稲津 (2022) の第6章に対応しますが、教科書を追って説明することはあまりせず、増田の観点からの補足をします。
空間スケールの大きい現象は時間スケールも大きいのがふつうである。 大まかに、現象の空間軸上の大きさ(長さ)と時間軸上の大きさ(継続時間)は比例すると言ってよいかもしれない。 ただし、鉛直スケールは大気の厚さ(さらに対流圏の厚さなど)で、 水平スケールは地球の大きさで、頭打ちになる。
空間・時間スケールがちがっても風速や現象の移動速度はだいたい 1 m/s から 10 m/s のけたで同じなのだ。
大気中の現象 (気象) の水平スケールを、大きく、(ギリシャ語にもとづいた英語の接頭語で) macro, meso, micro とわける。 日本語では、macro-scale は「大規模」、 meso-scale は「中小規模」または「メソスケール」とされることが多い。 micro は「小-」とする人と「微-」とする人がいる (ただし「微規模」とはいわない)。 境目については専門家のあいだでも個人差があるが、 「大規模」がおおまかに 千 km 以上 (つぎにのべる Orlanski にしたがえば 2000 km 以上) であることはだいたい共通である。
大規模のうちでも約 1万 km 以上を「惑星スケール」(planetary scale) あるいは「全球スケール」(global scale)、 千 km のけたを「総観スケール」(synoptic scale) として区別することがある。 「総観」は、地上から空を見ていたのではわからず、 (19世紀以後) 地上観測を同時におこなってえられた結果を地図上に表示した 「天気図」をつくることによってわかってきた現象のスケールをさしている。
メソスケールのうちにも、けたちがいのものがふくまれる。 Orlanski (1975) は、大きいほうから、2000～200 km をメソα [アルファ]、 200～20 km をメソβ [ベータ]、20～2 km をメソγ [ガンマ]とした。 十進法のけたでわけただけの便宜的な区分だが、そういうものとしては便利なので、採用する人が多い。 上にあげた図のもとの小倉『一般気象学』の図6.27 でも採用している。 小倉 『メソ気象の基礎理論』の本でも、1.1節、2ページでとりあげている。
Orlanski (1975) は、同様に、micro も 3段階に分類した。 農業気象学であつかわれる農地の上の乱流などは、 「微気象」といわれるが、Orlanski の分類では micro γ (20 m～2 m) に 相当する。ただし、micro については Orlanski の分類はあまり普及していない。
これまでに「上下の対流」がおこることを論じてきたが、 そのとき生じる水平方向の形を論じてこなかった。ここでそれを考える。
まず、相変化をふくまない対流を考える。 問題を簡単にするために、密度がほぼ一定だが温度が高いほどいくらか小さくなる液体を考える。 それが、地球の重力場のもとにあり、水平方向にはじゅうぶん一様にひろがった板にはさまれていて、 下側の板を高温、上側の板を低温にたもたれているとする。
温度差がちいさいうちは、対流はおこらず、エネルギーは熱伝導で高温側から低温側につたわるだけである。
温度差を大きくしていくと、対流がはじまる。 ここで対流がはじまる条件を理論的に検討した人が レイリー (Raileigh) である。 そこで、六角形のセルがハチの巣状にならんだ構造ができる。 (セルの中央で上昇・辺で下降になるばあいと、その反対になるばあいがありうる。) 実験でこのセル構造を得て報告した人が ベナール (Bénard) である。 そこで、このような対流を「ベナール対流」あるいは「レイリー・ベナール対流」という。
(*) [実験室でのベナール対流の写真] (松野 1982 「大気の大循環」の図7)
六角形セルになる理由は、鉛直速度が上昇域の中心から等方的に分布するならば円形になるはずだが、 平面をうめつくすことのできる図形のうちいちばん円にちかい正六角形が実現する、と説明される。
このような液体でのベナール対流は、水平スケールと鉛直スケールとが同じ桁の長さである。
大気中で、これと同様な雲のパターンが生じることがある。 ただし、水平スケールが鉛直スケールよりもだいぶ大きい。 このばあい、水の相変化がおきており、雲によって可視化されるのだが、 対流のおきるしくみには水の相変化は不可欠ではない。 セルの中央で上昇 (セルの大部分が雲でおおわれる) ばあいを「閉細胞型」、 セルの周辺で上昇 (セルのへり付近だけに雲がある) ばあいを「開細胞型」ということがある (稲津 6.1 「大気境界層内の対流」 (1) 開・閉細胞型対流 148ページ、口絵図 E (シミュレーションによる))。 このような対流セル構造は、大気のうち地表面に近い「大気境界層」内に、 大気が下にある海からあたためられている状況で生じる。
ベナール対流が生じるのと同様な条件だが、対流よりも大規模な流れ (大気のばあい、風) があり、 風速の鉛直方向の変化 (「鉛直 シアー (shear)」) があるとき、 対流セルは、水平のある方向に細長くのびたロール状になることが多い。 ロールの配置は、シアーベクトルの方向 (ほぼ風向) に平行に近いばあいと、直交に近いばあいがあるが、 平行に近いパターンが基本である。
海上の大気境界層中では雲をともなうロール状対流が出現することがある。 冬の季節風のもとでの日本海の筋状雲はこれであることが多い。 (稲津 6.1 (2) 「筋状雲とロール状対流」 149ぺージ、図6.2。)
(稲津 6.1 (3) 「サーマルとプルーム」 )
対流のパターンのうちで、 狭いところで強い上昇流が継続し、その帰りは広く分布する弱い下降流であるようなパターンがある。 このようなばあいに、継続している上昇流の部分をさして「プリューム」という。 (逆に、強い下降流と広く分布する弱い上昇流があるときにも、強い下降流の部分をプリュームという。) 「plume」ということばは本来「羽毛」のような意味だが、 流体の運動の話題では (大気汚染でも、地球内部のマントルの物質の運動でも) この意味につかう。
狭いところで強い上昇流 (あるいは下降流) が生じるが、 ひとかたまりの空気 (一般には流体) がうごくだけで継続しないばあい、 その空気塊を「サーマル」という。 「thermal」ということばは本来は「熱の」という形容詞だが、名詞としてつかったばあいにこの意味になる。
中島 健介 先生 (九州大学) による 鉛直2次元 (水平方向は1次元) の シミュレーションの結果にもとづいてみていく。
(1) 水蒸気が凝結して雲粒になるが、雨粒 (や雪結晶) にはならないと仮定する。
上昇する空気塊では凝結、下降する空気塊では雲粒の蒸発がおこり、変化は可逆的。 上昇域と下降域の広さ、上昇流と下降流の強さはほぼ同じで、上昇と下降は対称になる。 水の相変化があるので気温減率がほぼ湿潤断熱減率になる。 そのほかは、相変化のないばあい (3次元ならばベナール対流やロール状対流) と似た形になる。
(2) 雲から雨がつくられ、空気塊がとりのぞかれる。(しかし下の (3) で追加されるプロセスをふくまないと仮定する。)
水平平均した成層は湿潤対流に対して不安定だが乾燥対流に対しては安定。 狭い範囲に強い上昇流 (サーマルまたはプリューム) ができて雲・降水をともなう。 その質量の流れをおぎなう下降流は広く分布し、弱い。 降水の形成によって上昇と下降の非対称性が生じる。
(3) (2)にくわえて、雨粒をふくむ空気塊のなかで雨粒の蒸発がおこる。 (さらに、雨粒をふくむ空気塊はまわりの空気よりも重い (密度が大きい) ので、下にひっぱられる。)
積雲の中で、雨粒の蒸発によって温度が低い空気塊がつくられ、強い下降流を生じる。 (「ダウンバースト」 (downburst) とよばれるのはこのような下降流である。) この下降流が達した最下層では上昇流がとまり、そこから発生していた積雲は消滅する。 下降した空気は最下層を水平にうごき、どこかで収束して、そこに雲を発生させる。 雨粒の蒸発があるので個々の積雲は有限の寿命をもち、 対流は世代交代する積雲によって持続する。
積雲の中での雨粒の蒸発による下降流からつくられる気流がぶつかって生じる最下層の収束が、 ちょうどその積雲の位置に上昇流をもたらす配置になっていると、積雲はその構造のまま持続することがある。
アメリカ合衆国で強いたつまき (tornado) をもたらすのは、このタイプの「スーパーセル」であることが多い。
2000年 5月 24日 (つくば市での気象学会大会の1日めだった) に関東におきた ダウンバーストや ひょう をふくむ storm は スーパーセル型だったと考えられている。
1983年 7月 8日に愛知県春日井市におきた局所的豪雨 (武田 1985 の解説の第3節にでてくる)は、5時間ほど持続した。 (瀬古 勝基 さんが観測していた。) スーパーセルというには小さいが類似の形になっていたと考えられている。
個別の積雲はおとろえて消滅していくが、それと一定の位置関係のところにつぎの積雲ができ、 積雲群としては持続する。 (積雲が地上に対して一定の位置につくられつづけると、地上の一定の位置に雨が集中することがある。)
日本の大部分の地域では、 盛夏には亜熱帯高気圧に覆われて晴れることが多い (ただし大洋東部の亜熱帯高圧帯にくらべれば雲が多い)。 盛夏の前に梅雨 (Baiu) [注]、後に秋雨 (あきさめ) または 秋霖 (しゅうりん) とよばれる雨の多い時期がある。 梅雨は中国の華中 (長江流域) の梅雨 (Meiyu) と一連の現象である。
梅雨期には「梅雨前線」とよばれる総観規模の現象が生じる。 これは停滞前線に分類されるが、温帯低気圧にともなう前線にくらべると温度勾配が小さく、 水蒸気量の勾配が大きい。
梅雨前線上には、温帯低気圧よりはやや小さい、メソαスケールの低気圧が発生しやすい。
そのなかに、ときどき、メソβスケールのメソ対流系や、メソγスケールの積雲群が発生し、 大雨をもたらすことがある。