大氣穩定度

大氣穩定度 (Atmospheric stability)
國立臺灣師範大學科學教育研究所吳佳蓉研究生/臺灣師範大學科學教育研究所許瑛玿教授責任編輯

在對流層中，溫度隨高度遞減，稱為大氣（環境）溫度直減率。氣塊受外力而運動，在運動過程中不與環境交換熱能，稱為絕熱過程，當空氣塊以絕熱過程垂直上升，周遭環境的氣壓減低，會使空氣塊體積膨脹，溫度下降。反之，空氣塊以絕熱過程垂直下降時，周圍氣壓升高，體積被壓縮，溫度上升。若過程中空氣未飽和而沒有凝結發生，稱為乾絕熱過程，未飽和空氣塊以絕熱過程垂直上升時，每上升1公里溫度降低約10℃，為乾絕熱直減率；若氣塊中的水氣飽和而有凝結發生時，則為溼絕熱過程，飽和空氣塊以絕熱過程垂直上升時，溫度遞減率每上升1公里平均6℃，為溼絕熱直減率。

當空氣塊上升後，若溫度比周圍環境低，此時氣塊的密度比環境大氣的密度大，若無其他機制影響，此氣塊便不會繼續上升，而回到原來的位置，大氣呈現穩定狀況；若空氣塊的溫度比周圍環境高，則密度較小的空氣塊因浮力而繼續上升，即為不穩定大氣，氣塊會持續降溫，使水氣達飽和成雲，可能形成降水；若空氣塊溫度與環境相同，則密度相同，氣塊走到那便停在那，為中性大氣。因此，大氣層之氣塊經移動後，有回復原位之傾向為「穩定」，有遠離原位之趨勢為「不穩定」，若該氣塊既不回復原位，也不繼續遠離，則為「中性穩定」。

（一）穩定大氣

如果氣溫的縱向分佈限制了空氣的垂直運動，就稱為「穩定大氣」，當較輕的空氣在較重的空氣上面時，就會有這種情形。在相同壓力下，溫度較高的空氣密度較小，若上方空氣比下方暖，稱為逆溫（temperature inversion），此時大氣非常穩定。在穩定大氣的情況下，假設有一氣塊因某種原因上升時，無論上升至什麼高度，都會覺得自己比周圍空氣冷而重，因此必須降回原來的高度；相反來說，當它下降時，一定會感到自己比周圍空氣暖而輕，故上升到原來的高度。因為氣塊經常保持原來的高度，所以便稱為穩定大氣。

（二）不穩定大氣

如果大氣情況能幫助空氣垂直方向運動，就稱為「不穩定大氣」，即是較重的空氣在較輕的空氣上面。在這情況下，假設有一塊空氣因為某種原因上升時，無論上升至什麼高度，都會覺得自己比周圍空氣暖而輕，因此會繼續上升；相反來說，當它下降時，一定會感到自己比周遭空氣冷且重，所以會繼續下降。

（三）條件性不穩定

當環境（大氣）溫度直減率小於絕熱直減率時，大氣就趨於穩定；假如環境直減率大於絕熱直減率時，大氣就變得不穩定。由於飽和空氣和未飽和空氣的直減率不同，當環境直減率小於濕絕熱直減率時，大氣必定屬於穩定；環境直減率大於乾絕熱直減率時，大氣必定屬於不穩定（如下圖）。假如環境直減率介於濕絕熱直減率及乾絕熱直減率時，這種情況稱為條件性不穩定（conditionally stable）。在這情況下，未飽和空氣會變得穩定，但飽和空氣則仍然不穩定。

環境直減率與大氣穩定度的關係圖 （來源： http://www.weather.com.hk/learn/cloud3.asp）

參考資料：
1. 中華百科全書「大氣穩定度」條目 http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=4901
2. 台灣大百科全書「大氣穩定度」條目 http://taiwanpedia.culture.tw/web/content?ID=3331
3. 香港天氣資訊中心：雲和天氣 http://www.weather.com.hk/learn/cloud3.asp