大気対流

暖かい空気は冷たい空気よりも密度が低いため、暖かい空気は冷たい空気の中で上昇します。^{[ 8 ]}これは熱気球に似ています。雲は、水分を含んだ比較的暖かい空気が冷たい空気の中で上昇することによって形成されます。湿った空気が上昇すると、冷えて上昇する空気の塊の中の水蒸気の一部が凝結します。^{[ 9 ]} 水分が凝結すると、蒸発潜熱と呼ばれるエネルギーが放出され、上昇する空気の塊は周囲の空気よりも冷えにくくなり、^{[ 10 ]}雲の上昇が続きます。大気に十分な不安定性があれば、このプロセスは積乱雲が形成されるのに十分な時間続き、雷と雷鳴を支えます。一般的に、雷雨の形成には、水分、不安定な気団、上昇力（熱）の 3 つの条件が必要です。

雷雨は種類に関わらず、発達段階、成熟段階、消滅段階の3つの段階を経ます。^{[ 11 ]} 平均的な雷雨の直径は24 km (15 mi)です。大気の状態にもよりますが、これら3つの段階を通過するのに平均30分かかります。^{[ 12 ]}  

雷雨には、主に4つの種類があります。単セル型、マルチセル型、スコールライン（マルチセルラインとも呼ばれる）、そしてスーパーセル型です。どの種類が形成されるかは、大気の異なる層における不安定性と相対的な風の状態（「ウィンドシア」）によって決まります。単セル型雷雨は、垂直ウィンドシアが弱い環境で発生し、20～30分しか続きません。組織化された雷雨や雷雨群/ラインは、垂直ウィンドシアが大きい環境で発生するため、より長いライフサイクルを持つことがあります。垂直ウィンドシアが大きいと、より強い上昇気流や様々な形態の激しい気象現象が発生しやすくなります。スーパーセルは雷雨の中で最も強く、大きな雹、強風、竜巻の発生と最もよく関連しています。

凝結による潜熱放出は、顕著な対流とほとんど対流がない状態を分ける決定的な要因です。冬の間は一般的に気温が低く、そのため水蒸気とそれに伴う潜熱をあまり保持できないため、その時期に気温の低い地域では顕著な対流（雷雨）はまれです。雷雪は、強制メカニズムが非常に急激な気温減率を支える状況の一つであり、これは前述のように、好ましい対流の典型例です。雷雪の中で上昇する空気から放出される少量の潜熱も、この対流ポテンシャルをわずかに高める役割を果たします。雷雨には、地形性雷雨、気団性雷雨、前線性雷雨の3種類があります。

大気中にCAPEが正の値を持つ層が存在する可能性があっても、空気塊がその高度に到達しない、あるいは上昇を開始しない場合、FCLで発生する最も重要な対流は実現しません。これは、さまざまな理由で起こり得ます。主な原因は、キャップ、つまり対流抑制（CIN/CINH）です。この抑制を弱めるプロセスとしては、地表の加熱と強制力があります。このような強制力は、上向きの鉛直速度を促進しますが、その速度は雷雨の上昇気流に比べて比較的遅いものです。そのため、抑制を「突破」するのは、実際にLFCに押し上げられる空気そのものではなく、むしろ強制力が抑制を断熱的に冷却するのです。これにより、キャッピング逆転層で発生する高度に伴う温度上昇が相殺され、あるいは「弱められる」ことになります。

抑制の侵食につながる強制メカニズムとしては、大気上層部で何らかの質量の流出、あるいは大気下層部で質量の過剰が生じるものが挙げられ、これらはそれぞれ上層部の発散または下層部の収束を引き起こします。その結果、しばしば上向きの鉛直運動が生じます。具体的には、寒冷前線、海風／湖風、流出境界、あるいは短波および長波のトラフなどによる大気の渦度ダイナミクス（正の渦度移流の差）を介した強制などが挙げられます。コリオリ力と圧力勾配力の不均衡によるジェットストリークのダイナミクスも、亜地衡流および超地衡流を引き起こし、上向きの鉛直速度を生み出す可能性があります。上向きの鉛直速度を生み出す大気の状態は他にも数多く存在します。

積乱雲における他の降水現象と同様に、雹も最初は水滴として始まります。水滴が上昇し、気温が氷点下になると、過冷却水となり、凝結核と接触すると凍結します。大きな雹の断面を見ると、タマネギのような構造が見られます。これは、雹が厚くて半透明の層と、薄くて白くて不透明な層が交互に重なってできていることを意味します。以前の理論では、雹は何度も下降と上昇を繰り返し、湿度の高い領域に落下して上昇するにつれて再び凍結すると考えられていました。この上下運動が、雹の層が連続して形成される原因だと考えられていました。しかし、新しい研究（理論と現地調査に基づく）では、必ずしもそうではないことが示されています。

嵐の上昇気流は、上向きの風速が時速180 キロメートル (110マイル)にも達し、^{[ 14 ]}形成中の雹を雲の上へと吹き上げます。雹が上昇するにつれて、湿度と過冷却水滴の濃度が変化する雲の領域を通過します。雹の成長速度は、遭遇する湿度と過冷却水滴の変化に応じて変化します。これらの水滴の付着速度も、雹の成長の要因の一つです。雹が水滴の濃度が高い領域に移動すると、水滴を捕捉して半透明の層を獲得します。雹が主に水蒸気が存在する領域に移動すると、不透明な白い氷の層を獲得します。^{[ 15 ]} 

さらに、雹の速度は雲の上昇気流における位置と質量に依存します。これにより、雹の層の厚さが変わります。過冷却水滴が雹に付着する速度は、これらの水滴と雹自体の相対速度に依存します。つまり、一般的に、より大きな雹は、成長により多くの時間を過ごせる強い上昇気流からある程度離れた場所で形成されます^{[ 15 ]。} 雹が成長するにつれて潜熱が放出され、その外側は液体の状態を保ちます。「湿潤成長」を経ると、外層は粘着性、つまりより接着性が高くなるため、1つの雹が他のより小さな雹と衝突して成長し、不規則な形状のより大きな塊を形成することがあります^{[ 16 ] 。}

雹は、上昇気流によってその質量を支えられなくなるまで、雷雨の中で上昇し続けます。 雹を発生させる雷雨の上昇気流の強さによっては、これは少なくとも30分かかる可能性があります。その雷雨の頂上は通常10キロメートル（6.2マイル）以上の高さになります。その後、雹は同じプロセスに基づいて成長を続けながら地上に向かって落下し、雲から離れます。その後、氷点以上の気温の空気中を通過すると溶け始めます^{[ 17 ]。} 

したがって、雷雨における単一の軌道は、雹の層状構造を説明するのに十分である。複数の軌道について議論できる唯一のケースは、雹が「母」セルの上部から放出され、より強い「娘」セルの上昇気流に捕捉される多細胞雷雨の場合である。しかし、これは例外的なケースである。^{[ 15 ]}

ダウンバーストは、下降気流の柱が地上に到達した後、あらゆる方向に広がり、時速240キロメートル（150マイル）を超える破壊的な直線風を発生させる可能性があり、竜巻による被害と似ているものの区別できる被害をもたらすことが多い。これは、ダウンバーストの物理的特性が竜巻のそれとは全く異なるためである。ダウンバーストによる被害は、下降気流の柱が地表に衝突して広がるにつれて中心点から放射状に広がるのに対し、竜巻による被害は回転する風に伴う収束的な被害となる傾向がある。竜巻による被害とダウンバーストによる被害を区別するために、マイクロバーストによる被害には「直線風」という用語が用いられる。 

ダウンバーストは、雷雨に伴う特に強い下降気流です。降水のない空気中、または降水帯を含む空気中のダウンバーストは、ドライダウンバーストと呼ばれます。^{[ 18 ]}降水を伴うダウンバーストは、ウェットダウンバーストと呼ばれます。ほとんどのダウンバーストは、範囲が4 キロメートル (2.5マイル)未満です。これらはマイクロバーストと呼ばれます。^{[ 19 ]}範囲が4 キロメートル (2.5マイル)を超えるダウンバーストは、マクロバーストと呼ばれることもあります。^{[ 19 ]} ダウンバーストは、広範囲にわたって発生する可能性があります。極端な場合、デレチョは幅320キロメートル（200マイル）以上、長さ1,600キロメートル（990マイル）以上の広大な範囲を覆い、12時間以上続くこともあり、最も強い直線風を伴うこともありますが、^{[ 20 ]}発生過程はほとんどのダウンバーストとは多少異なります。    

竜巻は、地球の表面と積乱雲（雷雲）の底、まれに積雲の底に接する、危険な回転する空気の柱です。竜巻にはさまざまな大きさがありますが、通常は目に見える凝結漏斗を形成し、その最も狭い端が地面に達し、破片や塵の雲に囲まれています。^{[ 21 ]}

竜巻の風速は一般的に時速64 キロメートル (40 mph)から時速 180 キロメートル (110 mph)の間です。竜巻の幅は約75 メートル (246フィート)で、数キロメートル移動してから消滅します。中には時速 480 キロメートル (300 mph)を超える風速に達するものもあり、幅が1.6 キロメートル (0.99マイル)を超える場合もあり、 100 キロメートル (62マイル)以上地面に接触し続けることもあります。^{[ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}      

竜巻は最も破壊的な気象現象の一つであるにもかかわらず、一般的に短命である。長命な竜巻でも通常は1時間以上は続かないが、2時間以上続くものもある（例えば、1925年のトライステート竜巻）。持続時間が比較的短いため、竜巻の発生と形成に関する情報は少ない。^{[ 25 ]}

一般的に、サイクロンはその大きさや強度によって不安定性のダイナミクスが異なります。最も不安定な方位角波数は、サイクロンが大きいほど高くなります。^{[ 26 ]}