対流性嵐の検出

対流嵐の検出は、深層湿潤対流（DMC）の気象観測と短期予測です。DMCは、積雲から積乱雲までの単一または大規模な垂直伸長雲のクラスターを生成する大気の状態を表します。積乱雲は、雷と雷鳴を伴う雷雨を生成します。これら2種類の雲は、地表と上空で厳しい天候を引き起こす可能性があります。^[1]

嵐の中の深い湿潤対流の存在を識別できる能力は、竜巻、大粒の雹、強風、鉄砲水につながる大雨などの関連現象を予測し監視する気象学者の能力を大幅に向上させます。これは、例えば嵐監視員による直接の目撃観測と、特に気象レーダーなどのリモートセンシングに依存しています。直接検出には、特に地表観測所からの風速報告などの現場測定も使用されます。これは、緊急管理、嵐監視員や追跡者、メディア、一般市民などのユーザーへの悪天候に関する情報の予測、検出、および配信で構成される統合警報システムの一部です。^[2]

竜巻を警告する厳密な試みは、20 世紀半ばに米国で始まりました。1950 年代以前は、竜巻を検知する唯一の方法は、誰かが地上でそれを目撃することだけでした。竜巻のニュースは、嵐が過ぎ去った後に地元の気象台に届くことが多かったのです。

しかし、気象レーダーの登場により、地方事務所の近くの地域は悪天候の事前警報を受け取ることができるようになりました。最初の公共の竜巻警報は1950年に発令され、最初の竜巻注意報と対流予報は1952年に発令されました。 ^{[3] 1953年には、}フックエコーが竜巻に関連している ことが確認されました。これらのレーダーシグネチャを認識することで、気象学者は数十マイル離れた場所から竜巻を引き起こす可能性のある雷雨を検出できるようになりました。^[4]

1970年代半ば、米国立気象局（NWS）は、激しい雹、破壊的な風、竜巻、および被害や鉄砲水を示す嵐の主な特徴を識別して報告する嵐監視員の訓練を強化しました。このプログラムはスカイワーンと呼ばれ、監視員は地元の保安官代理、州警察官、消防士、救急車の運転手、アマチュア無線家、民間防衛（現在の緊急事態管理）監視員、嵐追跡者、および一般市民でした。悪天候が予想される場合、地元の気象局はこれらの監視員に悪天候に注意し、竜巻があればすぐに報告して、局がタイムリーに警告を発することができるように依頼します。

通常、気象観測員は各組織に代わってNWSによって訓練され、各組織に報告する。各組織はサイレンや緊急警報システムなどの公共警報システムを作動させ、その報告をNWSに転送する。NWSはNOAA気象ラジオ全災害ネットワークを通じて情報や警報を直接配信する。^[2]全米には訓練を受けたスカイワーンの気象観測員が23万人以上いる。^[5]

カナダでは、 Canwarnと呼ばれる同様のボランティア気象観測者のネットワークが、1,000人以上のボランティアとともに悪天候の発見に役立っています。^[6]

ヨーロッパでは、いくつかの国がスカイワーンヨーロッパ^[7]の支援の下で観測者ネットワークを組織しており、竜巻・嵐研究機構（TORRO）は1970年代から イギリスで観測者ネットワークを維持しています。

嵐監視員が必要なのは、 NEXRADなどのレーダー システムや衛星画像では竜巻や雹は検出されず、嵐の可能性を示す兆候のみが検出されるためです。^[8]レーダーや衛星データの解釈では、通常、そのようなイベントの視覚的証拠が現れる前に警告が発せられますが、観測者からの地上の真実により、脅威を確認するか、差し迫っていないと判断できます。レーダー サイトからの距離が離れるほど、地球の曲率と距離によるビームの広がりにより、レーダー ビームの高度が次第に高くなるため、これらのリモート センシング デバイスでは検出できないものを監視員が検出できることが特に重要になります。したがって、レーダーから遠い場合、嵐の降水量と速度のみが観測されます。重要な領域がサンプリングされないか、データの解像度が悪くなる可能性があります。また、竜巻の発生につながる気象状況の中には、レーダーで容易に検出できないものもあり、場合によっては、レーダーがスキャンを完了してデータのバッチを送信するよりも早く竜巻が発生することがあります。^[8]

嵐監視員は、遠くから見える嵐がスーパーセルであるかどうかを見分ける訓練を受けています。^{[8]彼らは通常、}上昇気流と流入の主な領域であるスーパーセルの後ろを見ます。 [8 ^]上昇気流の下には雨のない基盤があり、竜巻発生の次のステップは回転する壁雲の形成です。激しい竜巻のほとんどは、スーパーセルの裏側に壁雲がある状態で発生します。^[9]

スーパーセルの証拠は、嵐の形状と構造、および硬くて活発な上昇気流の塔、持続的または大きなオーバーシュートした上部、硬い金床（特に強い上層の風に対して逆せん断された場合）、およびコルクスクリューの外観または縞模様などの雲の塔の特徴から得られます。^[8]嵐の下、およびほとんどの竜巻が見られる場所に近い場合、スーパーセルの証拠と竜巻の可能性には、「ビーバーテイル」などの流入帯（特に湾曲している場合）が含まれます。また、流入の強さ、流入空気の暖かさと湿り気、流出または流入が優勢な嵐の出現頻度、および前縁降水核が壁雲からどれだけ離れているかなどの手がかりがあります。竜巻の発生は、上昇気流と前縁下降気流の境界面で発生する可能性が最も高く、流出と流入の「バランス」が必要です。^[10]

回転する壁雲だけが竜巻を発生させ、通常は竜巻の 5 分から 30 分前に発生します。回転する壁雲は、メソサイクロンの視覚的な発現です。低レベルの境界を除いて、後部側面の下降気流が発生しない限り、竜巻が発生する可能性は非常に低いです。後部側面の下降気流は通常、壁雲の角に隣接する雲の蒸発によって視覚的に証明されます。竜巻は、これが発生したとき、または直後に発生することがよくあります。最初に漏斗雲が下がり、ほとんどの場合、半分まで下がるまでに表面の渦がすでに発生しています。これは、凝結によって表面循環が嵐につながる前に、竜巻が地上にあることを意味します。竜巻は、壁雲がなくても、側面線の下や先端で発生することもあります。監視員は、嵐のすべての領域とその周辺を監視します。^[11]

今日、ほとんどの先進国には気象レーダーのネットワークがあり、竜巻や雹、ダウンバーストなどの他の激しい現象に関連する可能性のある特徴を検出する主な方法となっています。レーダーは、観測者がいない場所や時間でも常に利用可能であり、観測者が見ることができない夜間の暗闇や雲の中に隠れたプロセス、雲の外側の目に見えないプロセスも見ることができます。

竜巻の短期予測と検出では、気象学者はレーダーデータを現場からの報告や気象環境の知識と統合します。レーダー分析は、アルゴリズムと呼ばれる自動検出システムによって強化されます。気象学者はまず大気環境とその変化に注目し、嵐が発生すると、嵐の動きと環境との相互作用に注目します。

嵐が竜巻発生源へと組織化される初期段階は、傾斜した上昇気流を伴う弱いエコー領域 (WER) の形成です。これは、雷雨内で降雨が発生するはずの領域ですが、非常に強い上昇気流によって上空に「引っ張られて」いる領域です。弱いエコー領域は、その上と側面を部分的に取り囲む弱い反射率と強い反射率の急激な勾配が特徴です。WERより上に舞い上がる降雨領域は、嵐の頂上から発散し、風下に運ばれるにつれて下降する降雨粒子で構成されるエコー オーバーハングです。この領域内では、境界のある弱いエコー領域( BWER ) が WER の上方に形成され、WER を囲む場合があります。BWER は上昇気流の上部近くに見られ、強い反射率にほぼまたは完全に囲まれており、周期的な竜巻発生が可能なスーパーセルを示しています。メソサイクロンが発生すると同時に、メソサイクロンが下降したり、嵐の下層で竜巻が発生したりすることがあります。

反射率(降水強度) データでは、エコー勾配がきつい (特に流入域) ことと扇形であることは、一般にスーパーセルを示しています。V ノッチまたは「フライング イーグル エコー」は、強力なクラシック スーパーセルで最も顕著になる傾向があります。クラシック スーパーセルとは、最も強力で、最大かつ最長の竜巻を発生させるタイプのスーパーセルです。これを流入ノッチと混同しないでください。流入ノッチは、反射率がほとんどないかまったくない降水の下層のくぼみで、強力で組織化された流入と、スーパーセルである可能性が高い激しい嵐を示しています。後方流入ノッチ (または弱いエコー チャネル) は、メソサイクロンおよびフック エコーの東または北に発生します。前方流入ノッチも、特に高降水スーパーセル (HP) および準線形対流システム (QLCS) で発生します。

米国および他のいくつかの国では、ドップラー機能付き気象レーダーステーションが使用されています。これらのデバイスは、嵐の風の半径方向（レーダーに向かう方向またはレーダーから離れる方向）を含む視線速度を測定できるため、100マイル（160 km）以上離れた場所から嵐の回転の証拠を見つけることができます。スーパーセルはメソサイクロンによって特徴付けられ、これは通常、速度データで雷雨の中層にある密集したサイクロン構造として最初に観測されます。強度、期間、および渦度の特定の要件を満たすと、メソサイクロン検出アルゴリズム（MDA）が作動する場合があります。竜巻の特徴は、サイクロン流入-流出速度対で示され、一方向に流れる強風と反対方向に流れる強風が非常に接近して発生しています。このアルゴリズムは、竜巻渦の特徴（TVS）または竜巻検出アルゴリズム（TDA）です。 TVS は、非常に低いレベルで発生し、雷雨の深層に広がる極めて強いメソサイクロンであり、実際の竜巻循環ではありません。ただし、TVS は、竜巻が発生する可能性や竜巻の発生初期を示しています。カプレットと TVS は通常、竜巻発生の 10 ～ 30 分前に発生しますが、ほぼ同時に発生する場合や、竜巻の 45 分以上前に発生する場合もあります。偏光レーダーは、竜巻の検出と予測に役立つ水文気象の気象学的特性、非気象学的特性、およびその他の特性を識別できます。カプレットと同じ場所にある非気象学的反射体により、竜巻が発生して瓦礫が舞い上がった可能性が高いことを確認できます。フックの端に、反射率の高い領域、つまり瓦礫ボールが見える場合もあります。偏光データまたは瓦礫ボールは、正式には竜巻瓦礫シグネチャ(TDS) と呼ばれます。フックエコーの特徴は、 RFD がメソサイクロンの周囲の降水を遮るときに形成され、また、竜巻が発生する可能性を示唆します (竜巻の発生は通常、RFD が地表に到達した直後に発生します)。

米国でWSR-88Dネットワークが導入されて以来、竜巻の検知確率は大幅に向上し、平均リードタイムは 4 分から 13 分に伸び、2005 年のNOAAレポートでは、警報の改善により、年間の死亡者数は 45%、負傷者数は 40% 減少したと推定されています。米国のNEXRADネットワークに導入されている二重偏波レーダー^[12]は、明確な降水滴特性により、フックエコーに関連する竜巻や強風、雹の警報を強化する可能性があります。^[13]偏波レーダーは、降水量の観測と予測、特に降雨量、雹の検出、降水タイプの識別を強化します。^[14]フェーズドアレイや CASAなどの提案されているレーダー技術は、前者でのスキャンの時間的および空間的解像度を高め^[15]、後者での低レベルのレーダーデータを広範囲に提供することで、観測と予測をさらに改善します。^[16]

特定の大気環境では、風プロファイラーは竜巻活動の検出機能も提供する場合があります。^[17]

雹は、スーパーセルまたは多細胞雷雨の非常に強い上昇気流の中で発生します。竜巻に関しては、BWER 検出と傾斜した上昇気流がその上昇気流を示していますが、雹を予測することはできません。反射パターンにおける雹スパイクの存在は重要な手がかりです。これは、雹を伴う雷雨のすぐ後ろでレーダーから離れて広がる弱い反射領域のことです。これは、レーダーからの放射が雹石から雹石または地面に跳ね返ってからレーダーに反射されることによって発生します。嵐からの後方散乱放射と複数の経路を持つ放射との間の時間遅延により、雹からの反射は実際の嵐よりも遠い範囲から来ているように見えます。^[18]ただし、このアーティファクトは主に非常に大きな雹で見られます。

必要なのは、雷雨の水分量、氷点下、降水量の頂上の高さに関する知識です。水分量を計算する方法の1つは、雲のすべてのレベルでの降水量の反射率を変換し、それを合計することです。これは、垂直統合液体、またはVILと呼ばれるアルゴリズムによって行われます。この値は、雲内の利用可能な液体の水の総量を表します。雲が完全に雨でなくなると、地面に降る雨の量になり、VILを使用して鉄砲水の可能性を推定できます。^[19]

しかし、反射率は雹によって大幅に高められ、VILは雹が存在する場合の降雨の可能性を大幅に過大評価しています。一方、国立気象局の気象学者は、VIL密度、つまりVILを雲内の18dBZの最大高度で割った値が、3.5に達したときに雹が存在することを示す良い指標であることを発見しました。 ^[19]これは大まかなはい/いいえの指標であり、VILと氷点高度を含む他のアルゴリズムが開発されています。^[19]最近では、気象レーダーの二重偏波により、雹を直接検出できる可能性が示されています。

VIL はダウンバーストの可能性を推定するためにも使用できます。対流による下降気流は、摂動圧力勾配力、浮力、降水荷重という垂直方向の 3 つの力に関連しています。圧力勾配力は、スーパーセルの上昇気流にのみ大きな影響を与えるため無視されています。この仮定とその他の単純化 (たとえば、下降気流の時間スケールで空気塊の環境が静的であることを要求する) により、結果として得られる運動量方程式を高さにわたって積分すると、地表に下降する際の空気塊の運動エネルギーが得られ、これは嵐に注入された乾燥空気塊の負のCAPEに対流セルの運動を加えたものであることがわかります。NWS の SR Stewart は、この概念を使用して、VIL とエコー トップを関連付ける方程式を 1991 年に発表しました。^[20]これは、一定のリード タイムを与える予測結果です。ドップラー速度データにより、気象学者は下降気流と突風前線の発生を確認できますが、これは小規模な特徴であるため、雷雨下の収束領域と発散領域をレーダー画面に表示する検出アルゴリズムが開発されています。

地球上の人口密集地域のほとんどは現在、気象衛星によって十分にカバーされており、激しい対流性嵐や竜巻を伴う嵐の予報に役立っています。 ^{[6]これらの画像は、}可視領域と赤外線領域で利用できます。赤外線 (IR: 10-13 μm ) 画像では、その日の気団測定に基づいて雲の最上部の高さを推定することができ、可視 (vis: 0.5-1.1 μm) 画像では、明るさと影によって嵐の形状を示します。気象学者は、両方の領域で特定のシグネチャを認識することで、雷雨の発達段階とその後の特徴に関する情報を引き出すことができます。可視画像では最も詳細な画像が得られますが、赤外線画像には夜間に利用できるという利点があります。衛星のセンサーは水蒸気 (WV: 6-7 μm) からの放出も検出できますが、ほとんどは対流圏の中層から上層で発生するため、雷雨は十分に発達してからしか確認できません。しかし、気団や水分の配置と動き、短波、渦度と上昇気流の領域を示すため、対流性嵐の予測には役立ちます。

激しい嵐には非常に強い上昇気流があります。その柱状の上昇気流は加速し、平衡レベル（EL）を超え、負の浮力によって引き戻されます。つまり、雲頂は上昇気流領域で周囲の雲よりも高いレベルに達します。この雲頂の超過は、赤外線画像で雷雨のより低温の領域として目立ちます。この状況に関連するもう1つの特徴は、Enhanced-V特性です。これは、雲物質がそのレベルで風下に吹き飛ばされるため、オーバーシュートした雲頂で形成された冷たい雲頂がV字型に扇状に広がるものです。^[21] 両方の特性は、昼間の可視衛星画像で、周囲の雲に投影される影として見ることができます。

多細胞嵐やスコールラインでは、中層のジェット気流がラインと交差することが多く、雲に取り込まれた乾燥した空気は不安定になります。その結果、ジェットが地面に向かって急降下する領域で曇った空気が乾燥します。ラインの後端では、これが明確なノッチとして現れ、地表でより強い下降気流が見られます。これらの種類のラインは、ラインのさまざまな部分から来る突風前線の干渉によって生じる非常に特徴的な波状パターンを持つことがよくあります。

最後に、どんな種類の雷雨でも、下降気流に伴う地表の冷たい空気の溜まりが空気を安定させ、雲のない領域を形成し、それが突風前線に沿って終わる。この中規模前線が暖かく不安定な気団に移動すると、気団が持ち上がり、衛星写真には積雲が現れる。この線は、特に付近の他の雷雨の前線と一致する場合、さらなる対流と嵐の発生点となる可能性が高い。^[22]スコールラインの前縁、典型的なスーパーセルの南東象限（北半球）、または他の雷雨の周りのさまざまな領域でこれを観察することができる。また、対流の発生から数時間または数日後に流出境界として見える場合もあり、雷雨が発達しやすい領域、移動の可能性のある方向、さらには竜巻が発生する可能性さえも特定できる。流出境界または突風前線の前進速度は、ある程度、竜巻の発生確率を調節し、その存在によって嵐が強化されるか、流入が遮断されて嵐が弱まり、場合によっては消滅するかを判断するのに役立ちます。雷雨は、動きが遅いまたは静止した流出境界に沿って移動する可能性があり、竜巻が発生する可能性が高くなります。一方、動きの速い突風前線は、多くの場合、衝突後に雷雨を弱め、竜巻が発生する可能性が低くなります。ただし、衝突時に短時間の竜巻が発生する場合があります。動きの速い突風前線は、最終的に減速し、前述の積雲場の特徴的な「攪拌領域」を備えた動きの遅いまたは静止した流出境界になる可能性があります。

通常、気象レーダーや衛星などのデータ ソースと組み合わせて、雷雨の発生場所を正確に特定する (および雷の危険性を識別する) ために雷検出システムが使用されることがあります。現在、リアルタイムで提供される雷データのほとんどは地上の情報源、具体的には地上センサーのネットワークからのものですが、航空機センサーも稼働しています。これらのほとんどは、限られた範囲内での雲対地雷の緯度と経度、時間、極性のみを提供します。高度化と可用性が高まり、非常に広い範囲のデータを提供できるようになったのが衛星ベースの雷検出器です。当初は閃光速度と水平位置を示す光学センサーが含まれていましたが、現在では高度も加えて雲内の閃光を識別できる 無線周波数受信機も含まれています。

雷データは対流細胞の強度と組織、雷雨活動の傾向（特に成長と、それほどではないが衰退）を示唆するのに有用である。また、雷雨の発達の初期段階でも有用である。これは特に可視および赤外線衛星データが遅れたときに当てはまったが、レーダーシグネチャが顕著になる前やレーダーデータが不足している地域では、発達段階にある雷雨を検出するのに有用であり続けている。研究と観測の今後の進歩により、悪天候の予報が改善され、警報時間が長くなるはずである。^[23]

個人用の雷検知システムも利用可能で、雷撃時刻、方位、距離がわかる場合があります。さらに、雷予測システムも利用可能で、公園やその他の屋外レクリエーション施設、またはそれらの施設に気象情報を提供する契約を結んだ気象学者によって主に使用されています。

• 国立暴風雨研究所(NSSL)
• 暴風雨予測センター(SPC)
• 警告決定訓練部門(WDTB)
• 竜巻予報の分野の先駆者であるロバート・C・ミラー
• 熱帯低気圧観測
• 天気予報

• ブルースタイン、ハワード B. (2013)。激しい対流性嵐と竜巻：観測とダイナミクス。ロンドン：Springer-Praxis。ISBN 978-3642053801。
• Church, C.、D. Burgess、C. Doswell 他編 (1993 年 12 月)。竜巻: その構造、力学、予測、および危険性 (地球物理学モノグラフ #79)。ワシントン DC: アメリカ地球物理学連合。ISBN 0-87590-038-0。
• Doswell, Charles A. III (編集者) (2001 年 11 月)。激しい対流性嵐 (気象学モノグラフ、第 28 巻、第 50 号)。ボストン、マサチューセッツ州: アメリカ気象協会。ISBN 1-878220-41-1。 {{cite book}}:|first=一般的な名前があります (ヘルプ)
• Grazulis, Thomas P. (1993 年 7 月)。『1680 年から 1991 年にかけて発生した重要な竜巻: 出来事の年表と分析』。セントジョンズベリー、バーモント州: 環境フィルムの竜巻プロジェクト。ISBN 1-879362-03-1。
• ケスラー、エドウィン（1988年9月）。雷雨の観測と分析のための機器と技術（雷雨：社会、科学、技術ドキュメンタリー、第3巻）。ノーマン、オクラホマ：オクラホマ大学出版局。ISBN 0-8061-2117-3。

• 竜巻検知 ( NSSL )
• NOAA 危険気象テストベッド
• 竜巻警報ガイダンス（NWS警報決定訓練部門）
• スーパーセルの構造とダイナミクス ( NWS )
• トルネード生成カスケードパラダイムは、Wayback Machineで 2007-07-07 にアーカイブされ、概略図はWayback Machineで 2005-11-09 にアーカイブされました(サンフランシスコ州立大学)
• 嵐の観測と報告の概要 (NWS)
• オンライン気象ガイド: 激しい嵐 (イリノイ大学)
• 嵐観測者のための気象用語集 (NOAA 技術覚書 NWS SR-145)
• 雷雨（NWS JetStream オンライン気象スクール）