基本介紹
- 中文名：自由對流高度
- 外文名：Level of Free Convection, LFC
- 學科：大氣物理學，天氣學
- 套用：單站天氣預報
定義,預報結論,有關參數,
定義
自由對流高度（Level of FreeConvection，簡稱LFC）。
某一高度以下氣層穩定，氣塊只能外力作用下迫使其抬升，當上升到這一高度後，氣塊溫度高於環境溫度，氣塊能從環境大氣中獲取不穩定能量自由上升，這個高度即為自由對流高度。在T-logP圖上，用地面溫度、氣壓和露點作狀態曲線，它與層結曲線相交點所在的高度即為自由對流高度。
LFC是氣塊溫度與環境溫度之差由負值轉為正值的轉折點的高度。
自由對流的水平（LFC）是在大氣高度中，其中溫度環境降低比快濕絕熱遞減率飽和的空氣包裹在同一水平。
找到LFC的通常的方法是從沿著水平較低解除包裹乾燥絕熱遞減率，直到它穿過包裹的混合比行：這是在解除縮合水平（LCL）。從那裡，按照濕潤絕熱遞減率直到包裹的溫度達到氣團溫度，在平衡水平（EL）。如果沿著濕絕熱線包裹的溫度比進一步電梯環境回暖，就會發現LFC。
因為包裹的體積是由比LFC後周圍空氣更大的理想氣體定律（PV = NRT），它是不太緻密的，並成為浮力上升，直至其溫度（達E）等於周邊氣團。如果氣團有一個或多個LFC，這是潛在的不穩定性，並可能導致對流雲團的出現比如積雲和雷雨。
預報結論
（1）自由對流高度高,0~3、0~6 km垂直風切變很小，是雷雨大風強對流天氣發生的有利物理條件，且強對流臨近時低層垂直風切變有變大的趨勢。
（2）可用對流溫度預報局地熱雷雨。
（3）較強的能量鋒區、 中低層明顯的對流不穩定層結及高層下伸呈漏斗狀分布的θse和明顯的濕度鋒是中尺度對流系統產生的有利天氣模型， 而高對流有效位能、 較低的自由對流高度、 較大的低層濕度和垂直風切變， 有利於強降水超級單體的發生、 發展。
有關參數
（1）沙氏指數SI
反映大氣穩定狀況的一個指數。它定義為850hPa等壓面上的濕空氣團沿乾絕熱線上升，到達凝結高度後再沿濕絕熱線上升至500hPa時所具有的氣團溫度Ts850與500hPa等壓面上的環境溫度T500的差值。 當SI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大，反之，則表示氣層是穩定的。
SI= T500- Ts850
根據國外資料，SI與對流性天氣有以下關係：
SI〉-3°C發生雷暴的可能性很小或沒有；
0°C< SI<3°C有發生陣雨的可能性；
-3°C< SI<0°C有發生雷暴的可能性；
-6°C< SI<-3°C有發生強雷暴的可能性；
SI<-6°C有發生嚴重對流天氣（如龍捲風）的危險；
（2）抬升指數LI
氣塊從低層900m高度沿乾絕熱線上升，到達凝結高度後再沿濕絕熱線上升至500hPa時所具有的溫度Ts與500hPa等壓面上的環境溫度T500的差值。當LI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大，反之，則表示氣層是穩定的。
LI=T500-Ts
（3）有利抬升指數BLI
把700hPa以下的大氣按50hPa間隔分層，並將各層中間高度處上的各點分別按乾絕熱線上升到各自的凝結高度，然後分別按濕絕熱線抬升到500hPa，得到各點不同的抬升指數，其中的負值最大者即為最有利抬升指數。BLI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大。
（4）K指數
K指數的定義為：
K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700
其中T與Td分別表示溫度與露點溫度；下表500、700、850分別表示500、700與850hPa。
K指數計算式中第一項表示溫度直減率，第二項表示低層水汽條件，第三項表示中層飽和程度。因此K指數可以反映大氣的層結穩定情況。K指數越大，層結越不穩定，統計結果：K<20 無雷雨；20<K<25 孤立雷雨；25<K<30 零星雷雨；30<K35 成片雷雨。
(5)修正的K指數MK
Mk=0.5*（T0+T850）+0.5*（Td0+Td850）-T500-（T-Td）700
指考慮了地面溫度狀況的改進的K指數。這裡T0表示地面溫度，mK值越大表示氣團低層越暖濕，穩定度越小，因而越有利於對流產生。
（6）總指數TT
定義為：TT= T850+Td850－2T500
下標850和500分別表示850hPa和500hPa。TT越大，越容易發生對流天氣。
（7）強天氣威脅指數SWEAT
SWEAT=12Td850+20（TT-49）+2f850+f500+125(S+0.2)
Td850表示850hPa露點溫度（°C），若Td850為負數，此項為0；
TT= T850+Td850－2T500 ,即總指數，若TT小於49，則20（TT-49）項為0；f850為850hPa風速（海里/小時），以m/s為單位的風速應乘以2；f850為500hPa風速（海里/小時），以m/s為單位的風速應乘以2； ， 與 分別代表500hPa風向與850hPa風向；最後一項125(S+0.2)在下列4個條件中任何一個條件不具備時為零：850hPa風向在130°～250°之間；500hPa風向在210°～310°之間；500hPa風向減850hPa風向為正；850hPa及500hPa風速至少等於15海里/小時（7.5m/s）。
常用於龍捲預報， 根據美國龍捲和強雷暴實例分析， SWEAT指標值與天氣關係是：發生龍捲時的SWEAT臨界值為400，發生強雷暴時SWEAT的臨界值為300。強雷暴主要是指伴有風速至少在25 m·s 以上的大風，或直徑1.9cm以上降雹的雷暴天氣。
（8）深對流指數DCI
診斷用深對流指數： 深對流指伸展高度具有等於或大於均質大氣高度H0（與400hPa等壓面高度更接近）的對流系統。利用雲頂相當黑體亮溫計算的深對流指數可以作為表示雲頂等於或高於400hPa深對流雲的指數。
預報用深對流指數DCI
DCI=T850+Td850-LI
LI抬升指數.幾乎所有的強局地風暴事件都與深對流有關。深對流指數將850hPa層的溫度與地面至500hPa的浮力特性結合，估計發生深對流潛勢。該指數很高的地方，若同時具備抬升氣塊的觸發機制，則很可能出現強對流天氣事件。
（9）對流有效位能CAPE
或
其中ZLFC 為自由對流高度，是（TVP-TVE）由負值轉正值的高度；ZEL 為平衡高度，是（TVP-TVE）由正值轉負值的高度。
其物理意義表示：當氣塊的重力與浮力不相等且浮力大於重力時，一部分位能可以釋放，由於這部分能量對大氣對流有著積極的作用，並可轉化成大氣動能，稱其為對流有效位能。表示在自由對流高度之上，氣塊可從正浮力作功而獲得的能量。通常計算的CAPE對應於埃瑪圖上正面積所對應的能量。
（10）最佳對流有效位能BCAPE
在最底層200hPa層次內，找出假相當位溫最高值處，將該處氣塊抬升而算出的CAPE。
（11）下乘對流有效位能DCAPE
其中 表示密度溫度，下標e和p周圍環境和氣塊，Pi表示氣塊起始下沉處的氣壓，Pn表示氣塊到達中性浮力層或者地面時的氣壓，r表示水汽混合比。
物理意義：在風暴體內，當未飽和空氣中有液態水蒸發或者凍結層以下有固態水融化時會產生下沉對流有效位能。
（12）風暴強度指數SSI
SSI=100*[2+（0.276*In（Shr））+（2.011*10-4*CAPE）]
由0～3600m的平均風切變和浮力能量組合而成，反映垂直風切變和對流有效位能大小的綜合效應。在澳大利亞，將SSI>=120確定為強雷暴。
（13）粗里查遜數BRN
在實際計算中，常把U，V取為0～6KM的密度加權風與0～500M近地面層平均風之間的風氏差（或風速差）值的兩個分量。即：
強對流天氣可以發生在弱的垂直風切變結合強位勢不穩定或相反的環境中。該指數由對流有效位能和對流層中低層垂直風切變組合而成，可反映強對流發生時垂直風切變與位勢不穩定之間的平衡關係。有分析認為中等強度的超級單體往往發生在5≤BRN≤50的情況下，多單體風暴一般發生在BRN>35時。
（14）相對螺旋度RSH
在對流層低層幾公里範圍內，相對於風暴的風向隨高度順轉是風暴旋轉發展的一個關鍵因子。引入相對螺旋度用於定量估計沿風暴入流方向上的水平渦度大小及入流強弱對風暴旋轉的結合效應。試驗結果表明，對於弱龍捲，中等強度龍捲和強龍捲，螺旋度大小分別為150～299，300～499和大於450。當h>150時發生強對流的可能性極大。
（15）能量螺旋度指數EHI
EHI=(Hs-r*CAPE)/160000
其中，CAPE表示對流有效位能，Hs-r表示低空0～2km的風暴相對螺旋度。
強對流天氣既可以發生在低螺旋度（Hs-r<150m2*s-2）結合高對流有效位能（CAPE>2500 Jkg-1）的環境中，也可以發生在相反的環境中（Hs-r >300 m2*s-2結合CAPE>1000Jkg-1）。將對流有效位能和螺旋度結合形成能量螺旋度指數，反映了在強對流天氣出現時，對流有效位能與螺旋度之間的相互平衡特徵。研究表明：當EHI>2時，預示著發生強對流的可能性極大。EHI數值越大，強對流天氣的潛在強度越大。
（16）對流抑制指數CIN
其中Tb是該層的平均溫度，Te ,Tp分別表示環境與氣塊的溫度，Tv表示虛溫，Tve ，Tvp 分別表示環境與氣塊的虛溫，Zi（或者Pi）表示氣塊起始抬升高度（或氣壓）。對流抑制指數是指均勻邊界層氣塊在上升過程中從穩定層到自由對流高度所做的功，功的大小與從氣塊起始位置到自由對流高度間的狀態曲線與層結曲線所圍成的面積（負面積）成正比。對於強對流發生的情況往往是CIN有一較為合適的值：太大，抑制對流程度大，對流不容易發生；太小，能量不容易在低層積聚，對流調整易發生，從而使對流不能發展到較強的程度。
（17）0℃層高度ZHT
0℃溫度所在高度和冰雹的出現密切相關，有研究指出，90%的降雹出現在0℃層高度距地面高度為1524～3658m時；當0℃層高度距地高度為2134～3353m時，最可能出現大雹塊。
反映大氣穩定狀況的一個指數。它定義為850hPa等壓面上的濕空氣團沿乾絕熱線上升，到達凝結高度後再沿濕絕熱線上升至500hPa時所具有的氣團溫度Ts850與500hPa等壓面上的環境溫度T500的差值。 當SI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大，反之，則表示氣層是穩定的。
SI= T500- Ts850
根據國外資料，SI與對流性天氣有以下關係：
SI〉-3°C發生雷暴的可能性很小或沒有；
0°C< SI<3°C有發生陣雨的可能性；
-3°C< SI<0°C有發生雷暴的可能性；
-6°C< SI<-3°C有發生強雷暴的可能性；
SI<-6°C有發生嚴重對流天氣（如龍捲風）的危險；
（2）抬升指數LI
氣塊從低層900m高度沿乾絕熱線上升，到達凝結高度後再沿濕絕熱線上升至500hPa時所具有的溫度Ts與500hPa等壓面上的環境溫度T500的差值。當LI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大，反之，則表示氣層是穩定的。
LI=T500-Ts
（3）有利抬升指數BLI
把700hPa以下的大氣按50hPa間隔分層，並將各層中間高度處上的各點分別按乾絕熱線上升到各自的凝結高度，然後分別按濕絕熱線抬升到500hPa，得到各點不同的抬升指數，其中的負值最大者即為最有利抬升指數。BLI<0時，大氣層結不穩定，且負值越大，不穩定程度越大。
（4）K指數
K指數的定義為：
K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700
其中T與Td分別表示溫度與露點溫度；下表500、700、850分別表示500、700與850hPa。
K指數計算式中第一項表示溫度直減率，第二項表示低層水汽條件，第三項表示中層飽和程度。因此K指數可以反映大氣的層結穩定情況。K指數越大，層結越不穩定，統計結果：K<20 無雷雨；20<K<25 孤立雷雨；25<K<30 零星雷雨；30<K35 成片雷雨。
(5)修正的K指數MK
Mk=0.5*（T0+T850）+0.5*（Td0+Td850）-T500-（T-Td）700
指考慮了地面溫度狀況的改進的K指數。這裡T0表示地面溫度，mK值越大表示氣團低層越暖濕，穩定度越小，因而越有利於對流產生。
（6）總指數TT
定義為：TT= T850+Td850－2T500
下標850和500分別表示850hPa和500hPa。TT越大，越容易發生對流天氣。
（7）強天氣威脅指數SWEAT
SWEAT=12Td850+20（TT-49）+2f850+f500+125(S+0.2)
Td850表示850hPa露點溫度（°C），若Td850為負數，此項為0；
TT= T850+Td850－2T500 ,即總指數，若TT小於49，則20（TT-49）項為0；f850為850hPa風速（海里/小時），以m/s為單位的風速應乘以2；f850為500hPa風速（海里/小時），以m/s為單位的風速應乘以2； ， 與 分別代表500hPa風向與850hPa風向；最後一項125(S+0.2)在下列4個條件中任何一個條件不具備時為零：850hPa風向在130°～250°之間；500hPa風向在210°～310°之間；500hPa風向減850hPa風向為正；850hPa及500hPa風速至少等於15海里/小時（7.5m/s）。
常用於龍捲預報， 根據美國龍捲和強雷暴實例分析， SWEAT指標值與天氣關係是：發生龍捲時的SWEAT臨界值為400，發生強雷暴時SWEAT的臨界值為300。強雷暴主要是指伴有風速至少在25 m·s 以上的大風，或直徑1.9cm以上降雹的雷暴天氣。
（8）深對流指數DCI
診斷用深對流指數： 深對流指伸展高度具有等於或大於均質大氣高度H0（與400hPa等壓面高度更接近）的對流系統。利用雲頂相當黑體亮溫計算的深對流指數可以作為表示雲頂等於或高於400hPa深對流雲的指數。
預報用深對流指數DCI
DCI=T850+Td850-LI
LI抬升指數.幾乎所有的強局地風暴事件都與深對流有關。深對流指數將850hPa層的溫度與地面至500hPa的浮力特性結合，估計發生深對流潛勢。該指數很高的地方，若同時具備抬升氣塊的觸發機制，則很可能出現強對流天氣事件。
（9）對流有效位能CAPE
或
其中ZLFC 為自由對流高度，是（TVP-TVE）由負值轉正值的高度；ZEL 為平衡高度，是（TVP-TVE）由正值轉負值的高度。
其物理意義表示：當氣塊的重力與浮力不相等且浮力大於重力時，一部分位能可以釋放，由於這部分能量對大氣對流有著積極的作用，並可轉化成大氣動能，稱其為對流有效位能。表示在自由對流高度之上，氣塊可從正浮力作功而獲得的能量。通常計算的CAPE對應於埃瑪圖上正面積所對應的能量。
（10）最佳對流有效位能BCAPE
在最底層200hPa層次內，找出假相當位溫最高值處，將該處氣塊抬升而算出的CAPE。
（11）下乘對流有效位能DCAPE
其中 表示密度溫度，下標e和p周圍環境和氣塊，Pi表示氣塊起始下沉處的氣壓，Pn表示氣塊到達中性浮力層或者地面時的氣壓，r表示水汽混合比。
物理意義：在風暴體內，當未飽和空氣中有液態水蒸發或者凍結層以下有固態水融化時會產生下沉對流有效位能。
（12）風暴強度指數SSI
SSI=100*[2+（0.276*In（Shr））+（2.011*10-4*CAPE）]
由0～3600m的平均風切變和浮力能量組合而成，反映垂直風切變和對流有效位能大小的綜合效應。在澳大利亞，將SSI>=120確定為強雷暴。
（13）粗里查遜數BRN
在實際計算中，常把U，V取為0～6KM的密度加權風與0～500M近地面層平均風之間的風氏差（或風速差）值的兩個分量。即：
強對流天氣可以發生在弱的垂直風切變結合強位勢不穩定或相反的環境中。該指數由對流有效位能和對流層中低層垂直風切變組合而成，可反映強對流發生時垂直風切變與位勢不穩定之間的平衡關係。有分析認為中等強度的超級單體往往發生在5≤BRN≤50的情況下，多單體風暴一般發生在BRN>35時。
（14）相對螺旋度RSH
在對流層低層幾公里範圍內，相對於風暴的風向隨高度順轉是風暴旋轉發展的一個關鍵因子。引入相對螺旋度用於定量估計沿風暴入流方向上的水平渦度大小及入流強弱對風暴旋轉的結合效應。試驗結果表明，對於弱龍捲，中等強度龍捲和強龍捲，螺旋度大小分別為150～299，300～499和大於450。當h>150時發生強對流的可能性極大。
（15）能量螺旋度指數EHI
EHI=(Hs-r*CAPE)/160000
其中，CAPE表示對流有效位能，Hs-r表示低空0～2km的風暴相對螺旋度。
強對流天氣既可以發生在低螺旋度（Hs-r<150m2*s-2）結合高對流有效位能（CAPE>2500 Jkg-1）的環境中，也可以發生在相反的環境中（Hs-r >300 m2*s-2結合CAPE>1000Jkg-1）。將對流有效位能和螺旋度結合形成能量螺旋度指數，反映了在強對流天氣出現時，對流有效位能與螺旋度之間的相互平衡特徵。研究表明：當EHI>2時，預示著發生強對流的可能性極大。EHI數值越大，強對流天氣的潛在強度越大。
（16）對流抑制指數CIN
其中Tb是該層的平均溫度，Te ,Tp分別表示環境與氣塊的溫度，Tv表示虛溫，Tve ，Tvp 分別表示環境與氣塊的虛溫，Zi（或者Pi）表示氣塊起始抬升高度（或氣壓）。對流抑制指數是指均勻邊界層氣塊在上升過程中從穩定層到自由對流高度所做的功，功的大小與從氣塊起始位置到自由對流高度間的狀態曲線與層結曲線所圍成的面積（負面積）成正比。對於強對流發生的情況往往是CIN有一較為合適的值：太大，抑制對流程度大，對流不容易發生；太小，能量不容易在低層積聚，對流調整易發生，從而使對流不能發展到較強的程度。
（17）0℃層高度ZHT
0℃溫度所在高度和冰雹的出現密切相關，有研究指出，90%的降雹出現在0℃層高度距地面高度為1524～3658m時；當0℃層高度距地高度為2134～3353m時，最可能出現大雹塊。
