メソサイクロン

2025年1月28日、ブラジル南東部ピラシカーバ市中央部におけるメソサイクロン（左） 。

メソサイクロンの回転を赤で示したスーパーセル図。

メソサイクロンは、メソガンマメソスケール（または嵐スケール）の回転領域（渦）で、通常、直径約2〜6マイル（3.2〜9.7 km）で、雷雨内でレーダーに最もよく表示されます。北半球では、通常、スーパーセルの右後方側面（移動方向に対して後端） 、または降水量の多いスーパーセルの東側、つまり先頭側面に位置します。メソサイクロンの循環が覆う領域は数マイル（km）の幅になる可能性がありますが、その中で発生する可能性のある竜巻よりもかなり広く、激しい竜巻が発生するのはメソサイクロン内です。^{[1] [2]}

説明

メソサイクロンは、鉛直軸の周りを循環する、上昇気流と収束気流からなる中規模の渦です。ほとんどの場合、局所的な低気圧域で発生します。その回転方向は（通常）半球の低気圧と同じ方向、つまり北半球では反時計回り、南半球では時計回りですが、ごくまれに最小規模のメソサイクロンが発生する例外があります。反対方向に回転するメソ高気圧がスーパーセル内でメソサイクロンを伴うことがありますが、メソ高気圧はメソサイクロンよりも弱く、一時的なものになることが多いです。メソ高気圧は数十分から数時間持続することがあり、スーパーセル内で周期的に連続して発生します。メソ高気圧は、特定の鉛直風シアー状況で親スーパーセルから分裂した左向きのスーパーセルで比較的よく発生します。

メソサイクロンは通常、直接観測が難しい現象です。湾曲した流入帯などの回転の視覚的証拠はメソサイクロンの存在を示唆する場合がありますが、循環する空気の円筒は地上から見ると大きすぎて認識できないことが多く、また、周囲の穏やかな空気と区別できるほど明確な雲がないため、循環する空気の流れが明確に確認できない場合もあります。

メソサイクロンは、ドップラー気象レーダー観測によって、マグニチュード、鉛直深度、継続時間に関する特定の基準を満たす回転シグネチャとして識別されます。米国NEXRADレーダー画面では、メソサイクロン検出アルゴリズム（MDA）などのアルゴリズムによって識別されたメソサイクロンは、通常、ドップラー速度表示上で黄色の実線で強調表示されます。他の気象サービスでは、異なる表記法が採用されている場合があります。^[要出典]

雷雨の中で

メソサイクロンはスーパーセル内の上昇気流とともに発生することが多く、その中で下降気流との交差部付近で竜巻が発生する可能性があるため、激しい雷雨の中に含まれる場合、メソサイクロンは最も懸念される。

メソサイクロンは、強い雷雨の中で直径約2km（1.2マイル）から10km（6.2マイル）の範囲で局所的に発生します。^[3]持続的なメソサイクロンを含む雷雨はスーパーセル雷雨です（ただし、一部のスーパーセルや竜巻は雷や雷鳴を発生しないため、厳密には雷雨ではありません）。ドップラー気象レーダーはメソサイクロンの識別に使用されます。メソ渦は、スコールラインに関連する、メソサイクロンの渦に似ていますが、通常はより小さく弱い回転特性です。

形成

メソサイクロン生成の主な要素の 1 つは、距離に伴う風速と高度に伴う風向の大きな変化、つまり水平および垂直の風せん断の存在です。このせん断は、典型的には、強いトラフの存在と一致し、これが温帯低気圧 (寒気と暖気の相互作用によって形成される低気圧の一種、傾圧と呼ばれます)につながる可能性があります。暖気と冷気の間の圧力と温度の勾配により、高度と距離に伴う風のこのような変化が発生します。結果として生じるせん断された風の場は、水平渦度、つまり流れる流体 (ここでは空気) が局所的に回転する傾向を持つと言われており、これは速度勾配が存在するあらゆる流れの基本的な特性です。

関連する渦度は、上昇気流によって直接垂直に傾けられた水平に回転する渦としてしばしば誤って描写される。しかし、ほとんどの場合、環境は水平方向に均質であり、水平ロール渦は存在しない。水平渦度は、高度に応じて変化する風によって回転する仮想的な外輪と考えることができる。これらの風は、外輪の上部と下部を水平方向に沿って異なる速度で動かし、外輪を軸に沿ってねじる。^{[4] [5]}回転またはねじれのこの局所的な傾向こそが上昇気流が再方向付けるものであり、回転する空気の文字通りの管または渦ではない。このような環境で上昇気流が形成されると、上昇気流は高さを横切るより高速のせん断空気に遭遇し、この空気は上昇気流の端で巻き込まれて乱流混合され、水平運動量を交換します。端の上昇気流は、内側に移動するよりも横方向に速く加速するため、内側の遅い空気も水平方向に速く移動します。空気塊は上昇気流の低圧中心に向かって移動し、それを越えるにつれて曲がり始め、このプロセスが繰り返されるにつれて螺旋状になります。空気塊が曲がると同時に、風のせん断によるねじれ運動によって軸を中心に回転します。この風の曲がり、螺旋状、または回転運動は、空気が必ずしも渦として回転していなくても存在します。^[6]

この時点で、上昇気流はせん断流の運動量を差動移流したと言われます。つまり、水平方向に流れる空気の差が垂直方向に変換され、曲率渦度、または上昇気流に見られる見かけの湾曲と螺旋状が生じます (水平渦度が流れ方向、つまり上昇気流の流入と平行な場合のみ)。ただし、発生するのは渦の一部分だけで、流線は閉じられておらず、すべての空気塊が均等に上昇したり同じ速度と方向で螺旋状になったりするわけではないため非対称性があり、真の均一な回転はまだ存在していません。組織化された回転 (閉じた渦) が存在するためには、結果として生じる曲率渦度が部分的に垂直せん断渦度に変換される必要があります。

上昇気流の圧力場は主にこの過程を助け、曲率渦度を再編成する働きをします。上昇気流の渦は低気圧の中心に向かって螺旋状に移動すると、上昇気流の圧力勾配を横切って流れる隣接する気塊が互いに異なる速度で回転し始めます。これにより垂直せん断渦度が形成され、上昇気流の動きがさらに促進されます。古い空気は上昇気流から抜けやすくなり、低気圧の中心は強まり、その後収縮します。その結果、圧力勾配が狭まり、収束する空気はさらに高く速く上昇します。その結果、上昇気流はより効率的に空気を吸い込むため上方に「引き伸ばされ」、角運動量保存則により回転がより整然としたものになります。上昇気流はより強く空気を引き込むため、周囲の環境からより多くの質量と運動量を引き込みますが、これらは上昇気流内で保存されます。自然界では、このプロセスは風せん断の運動量の移流と同時に起こります。

空気塊が低気圧の中心に向かって収束し続けると、中心に近い空気塊はより速く回転し、遠心力によって外側に引っ張られ、外側のより遅い空気塊は内側に移動します。内側のより速く回転する空気は、より遅い空気に対して圧力をかけ、より遅い空気の速度を上げます。これは、ほとんどの空気塊の回転速度が一定になるまで続きます。曲率渦度と鉛直せん断渦度が均衡し、上昇気流の中に単一の一貫した渦が発生します。メソサイクロン（北半球では反時計回り、南半球では時計回りに回転）が形成され、初期のスーパーセル嵐が完全に成熟します。^[6]

低層のメソサイクロンが水平渦度を吸い込み続けると、上昇気流とその下降気流（冷たく湿潤な前縁下降気流（FFD）と、多くの場合より暖かく浮力の高い後縁下降気流（RFD））の境界沿いに、温暖な気団と冷たい気団の相互作用により、渦度の最大値または渦斑（わずかに回転する領域、または一時的な渦）が形成されることがあります。RFDの急上昇は、これらの渦斑の統合と同時に発生することが多く、結果として竜巻の発生につながる可能性があります。これは、上昇気流がRFDとの相互作用によって強まるにつれて、地表近くに壁雲やその他の低い雲構造が形成されることで視覚的に示されます。^[7]

下のギャラリーは、メソサイクロンが発達する 3 つの段階と、 2007 年 5 月 4 日にカンザス州グリーンズバーグで発生したメソサイクロンを発生させる竜巻のレーダー上の嵐の相対的な動きを示しています。この画像が撮影された時点では、嵐はF5 竜巻を発生させている最中でした。

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  風のせん断（赤）により空気の回転（緑）が始まります。
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  上昇気流（青）は回転する空気を垂直に「傾け」ます。
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  すると上昇気流が回転し始めます。
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  メソサイクロンのレーダー画像。この画像が撮影された時点では、EF5の竜巻が地上に存在していたことに注意してください。

識別

メソサイクロンを検出する最も信頼性の高い方法は、ドップラー気象レーダーです。速度データ内の逆符号の高値が近傍に存在することで検出されます。^[8]メソサイクロンは、スーパーセル雷雨の右後方側面やスコールライン内に埋め込まれている場合に最も多く発生します（一方、メソ渦はスコールラインの前側側面で発生することが多い）。気象レーダーマップ上では、フックエコーの回転シグネチャーによって識別できます。回転するウォールクラウドや竜巻などの視覚的な手がかりも、メソサイクロンの存在を示唆する場合があります。そのため、この用語は激しい嵐における回転する特徴に関連して広く使用されるようになりました。

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  メソサイクロンは、テキサス州上空のこの雷雨のような回転する壁雲によって視覚的に識別できる場合があります。
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  1999 年 7 月 3 日のミシガン州北部の竜巻セルにおけるメソサイクロン検出アルゴリズムの出力。

竜巻の形成

コロラド州ファルコン近郊のメソサイクロン内のウォールクラウドの下で発生する竜巻。

竜巻の発生は完全には解明されていないが、多くの場合、2つの方法のいずれかで発生する。^{[9] [10]}

最初の方法では、2つの条件を満たす必要があります。まず、地球表面に水平方向の回転効果が生じている必要があります。これは通常、風向または風速の急激な変化（ウィンドシア）によって発生します。^[11]次に、積乱雲、あるいは時折積雲が存在する必要があります。^[11]

雷雨時には、上昇気流が時折強力なものとなり、水平に回転する空気の列を上方に持ち上げ、垂直の気柱を形成します。この垂直の気柱が竜巻の基本構造となります。このようにして発生する竜巻は、しばしば弱く、通常は10分未満で終了します。^[11]

2つ目の方法は、スーパーセル雷雨の際に、嵐内の上昇気流の中で発生します。風が強まると、解放された力によって上昇気流が回転することがあります。この回転する上昇気流はメソサイクロンとして知られています。^[12]

この方法で竜巻が発生するには、メソサイクロンの中心に後方から後面下降流が入り込む必要があります。冷たい空気は暖かい空気よりも密度が高いため、上昇流を貫通することができます。上昇流と下降流の組み合わせによって竜巻の発達が完了します。この方法で発生する竜巻はしばしば激しく、1時間以上続くことがあります。^[11]

メソスケール対流渦

メソスケール対流渦（MCV）は、メソスケール渦度中心またはネディ渦とも呼ばれ、^[13]メソスケール対流システム（MCS）内のメソサイクロンで、対流圏中層で風を旋回パターンまたは渦に引き込み、通常は上空の高気圧性の流出を伴い、上層と下層の空気の間に航空的に問題となる風のシア領域が発生します。中心の幅がわずか30～60マイル（48～97 km）、深さが1～3マイル（1.6～4.8 km）しかないため、MCVは標準的な天気図では見落とされがちです。MCVは、親メソスケール対流システムが消滅した後も最大2日間存続することがあります。^[13]

孤立したMCVは、次の雷雨の発生源となる可能性があります。メキシコ湾などの熱帯海域に移動するMCVは、熱帯低気圧の核となる可能性があります。その一例が、2019年のハリケーン・バリーです。MCVは非常に大規模な暴風雨を引き起こす可能性があり、風速は時速100マイル（160 km/h）を超えることもあります。2009年5月の南部中西部デレチョは、 2009年5月8日にカンザス州南東部、ミズーリ州南部、イリノイ州南西部を襲った、極めて進行性のデレチョとメソスケールの対流渦を伴う現象でした。

参考文献

1. 「メソサイクロン」。用語集。米国国立気象局。2019年9月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月17日閲覧。
2. 「メソサイクロンの定義」。気象総合用語集、Geographic.org 。 2025年9月13日閲覧。
3. 「メソサイクロン」。amsglossary.allenpress.com 。気象学用語集。アメリカ気象学会。2000年6月。2006年7月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2006年12月7日閲覧。
4. 激しい雷雨の予報におけるホドグラフの応用に関する予報官のためのレビュー。チャールズ・A・ドスウェルIII著。1991年ナショナル・ウェザー・ダイジェスト16（第1号）、2-16ページ掲載。激しい雷雨の予報におけるホドグラフの応用に関する予報官のためのレビュー。国立激しい雷雨研究所ノーマン、オクラホマ州
5. 対流の原理 III: COMET® プログラムによって生成される剪断嵐と対流嵐 https://www.meted.ucar.edu/mesoprim/shear/print.php
6. Dahl, Johannes ML (2017-09-01). 「スーパーセル雷雨における水平せん断渦度の傾斜と上昇気流回転の発達」. Journal of the Atmospheric Sc​​iences . 74 (9): 2997– 3020. Bibcode :2017JAtS...74.2997D. doi : 10.1175/JAS-D-17-0091.1 . ISSN  0022-4928.
7. フィッシャー, ヤニック; ダール, ヨハネス ML; コファー, ブライス E.; ハウザー, ヤナ レサック; マルコウスキー, ポール M.; パーカー, マシュー D.; ワイス, クリストファー C.; シュース, アレックス (2024-07-09). 「スーパーセル竜巻発生：理解の現状における最近の進歩」アメリカ気象学会誌. 105 (7): E1084 – E1097 .書誌コード:2024BAMS..105E1084F. doi : 10.1175/BAMS-D-23-0031.1 . ISSN  0003-0007.
8. 「メソサイクロンの特徴」amsglossary.allenpress.com気象用語集.アメリカ気象学会. 2000年6月. 2011年5月14日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年2月1日閲覧。
9. 「Severe Weather 101: Tornado Basics」NOAA National Severe Storms Laboratory.アメリカ海洋大気庁. 2018年8月31日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年10月2日閲覧。
10. Edwards, Roger (2018年4月19日). 「オンライン竜巻FAQ」. NOAA嵐予測センター.アメリカ海洋大気庁. 2018年3月26日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年10月2日閲覧。
11. 「竜巻…自然界で最も激しい嵐」。備えガイド。アメリカ海洋大気庁。1992年9月。2008年6月24日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2008年8月3日閲覧。
12. 「竜巻の形成」Thinkquest、Oracle Corporation、2003年10月。2008年4月21日時点のオリジナルよりアーカイブ。2009年8月3日閲覧。
13. 「1997年7月8日 ― メソスケール対流複合体の崩壊、メソスケール渦度中心の出現」気象衛星研究協同研究所、ウィスコンシン大学マディソン校、2004年1月22日。2010年6月9日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2010年2月1日閲覧。

外部リンク

• 「『メソサイクロン』の定義」用語集。米国国立気象局。2019年9月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2019年10月17日閲覧。