未饱和湿空气块按干绝热过程上升时,无凝结和蒸发,温度和气压下降,水汽含量不变。比较露点递减率和干绝热减温率,显热温度比露点下降得快得多,所以随着气块上升,温度和露点将逐渐接近,在某一高度必达到一致,最终气块达到饱和。若继续上升,则气块内水汽开始凝结,形成云。抬升凝结高度大致对应于热力对流积状云的云底高度。
设和
分别为起始高度上的温度和露点,则气块在干绝热上升时的温度和露点的表达式分别为:
…(1)
…(2)
当凝结时,温度与露点相等,则凝结高度为:
…(3)
上式为抬升凝结高度的计算式,其中的单位为千米。根据式(3)可以估算对流云底相对地面的高度,适用于局地热力对流云,而不能应用于因天气系统移动到当地的对流云。
由于气块实际上升过程中可能与环境大气有混合,干绝热假设与实际情况有差异,且地面温度的日变化幅度大,导致用式(3)计算的云底高度与实测值相差很大,计算结果往往低于实测高度。
在某些实际情况中,需要精确地计算出抬升凝结高度数值,那么就需要根据温度随高度的变化,预先得到云底饱和温度
…(4)
以上云底饱和温度的计算公式由博尔顿(Bolton)在1980年提出,其中和
分别为气块初始温度(单位k,开)和初始水汽压(单位hPa,百帕)。使用
,公式(3)可改写为:
…(5)
上式避开了露点温度及其减温率的变化,使用了直接云底的饱和温度值,提高了计算精度,与实际观测比较,误差小于0.1℃。