Convective Clouds

• ชั้นบรรยากาศ     

          บรรยากาศของโลกประกอบด้วยแก๊สหลากหลายชนิดผสมรวมกันอยู่ ที่เราเรียกว่า "อากาศ" ( Air ) ซึ่งมีคุณลักษณะเฉพาะคือ ความดัน ความหนาแน่น และอุณหภูมิ จะมีการเปลี่ยนแปลงไปตามระดับความสูง ตำแหน่งที่อยู่ และฤดูกาล โดยที่ค่าความดัน ความหนาแน่น และอุณหภูมิของอากาศจะมีค่าลดต่ำลงเมื่อความสูงเพิ่มขึ้น

• การเคลื่อนที่ของอากาศ 

          อากาศมีการเคลื่อนที่ทั้งในแนวระนาบ(แนวนอน)และแนวระดับ(แนวดิ่ง)การเคลื่อนที่ของอากาศในแนวระนาบที่สามารถสัมผัสได้ชัดเจนก็คือ ลม (Wind) ซึ่งเกิดเมื่อมีความแตกต่างของความดันอากาศ (ความกดอากาศ)ในแต่ละบริเวณ โดยมีการเคลื่อนที่จากบริเวณที่มีความดันอากาศสูงไปหาบริเวณที่มีค่าความดันต่ำกว่า (ความกดอากาศสูงไปยังความกดอากาศต่ำ) ด้วยแรงที่เรียกว่า Pressure Gradient Force ( PGF ) ทำให้เกิดลมพัดจากบริเวณที่มีความกดอากาศสูงไปยังบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำ ซึ่งจะมีการเบี่ยงเบนของทิศทางลมและความเร็วของลมไปเพราะสาเหตุจากมีแรงอื่นภายนอกมากระทำร่วมด้วย อันได้แก่ แรงที่เกิดจากการหมุนรอบตัวเองของโลก ที่เรียกว่าแรงโคริโอลิส ( Coriolis Force ) และแรงต้านที่ใกล้พื้นผิวของโลก ที่เรียกว่าแรงเสียดทาน ( Friction Force ) รวมทั้งยังมีแรงอีกชนิดหนึ่งที่มาเกี่ยวข้องกับทิศทางของลมในบริเวณรอบศูนย์กลางของความกดอากาศต่ำ ( Low Pressure ) และความกดอากาศสูง ( High Pressure ) ก็คือแรงสู่ศูนย์กลาง ( Centripetal Force )

• Convergence / Divergence and Vertical Motion

           การพัดรวมเข้าหากัน ( Convergence ) หรือการพัดแยกออกจากกัน ( Divergence ) ของอากาศจะมีความสัมพันธ์กับการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวดิ่ง ( Vertical Motion ) ปรากฎการณ์ที่มักเกิดให้เห็นอย่างชัดเจนก็คือบริเวณศูนย์กลางของความกดอากศต่ำ จะมีการพัดรวมเข้าหากันของอากาศในแนวระนาบ เป็นลักษณะที่เรียกว่า Horizontal Convergence อากาศจะถูกบีบอัดเข้าหากันทำให้อากาศถูกดันให้ยกตัวขึ้นเป็นการเคลื่อนตัวในแนวดิ่งจนไปถึงระดับหนึ่งก็จะมีการกระจายตัวออก ( Divergence ) ในทุกทิศทาง เกิดเป็นการหมุนเวียนของอากาศ ( Circulation ) เพื่อเป็นการปรับสมดุลกันระหว่างความกดอากาศต่ำและความกดอากาศสูง

       
           คุณลักษณะบางประการที่นำมาใช้ในการคาดหมายการเกิด Convective Clouds และหยาดน้ำฟ้า ( Precipitations ) ที่สำคัญก็คือการเคลื่อนที่ของอากาศในแนวดิ่ง ( Vertical Motion ) มีความสำคัญอย่างมากต่อการเปลี่ยนแปลงลม ฟ้า อากาศ เนื่องจากเมื่ออากาศเคลื่อนตัวขึ้นในแนวดิ่ง จนอุณหภูมิของอากาศลดลงถึงจุดที่มีการอิ่มตัวและเกิดการควบแน่น ( Condensation ) ของอากาศ  ย่อมสามารถทำให้เกิดการก่อตัวของกลุ่มเมฆขึ้นได้ โดยธรรมชาติแล้วเมฆเกือบทุกชนิดมีต้นกำเนิด จากการลอยตัวขึ้นในแนวดิ่งของอากาศแทบทั้งสิ้น ขบวนการในชั้นบรรยากาศที่เกิดจากการเคลื่อนตัวของอากาศในแนวดิ่ง จะมีความสัมพันธ์กับตำแหน่งของบริเวณที่มีความกดอากาศต่ำที่ปรากฎเห็นบนแผนที่ความกดอากาศเท่าในระดับผิวพื้น ( Isobar Synoptic Map ) ที่นักพยากรณ์อากาศรู้กันดีด้วยประสบการณ์ตรง

          

         
ยังมีตัวการหลักที่มีความสำคัญมากอีกสิ่งหนึ่งที่สัมพันธ์กับการลอยตัวของ อากาศขึ้นในแนวดิ่งก็คือ เสถียรภาพของอากาศ ( Air Stability ) อันมีผลโดยตรงกับการเกิดปรากฎการณ์ ว่าจะมีความรุนแรงมากน้อยเพียงใด สามารถแบ่งลักษณะได้เป็น 3 สถานะคือ อากาศมีเสถียรภาพ ( Stable Air ) อากาศที่ไม่เสถียรภาพ ( Unstable Air ) และอากาศที่เป็นกลาง( Neutral Air )

• การเกิดเมฆ ( Cloud Formation )

         ในขณะที่อากาศมีการเคลื่อนที่ไปในแนวดิ่ง จะมีการขยายตัวออกและมีการเย็นตัวลง(อุณหภูมิลดลงตามความสูง) ไปด้วย ทำให้ค่าความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศ ( Relative Humidity ) สูงขึ้น เนื่องจากเม่ออุณหภูมิของอากาศลดต่ำลง ความสามารถในการรับจำนวนไอน้ำของอากาศ ณ จุดนั้นก็จะต่ำลง ขณะที่ปริมาณไอน้ำในอากาศโดยรอบยังมีค่าเท่าเดิม แสดงว่าอากาศมีความชื้นสัมพัทธ์สูง และเมื่ออากาศมีค่าความชื้นสัมพัทธ์สูงจนถึงค่า 100 % อากาศก็จะเกิดการควบแน่น ( Condensation ) เป็นหยดน้ำ ( Water Droplet ) จำนวนมากรวมกันเป็นกลุ่มก้อนที่สามารถมองเห็นได้ก็คือ เมฆ ( Cloud )
          โดยทั่วไปในชั้นบรรยากาศกลุ่มเมฆที่ปรากฎให้เราเห็นเป็นกลุ่มก้อนที่ชัดเจน นั่นก็๋คือเมฆที่เกิดขึ้นจากการก่อตัวในทางตั้ง (มีการลอยตัวของอากาศจากระดับพื้นล่างขึ้นไปในแนวดิ่งสู่ชั้นบรรยากาศระดับที่สูงขึ้นไป) เมื่อมีการถ่ายเทของความร้อนและความชื้น ในระหว่างการเคลื่อนที่ไปในแนวดิ่งของชั้นบรรยากาศ
           เมฆก่อตัวในแนวตั้ง ( Convective Clouds ) เป็นเมฆที่ลอยสูงจากพื้นดินได้ตั้งแต่ 500 เมตร จนถึง 20,000 เมตร แบ่งออกได้เป็น 2 ชนิดหลักๆคือ
           - เมฆคิวมูลัส ( Cumulus-CU ) ลักษณะเป็นก้อนหนาคล้ายดอกกะหล่ำ ถ้าเกิดเป็นหย่อมๆหรือลอยอยู่โดดเดี่ยว แสดงถึงว่าเป็นวันที่มีสภาวะอากาศดี แต่ถ้าปรากฎเห็นก้อนเมฆมีขนาดที่ใหญ่มาก อาจมีจะฝนตกได้ด้วยเช่นกัน
           - เมฆคิวมูโลนิมบัส ( Cumulonimbus-CB ) ลักษณะเป็นก้อนเมฆมีขนาดที่ใหญ่เมื่อโตเต็มที่จะเหมือนรูปทั่ง บางครั้งจะรวมกันอยู่เป็นกลุ่มหนาทึบ ( Super Cell ) หรือ เป็นแนวยาวครอบคลุมพื้นที่ได้หลายกิโลเมตร ( Squall Line ) ซึ่งเมฆประเภทนี้จะทำให้เกิดฟ้าแลบ ฟ้าร้อง ฝนตกหนัก ลมกระโชกแรงและบางครั้งมีลูกเห็บตก นอกจากนี้ยังทำให้เกิดพายุทอร์นาโดขึ้นได้อีกด้วย

เมฆ Cumulus - CU

เมฆ Cumulonimbus -CB ในสถานะกำลังก่อตัว 

เมฆ Cumulonimbus -CB ในสถานะโตเต็มที่

•  ปัจจัยพื้นฐานที่ทำให้เกิด Convective clouds

1. การพาความร้อนจากระดับต่ำที่พื้นผิวโลกสู่ชั้นบรรยากาศ ( Convection ) เกิดการยกตัวของอากาศ
2. ลักษณะภูมิประเทศ ( Topography ) 
3. แนวพัดเข้าหากันของกระแสอากาศในแนวระนาบ ( Horizontal Convergence ) 
4. แนวปะทะของอากาศ ( Fronts )

• คาดหมายบริเวณที่เกิด Convective clouds กันอย่างไร

          กลไกที่มีผลต่อการเกิดเมฆที่ก่อตัวในทางตั้ง ( Convective clouds ) คือการยกตัวของอากาศในชั้นบรรยากาศระดับล่างที่เรียกว่า Planetary Boundary Layer, PBL ซึ่งหมายถึงตั้งแต่ระดับพื้นผิว ( 1000 mb ) ไปถึงที่ระดับความสูงประมาณ 3 กม. ( 700 mb ) โดยที่มีการพิจารณาสภาพวะแวดล้อมในระดับต่ำที่ 1000-850 mb อันประกอบด้วย แนวพัดรวมเข้าหากันของกระแสอากาศในแนวระนาบ ( Horizontal Convergence )  มีความชื้นสัมพัทธ์ ( Relative Humidity, RH ) สูงเพียงพอซึ่งแสดงว่าบรรยากาศในบริเวณนั้นมีคุณสมบัติในสภาวะใกล้ถึงจุดอิ่มตัวของไอน้ำที่เรียกว่า Low Vapor Deficit  เป็นบริเวณที่มีหย่อมความกดอากาศต่ำ รวมถึงสภาพภูมิประเทศในพื้นที่นั้นๆ และกลไกสำคัญอีกประการหนึ่งที่ควรพิจารณาก็คือมีการหมุนวนของกระแสอากาศ ( Vorticity ) ในแนวระดับความสูงที่แตกต่างกัน เป็นการหมุนวนที่เกิดในลักษณะหมุนรอบแกนแนวนอน ( Horizontal Vorticity ) ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสอากาศในแนวดิ่งที่เรียกว่า Vertical Wind Shear อันมีผลต่อการเปลี่ยนแปลงของชั้นบรรยากาศระดับล่าง ( Planetary Boundary Layer, PBL ) อย่างมีนัยสำคัญ (เป็นคนละทิศทางกับ Vorticity ของชั้นบรรยากาศระดับกลาง ที่ใช้กันในการวิเคราะห์แผนที่อากาศชั้นบน) โดยที่ในส่วนของชั้นบรรยากาศระดับกลางที่ระดับความกดอากาศตั้งแต่ 700-500 mb เราจะพิจารณาการหมุนวนของกระแสอากาศจากการหมุนรอบแกนในแนวดิ่ง ( Vertical Vorticity ) ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสอากาศในแนวระนาบที่เรียกว่า Horizontal Wind Shear ซึ่งจะมีความสัมพันธ์กับการกระจายออกของกระแสอากาศในชั้นบรรยากาศระดับสูงที่ 300-200 mb ( Upper Divergence ) ปัจจัยทั้งหมดนี้เป็นสิ่งที่ต้องนำมาวิเคราะห์ร่วมกันเพื่อตัดสินใจในการออกพยากรณ์พื้นที่ที่จะเกิดเมฆการก่อตัวในทางตั้ง ( Convective clouds ) ทั้งสิ้น
 

• แล้วเราใช้ข้อมูลใดเพื่อคาดหมายบริเวณที่จะเกิด Convective Clouds กันบ้าง    (เป็นเพียงข้อสังเกตจากประสบการณ์ ไม่ใช่เอกสารวิชาการ)

·     แผนที่อากาศ ( Synoptic Chart ) มีบริเวณหย่อมความกดอากาศต่ำปรากฏแสดงด้วยเส้นค่าความกดอากาศเท่า ( Isobars ) รวมทั้งบริเวณของแนวปะทะอากาศ ( Fronts ) และพายุหมุนเขตร้อน ( Tropical Cyclones )

แผนที่อากาศ  ( Synoptic Chart )

·       การพัดสอบเข้ารวมกันของกระแสลม ( Convergence )ในระดับของ Planetary boundary Layer (1000-700 mb) ตัวอย่างเช่นModelวันที่ 15 มีค.2557 +18hrs.จากแผนที่การวิเคราะห์เส้นทิศทางกระแสลม ( Streamlines ) ดังแสดงพื้นที่โทนสีฟ้าในภาพA  ( Streamlines  ที่ระดับ 1000 mb ) และพื้นที่โทนสีม่วงในภาพB  ( Streamlines  ที่ระดับ 850 mb )

ภาพA แสดงเส้นทิศทางกระแสลม ( Streamlines ) ที่ระดับ1000 mb

ภาพB แสดงเส้นทิศทางกระแสลม ( Streamlines ) ที่ระดับ850 mb

 

·     ความชื้นสัมพัทธ์ของชั้นบรรยากาศในระดับของ Planetary boundary Layer (1000-700 mb) มีค่าถึง 75% เป็นต้นไป

·     สถานะของชั้นบรรยากาศเมื่อวิเคราะห์ตามแผนภูมิจากผลการหยั่งอากาศในบริเวณนั้นได้เป็นแบบอากาศที่ไม่มีเสถียรภาพ ( Unstable Air ) 

·     วิเคราะห์จากแผนที่ลมชั้นบนระดับกลางของชั้นบรรยากาศ (700-500 mb) ปรากฏบริเวณที่เป็น Upper TROUGH/RIDGH

·     การพัดกระจายออก ( Divergence ) ของกระแสลมในระดับบนของชั้นบรรยากาศที่ระดับ 200 mb แสดงด้วยเส้นทึบสีขียวตามภาพ

·     มีลักษณะของ Vertical Wind Shear วิเคราะห์ได้ที่ชั้นบรรยากาศระดับ Planetary boundary Layer (1000-700 mb) จากการทำภาพตัดขวางของชั้นบรรยากาศในบริเวณที่เราให้ความสนใจ ดังแสดงตามภาพ

(ยังมีต่อ...)