対流有効位置エネルギー

対流有効位置エネルギー（CAPE）

対流有効位置エネルギー（たいりゅうゆうこういちエネルギー、英: convective available potential energy、略称：CAPE）は、気象学において、ある空気塊が持つ上昇しようとするエネルギーの最大値を表す指標です。これは、特に大気が不安定な状態にある際に、空気塊が浮力によって上昇し、その過程で得られる運動エネルギーのポテンシャルを示すものと言えます。具体的には、ある空気塊を、それが周囲の空気よりも暖かくなり自力で上昇を開始できる高度である自由対流高度（LFC）から、上昇してもそれ以上浮力を得られなくなる高度である中立高度（LNBまたはEL: Equilibrium Level）まで、仮想的に断熱的な過程を経て上昇させた場合に、その空気塊が周囲から受ける浮力の総和として定義されます。

大気の不安定度評価における役割

CAPEは、大気の上昇気流を発生させる潜在的な力を示すため、大気の不安定度を表す最も重要な指標の一つとされています。CAPEの値が大きいほど、空気塊が強い浮力を得て速く上昇する可能性が高く、これは積乱雲の発達など、激しい気象現象が発生しやすい不安定な大気状態であることを示唆します。したがって、予報においては、雷雨や突風、大雨などの発生可能性を評価する上で非常に有用な情報となります。

エマグラムによる視覚的理解

CAPEは、エマグラムと呼ばれる特殊な気象図を用いると視覚的に理解しやすくなります。エマグラム上には、観測された実際の大気の温度や湿度の鉛直分布を示す曲線（状態曲線）と、地表付近の特定の空気塊が断熱的に上昇した場合の温度変化を示す曲線（擬断熱上昇線）を描くことができます。

仮想的な空気塊が上昇を開始すると、最初は乾燥断熱線に沿って温度が低下します。空気塊が持ち上げ凝結高度（LCL）に達すると、飽和して水蒸気が凝結し始め、潜熱が放出されるため、それ以降は湿潤断熱線に沿って温度低下率が緩やかになります。この擬断熱上昇線と、実際の大気の温度を示す状態曲線をエマグラム上に重ねて描くと、両者が交わる点が見られます。

この交点のうち、擬断熱上昇線よりも状態曲線の方が温度低下率が大きい（つまり状態曲線の方が右側にある）高度を自由対流高度（LFC）と呼びます。LFCよりも上では、仮想空気塊は周囲の空気よりも暖かくなり（擬断熱上昇線が状態曲線より左側になる）、浮力を得て自力で上昇できるようになります。さらに上昇を続けると、再び擬断熱上昇線と状態曲線が交わる点が現れることがあります。この点より上では、仮想空気塊は周囲より冷たくなり（擬断熱上昇線が状態曲線より右側になる）、浮力を失って下降しようとします。この高度を中立高度（LNBまたはEL）と呼びます。

エマグラム上で、LFCからLNBまでの高度範囲において、擬断熱上昇線が状態曲線よりも左側にある領域（つまり、仮想空気塊が周囲より暖かい領域）が囲む面積が、対流有効位置エネルギー（CAPE）に相当します。この面積が大きいほど、空気塊が受け取る浮力が大きく、CAPEの値も大きくなります。

計算方法と単位

対流有効位置エネルギーは、前述のエマグラム上で囲まれる面積、すなわちLFCからLNBまでの高度範囲における浮力を高度で積分することによって数学的に求められます。その計算式は以下のように表されます。

$${\rm CAPE}}=\int _{\rm LFC}^{\rm EL}}g\left({\cfrac {T_{p}-T}{T}}\right)dz =\int _{\rm LFC}^{\rm EL}}R(T_{p}-T)\ d(\ln {p})$$

ここで、$g$は重力加速度、$T_p$は仮想空気塊の温度、$T$は周囲の温度、$z$は高度、$R$は乾燥空気の気体定数、$p$は気圧を示します。この積分によって得られるCAPEの値は、単位質量（1キログラム）の空気塊あたりが持つエネルギー量として表現され、通常はジュール毎キログラム (J/kg)という単位が用いられます。

対流抑制エネルギー (CIN) との関連

対流有効位置エネルギー (CAPE) が空気塊の上昇を促進するエネルギーであるのに対し、空気塊が安定な層を通過する際に、周囲より冷たいために下降しようとするエネルギーを対流抑制エネルギー（CIN: Convective Inhibition）と呼びます。CINはエマグラム上では、空気塊が自力で上昇できない層（通常、LFCより下の不安定な層や、LFCに至るまでの安定な層）において、擬断熱上昇線が状態曲線より右側（周囲より冷たい）の領域が囲む面積に相当します。CINが大きいと、地表付近の不安定な空気塊でも、その安定層を突破してLFCに到達することが難しくなります。

大気の不安定度は、対流有効位置エネルギー（CAPE）と対流抑制エネルギー（CIN）の差によって評価されることもあります（CAPE - CIN）。この差が正であれば、大気全体として不安定であると判断できます。しかし、この評価方法だけでは実際の天候を完全に予測できない場合があり、実用的には他の多くの気象指標と組み合わせて総合的な判断が行われます。

対流有効位置エネルギー