対流不安定性

気象学では、対流不安定性または気団の安定性は、鉛直運動に抵抗する能力を指します。安定した大気は鉛直運動を困難にし、小さな鉛直擾乱は弱まり消えます。不安定な大気では、鉛直空気の動き（山岳地帯の上り坂の風に吹き上げられて気団が上方に移動する地形性上昇など）が大きくなる傾向があり、乱気流と対流活動が発生します。不安定性は、著しい乱気流、広範囲にわたる鉛直雲、雷雨などの悪天候につながる可能性があります。^[1]

断熱冷却と断熱加熱は、上昇気流または下降気流の現象です。上昇気流は高度が上昇するにつれて気圧が下がるため膨張し、冷却されます。下降気流の場合はその逆で、大気圧が上昇すると、下降気流は圧縮されて温度が上昇します。断熱加熱と断熱冷却は、この温度変化を説明するために使用される用語です。

断熱減率は、上昇または下降する気団の温度が垂直方向の移動距離ごとに低下または上昇する割合です。周囲または環境減率は、（移動していない）空気の垂直距離あたりの温度変化です。不安定性は、気団の断熱減率と大気中の周囲減率の差によって生じます。 ^[2]

断熱減率が周囲の減率よりも低い場合、上方に移動する空気塊は、それが移動している空気よりもゆっくりと冷却されます。したがって、このような空気塊は大気に対して暖かくなります。暖かい空気は密度が低いため、このような空気塊は上昇し続ける傾向があります。

逆に、断熱減率が周囲減率よりも高い場合、上方に移動する気団は、それが移動する空気よりも急速に冷却されます。したがって、このような気団は大気に対してより低温になります。より低温の空気はより密度が高いため、このような気団の上昇は抵抗される傾向があります。

空気が上昇するとき、凝結が起こった湿った空気は、乾いた空気（まだ凝結が起こっていない湿った空気を含む）よりも低い速度で冷却されます。つまり、同じ上向きの垂直移動と開始温度の場合、湿った空気の塊は乾いた空気の塊よりも暖かくなります。これは、膨張冷却により空気塊内の水蒸気が凝結するためです。水蒸気が凝結すると、潜熱が空気塊に放出されます。湿った空気は乾いた空気よりも水蒸気が多いため、上昇するときに湿った空気塊に多くの潜熱が放出されます。乾いた空気は水蒸気がそれほど多くないため、乾燥空気は湿った空気よりも垂直移動でより速く冷却されます。水蒸気の凝結中に放出される潜熱の結果として、湿った空気は乾燥空気よりも比較的低い断熱減率を持ちます。これにより、湿った空気は一般に乾燥空気よりも安定性が低くなります（対流有効位置エネルギー[CAPE] を参照）。乾燥断熱減率（不飽和空気の場合）は、垂直 1,000 フィート（300 メートル）あたり 3 °C（5.4 °F）です。湿潤断熱減率は、垂直 1,000 フィート（300 メートル）あたり 1.1 ～ 2.8 °C（2.0 ～ 5.0 °F）の範囲で変化します。

湿度と気温の組み合わせによって、空気の安定性と天候が決まります。冷たく乾燥した空気は非常に安定しており、垂直方向の動きに抵抗するため、天気は概して晴れて良好です。最も不安定になるのは、夏の熱帯地域のように空気が湿って暖かいときです。通常、これらの地域では周囲の空気が不安定なため、毎日のように雷雨が発生します。

周囲の気温減率は気象条件によって異なりますが、平均すると 1,000 フィート (300 メートル) あたり 2 °C (3.6 °F) です。

下層圏安定度（LTSとも呼ばれる）は、大気物理学でよく使われる気象パラメータです。地球上の特定の場所で計算され、次のように定義されます。

$${\displaystyle LTS=\theta _{700}-\theta _{0},}$$

ここで、 は700 hPa の気圧レベルでの空気塊の潜在温度であり、 は地表での潜在温度です。 ${\displaystyle \theta _{700}}$${\displaystyle \theta _{0}}$

これは、地球上の惑星境界層を覆う逆転層の強さを測る単純だが有用な尺度として最初に導入されたものであり、特定の場所における気柱の対流安定性のレベルも示しています。 ^[3] LTS が負の領域では、地表の潜在温度が中層対流圏よりも高いため、気柱が不安定になり、対流が促進されます。ただし、この安定性の尺度には、空気の熱力学的特性 (飽和混合比、したがって下層対流圏の断熱形状) が考慮されていないという大きな制限があります。その後、下層対流圏の空気の熱力学的特性にさらに注意を払う、推定逆転層強度と呼ばれるより洗練された安定性の尺度が開発されました。^[4]

• 自由対流層（FCL）
• リフト指数（LI）
• 条件付き対称不安定性(CSI)