, 2007.
DVOŘÁK, P.Letecká meteorologie 2017. Cheb: Svět Křídel, 2017.
BEDNÁŘ, J. KOPÁČEK, J. Jak vzniká počasí? Praha: Karolinum, 2005.
ČESKÝ HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV. Sondážní měření. Praha-Libuš. Online, 2008.
DVOŘÁK, P. Zlepšení metod předpovědi termické konvekce pro účely letecké meteorologie. Jasno. Zpravodajský portál, online, 2008, dostupné na http://www.jasno.cz/fil/1490777716.pdf.
