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竜巻(たつまき、tornado)は気象現象の一つで、積乱雲に伴って地上から雲まで延びる、上昇気流を伴う高速の渦巻き。発達したものが地上に発生すると、建物などに甚大な被害をもたらす。なお、竜巻は地面に接したものだけをいう「地面に接したもの」というのは、目に見える漏斗雲が地面に接したものという意味ではなく、(目に見えなくても)気流の渦巻きが地面に達したものを意味する。そのため、漏斗雲が地面に接していなくても土や枝葉などが舞い上がって見えるような「陸上竜巻」も竜巻と考えられる。この定義によれば竜巻でないのは、いわゆる「空中竜巻」であるが、これを竜巻に含める考え方もある(後述)。。

◆ 概要

; 竜巻の概要

竜巻の水平スケール(幅あるいは直径)は平均で数十m、大規模なものでは数百mから1km以上になる。

その中心部では猛烈な風が吹き、ときには鉄筋コンクリート構造や鉄骨構造の建物をも一瞬で崩壊させ、大型の自動車なども空中に巻き上げてしまうことがある。1ヶ所に停滞するものもあるが、多くは積乱雲と共に移動する。その移動速度は様々で、まれに時速100kmを超えることもある。

竜巻は、台風や温帯低気圧に比べてはるかに小規模であるため、気象観測施設上を通過する確率がほとんどなく、中心の気圧を実測した例はほとんどないが、わずかな観測例から、中規模のもので950ヘクトパスカル程度と考えられるなおF4規模のトルネードのNational Geographic TVの観測チームによる実測結果から850hPaという数値が発表されている。。

◆ 発生のメカニズム

竜巻の発生過程に関する研究は、着実に解明が進んでいるものの、未解明の部分も残されている。

◇ スーパーセルとメソサイクロン

強い竜巻は、スーパーセル (Supercellスーパーセルの雲を構成する気流の流れが1つの細胞(cell)のような形状であることに由来する。) と呼ばれる発達した積乱雲や積雲に伴って生じることが分かっている(竜巻のもととなる雲を俗に「親雲」と呼ぶこともある)。スーパーセルの中心部や周辺部には、上昇気流の部分と下降気流の部分がある。

下降気流の部分では、集中豪雨が降っているために、降った雨が蒸発する際に気化熱を奪って、大気の下層が冷やされて下降気流となり、下降気流によってさらに雨が運ばれて雨が降る、というサイクルを繰り返している。ここでは雹が降ったり、激しい下降気流に伴うダウンバースト(down burst, 下降噴流とも呼ぶ)が発生したりする。

上昇気流の部分では、下降気流の影響もあって冷たくなった空気の層の上を、暖かく湿った空気が乗り上げるようにして上昇することで上昇気流が発生している。上昇気流は積乱雲や積雲が発達するのに不可欠な空気の対流活動であり、地上付近から対流圏界面(上空10〜15km)付近にまで空気が上昇していく過程で、空気に含まれた水蒸気が凝結して雲を作る。

このような環境の下では、重く冷たい下降気流の部分に比べて、軽く暖かい上昇気流の部分の気圧が低くなり、上昇気流の部分を中心として、低気圧と同じ方向(北半球では反時計回り、南半球では時計回り)に気流が渦を巻いて回転し始める。すると、メソサイクロン(Mesocyclone, メソロウとも呼ぶ)と呼ばれる小規模の低気圧ができる。

メソサイクロンの周囲を回転する空気には遠心力が掛かり渦の外側に引っ張られるため、中心部の空気が薄くなって気圧が下がる。一方気圧が下がることで、気圧傾度力が働いてさらに周囲の空気を巻き込む。また、この規模の渦には地球の自転に起因するコリオリ力という力も働くため、気圧傾度力・遠心力・コリオリ力の3つの力が均衡して、低気圧としての気流の循環を維持している。

◇ 竜巻の発生

メソサイクロンの中では、上昇気流の部分や下降気流の部分も回転している。下降気流は周囲に向かって流れ出しているが、この気流と南東の風とがぶつかると、ガストフロント (Gust front) と呼ばれる、寒冷前線に類似した気流の衝突面が形成される。ガストフロントは、スーパーセル以外の積乱雲でも発生することがある。

先述のとおり、冷たい空気(下降気流)と暖かく湿った空気(「湿暖気流」と呼ぶこともある)がぶつかるところでは上昇気流が発生するが、ここで何らかの原因によって上昇気流が回転することで、竜巻が発生する。このような条件はガストフロントの近くで整うことが多いため、ガストフロントの近くで強い上昇気流があるところに竜巻が発生する。

気流の衝突によって、ガストフロント周辺の地面付近の大気は、ウインドシアと呼ばれるような、狭い範囲の中で風向や風速が大きく異なる状況となる。すると、小規模で短命の気流の渦が多数、現れては消えることを繰り返す。このような多数の渦のうち、ごく少数の渦が発達して竜巻に成長するのではないかと考えられている。この渦の発達のきっかけは詳しく解明されておらず、気象学や流体力学の観点から研究が行われている。

現在のところ、発達のきっかけとして、「上昇気流が急激に強まること」だという説がある。スーパーセル内でメソサイクロンが発達して中心部の大気中層の気圧が下がると、その下の大気下層では上向きの気圧傾度力が強まって、上昇気流が急激に強まる。この上昇気流と前述の小規模で短命な渦が重なると、渦に対して上向きの吸引力が働き、渦の幅が狭まると同時に風速も増し角運動量保存則により、渦の直径が小さくなると同時に回転速度が速くなることで、角運動量が保存される。、コンパクトで強力な渦が形成されて竜巻となるという考え方である。このような条件は、メソサイクロンの気流が回転している中心部にできやすいが、これはスーパーセルの雲の位置的な中心とは異なるため、スーパーセルの雲の端のほうに竜巻ができることも珍しくない。

スーパーセル以外の積乱雲の場合、上昇気流が強まる要因はあまりなく、ウインドシアによって偶然、水平方向に回転する渦が発達すると竜巻になると考えられている。そのため、竜巻の発生域は限られており、発生頻度も低く、勢力もスーパーセルよりは劣るものが多い。ただ、スーパーセルでなくとも被害をもたらすような竜巻はあるので、警戒が必要である。

竜巻は、雲底からゾウの鼻状に垂れ下がる漏斗雲を伴うことが知られている。これは竜巻に巻き込まれた空気中の水蒸気が急激な気圧低下により凝結して生じる。従って、空気が乾燥していたり竜巻が弱い場合は漏斗雲を伴わないことも珍しくないうえ、夜間や豪雨中に発生した場合は漏斗雲を確認できないことも多い。

ちなみに、竜巻の渦は、上空から発達して地上に伸びてゆく場合と、地上付近から発達し始めて次第に上空まで伸びてゆく場合がある。上空から発達するものは、上空にある渦が下降気流などによって地上に延長してきてできる。地上から発達するものは、地上にある渦が上昇気流に乗って急速に上空に延長してできる。

これに対して、ほとんどの漏斗雲は、親雲の下端部からでき始めて次第に地上付近まで延びる。この違いは、竜巻の渦が、気圧傾度力が大きい地上付近から発達するのに対し、漏斗雲は気圧が低くなることで膨張・冷却されて凝結して形成されるため、より湿度が高く気温が低い上空から下のほうへと発達していくことが原因だと説明されている。

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