竜巻の発生

竜巻の発生は竜巻が形成される過程です。竜巻には多くの種類があり、発生方法も異なります。現在も科学的研究が進められており、VORTEXなどの注目度の高い研究プロジェクトも行われているにもかかわらず、竜巻の発生は不安定な過程であり、竜巻発生の複雑なメカニズムの多くはまだ十分に理解されていません。^{[1] [2] [3]}

竜巻は、地表および 積雲の底に接触する激しく回転する気柱です。竜巻は、環境や嵐によって引き起こされた渦が引き伸ばされ、凝集/融合して、強い渦に引き締まることで形成されます。これが発生する原因はさまざまであり、したがって、竜巻にはさまざまな形態やサブ形態があります。それぞれの竜巻は独特ですが、ほとんどの種類の竜巻は、形成、成熟、消散というライフサイクルを経ます。^[4]竜巻が消散または衰退するプロセスは、竜巻分解と呼ばれることもあり、竜巻の発生、寿命、強度と同様に、特に研究対象となっています。

古典的な竜巻は超細胞竜巻であり、その形成パターンは明らかである。^[5] サイクルは、強い雷雨が大気圏上空数マイルで回転する中低気圧を発生させることから始まる。嵐の降雨量が増加すると、後面下降気流(RFD) と呼ばれる急速に下降する空気の領域が引きずられる。この下降気流は地面に近づくにつれて加速し、回転する中低気圧も地面に向かって引きずられる。嵐の相対ヘリシティ(SRH) は、竜巻の発達と強さに関与していることが分かっている。SRH は、嵐の流入と平行な水平渦度であり、上昇気流に巻き込まれると上向きに傾き、垂直渦度を形成する。

メソサイクロンが雲底より下降すると、嵐の下降気流域から冷たく湿った空気を取り込み始める。この冷たい空気と上昇気流の暖かい空気が収束することで、回転する壁雲が形成される。また、RFD はメソサイクロンの底部を集中させ、地上のますます狭い領域から空気を吸い上げる。上昇気流が強まると、地表に低圧領域が形成される。これにより、集中したメソサイクロンが下降し、目に見える凝結漏斗の形で現れる。漏斗が下降すると、RFD も地上に到達し、竜巻からかなり離れた場所で深刻な被害を引き起こす可能性のある突風前線を形成する。通常、漏斗雲は、RFD が地上に到達してから数分以内に地上に被害を引き起こし始める (竜巻になる)。^[6]

現地調査によると、スーパーセルが竜巻を発生させるには、RFD が上昇気流より数ケルビン以上低くないことが必要であることがわかっています。また、前方側面下降気流(FFD) は、竜巻が発生しないスーパーセルよりも竜巻が発生するスーパーセル内では暖かいようです。^[7]

多くの人は、中層のメソサイクロンが最初に形成され、低層のメソサイクロンまたは竜巻サイクロンと結合し、次に雲底の下で渦が形成され、地表に到達したときに収束して集中した渦になるというトップダウンのプロセスを想像しています。しかし、観測の歴史とより現代的な研究では、多くの竜巻は最初に地表近くで形成されるか、地表から低層および中層上空で同時に形成されることを示しています。^{[8] [9]}

動力学、熱力学、エネルギー源を参照してください。^{[10] [説明が必要]}

水上竜巻は水上の竜巻と定義される。しかし、一部の水上竜巻はスーパーセル状（「竜巻状の水上竜巻」とも呼ばれる）で、陸上の竜巻と同様のプロセスで形成されるが、大半ははるかに弱く、大気力学の異なるプロセスによって引き起こされる。通常、水蒸気を多く含み、風が集まる（収束する）地域で垂直方向の風のせん断がほとんどない環境で発生する。風の集まる場所としては、陸風、湖水効果帯、近くの陸地からの摩擦収束線、地表の谷などがある。水上竜巻は通常、親雲が発達する過程で発生する。理論上、水上竜巻は地表近くの水平方向のせん断から地表境界を上方に移動するにつれて上向きに回転し、低層のせん断渦が発達中の積雲または雷雨と一直線になると雲に向かって上方に伸びる。^[11]親雲は、中程度の積雲のように無害な場合もあれば、スーパーセルのように重大な場合もある。

ランドスパウトはメソサイクロンから発生しない竜巻です。水上ではなく陸上で発生する点を除けば、晴天時のウォータースパウトと外観や構造が似ています。積雲塔の上昇気流による境界層の渦度の取り込みと強化によって対流雲の成長段階で発生するという点で、弱いウォータースパウト^[12]と同様に発生すると考えられています。

竜巻は、スコールライン(QLCS、準線状対流システム)内のメソ渦から発生することがあり、中緯度地域でよく発生します。メソサイクロン竜巻は、スコールライン内の埋め込まれたスーパーセルから発生することもあります。

強力な熱帯低気圧、特に眼壁内の中渦または小型渦は、竜巻を引き起こす可能性があります。埋め込まれたスーパーセルは、低気圧の右前方象限、または特定の状況ではその外側の降雨帯内で中サイクロン性竜巻を発生させる場合があります。

火災や火山噴火によって発生する旋風のほとんどは竜巻渦ではありません。しかし、まれに、大規模な山火事、大火災、噴出物を伴う循環が周囲の雲底に達することがあります。非常にまれなケースでは、竜巻を伴う中低気圧を伴う火成積乱雲が観測されています。^[要出典]

• サイクロン発生
• 対流性嵐の検出

• Markowski, Paul M. ; YP Richardson (2009 年 7 月)。「竜巻の発生: 現在の理解、予測の検討事項、および将来の研究を導くための疑問」(PDF)。Atmos . Res . 93 (1–3): 3–10。Bibcode : 2009AtmRe..93 ....3M。doi :10.1016/ j.atmosres.2008.09.015。
• Davies-Jones, Robert (2015). 「スーパーセルと竜巻のダイナミクスのレビュー」. Atmos. Res . 158–159: 274–291. Bibcode :2015AtmRe.158..274D. doi :10.1016/j.atmosres.2014.04.007.

• Markowski, Paul ; Y. Richardson (2014). 「竜巻の形成についてわかっていることとわかっていないこと」. Phys. Today . 67 (9): 26–31. Bibcode :2014PhT....67i..26M. doi : 10.1063/PT.3.2514 .
• Markowski , Paul ; Yvette Richardson (2013 年 7 月 - 8 月)。「竜巻の作り方」(PDF)。Weatherwise。66 (4): 12 - 19。Bibcode :2013Weawi..66d..12M。doi : 10.1080/ 00431672.2013.800413。S2CID 191649696  。
• スーパーセルにおける竜巻の発生: 3 つの主な要素 (NWS)
• Rasmussen, Erik ; J. Straka; K. Kanak; et al. (2009). 「竜巻の発生: 未知数。竜巻について学ぶべきことは何なのか?」(ppt)。Rasmussen Systems 。2012 年 2 月 14 日閲覧。^{[永久リンク切れ‍ ]}
• Erik Rasmussen ら、Paul Markowski ら、Josh Wurman らによる竜巻発生の研究
• リー・オルフ博士による雷雨、竜巻、ダウンバーストのシミュレーションと視覚化