大気の安定度と対流

空が澄んだままであるか、あるいはそびえ立つ雷雨に発展するかは、安定度、すなわち上昇する空気塊の浮力と周囲の空気の抵抗との間の綱引きに依存します。

Definition

大気の安定度とは、変位した空気塊が元の高度に戻るか、あるいは元の高度から離れて加速する傾向を記述するものであり、対流とは、大気が不安定になり空気塊が浮力を持つときに発生する鉛直方向の転倒現象です。

Scope

このトピックでは、静的安定度と空気塊理論、絶対不安定、条件付不安定、対流不安定の条件、対流有効位置エネルギーによって測定される対流に利用可能なエネルギー、および結果として生じる自由対流と強制対流について扱います。

Core questions

• 空気塊の減率と環境を比較することが、どのように安定度を決定するのでしょうか？
• 絶対不安定、条件付不安定、対流不安定の違いは何ですか？
• 対流有効位置エネルギーは、どのように嵐の可能性を定量化するのでしょうか？
• 大気対流は何によって引き起こされ、維持されるのでしょうか？

Key theories

安定度の空気塊理論

周囲よりも暖かく、密度が低い状態になった変位した空気塊は上昇を続け、不安定性を示します。一方、冷たくなった空気塊は沈降し、これが空気塊と環境の減率を比較する基礎となります。

対流有効位置エネルギー

空気塊が正の領域の層を上昇する際に獲得するであろう統合された浮力は、対流に利用可能なエネルギーを測定し、雷雨の活発さを予測するのに役立ちます。

Mechanisms

安定度は、仮想的な空気塊を持ち上げ、その温度（乾燥断熱減率または湿潤断熱減率によって決定される）を周囲の環境と比較することによって判断されます。もし周囲の環境が空気塊よりも速く高度とともに冷える場合、空気塊は浮力を保ち続け、対流が発生します。もし周囲の環境が空気塊よりもゆっくりと冷える場合、空気塊は沈降し、空気は安定しているとされます。条件付不安定は、層が乾燥した状態では安定しているが、飽和した上昇に対しては不安定である場合に発生し、飽和するまで持ち上げられると対流が解放される可能性があります。この利用可能なエネルギーは対流有効位置エネルギーによって定量化されます。

Clinical relevance

ゾンデ観測から安定度と対流エネルギーを評価することは、雷雨、悪天候、航空上の危険を予測する上で中心的な役割を果たします。安定度の概念から導き出される指数は、日々の対流見通しや暴風警報の発令に役立っています。

History

空気塊理論と条件付不安定の解析は、20世紀半ばにリーエルとシンプソンによる熱帯および対流性気象の研究とともに成熟しました。その後、エマニュエルの統合で強調された対流有効位置エネルギーのようなエネルギーベースの測定は、対流を診断するための標準的なツールとなりました。

Key figures

• Kerry Emanuel
• Joanne Simpson
• Herbert Riehl

Seminal works

• emanuel1994
• wallace2006

Frequently asked questions

なぜ大気は不安定になるのですか？

大気は、高度とともに気温が急速に低下するときに不安定になります。この場合、上昇する空気塊は周囲よりも暖かく軽いままであり、上昇を加速し続けるため、雲や雷雨が発生しやすくなります。

CAPEは予報官に何を伝えますか？

対流有効位置エネルギー（CAPE）は、上昇する空気塊が獲得しうる浮力エネルギーの量を測定します。CAPEが大きいほど、より強い上昇気流とより活発な雷雨の可能性を示唆しますが、他の要素も必要とされます。