对流可用位能

✍ dations ◷ 2024-09-20 08:06:24 #大气热力学,流体动力学,恶劣天气与对流

对流可用位能（英语：Convective available potential energy）是大气科学当中使用的名词，为评估垂直大气是否稳定、对流是否容易发展的指标之一。近地面的空气块受垂直风切扰动或地形等其他因素而沿着绝热线上升时，在一定高度以上其温度若比周围环境温度高，意味着气块密度较周围环境空气小，则周围环境将给予气块向上的浮力。周围环境对空气块的作用力与空气块位移相乘，而得到周围环境对气块所做的功，这部分的能量在理想状态下将会储存在空气块中，使其具有向上发展的动能。一般对流可用位能的计算范围，是以自由对流高度以上到平衡高度为止，周围环境所能提供的浮力对高度积分而得。

对流可用位能的单位为每公斤空气所具有的焦耳数（J/Kg），当其值大于零时便有发生对流的可能。一般的对流可用位能计算方式为：加总气块相对于环境之浮力，从自由对流高度至平衡高度为止，如下列积分式：

$\mathrm {CAPE} =\int _{z_{\mathrm {f} }}^{z_{\mathrm {n} }}g\left({\frac {T_{\mathrm {v,parcel} }-T_{\mathrm {v,env} }}{T_{\mathrm {v,env} }}}\right)\,dz$ $\mathrm {CAPE} =\int _{z_{\mathrm {f} }}^{z_{\mathrm {n} }}g\left({\frac {T_{\mathrm {v,parcel} }-T_{\mathrm {v,env} }}{T_{\mathrm {v,env} }}}\right)\,dz$

其中， $z_{\mathrm {f} }$ $z_{\mathrm {f} }$ 代表自由对流高度（英语：Level of free condensation,LFC）； $z_{\mathrm {n} }$ $z_{\mathrm {n} }$ 代表平衡高度（英语：Equilibrium level,EL），浮力为零； $T_{\mathrm {v,parcel} }$ $T_{\mathrm {v,parcel} }$ 代表气块的虚温； $T_{\mathrm {v,env} }$ $T_{\mathrm {v,env} }$ 代表环境的虚温； $g {\displaystyle g}$ $g$ 代表标准重力。一个地区的对流可用位能通常由热力学图或探空图（英语：Atmospheric sounding）（例如：斜温图）上的温度和露点温度资料来计算。

对流可用位能在定义上为大于或等于零的值，若浮力对上升距离之积分为负值时，则为对流抑制能。对流抑制能存在的高度内，气块之虚温较环境低，因此气块的密度较环境大，不利气块上升。气块必须先具备足够动能，才能突破对流抑制能的限制。

对流可用位能代表的是积云或积雨云中的气块上升经过正能区(气块密度小于环境)时浮力所作的正功，因此可以借此估算气块动能的增加。然而，现实当中需要考虑其他因素。首先，理论上对流可用位能无法完全转换为气块的动能，因为环境的补偿性下降运动会使环境温度上升、密度下降，进而使浮力下降。其次，气块上升过程中，环境空气会（逸入作用）气块中，使气块变干，这会使气块中水滴或冰晶汽化、温度下降、密度上升，进而使浮力下降。其三、计算对流可用位能时不考虑气块中的水滴或冰晶，这导致低估气块密度，因为水相变时所释放的潜热会有部分留在水滴或冰晶中而未释放到空气中，且水滴或冰晶受到空气的拖曳作用之反作用力也会使浮力下降。其四，计算对流可用位能时亦不考虑非静力平衡的气压梯度力。以上除第四项可能增加也可能减少浮力外，其余三项均导致浮力下降，故对流可用位能对于气块动能的增加的估算会有落差。另外，对流可用位能的计算本身也有误差来自不同的高度上升的气块。对流可用位能为评估大气不稳定度（英语：Atmospheric instability）的一项指标，但对流可用位能越大不代表发生对流的强度一定较强，仍需要其他因素配合。通常对流可用位能值大于1000J/Kg以上视为不稳定的大气状态，在某些极端例子中对流可用位能可达5000J/Kg以上。

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