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Potential temperature

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Initial state: Ti, P

 

Ti

 

P 0,286

 

 

Terminal state:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti0

 

 

 

 

 

 

θ. 1000 hPa

 

 

 

 

 

 

 

 

P0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0,286

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti

 

 

P

 

 

 

 

 

 

 

 

1000

0,286

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

P

 

 

 

1000

 

 

 

0,286 Rc

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Properties of the potential temperature

1. It remains unchanged at adiabatic displacement (up or down)

ln lnT Rc ln1000 Rc ln P

 

i

cp

cp

 

 

11

 

 

ln lnT Rc ln1000

Rc ln P

 

dP

 

 

 

 

 

 

i

cp

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

RcTi

P cpdTi

d

dTi

Rc dP

 

Constant

 

 

 

 

 

cpTi

 

T

 

c

p

P

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

0

 

 

0

 

dTi Rc dP 0

 

 

 

 

d 0

 

Ti

cp P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

If an air particle moves without heat exchange with environment, its potential temperature remains unchanged, while its molecular temperature changes.

Any variation of the potential temperature means that the air gains or looses energy.

dq cpTi d

12

2. Potential temperature determines total amount of energy.

d

dTi

 

Rc dP

cpTi

d

dP

 

 

Ti

 

cp P

Ticp

cpdTi RcTi P

dq

g Ti Te

 

dq c T

d

 

RcTi

dP

RcTi g

 

 

Pdz

 

gTi

dz

 

 

 

 

P

 

Te Rc P

Te

 

 

 

 

p i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T c

 

d

c

dT gTi

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

i

p

 

 

 

 

p

i

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

dz gdz gdz

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

gdz g Ti

 

1 dz gdz g Ti Te

dz

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

с T

d

c

 

 

 

 

 

 

 

 

Te

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dT gdz g Ti

dz

 

 

 

 

 

 

 

p i

 

 

p i

 

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

13

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ti

Te

сpTi

cpdTi gdz g

T

dz

 

 

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

i

 

 

 

 

 

 

 

Ei is instability energy

 

 

 

 

 

 

 

 

Эi cpTi const

dEi

 

(CAPE=convective

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

available potential

Entalpy or total heat

Ф is potential

 

 

 

 

energy)

 

 

 

 

 

 

 

 

energy

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(Geopotential)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

d

 

 

 

 

d

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сpTi

i dФ dEi

 

 

 

 

 

сpTi

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Total energy of a particle of a unit mass

 

 

i i dФ dEi

 

 

 

 

d

 

i

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Potential temperature variation is uniquely

 

 

 

 

 

 

 

cpTi

determined by the total energy variation of the air

 

 

 

 

 

 

 

particle.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

At adiabatic displacement, the total energy of the air particle remains unchanged. 14

 

Z

2

dE

Z 2

 

 

 

E

 

 

g Ti

Te dZ

i

 

i

 

T

 

 

Z

1

 

 

Z

1

 

 

 

 

 

 

e

 

E

 

 

 

g Ti

Te Z

i

 

T

 

 

 

e

 

E g Ti Te Z dW

Z

 

 

 

 

 

i

T

 

dt

 

 

e

 

 

 

For a unit of mass m=1 kg

F a m a

E F L aL

In our case L=∆Z

 

 

 

 

 

 

 

a dW

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

W W Ei

 

 

 

 

dt

 

 

 

 

Ti

Te

dW

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

g

T

 

dt

 

 

 

 

 

 

 

 

Wmax 2Ei

 

 

 

 

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Criterion of the atmosphere stability

 

Te

Environmental vertical temperature gradient or

Z

 

 

Ti Ti0 a z z0 Ti0 0,01 z z0

lapse rate

Temperature and other meteorological parameters distribution with height is known as stratification of the atmosphere.

Z

a

Z2

 

 

Z

 

e2

 

 

 

 

 

 

e1

 

 

Z2

 

 

 

 

 

Case 1

 

 

a

 

 

Case 2

 

 

Zo

e1 a

 

 

 

 

 

Zo

e1 a

 

 

Z1

T

 

 

 

 

 

 

Z1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

Ti Te

 

 

 

Ti

Te

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Case 3

 

 

 

 

 

 

 

Ti Te

 

Ti Te

Z

Ti Te

 

Ti

Te

 

 

 

 

a e3

Z2

 

 

 

 

The atmosphere is

 

 

The atmosphere is

 

 

 

 

 

stable (stable

unstable (unstable

 

 

 

Zo

 

stratification)

stratification)

 

 

 

 

Z1

 

dW

 

T

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T

 

 

 

g

i

e

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Neutral state

Ti Te

 

 

 

dt

 

 

 

Te

16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

The reasoning above suggests:

 

 

 

 

 

 

 

 

a

e

The atmosphere is unstable

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

e

The atmosphere is stable

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

a

e

The atmosphere is in the neutral state

Our reasoning and conclusion are valid assuming the process goes without any exchange with environment. In the real atmosphere at leastways some exchange takes place. However, in spite this exchange, conclusion on stability conditions and corresponding vertical displacement are valid.

Potential temperature variation at different types of the stratification

Case 1. Unstable a

stratification

P

P2

 

 

0

 

 

 

P1

P=1000 hPa

Z

2

T

 

17

 

 

 

1

 

 

 

Potential temperature decreases with height in unstable atmosphere or if potential temperature decreases with height, it means that the atmosphere is unstable

Case 2. Stable

P

P2

 

 

0

 

 

stratification

 

P1

 

Z

a

 

 

 

1

2

T

P=1000 hPa

 

 

 

 

 

 

 

 

Potential temperature increases with height in the stable atmosphere or if potential temperature increases with height, it means that the atmosphere is stable

From the similar reasoning it goes without saying that at the neutral condition potential temperature does not vary with height.

0Z

18

Theoretical support of the reasoning above

1000

R c p

 

 

 

 

ln lnT

R

 

ln1000

R

ln P

T

P

 

 

 

 

 

 

cp

cp

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 1 T R P

z T z cp P z

 

1

 

1

T

 

1 g

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

T

z

T cp

 

 

 

g

; T

 

 

 

 

cp

a

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Unstable state

a 0

Stable state

a 0

Neutral state

a 0

 

 

 

R P

 

 

R

 

g g

R P

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Pcp z

 

 

 

cp P RT

 

 

 

 

Pcp

 

1

 

 

1

 

 

1

 

 

1

 

z

 

 

T

 

 

T

 

a

 

 

T

 

 

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

a

 

 

 

 

z

 

 

 

T 0

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

z

 

 

0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

 

 

 

 

 

 

z

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

All above refers to the dry air (non-saturated air)

Very hot surface

In case of very dry air, instead of cloud formation, overturning of layer occurs. Cold air moves down, and the overheated air ascents up in convective flows.

This process results in formation of eddies similar to tornado, but these vortexes are very small. In our latitudes, this process leads to gusty winds and squalls.

20