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如果大氣情況能幫助空氣垂直方向置換,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圍空氣暖而輕,所以會繼續下降。不穩定大氣的垂直運動,不多是由於氣流遇到障礙而產生。但在極不穩定的情況下,也可能由於地面受熱而發生,這時垂直氣流的開始可以根本不需要外力。當空氣接觸較暖地面或水面因而受熱,或高空有冷空氣流入,都可發展不穩定情況。不穩定大氣中的天氣現象主要因為垂直氣流而產生,所形成的雲必定屬於積狀雲,例如積雲,高積雲等,所產生的降水會是驟雨,甚至雷雨,落雹或龍捲風。垂直氣流能將地面附近不潔凈的空氣帶往高空,所以近地地面處能見度良好。垂直氣流亦能使飛機發生顛簸現象,稱為湍流(turbulence)
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