分裂の嵐
発達する雷雨に関連する気象プロセス

北半球の気象レーダーで観測された、分裂する雷雨の発達過程。親嵐が東（右方向）に移動するにつれて、左方向に移動する嵐と右方向に移動する嵐に分裂し、左方向に移動する嵐は明らかに弱まっている。

分裂嵐とは、対流性雷雨が2 つのスーパーセルに分離し、一方が平均風せん断方向の左側 (左に移動するセル) に、もう一方が右側 (右に移動するセル) に、対流圏の深層を横切って伝播する現象です。ほとんどの場合、この平均風せん断方向は平均風の方向とほぼ一致します。結果として生じる各セルでは、他方のセルの上昇気流とは反対方向に回転する上昇気流が発生し、左側に移動するセルでは時計回りの上昇気流が発生し、右側に移動するセルでは反時計回りの上昇気流が発生します。嵐の分裂が発生する場合は、嵐の発生後 1 時間以内に発生する傾向があります。

直線のホドグラフで特徴付けられる、大量の周囲の横方向の渦度が存在する場合の嵐の分裂では、同様に強い左向きと右向きの運動をする細胞が生成されます。より湾曲したホドグラフで特徴付けられる、流れ方向の渦度が存在する環境でも、嵐の分裂が発生します。ただし、この状況では、一方の上昇気流がもう一方よりも大幅に有利になり、弱い分裂はすぐに消滅します。この場合、あまり有利でない分裂は非常に弱いため、このプロセスはレーダー画像では目立たない可能性があります。ホドグラフの曲率が時計回りになる傾向がある北半球では、右向きの細胞がより強く、より持続的になる傾向があります。ホドグラフの曲率が反時計回りになる傾向がある南半球では、その逆が当てはまります。

特徴

嵐の分裂を理想的に描いた図。上：形成中の上昇気流が、当初は環境中に存在していた水平方向の回転を垂直方向に傾け、上昇気流の両側に逆回転する渦を発生させる。中：これらの渦が新たな上昇気流を生み出す。下：発達中の下降気流が、新たに形成された2つの上昇気流を分離させる。

嵐の分裂は、1960年代に気象レーダーによって発見されました。[1] : 220 嵐の分裂は、風のシアの方向が嵐の動きと一致しているときに最も起こりやすく、横方向の渦度と呼ばれる状態です（右手の法則により、この渦度に関連する周囲の回転方向は、嵐の動きに垂直になります）。[2] : 234 このような状態は、嵐の相対的なヘリシティが低いことで定量化でき、直線のホドグラフと関連付けることができます。[2] : 234, 236 このような場合、風のシアは、下層から中層対流圏でほぼ一方向性です。[3]分裂は、親の雷雨が形成されてから約30～60分後に発生する傾向があり、十分な横方向の渦度が存在する限り繰り返し発生する可能性があります。周囲の渦度が存在すると、発達中の嵐が遭遇する可能性のある水平回転ロールが生成されます。 [2] : 234 嵐に伴う形成的な上昇気流がこの回転を引き上げ嵐の中に引き込むため、回転は上昇気流の反対側の側面で垂直に傾きます。一方では時計回りの回転になり、他方では反時計回りの回転になります。これらの回転領域は風のシア方向に対して直角に位置し、一方はこの方向の左側に、もう一方は右側に発生します。[2] : 234–235 北半球では、左回転は高気圧性で、右回転は低気圧性です。[1] : 220 この回転によって各回転領域の下に新しい回転する上昇気流が発生し、これが互いに分離して 2 つの別々の嵐が発生します。[4] : 289 両方のセルに回転する上昇気流があるため、両方ともスーパーセルです。[3]このプロセスは、2つの上昇気流の間に降水が発生すると加速され、空気が冷やされて下向きの抗力が生じ、元の上昇気流が消滅し、分裂したセルがさらに分離します。[2] : 234  [3] [1] : 220  [4] : 289 

嵐が 2 つに分裂すると、左に分裂する嵐は平均風せん方向の左の方向に移動する傾向があり、右に分裂する嵐は平均風せん方向の右に移動する傾向があります。この動作により、分裂した嵐は左移動型、右移動型として知られています。分裂した嵐がとる左または右の動きは、周囲の風せんの方向とほぼ一致する可能性があります。これにより、分裂した嵐の参照フレームで、分裂した上昇気流に取り込まれる周囲の横方向の渦度がそれぞれ増加または減少します。風せん方向からますます斜めの方向に移動する嵐は、ますます流れ方向の渦度を引き込みます。これは、北半球では右移動型、南半球では左移動型になる傾向があり、いずれの場合でも、これは低気圧性回転を伴う嵐です。[2] : 234 嵐の分裂によって横方向の渦度が減少する可能性がありますが、横方向の渦度はまだ存在する可能性があります。このように、左右に移動する嵐は、横方向の渦度が残っている場合、繰り返し分裂する可能性があります。[2] : 236 

スーパーセル内の物理的プロセスと環境との相互作用は、左向きや右向きのスーパーセルの動きの予測を複雑にする。[2] : 240 分裂する嵐の動きを近似するために一般的に使用される方法は、平均風せん断ベクトルからの経験的に観測された偏差に基づいて動きを推定する傾向がある。[2] : 240  [5] [6]

環境の渦度が完全に横切っていれば、嵐の分裂によって、同じ強さで反対方向に回転する 2 つのセルが生成される。この場合、両方の嵐は平均風せん断方向から対称的に逸れる。[2] : 240 左側に移動する嵐はますます時計回りの渦度を獲得し、右側に移動する嵐はますます反時計回りの渦度を獲得する。コリオリの力がない場合、両方のセルは互いの鏡像となる。しかし、コリオリの力により、低気圧のセルはわずかに強くなる。[3]乱流摩擦のため、風せん断の方向は一般に地表付近で変化するため、下層圏ではホドグラフが直線になることはめったにない。[1] : 224 風せん断の方向が高度とともに変化し、ある程度の流れ方向の渦度が存在する場合、分裂した上昇気流による渦度の取り込みによって一方の上昇気流が強められ、もう一方が抑制される。ホドグラフが高度とともに時計回りに回転する場合、右回りの動きが強化され、ホドグラフが反時計回りに回転する場合は、左回りの動きが強化されます。[2] : 238 分割されたセルの強度の差のほとんどは、コリオリの力ではなく、この方向性のある風のシアによって生じます。[4] : 289 ホドグラフの曲率が増加すると、嵐の分割は顕著ではなくなり、高気圧セルの寿命が短くなります。[3]極端な場合、強く曲がっているホドグラフがある場合、抑制された上昇流は最初から非常に弱いため、分割プロセスはレーダーで明らかではなく、対流開始直後に優勢なセルがすぐに存在します。[引用が必要]低気圧性の分割スーパーセル（北半球で右に移動する）は、通常、存続期間が長く、激しい天候を引き起こすため、より広く研究されてきましたが、高気圧性スーパーセルも激しい天候を引き起こす可能性があります。[7] [8]

複数の雷雨が発生すると、分裂する嵐は他の分裂する嵐と相互作用する可能性があります。境界線に沿って嵐の列が発生する場合、列の端にある嵐は通常、最も孤立しており、分裂するセルと相互作用することはありません。[1] : 252 

ダイナミクス

ほぼ直線的なホドグラフ
ストーム分割は、ホドグラフがあまり曲がっていない環境で有利になります。

大気中の気塊の動きは、気塊が周囲の空気と相互作用するにつれて、気塊の前方の気圧の局所的な上昇と、気塊の後流の気圧の低下を引き起こすことがあります。このような圧力変動は動圧擾乱と呼ばれます。回転する上昇気流内では、この動圧擾乱の高度による変化は、線形項と非線形項の組み合わせとして近似できます。 p d ′ {\displaystyle p'_{d}} z {\displaystyle z}

∂ p d ′ ∂ z ∝ 2 ∂ ∂ z S ⋅ ∇ h わ ′ − 1 2 ∂ ζ ′ 2 ∂ z {\displaystyle {\frac {\partial p_{d}'}{\partial z}}\propto 2{\frac {\partial }{\partial z}}\mathbf {S} \cdot \nabla _{h}w'-{\frac {1}{2}}{\frac {\partial \zeta '^{2}}{\partial z}}}

ここで、は平均鉛直風シアーベクトルを表し、は上昇気流に関連する鉛直風の水平勾配を表し、は上昇気流内の 渦度です。 S {\displaystyle \mathbf {S} } ∇ h わ ′ {\displaystyle \nabla_{h}w'} ζ {\displaystyle \zeta }

水平回転が上昇気流で最初に持ち上げられると、上昇気流の反対側に低気圧性渦と高気圧性渦が生成され、これらの渦の強さは通常、地表から 4～8 km (2.5～5.0 マイル) 上空の中層対流圏で最大になります。[2] : 234 各渦は、渦の中心上空の気圧が最小になり、周囲の空気が循環衡平衡状態にあることと関連しています。[4] : 289 渦度の符号(つまり回転方向)に関係なく、渦の位置での量は地表から中層対流圏 (渦が最も顕著) まで増加する傾向があります。したがって、高度とともに減少し、垂直方向の圧力勾配が生じて、 2 つの渦の下で上向きの動きが促進されます。これにより、元の上昇気流の反対側に 2 つの新しい上昇気流が生成されます。元の上昇気流の側面に発生する上昇気流は、水平方向の上昇気流せん断伝播を引き起こし、左に分裂するセルはせん断ベクトルに対して左方向に移動し、右に分裂するセルは右方向に移動する。[6]これは、雷雨の初期の分裂が非線形力学によって支配されていることを示唆している。[2] : 234 水平渦度の鉛直方向への傾斜は上昇気流の側面で最も顕著であるため、分裂した嵐は平均風せん断方向から離れる方向に移動し続ける。[2] : 236 強く湾曲したホドグラフで特徴付けられるように、渦度が主に流れ方向である場合、線形項は鉛直動圧の摂動により強い影響を与える。したがって、周囲の渦度が流れ方向である場合、嵐の分裂はそれほど有利ではない。[2] : 238  ζ ′ 2 {\displaystyle \zeta '^{2}} p d ′ {\displaystyle p'_{d}}

参照

参考文献

  1. ^ abcde Bluestein, Howard B. (2013). 『激しい対流性嵐と竜巻：観測とダイナミクス』 ベルリン: Springer. ISBN 978-3642053818。
  2. ^ abcdefghijklmno ポール・マーコウスキー;イベット・リチャードソン（2010年2月5日）。 「孤立対流の組織」。中緯度の中規模気象学。土井：10.1002/9780470682104。ISBN 9780470682104。
  3. ^ abcde Davies-Jones, Robert (2015年5月). 「スーパーセルと竜巻のダイナミクスのレビュー」.大気研究. 158–159 : 274–291 . Bibcode :2015AtmRe.158..274D. doi :10.1016/j.atmosres.2014.04.007.
  4. ^ abcd Houze, Robert A. (1994).クラウドダイナミクス. サンディエゴ: アカデミックプレス. ISBN 9780123568809。
  5. ^ エドワーズ、ロジャー、トンプソン、リチャード・L、ハート、ジョン・A (2002年8月13日). スーパーセル運動予測技術の検証(PDF) . 第21回局地暴風雨会議／第19回気象解析・予報会議／第15回数値予報会議. テキサス州サンアントニオ.
  6. ^ ab Zeitler, Jon W.; Bunkers, Matthew J. (2005). 「スーパーセル運動の現業予測：複数のデータセットを用いたレビューとケーススタディ」(PDF) . National Weather Digest . 29 (1). National Weather Association: 82– 97.
  7. ^ Dostalek, John F.; Weaver, John F.; Phillips, G. Loren (2004年6月). 「1999年5月25日に発生した竜巻状の左移動雷雨の様相」. Weather and Forecasting . 19 (3​​): 614– 626. Bibcode :2004WtFor..19..614D. doi :10.1175/1520-0434(2004)019<0614:AOATLT>2.0.CO;2.
  8. ^ リンジー, ダニエル・T.; バンカーズ, マシュー・J. (2005年2月1日). 「2003年5月4日の左に移動する激しいスーパーセルの観測」.天気と予報. 20 (1): 15– 22.書誌コード:2005WtFor..20...15L. doi :10.1175/WAF-830.1.
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