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更新日:2020年07月08日 訪問者数:377
ジャンル共通 技術・知識
雷雨のでき方〜事例による雷雨生成プロセスの考察〜
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登山をする際、大きなリスクとなる雷雨。その雷雨が、どのような気象条件の時に発生するのか、大きく3つのパターン(気団性雷雨・マルチセル型雷雨・スーパーセル型雷雨)に分け、事例を挙げて考察しました。
これから迎える夏山シーズンで避けたいのは、雷に遭遇することです。
先日も、インドで落雷により107名の死者が出たとのニュースがありました。

山を歩くのであれば、雷が発生しそうな日や時間帯を予測して、それを避けて歩きたいものです。

筆者は、以前「雷雲(積乱雲)の発生・発達メカニズム」という表題で記事を投稿しました1)。
https://www.yamareco.com/modules/yamanote/detail.php?nid=1653

実際は、前記事1)で記述したほど積乱雲の発達は単純ではなく、気象状況によっていろいろなパターンがあります。
そして、条件がそろえば、昼夜に関係なく広い地域で強い雷雨になることがあります。

本記事は、前記事を補足する形で、気象条件による積乱雲の発達メカニズムの違いについて紹介します。
また、過去に被害が起こった雷雨の3つの事例を挙げ、それぞれの雷雨がおきた気象条件について、地上天気図及び高さ5500メートル付近の高層天気図(500hPa)を用いて検討したいと思います。


1 雷雨の種類

図1に、積乱雲発達のための基本的条件の概念図を示します。
図1 積乱雲発達のための基本的条件
・地上付近に暖かく湿った空気があること
・上空に寒気が入っていること
・上昇気流が存在すること(図は例として地形的上昇を示している)


以上、3条件です。
以上の基本的な条件を前提にして、雷雨の発生パターンは大きく分けて三種類(気団性雷雨、マルチセル型雷雨、スーパーセル型雷雨)あります。
どの発生パターンになるかは、鉛直シアー(下層と上層の風の強さ及び風向の違い)の強弱によって決まります。

表1に各雷雨の特徴を示しました。
表1 各雷雨の特徴
以下、各雷雨の詳細について記述したいと思います。

2 気団性雷雨

2.1 概要2)

一般的な夏の雷雨の形です。
鉛直シアーが弱い時に発生します。

図2−1に気団性雷雨となる積乱雲の一生、図2−2に積乱雲の分布イメージについて図示します。
図2−1 気団性雷雨となる積乱雲の一生
発生期:例えば、夏の暑い日の午後、日射により地表面が暖まり大気の状態が不安定になります。
地上付近には小さな雲が発生します

成長期:強い上昇気流(赤矢印)により水蒸気が供給され、雲はぐんぐん発達します。

成熟期:やがて、雲を形成している水分(氷)が落下するようになり、内部は全体的に下降気流(青矢印)となります。
地上では大雨となります。
この時、水蒸気の補給源である上昇気流はほとんど消え、雲が衰退し始めます。

衰退期:雲のほとんどの水分(氷)は、雨(霰や雹)として落下するため、雲は消失します。
図2−2 積乱雲の分布イメージ(気団性雷雨)
あちらこちらで積乱雲が不規則的に発生します。
様々なステージの積乱雲が混在します。
それぞれの積乱雲は影響し合うことはなく、孤立して活動します。
個々の積乱雲の寿命は、30分から1時間程度で短命です。
写真1 発達中の積乱雲
強い上昇気流のため、積乱雲はあっという間に成長します。
夏の時季、気団性雷雨は午後から夕方にかけて山沿いを中心に毎日のように発生します。
したがって夏の登山は、昼過ぎには行動を終わらせることが肝心です。


2.2 気団性雷雨の事例

2019年8月7日の午後3時ごろ、北岳の稜線で落雷があり、大学生1名が死亡する事故が起こりました。

この時の雷雨を事例として取り上げます。

2019年8月7日12時における地上天気図及び9時における高層天気図(500 hPa)をそれぞれ図2−3及び図2−4に図示します。
さらに、2019年8月7日9時における高層の気象観測値(茨城県つくば市上空)を表2に示します。
図2−3 地上天気図(2019年8月7日12時)3)
基本的には太平洋高気圧に覆われていますが、南の海上には台風があります。
日本付近には、暖かく湿った空気が流れ込んでいます(赤矢印)。

この日の甲府市の最高気温は、37.1℃と猛烈な暑さを記録しました4)。
図2−4 高層天気図(500 hPa;高度約5,500メートル) (2019年8月7日9時)3)
日本付近は緩やかに高気圧で覆われています。

等高線(地上天気図における等圧線に相当)も混んでおらず、風速も小さいようです。

500 hPa付近での関東甲信越付近の気温は-4〜-5℃で、平年並みの気温(-4.5℃(つくば市上空))と考えられます4)。
表2 高層の気象観測値4)(つくば市上空:2019年8月7日9時)(地上、850 hPa付近及び500 hPa付近における気温、相対湿度、風速・風向)
気温:地上での気温は29℃、500 hPa付近の気温は-5℃(平年:-4.5℃)で、気温差は34℃でした。
500 hPa付近の気温は平年並みでしたが、地上付近の気温が高く、大気の状態は不安定でした。
気温は昼頃にかけてさらに上昇したので、大気の状態はさらに不安定になりました。
ちなみに、この日の甲府市の最高気温と500 hPa付近の気温との差は40℃以上になりました。

相対湿度:地上での相対湿度は78%、500 hPa付近の相対湿度は68%で、地上付近から上空まで湿度が高い状況でした。

風速・風向:850 hPa付近の風向・風速は南西の風2 m/s、500 hPa付近の度は風向・風速は北西の風4 m/sで、鉛直シアーは弱い状態でした。
以上の気象条件から、この気団性雷雨が発生した要因は、

・地表面付近が猛烈に温められて大気の状態が不安定になったこと
・地上付近から上空まで大気が湿っていたこと
・地形(山岳)や日射による上昇気流が発生したこと

と、考えられました。

この気象条件は、真夏では一般的にみられる形です。
特に猛暑が厳しい近年では、午後になるとこの型の雷雨がどこでも(特に山岳地帯)発生する可能性があります。


3 マルチセル型雷雨

多くの積乱雲で構成された雷雨のことです

3.1 概要2)

鉛直シアーが強い時に発生します。
線状降水帯を形成し、豪雨をもたらし広い範囲で強い雷雨となります。

図3−1にマルチセル型雷雨生成の概念図、図3−2に積乱雲の分布イメージについて図示します。
図3−1 マルチセル型雷雨生成の概念図
第1段階:高温高湿度の地上付近において、下層の風(赤矢印)の風下側に雲1が発生します。

第2段階:雲1には鉛直方向から傾きのある上昇気流が発生し(赤矢印)発達します。
そして、雲1の背後に雲2が新たに発生します。

第3段階:雲1はさらに発達し、成熟期の積乱雲になります。
このステージでは降雨等により、下降気流(青矢印)が発生します。
下降気流から流れ出た風(青矢印)は、下層の風(赤矢印)とぶつかり合って、上昇気流を強化させ、雲2を急激に発達させます。
さらに、雲2の背後に雲3が発生します。

第4段階:雲1は降雨等によって、衰弱期を迎えます。
一方、雲2は成熟期の積乱雲まで発達します。
雲3も雲2を追うようにして発達していきます。
そしてまた、雲4が新たに発生します。

第5段階:それぞれの雲は次のステージに入り、世代交代をしていきます。

この様に、マルチセル型雷雨内では、積乱雲が次々と世代交代をしていきます。
図3−2 積乱雲の分布イメージ(マルチセル型雷雨)
発生期、成長期、成熟期、衰退期の積乱雲が直線状(または湾曲状に)に並びます。

下層では暖かく湿った風(赤矢印)と、成熟期の積乱雲からの冷たい風(青矢印)の収束域(陣風前線)(点線)があります。
ここで、暖かく湿った風は、鉛直から斜め方向への上昇気流となり、雲を発達させます(赤破線の矢印)。

雷雨自体は、上空の風の方向に移動します。
このように、様々なライフステージ(発生期・成長期・成熟期・衰退期)の積乱雲が規則的に集まって、群を形成する雷雨をマルチセル型雷雨と言います。
この型の雷雨は、次々と世代交代を繰り返しながら積乱雲が発生しますので、雷雨は長時間にわたります。

また、積乱雲が世代交代を繰り返しているとき、ほぼ同じ場所で同じ積乱雲のライフステージを迎えるケースがあります(バッグビルディング現象)。
成熟期を迎える場所では、次から次へと成熟期の積乱雲が通過していくため豪雨が長く続きます(線状降水帯)。


3.2 マルチセル型雷雨の事例

2015年9月9日から11日にかけて、関東地方から東北地方にかけて大規模な線状降水帯が発生しました。
この豪雨では、関東北部から東北南部の広範囲で24時間雨量が300ミリ以上を観測しました。
これにより、計20人の死者、負傷者82人、住宅の全壊81棟、床上浸水2,523棟などの甚大な災害をもたらせました。
この豪雨は「平成27年9月関東・東北豪雨」と呼ばれています。

これを事例として取り上げます。

2015年9月9日12時の地上天気図及び21時における高層天気図(500 hPa)をそれぞれ図3−3及び図3−4に図示します。
さらに、2015年9月9日21時における高層の気象観測値(茨城県つくば市上空)を表3に示します。
図3−3 地上天気図(2015年9月9日12時)3)
関東・東北の西側には台風から変わった低気圧、南東海上には台風が存在しています。
一方、カムチャッカ半島の西にはオホーツク海高気圧があり、ほとんど停滞しています(ブロッキング高気圧)。

関東・東北地方には、南よりの暖かく湿った気流が、低気圧の東側に沿って流れ込んできています。

一方、南東沖の台風からも、東〜南東方向の暖かく湿った風が流れ込んできています。
そのため、関東・東北地方付近は風の収束域となっています。
図3−4 高層天気図(500 hPa) (2015年9月9日21時)3)
日本海には、-12℃の寒気を伴った低気圧があります。
関東・東北地方は、その低気圧に伴ったトラフ(気圧の谷)の前面に位置します。

-6℃の等温線は、日本の南海上まで南下しています。

関東・東北地方付近の等高線は、比較的混み合っており、風が強いことを示唆しています。
表2 高層の気象観測値4)(つくば市上空:2015年9月9日21時) (地上、850 hPa付近及び500 hPa付近における気温、相対湿度、風速・風向)
気温:地上での気温は25℃、500 hPa付近の気温は-5℃、気温差は30℃でした。

相対湿度:地上での相対湿度は90%、500 hPa付近の相対湿度は88%で、地上付近から上空まで湿度が非常に高い状況でした。

風速・風向:850 hPa付近の風向・風速は南東の風17 m/s、500 hPa付近の度は風向・風速は南の風22 m/sで、鉛直シアーが強い状態です。
風向が上空と下層で異な ると、積乱雲群の側面から水蒸気が継続的に供給され、積乱雲が効率よく発達できます5)。
以上、今回の事例で、長期間にわたる強いマルチセル型雷雨(線状降水帯)が生成した推定プロセスを図3−5にまとめました。
図3−5 本事例でのマルチセル型雷雨(線状降水帯)の推定生成プロセス
・関東・東北地域の下層には、日本海にある低気圧に沿って、暖かく湿った空気が流入しています。
・東南海沖の台風からも暖かく湿った空気が流入しています。
・この2方向の気流によって、関東・東北地域に風の収束域が形成され、強い上昇気流が発生しました。
・以上のことより、積乱雲が発達しやすい状況にありました。

・さらに、上層では寒冷低気圧に向かって巻き込むように湿った強い南風が吹いており、積乱雲も南北方向に形成されて行きました。
・上空まで湿った状態ですと、積乱雲は衰弱せず、どんどん発達できます。
・バックビルディング現象による線状降水帯の形成で、同じような場所で、成熟期を迎えた積乱雲が次々と通過していき豪雨が続きました。

・ブロッキング高気圧(オホーツク高気圧)が停滞していたため、2〜3日間は気象状況にほとんど変化なく、線状降水帯は同じような場所に停滞しました。
4 スーパーセル型雷雨

巨大な積乱雲での雷雨のことです。
4.1 概要2)

この雷雨も鉛直シア―が強いときに発生します
広範囲にわたって雷雨をはじめとした激しい気象現象が起き、竜巻をおこすこともあります。
大きさも数十キロにわたります。

この巨大な積乱雲の特徴は、上昇気流が鉛直方向から傾いて形成するため、雲を発達させる上昇気流の場と、雨を降らせる下降気流の場が別々に存在し、長時間(数時間)維持し続けることです。

図4−1にスーパーセル型雷雨の概念図、図4−2に積乱雲の分布イメージについて図示します。
スーパーセル(巨大積乱雲)
図4−1 スーパーセル型雷雨の概念図
・上層気流は、鉛直シアーが大きいと、鉛直方向から傾いて発生します。
この上昇気流により、下層の水蒸気を上空に運び積乱雲を発達させます(赤矢印)。

・成熟した積乱雲では、中層域の湿度の低い空気が雲の中に侵入し(青矢印)、雲の中の雨粒を蒸発(氷粒を昇華)させる場所ができて、その場所では雲が冷却されます(空気が重くなる)。
これにより、雲の中に下降気流(青矢印)の場を形成し、雨などを降らせます。

・下降気流(青矢印)が地面に達し水平に広がると、下層の暖気流(赤矢印)との収束域が形成されます(陣風前線)。
これにより、上昇気流の発生を促し、再び積乱雲を発達させます。

・下降気流の場で降雨などにより雲が消失しても、上昇気流の場で次から次へと下層の水蒸気が供給されますので、雲はなかなか衰弱しません。

・また、鉛直シアーが大きいと、強い上昇気流が発生すると同時に強い渦が生成されることが知られています。
この強い渦が積乱雲を回転させる原動力となり、竜巻を発生させる原因となります。
図4−2 積乱雲の分布イメージ(スーパーセル型雷雨)
単独で存在する巨大な積乱雲です。

上昇気流の部分(雲の発達領域)と下降気流の部分(降雨領域)が分かれて存在します。

レーダーエコーでみると、かぎ状の形をしているのが特徴です(ピンクの部分)。

これをフックエコーと呼びますが、この付近で竜巻が発生しやすいといわれています2)。
4.2 スーパーセル型雷雨の事例

2012年5月6日正午過ぎに、茨城県つくば市などで竜巻が発生しました。
被害としては、死者1名、負傷者37名 、住宅被害合計 1,114棟(うち全壊210棟)棟
等となりました。
周辺では、豪雨や降雹も確認されています。

今回、これを事例として取り上げます。

2012年5月6日12時の地上天気図及び9時における高層天気図(500 hPa)をそれぞれ図4−3及び図4−4に図示します。
さらに、2012年5月6日9時における高層の気象観測値(茨城県つくば市上空)を表4に示します。
図4−3 地上天気図(2012年5月6日12時)3)
基本的には、夏型の気圧配置ですが、北海道付近に低気圧が存在しています。

関東地方では、南海上の高気圧から低気圧に向かって、暖かく湿った空気が流入しています(赤矢印)。
図4−3 高層天気図(500 hPa) (2012年5月6日9時)3)
日本海北部には、-27℃の寒気を持った非常に強い寒冷低気圧があります。

関東地方は、トラフの前面に位置しており、低気圧を中心とした-18℃の等温線の中にすっぽりと納まっています。

また、日本上空の等高線は低気圧を中心として非常に込み合っており、強風が吹いていることが示唆されます。
表2 高層の気象観測値(つくば市上空:2012年5月6日9時4) (地上、850 hPa付近及び500 hPa付近における気温、相対湿度及び、地上、918 hPa、500 hPa付近及び300 hPa付近における風速・風向)
気温:地上での気温は19℃、500 hPa付近の気温は-19℃、気温差は38℃で、大気の状態は非常に不安定です。

相対湿度:地上での相対湿度は90%、500 hPa付近の相対湿度は48%で、地上付近の湿度は高いですが、500 hPa付近の湿度は比較的低い状態でした。

風速・風向:918 hPaでの風向・風速は南南西の風14 m/s、500 hPa付近の風向・風速は南西の風24 m/s、300 hPa付近の風向・風速は南西の風36 m/sで、上層にいくほど風は強くなりました。
したがって、鉛直シアーはとても強い状態です。
以上、強い竜巻を伴うスーパーセル型雷雨が発生した要因としては、

・下層に暖かく湿った空気が流入していた
・上空には寒冷低気圧に伴う非常に冷たい寒気が流入していた
・上空には強い風が吹いていた
・鉛直シアーが強かった

ということが考えられました 。
写真3 スーパーセルの底での現象
スーパーセルの底では、豪雨、雷、突風、竜巻などの激しい気象現象が起こります。
おわりに

以上、3種類の雷雨の発生について、事例も交えながら説明させていただきました。
この中でも、マルチセル型雷雨とスーパーセル型雷雨は、寿命も長く、非常に激しい気象現象もたらす危険な雷雨です。

マルチセル型雷雨やスーパーセル型雷雨が発生しやすい条件は共通してます。

・下層では暖かく湿った風が吹いていること、
・上空に寒気を伴った低気圧またはトラフ(気圧の谷)が存在すること
・上空に強い風が吹いていること(鉛直シアーが強いこと)

登山をする際、事前の気象情報で、「寒冷低気圧(寒冷渦)」、「湿舌」などという言葉が出てきたら要注意です。
「広い範囲で大雨に警戒」や「広い範囲で強い雷雨に警戒」などという天気予報が出ていたら、マルチセル型やスーパーセル型の雷雨になる可能性が高いと考えられます。
その時は、登山を中止することが賢明かもしれません。

気団性雷雨は、昔よりも起こりやすくなっていると考えます。
最近の夏は、温暖化やヒートアイランド現象などで、地上付近は猛烈な暑さになっているからです。
真夏の山では、いつでもこの型の雷雨に襲われる可能性があります。
この型の雷雨に遭わないためには、早出早着を心がけることが肝要かと思われます。

最後に、本記事が皆様にとって、少しでも気象災害から身を守る一助となれば幸いです。


引用・参考文献
1) ヤマレコ:ヤマノート「雷雲(積乱雲)の発生・発達メカニズム」(2016.08.04)
https://www.yamareco.com/modules/yamanote/detail.php?nid=1653
2) 小倉義光:中小規模の運動「一般気象学」(第17刷)東京大学出版会,pp.208-217 (1995)
3) 気象庁「天気図」、加工:国立情報学研究所「デジタル台風」(これをさらに独自加工)
http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/weather-chart/
4) 気象庁「過去の気象データ」
https://www.data.jma.go.jp/obd/stats/etrn/index.php
5) 加藤輝之: 線状降水帯発生要因としての鉛直シアーと上空の湿度について「平成26年度予報技術研修テキスト」 気象庁予報部, pp.114-132 (2015)
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