Конвективные движения возникают в результате особого рода неустойчивости воздуха, известной как статическая, или конвективная неустойчивость. Конвективная неустойчивость характеризуется тем, что частица, сместившись по вертикали относительно исходного уровня (на котором она находилась в равновесии), под действием силы плавучести не возвращается на этот уровень, а продолжает удаляться от него. Причиной является вертикальная стратификация атмосферы: температура в окружающем воздухе падает с высотой быстрее, чем в адиабатически поднимающейся частице, и последняя, таким образом, оказывается теплее окружающего воздуха на всех уровнях выше исходного. Другими словами, в статически неустойчивом насыщенном воздухе вертикальный градиент температуры больше сухоадиабатического (γ > γ_а), а в насыщенном – больше влажноадиабатического (γ > γ_ва). Конвективные движения черпают свою кинетическую энергию из потенциальной энергии неустойчиво стратифицированного воздуха.

Атмосферная конвекция наиболее часто наблюдается и бывает наиболее интенсивной в зонах атмосферных фронтов, где действует вынуждающий эффект восходящих движений; интенсивная внутримассовая конвекция наблюдается значительно реже. Фронтальная конвекция нередко развивается одновременно со слоисто-дождевыми облаками и обложными осадками. В таких случаях облака Cb бывают скрыты от наземного наблюдателя, однако они обнаруживаются радиолокационными наблюдениями.

Конвекция неодинаково развивается над морем и сушей, над ровной и гористой местностью. Известно, что чем однороднее подстилающая поверхность, тем реже над ней развиваются очень интенсивные конвективные очаги. Так, грозы и град над морем бывают значительно реже, чем над сушей. Спектры размеров облаков над сушей более широкие, чем над морем. Даже небольшие возвышенности приводят к интенсификации конвекции, прежде всего к регулярному увеличению конвективных осадков.

Высокие горы создают особенно сложные условия для развития конвекции, в ряде случаев сильно увеличивая ее повторяемость и интенсивность. Аналогичный, но более слабый эффект имеет увеличение шероховатости подстилающей поверхности. В частности, интенсивность конвекции заметно увеличена над крупными городами, что проявляется в увеличении повторяемости над ними сильных ливней, гроз и града.

Согласно классификации ВМО, различают три типа Cb: одноячейковые, многоячейковые и облака типа сверхячеек (суперячеек).

1. Одноячейковые Cb развиваются в дни со слабым ветром в малоградиентных барических полях, могут достигать грозовой и градовой интенсивности, однако после выпадения осадков они быстро разрушаются, так как выпадающие осадки подавляют восходящие потоки и стимулируют нисходящие, что ведет к разрушению ячейки.
2. Более мощные и долгоживущие состоят из нескольких конвективных ячеек, причем находящихся на разных стадиях развития. Развиваются преимущественно на основных и вторичных холодных фронтах. В передней части могоячейкого грозового очага располагается зона восходящих потоков. Осадки выпадают несколько позади этой зоны, так что нисходящий поток, вызванный интенсивными осадками, и восходящий поток граничат друг с другом; граница раздела образует в облаке и под облаком мезофронт. Растекание холодного воздуха нисходящих потоков у поверхности земли обуславливает возникновение зоны усиленных порывистых ветров (фронты порывистости, или линии шквалов). С многоячейковыми облаками Cb связаны сильные ливни, грозы, град. Продолжительность жизни их в среднем около 1,5 ч.
3. Наиболее интенсивные грозовые и градовые очаги развиваются по типу сверхячейки. Они развиваются на холодных фронтах и фронтах окклюзий по типу холодного фронта при сильной статической неустойчивости и больших сдвигах ветра при слабом его вращении. В зоне осадков и нисходящих движений давление обычно повышено, здесь возникает так называемый грозовой антициклон, представляющий собой купол относительно холодного воздуха. Передняя часть этого купола и является мезофронтом, при прохождении которого давление и влажность воздуха растут, а температура резко падает. В верхней части грозового очага, вблизи его вершины (12-16 км) имеется зона, где восходящий поток тормозится и вытекает из облака; здесь наблюдаются большие скорости ветра. Этот тип Cb встречается относительно редко и составляет до 10% всех наблюдаемых градовых очагов, однако с ним связаны наиболее опасные явления, в том числе катастрофические ливни и градобития. Это наиболее долгоживущие конвективные очаги с продолжительностью жизни до 4 ч.

Приведенная классификация не является исчерпывающей. Только около 50% всех наблюдаемых очагов интенсивной конвекции можно уверенно отнести к какому-либо из перечисленных типов, в остальных случаях они имеют сложную структуру и образуют комплексы, нерегулярно изменяющиеся во времени и пространстве.

Таким образом, основной физический принцип, с помощью которого оценивается возможность развития атмосферной конвекции и связанных с ней явлений, состоит в определении запасов энергии статической неустойчивости, в качестве критерия которой используется разность температуры частицы, смещающейся адиабатически с некоторого уровня, и температуры окружающего воздуха. В зависимости от запаса энергии может развиваться конвекция той или иной интенсивности. Пороговые значения энергии неустойчивости или каких-либо характеризующих ее величин, начиная с которых появляется значительная вероятность развития той или иной формы конвекции, зависят от местных условий. Поэтому для прогноза конвективных явлений - мощной кучевой облачности, ливней, гроз, града - привлекаются статистические связи между характеристиками температуры и влажности и повторяемостью указанных явлений. Такие связи строятся на региональных данных, они отражают влияние рельефа, преобладающий характер адвекции, свойства господствующих воздушных масс, увлажнении и т.д.

Конвективная облачность характеризуется большой электризацией, что является причиной грозы.

Грозой называется атмосферное явление, возникающее при наличии интенсивной конвекции, необходимой частью которого являются электрические разряды, сопровождающиеся молнией и громом.

Гроза возникает при наличии мощных кучево-дождевых облаков, из которых, как правило, выпадают ливневые осадки. При грозе наблюдаются шквалы - резкое усиление ветра в течение короткого времени, сопровождающееся изменением его направления. Грозы развиваются в результате неустойчивого состояния атмосферы при большой влажности воздуха. Под воздействием сильных восходящих потоков воздуха и интенсивного перемешивания капель и кристаллов происходит электризация облачных элементов. Верхняя и нижняя части облака заряжаются положительными зарядами, средняя - отрицательными зарядами. Таким образом, внутри облака создаются электрические поля с громадным электрическим напряжением как внутри облака, так и в околооблачном пространстве. При достижении критического значения напряжения происходит разряд в виде молнии.

Грозовые разряды могут вызвать пожары, в том числе лесные, повреждение линий связи, могут вывести из строя приборы управления самолетом, поразить людей и т.д. Поэтому грозы относятся к опасным метеорологическим явлениям.

В Томске грозы наблюдаются с марта по октябрь месяцы. В течение года в среднем наблюдается 26 дней с грозой, максимальное число дней с грозой - 42. Чаще всего грозы наблюдаются с июня по август. В среднем продолжительность гроз за год составляет 47,8 ч. Средняя продолжительность одной грозы 1,8 ч.

Различают внутримассовые и фронтальные грозы.

• Внутримассовые грозы образуются в результате термической конвекции и наблюдаются летом во влажных неустойчивых воздушных массах при большой влажности в приземном слое (более 12 г/кг) и сильном дневном прогреве приземного слоя воздуха. Такие условия создаются в размытых барических полях, ложбинах, седловинах, в слабовыраженных и заполняющихся циклонах, на западных окраинах антициклонов.
• Причиной образования фронтальных гроз является свободная конвекция или вынужденная конвекция. Фронтальные грозы наиболее часто связаны с медленно перемещающимися холодными фронтами и с размытыми фронтами окклюзии, когда при сохранении высокой влажности и большой неустойчивости до значительных высот просветы в облаках способствуют дневному прогреванию поверхности земли и развитию конвективных движений. Они отмечаются также в зоне хорошо выраженных атмосферных фронтов, в циклонах, на наветренных склонах гор (вынужденная конвекция). Грозы наблюдаются и при прохождении теплых фронтов (в том числе и ночные грозы), если теплая воздушная масса неустойчива.

Возникновению гроз способствуют следующие условия:

• высокая удельная влажность в приземном слое и на высотах при большой неустойчивости воздушной массы;
• большая вертикальная протяженность облаков (обычно более 4,5 км);
• интенсивные вертикальные движения внутри облака (более 10 м/с);
• развитие облаков выше уровня с температурой -22°C;
• большая положительная энергия неустойчивости.