大気安定度

大気安定度（たいきあんていど）

大気安定度は、気象学において、平衡状態にある大気がわずかな乱れ（擾乱）を受けた際に、その状態が維持される（安定）か、あるいは乱れが増幅される（不安定）かを示す概念です。不安定の度合いは不安定度とも呼ばれます。

一般的な天気予報などで「大気の状態が不安定」と表現される場合、多くは静的安定度、特に空気の上下運動に関わる「対流不安定」や「条件付不安定」を指しています。分かりやすく「不安定な天気」や単に「不安定」と言い換えられることもあります。

大気中の擾乱には様々な形態がありますが、代表的なものとして以下の二つが挙げられます。

空気塊の鉛直方向の移動：持ち上げられた空気塊が元の位置に戻ろうとするか、あるいは上昇（または下降）し続けるか。これは静的安定度（または静力学的安定度）に関わる概念で、主に静止した、あるいは層をなす大気での安定性を示します。
気流の波：偏西風のように波打つ気流に生じた別の波が増幅するか、あるいは減衰するか。これは動的安定度（または動力学的安定度）に関わる概念で、平衡運動をしている大気での安定性を示します。

静的安定度

静的安定度は、静水圧平衡にある大気中で空気塊を鉛直方向に変位させた際に、元の位置に戻ろうとするか、そのまま変位を続けるかで判断されます。前者を静的安定、後者を静的不安定な大気と呼びます。

静的安定性は、大気の温位（空気塊を乾燥断熱的に標準気圧に移動させたときの温度）の高度による変化（温位勾配）と深く関連しています。温位が高度とともに上昇している場合、大気は安定傾向にありますが、下降している場合は不安定傾向となります。

温位勾配が乾燥断熱温度勾配よりも大きい場合、大気は絶対安定であり、空気塊の上下運動は抑制され乱れは収束します。一方、温位勾配が乾燥断熱温度勾配よりも小さい場合、大気は絶対不安定となり、空気塊の上下運動は促進され乱れは際限なく成長します。地球の対流圏では、多くの場所が乾燥断熱温度勾配と湿潤断熱温度勾配（飽和した空気塊の断熱的な温度変化率）の中間の温位勾配を持ち、条件付不安定な状態となっています。この状態では、上昇気流は対流を促進しますが、下降気流は対流を抑制するという、鉛直運動の符号に依存して安定性が決まります。

対流安定度と条件付不安定

湿潤な空気塊が上昇し、凝結・昇華して雲や降水を生じると、潜熱が放出されます。通常、降水は空気塊から分離して落下するため（重力分離）、その後の変化が不可逆となり、大気が不安定化する要因となります。

対流不安定（潜在不安定、ポテンシャル不安定、熱的不安定とも）は、大気の相当温位（空気塊内の水蒸気を全て凝結させてから乾燥断熱的に標準気圧に移したときの温度）が高度の上昇とともに低下している状態を指します。これは、大気の下層が湿っていて暖かく、中層や上層が乾燥して冷たい場合に起こりやすく、対流活動が活発になりやすい状態です。ただし、対流不安定であっても、実際に対流が発生・発達するかどうかは、上昇気流のような「きっかけ」の有無に左右されます。

条件付不安定な状態では、空気塊が飽和していない微小な上昇では安定ですが、ある程度以上の上昇（有限振幅の擾乱）で飽和して不安定となる「潜在不安定」の性質を持ちます。また、多数の小規模な対流が相互作用して大規模な対流システム（熱帯低気圧など）を形成するものを「第2種条件付不安定（CISK）」と呼び、それ以外の条件付不安定を「第1種条件付不安定（CIFK）」と区別することもあります。

大気の不安定度を示す指標として、対流有効位置エネルギー（CAPE）や対流抑制（CIN）などがあります。CAPEは対流が発生・発達する可能性を示す値であり、大きいほど不安定度が高いとされます。

成層不安定時の天気

大気の成層状態が強く不安定になると、積雲や積乱雲が急速に発達しやすくなります。これにより、以下のような特徴的な気象現象が発生することが多くなります。

短時間強雨や集中豪雨
落雷
突風（ダウンバーストなど）
急激な気温・湿度・気圧の変化

これらの現象の多くは範囲が狭く継続時間が短い局地現象です。例えば、夕立は典型的な成層不安定による現象であり、短時間のうちに天気が急変し、激しい雨や雷をもたらします。

成層不安定が起こりやすい条件としては、大気の下層と上層の温度差が大きいこと（上空への寒気流入など）、特に下層に多量の水蒸気が含まれていること（湿暖気流の流入など）が挙げられます。また、強い日差しで地上付近が暖められることや、山沿いでの地形性の上昇気流、海陸風による収束なども対流の発生を促し、不安定を顕在化させる要因となります。

空を見上げると、不安定な状態では積雲や積乱雲が発達している様子が見られることが多く、雲の成長の速さから天候の急変をある程度察知することも可能です。気象予報においては、CAPEやCINの他に、雷雨の可能性を示すSSI、LIFT、KINX、雷雨の規模を示すTOTALなど、様々な指標を総合的に判断して不安定による荒天を予測しています。

動的不安定

流れている大気の中では、場所による風速の差（シアー）が原因で不安定が生じることがあります。

傾圧不安定: 温度傾度と気圧傾度が一致しない傾圧大気において、風の鉛直シアーが大きい場合に擾乱が発達する不安定。温帯低気圧の発生メカニズムの一つと考えられています。
順圧不安定: 温度が一様（順圧）な大気において、風の水平分布に関係して擾乱が発達する不安定。
* ケルビン・ヘルムホルツ不安定: 密度が異なる二つの流体層の間や、速度差が大きい層の境界で発生する不安定。

これらの動的不安定は、波動や渦の発達に関与し、大気の運動や気象現象に影響を与えます。

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