自由对流高度

大气科学用语

自由对流高度（Level of Free Convection, LFC）是大气科学用语，表示气块温度（理论值）与环境温度（观测值）之差由负值转为正值的转折点的高度。若LFC存在，则其上方直到平衡高度（Equilibrium Level, EL）的范围内，气块会在浮力作用下发生对流。

定义

自由对流高度（Level of FreeConvection，简称LFC）。

某一高度以下气层稳定，气块只能外力作用下迫使其抬升，当上升到这一高度后，气块温度高于环境温度，气块能从环境大气中获取不稳定能量自由上升，这个高度即为自由对流高度。在T-logP图上，用地面温度、气压和露点作状态曲线，它与层结曲线相交点所在的高度即为自由对流高度。

LFC是气块温度与环境温度之差由负值转为正值的转折点的高度。

自由对流的水平（LFC）是在大气高度中，其中温度环境降低比快湿绝热递减率饱和的空气包裹在同一水平。

找到LFC的通常的方法是从沿着水平较低解除包裹干燥绝热递减率，直到它穿过包裹的混合比行：这是在解除缩合水平（LCL）。从那里，按照湿润绝热递减率直到包裹的温度达到气团温度，在平衡水平（EL）。如果沿着湿绝热线包裹的温度比进一步电梯环境回暖，就会发现LFC。

因为包裹的体积是由比LFC后周围空气更大的理想气体定律（PV = NRT），它是不太致密的，并成为浮力上升，直至其温度（达E）等于周边气团。如果气团有一个或多个LFC，这是潜在的不稳定性，并可能导致对流云团的出现比如积云和雷雨。

预报结论

（1）自由对流高度高,0~3、0~6 km垂直风切变很小，是雷雨大风强对流天气发生的有利物理条件，且强对流临近时低层垂直风切变有变大的趋势。

（2）可用对流温度预报局地热雷雨。

（3）较强的能量锋区、中低层明显的对流不稳定层结及高层下伸呈漏斗状分布的θse和明显的湿度锋是中尺度对流系统产生的有利天气模型，而高对流有效位能、较低的自由对流高度、较大的低层湿度和垂直风切变，有利于强降水超级单体的发生、发展。

有关参数

（1）沙氏指数SI

反映大气稳定状况的一个指数。它定义为850hPa等压面上的湿空气团沿干绝热线上升，到达凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的气团温度Ts850与500hPa等压面上的环境温度T500的差值。当SI<0时，大气层结不稳定，且负值越大，不稳定程度越大，反之，则表示气层是稳定的。

SI= T500- Ts850

根据国外资料，SI与对流性天气有以下关系：

SI〉3°C发生雷暴的可能性很小或没有；

0°C< SI<3°C有发生阵雨的可能性；

-3°C< SI<0°C有发生雷暴的可能性；

-6°C< SI<-3°C有发生强雷暴的可能性；

SI<-6°C有发生严重对流天气（如龙卷风）的危险；

（2）抬升指数LI

气块从低层900m高度沿干绝热线上升，到达凝结高度后再沿湿绝热线上升至500hPa时所具有的温度Ts与500hPa等压面上的环境温度T500的差值。当LI<0时，大气层结不稳定，且负值越大，不稳定程度越大，反之，则表示气层是稳定的。

LI=T500-Ts

（3）有利抬升指数BLI

把700hPa以下的大气按50hPa间隔分层，并将各层中间高度处上的各点分别按干绝热线上升到各自的凝结高度，然后分别按湿绝热线抬升到500hPa，得到各点不同的抬升指数，其中的负值最大者即为最有利抬升指数。BLI<0时，大气层结不稳定，且负值越大，不稳定程度越大。

（4）K指数

K指数的定义为：

K=（T850-T500）+Td850-（T-Td）700

其中T与Td分别表示温度与露点温度；下表500、700、850分别表示500、700与850hPa。

K指数计算式中第一项表示温度直减率，第二项表示低层水汽条件，第三项表示中层饱和程度。因此K指数可以反映大气的层结稳定情况。K指数越大，层结越不稳定，统计结果：K<20 无雷雨；20

(5)修正的K指数MK

Mk=0.5*（T0+T850）+0.5*（Td0+Td850）-T500-（T-Td）700

指考虑了地面温度状况的改进的K指数。这里T0表示地面温度，mK值越大表示气团低层越暖湿，稳定度越小，因而越有利于对流产生。

（6）总指数TT

定义为：TT= T850+Td850－2T500

下标850和500分别表示850hPa和500hPa。TT越大，越容易发生对流天气。

（7）强天气威胁指数SWEAT

SWEAT=12Td850+20（TT-49）+2f850+f500+125(S+0.2)

Td850表示850hPa露点温度（°C），若Td850为负数，此项为0；

TT= T850+Td850－2T500 ,即总指数，若TT小于49，则20（TT-49）项为0；f850为850hPa风速（海里/小时），以m/s为单位的风速应乘以2；f850为500hPa风速（海里/小时），以m/s为单位的风速应乘以2；，与分别代表500hPa风向与850hPa风向；最后一项125(S+0.2)在下列4个条件中任何一个条件不具备时为零：850hPa风向在130°～250°之间；500hPa风向在210°～310°之间；500hPa风向减850hPa风向为正；850hPa及500hPa风速至少等于15海里/小时（7.5m/s）。

常用于龙卷预报，根据美国龙卷和强雷暴实例分析， SWEAT指标值与天气关系是：发生龙卷时的SWEAT临界值为400，发生强雷暴时SWEAT的临界值为300。强雷暴主要是指伴有风速至少在25 m·s 以上的大风，或直径1.9cm以上降雹的雷暴天气。

（8）深对流指数DCI

诊断用深对流指数：深对流指伸展高度具有等于或大于均质大气高度H0（与400hPa等压面高度更接近）的对流系统。利用云顶相当黑体亮温计算的深对流指数可以作为表示云顶等于或高于400hPa深对流云的指数。

预报用深对流指数DCI

DCI=T850+Td850-LI

LI抬升指数.几乎所有的强局地风暴事件都与深对流有关。深对流指数将850hPa层的温度与地面至500hPa的浮力特性结合，估计发生深对流潜势。该指数很高的地方，若同时具备抬升气块的触发机制，则很可能出现强对流天气事件。

（9）对流有效位能CAPE

或

其中ZLFC 为自由对流高度，是（TVP-TVE）由负值转正值的高度；ZEL 为平衡高度，是（TVP-TVE）由正值转负值的高度。

其物理意义表示：当气块的重力与浮力不相等且浮力大于重力时，一部分位能可以释放，由于这部分能量对大气对流有着积极的作用，并可转化成大气动能，称其为对流有效位能。表示在自由对流高度之上，气块可从正浮力作功而获得的能量。通常计算的CAPE对应于埃玛图上正面积所对应的能量。

（10）最佳对流有效位能BCAPE

在最底层200hPa层次内，找出假相当位温最高值处，将该处气块抬升而算出的CAPE。

（11）下乘对流有效位能DCAPE

其中表示密度温度，下标e和p周围环境和气块，Pi表示气块起始下沉处的气压，Pn表示气块到达中性浮力层或者地面时的气压，r表示水汽混合比。

物理意义：在风暴体内，当未饱和空气中有液态水蒸发或者冻结层以下有固态水融化时会产生下沉对流有效位能。

（12）风暴强度指数SSI

SSI=100*[2+（0.276*In（Shr））+（2.011*10-4*CAPE）]

由0～3600m的平均风切变和浮力能量组合而成，反映垂直风切变和对流有效位能大小的综合效应。在澳大利亚，将SSI>=120确定为强雷暴。

（13）粗里查逊数BRN

在实际计算中，常把U，V取为0～6KM的密度加权风与0～500M近地面层平均风之间的风氏差（或风速差）值的两个分量。即：

强对流天气可以发生在弱的垂直风切变结合强位势不稳定或相反的环境中。该指数由对流有效位能和对流层中低层垂直风切变组合而成，可反映强对流发生时垂直风切变与位势不稳定之间的平衡关系。有分析认为中等强度的超级单体往往发生在5≤BRN≤50的情况下，多单体风暴一般发生在BRN>35时。

（14）相对螺旋度RSH

在对流层低层几公里范围内，相对于风暴的风向随高度顺转是风暴旋转发展的一个关键因子。引入相对螺旋度用于定量估计沿风暴入流方向上的水平涡度大小及入流强弱对风暴旋转的结合效应。试验结果表明，对于弱龙卷，中等强度龙卷和强龙卷，螺旋度大小分别为150～299，300～499和大于450。当h>150时发生强对流的可能性极大。

（15）能量螺旋度指数EHI

EHI=(Hs-r*CAPE)/160000

其中，CAPE表示对流有效位能，Hs-r表示低空0～2km的风暴相对螺旋度。

强对流天气既可以发生在低螺旋度（Hs-r<150m2*s-2）结合高对流有效位能（CAPE>2500 Jkg-1）的环境中，也可以发生在相反的环境中（Hs-r >300 m2*s-2结合CAPE>1000Jkg-1）。将对流有效位能和螺旋度结合形成能量螺旋度指数，反映了在强对流天气出现时，对流有效位能与螺旋度之间的相互平衡特征。研究表明：当EHI>2时，预示着发生强对流的可能性极大。EHI数值越大，强对流天气的潜在强度越大。

（16）对流抑制指数CIN

其中Tb是该层的平均温度，Te ,Tp分别表示环境与气块的温度，Tv表示虚温，Tve ，Tvp 分别表示环境与气块的虚温，Zi（或者Pi）表示气块起始抬升高度（或气压）。对流抑制指数是指均匀边界层气块在上升过程中从稳定层到自由对流高度所做的功，功的大小与从气块起始位置到自由对流高度间的状态曲线与层结曲线所围成的面积（负面积）成正比。对于强对流发生的情况往往是CIN有一较为合适的值：太大，抑制对流程度大，对流不容易发生；太小，能量不容易在低层积聚，对流调整易发生，从而使对流不能发展到较强的程度。

（17）0℃层高度ZHT

0℃温度所在高度和冰雹的出现密切相关，有研究指出，90%的降雹出现在0℃层高度距地面高度为1524～3658m时；当0℃层高度距地高度为2134～3353m时，最可能出现大雹块。

全国各地天气预报查询

上海市

云南省

云南省

云南省

云南省