Convective Available Potential Energy & Convective Inhibition

CAPE (Convective Available Potential Energy) ist eine Maßzahl für die maximale kinetische Energie (Bewegungs-energie), die einem Luftpaket bei einem möglichen Aufstieg vom Niveau der freien Konvektion bis zum Niveau, in welchem der Auftrieb verschwindet, in einer labil geschichteten Atmosphäre zur Verfügung stehen würde. 

T_v(,U) = Virtuelle Temperatur (der Umgebungsluft), g = Schwerebeschleunigung

Die Grenzen des Integrals sind die Höhe des Niveaus der freien Konvektion (engl. Level of Free Convection, LFC) und des Gleichgewichtniveaus (engl. Equilibrium Level, EL). Ab dem LFC kann ein Luftpaket frei bis zum EL aufsteigen, bei dem die Hebungskurve des Luftpakets die Zustandskurve schneidet. Grafisch interpretiert entspricht CAPE bei einem schrägen T-log(p)-Diagramm also der Fläche zwischen der Zustandskurve und der wärmeren Aufstiegstrajektorie (Abb. 1). CAPE kann als Labilitätsenergie bezeichnet werden und gibt Hinweise über die Aufwindstärke und dient demnach zur Abschätzung der Gewitterintensität. Jedoch müssen die limitierenden Faktoren der Parcel-Theorie beachtet werden, so dass die reellen CAPE-Werte immer geringer sind als die theoretisch berechneten Werte. Außerdem liefert CAPE keinerlei Hinweise darauf, ob tatsächlich Konvektion ausgelöst wird. Dies muss immer gesondert untersucht werden. Desweiteren ist die Berechnung der Labilitätsenergie stark abhängig von der Wahl des angehobenen Luftpakets. Wird es direkt vom Boden aus pseudoadiabatisch gehoben, so spricht man vom SB CAPE (surface-based CAPE). Allerdings kann es bei dieser Methode zu einer Überschätzung der Labilität kommen, wenn z.B. die Grenzschicht insgesamt eher trocken ist, aber ein hoher Taupunkt in Bodennähe vorliegt. Um diesem Problem entgegenzuwirken, wird ML CAPE (mixed-layer CAPE) benutzt. Dabei werden als Ausgangsdaten die mittleren Temperatur- und Taupunkt-werte der untersten 50 oder 100 hPa für die Berechnung verwendet, was öfters zu realistischeren CAPE-Werten führt, denn der Einströmbereich eines Gewitters ist generell gut durchmischt. Schließlich wird für die Berechnung der höchsten verfügbaren Labilitätsenergie in der Troposphäre vom MU CAPE (most-unstable CAPE) Gebrauch gemacht, wofür das instabilste Luftpaket in den untersten 300 hPa herangezogen wird. Diese Art von CAPE ist insbesondere für Konvektion nützlich, die entkoppelt von der Grenzschicht stattfindet, beispielsweise im Bereich maximaler Warmluftadvektion entlang einer Warmfront. Bei den verschiedenen CAPE-Arten kommt es entsprechend zu unterschiedlichen Höhen des LFC und EL, sowie des Hebungskondensationsniveaus (engl. Lifting Condensation Level, LCL).

Ein weiteres Maß für die Schichtungsstabilität der Troposphäre ist der negative Auftrieb bzw. die Konvektions-hemmung, die mithilfe von CIN-Werten ausgedrückt wird. CIN wird auf die gleiche Weise berechnet wie CAPE, nur dass die Integralgrenzen der Höhe des LFC und des Ausgangsniveaus des Luftpakets entsprechen:

Im Allgemeinen quantifiziert CIN die Energie, die für ein Luftpaket erforderlich ist, um das LFC zu erreichen. Diese Unterdrückung der Konvektion kann beispielweise durch eine thermische Inversion oberhalb der Grenzschicht erzeugt werden. Überwunden wird CIN in der Regel durch dynamische Hebung. Zudem kann bodennahe Warmluft-/Feuchteadvektion oder diabatische Erwärmung die Konvektionshemmung reduzieren. Grafisch interpretiert entspricht CIN bei einem schrägen T-log(p)-Diagramm also der Fläche zwischen der Zustandskurve und der kälteren Aufstiegs-trajektorie (Abb. 1).

Abb. 1: Schematisches schräges T-log(p)-Diagramm mit der Aufstiegstrajektorie eines vom Boden aus gehobenen Luftpakets mit einer bodennahen Temperatur von 26°C und einem boden-nahen Taupunkt von 21°C. Quelle: http://www.estofex.org/guide/.