日本語解説記事: Observed relationship between drop size distribution including a breakup signature and environmental properties near Kumagaya in eastern Japan

はじめに

これまでに、地上気象レーダーデータから得られた反射率因子の分布や雨量計データから得られた降水強度の特性を用い、大雨をもたらす降水システムや対流雲の特性が調査されてきた。湿潤な周辺大気の環境条件は、日本で大雨をもたらす降水システムにとって必須の条件と考えられている。日本において移動速度の遅い降水システムでは、環境風の鉛直シアーが弱い条件下で降水システムの降水面積が狭い場合に平均降水強度が強くなることが知られている。また、降水システム規模で算出される平均降水強度は、周辺大気の気温減率が高いほど大きくなる一方、最大降水強度は対流有効位置エネルギーの高い環境条件では気温減率が小さいほど大きくなることが指摘されている。これらの特性は、個々の対流とその組織化されたシステムについて別々に調査すべきである。降水システムまたはその内部の個々の対流雲の特性は、降水強度の値だけでは十分な把握は困難である。さらに、鉛直方向に深い対流ほどより強い降水強度をもたらすとは限らないことが指摘されており。この事実は、降水システム、特に個々の対流の挙動の内部構造を空間的に特徴づけることが、大雨をもたらす降水システムの特徴を理解する上で不可欠な要素であることを示唆している。対流雲内の雲微物理特性の一つとして、自然界では稀に平衡状態の粒径分布が観測されることが知られている。日本でもその頻度は稀であること・この特性を活かした降水強度の推定精度向上が見込めることが地上の長期粒径分布データから示され、この特徴は大雨時に生じやすいことが指摘されている。このため、対流雲内の雨滴粒径分布の特性と周辺大気との関係を調べることにより、これまでの研究では困難とされてきた大雨をもたらす対流雲内の雲微物理特性と周辺大気の環境条件との間の新たな関係を見出すことが可能である。

そこで、日本 (ここでは、埼玉県熊谷市) 付近で生じる対流雲内の雨滴粒径分布の特徴とその周辺大気の環境条件との関係を、観測データを用いて調べた。

以下、Unuma (2025) の内容を簡単に解説する。関連する先行研究については、原文を参照されたし。

新規性

本論文で新たに分かったことは、下記の通りである。

• 対流雲内部では高度 2-4 km で雨滴の衝突併合、同時に高度 2 km 以下で雨滴の衝突分裂の各シグナルが観測されることが、二重偏波レーダーの解析から明らかとなった。
• 雲微物理的特性は周辺大気の環境条件と関連しており、周辺大気の気温減率が高い場合に対流雲内の代表的な雨滴は大きくなる傾向がある一方、周辺大気の対流圏下層の水蒸気量が多い場合に対流雲内の雨水量が高くなる傾向があることを明らかにした。これらは、雨滴粒径分布が特定の定常分布に近づく場合に、雨滴粒径分布を通じて降水強度に影響を与える。
• 水平風の鉛直シアーが強い場合に対流雲内の代表的な雨滴は大きくなる傾向がある一方、対流雲内の数濃度は減少する傾向にあることを明らかにした。この結果は、日本は中緯度気候帯に属するものの、湿潤な環境条件下では降水が熱帯域と似通う場合があるということである。
• 日本では、水平風の鉛直シアーが弱くかつ対流圏下層が湿潤となる条件下で、雲微物理特性としては雲粒と雨粒との相互作用が活発となることが示唆される。

拡張可能性

雨滴同士の衝突併合は鉛直シアーが強い環境下で生じやすく、その結果、より大きな (粒径 2 mm 以上) の雨滴が生成されやすいと考えられる。同時に、小さな (粒径 2 mm 未満) の雨滴は容易に蒸発しやすいと考えられる。一方、鉛直シアーが弱い環境下では、雨滴同士の衝突併合及び雨滴の蒸発の確率がそれぞれ低下することが想定される。このような場合、比較的小さな (粒径 2 mm 未満) の雨滴による数濃度が、粒形分布の形に大きな影響を及ぼすと考えられる。相対湿度が 100% に近い条件下では雨滴の蒸発がほとんど起こらないことが知られており、雨滴粒径分布の幅を拡げることが指摘されている。中でも、大きな (粒径 2 mm 以上) 雨滴の形成には雲粒と雨滴の衝突併合過程が重要視されており、この結果を反映している可能性がある。

周辺大気の水蒸気量の代表値である可降水量は、水蒸気の鉛直分布によって調節され、主に熱帯における対流の鉛直発達度の指標となりうることが指摘されてきた。このような水蒸気量の鉛直プロファイルが対流の発生と発達に重要であることは、日本においても実証されている。雲微物理過程の観点からは、より高い環境水蒸気量は、雲粒・雨粒の数濃度が高いことにより降水量が増加したことに起因する可能性がある。対流圏下層の水蒸気量が多い場合に、どのような物理過程を経て地上の降水強度へ還元されるのかという点については、数値実験等によりその具体を調べる必要がある。

鉛直シアーが弱い環境下では対流雲内の雨水量に影響を与えていることが考えられ、これはおそらく、鉛直シアーが弱い条件下では降水強度が高くなっていた先行研究と関連があることが想定される。これは対流システムとしてはほぼ同じ位置に留まるため、結果として積算降水量の値は大きくなっていると考えられる。対流雲内の鉛直速度に関しては、本研究の対象となった対流雲の大部分は、比較的弱い鉛直風シアー条件 ($<$ 1.0 x 10$^{−3}$ s$^{−1}$) で発達している。これまでの研究では、様々な鉛直風シアーおよび熱力学的環境下における組織化された対流システムに関する数値実験が行われてきた。本研究の結果は、弱い鉛直シアー条件下で実施された先行研究の結果と類似しており、熱帯地域で観測されるように、対流雲内の鉛直速度は弱いことが想定される。雲微物理学的観点からは、粒径 1-2 mm 程度の雨滴の数濃度が高いという特徴があり、これは単純に雨滴の粒径が大きくなるという結果ではなく、QPE でよく仮定される指数分布とも異なっている。この状況は、鉛直シアーの強い条件下で生じる米国のスコールラインやスーパーセル等とは著しく異なっている。これらの特性は、本研究で得られた観測的関係を加味した数値実験等によるさらなる調査を必要とする。

おわりに

今回の論文は、ほぼ全ての過程を単独で行った。また、査読前の原稿をプレプリントに公開しつつ査読内容を公開しながら議論するという、これまでに経験のないことにも挑戦した。個人的には、結果的に非常に勝手が良いシステムであるとともに性に合っていることも分かった。貴重な時間を割いていただいた担当編集委員さんやレビュアーさんの皆さんには、本論文の質を向上するための大変有益なコメントを査読の過程で賜った。心より感謝の意を示す。

参考文献

• Unuma, T., 2025: Observed relationship between drop size distribution including a breakup signature and environmental properties near Kumagaya in eastern Japan. Atmos. Chem. Phys., 25, 11109–11128, https://doi.org/10.5194/acp-25-11109-2025

更新履歴

• 2025-12-20: 初稿

Research paper — Dec 20, 2025