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かおりなぐも
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1 J. of Wind Engineering, JAWE Vol.33, No.2(No.115), April 2008 日本風工学会論文集第 33 巻第 2 号 ( 通号第 115 号 ) 平成 20 年 4 月研究報告 2007 年 5 月 31 日に千葉県富津沖で発生した竜巻の風速分布 Wind speed of a waterspout occurred over Futtsu Coast on May 31, 2007 On May 31, 2007, a waterspout occurred near Futtsu Coast, Chiba Prefecture. According to the Doppler radar observation at Yokosuka and the ground survey, the characteristics of the waterspout were revealed. The waterspout formed over the shear band at 17:28 JST, and the lifetime of the waterspout was about 7 minutes. The direction of the vortex rotation was anticyclonic and the vortex diameter was about 25 m near the surface. The tangential velocity was estimated to be approximately 20 m/s based on the images and vorticity had on the order of 10 0 s -1. The waterspout was almost stationary and the funnel diameter remained unchanged. Key Word: Tornado, Waterspout 1. はじめに *1 小林文明 2007 年 5 月 31 日 17 時 30 分ごろ, 千葉県富津市沖の海上で竜巻が発生した当日は大気の状態が不安定で神奈川県川崎市では 90 mm/h の集中豪雨が観測された横須賀 ( 防大 ) ではリアルタイムのドップラーレーダ観測, 目視観測を行い, 雲や降水の状態を把握したまた, 現地調査も後日実施した幸い, この竜巻は上陸することなく消滅したために家屋等の被害は認められなかった夕方に湾内で発生したこともあり目撃者も多く, 画像の提供も受けることができた一般にわが国で発生する竜巻は, 関東平野など一部を除いて大部分が海岸線で発生する 1) しかしながら, 発生原因は低気圧, 寒冷前線, 台風などの大規模な擾乱から局地的擾乱まで多岐にわたり, また構造もスーパーセル型, ノンスーパーセル型どちらも発生する 2) *2 菅原祐也 *2 今井真希 *3 前坂剛 Fumiaki KOBAYASHI, Yuya SUGAWARA, Maki IMAI, Takeshi MAESAKA *1 防衛大学校地球海洋学科准教授 Associate Professor, Department of Geoscience, National Defense Academy *2 防衛大学校研究科学生 Department of Geoscience, National Defense Academy *3 防災科学技術研究所 National Research Institute for Earth Science and Disaster Prevention ( 原稿受理年月日 :2007 年 11 月 8 日, 採用決定 :2008 年 2 月 28 日 ) 海上竜巻 ( 単に海上で発生する竜巻と区別するために, 以後 waterspout という ) は, 米国では tornado,landspout( 陸上竜巻 ) と区別され, 周囲の積雲 / 積乱雲からの下降気流が海上で収束した領域で形成される, ノンスーパーセル型の竜巻と理解されている 3) そのため, スーパーセルから発生する tornado に比べて waterspout は相対的に風速が弱い場合が多いまたシアーライン ( 海面に可視化されたラインをシアーバンドと呼ぶ ) 上に発生し, 同時に複数の竜巻が発生することも多い, などの特徴を有しているわが国で発生したwaterspout に関して,1994 年 10 月 4 日土佐湾で連続して 5 本の竜巻が発生した事例では, 多くの画像データから竜巻渦の詳細が議論された 4) しかし,waterspout の内部構造を捉えた事例はない本報告では雲底下における竜巻渦の構造に焦点をあてて述べる

2. 当日の気象状況 2007 年 5 月 31 日竜巻発生時の関東地方は低気圧通過後, 上空の寒気 (500hPa で-18 ) におおわれていた ( 図 1) このため, 大気の状態が非常に不安定になり, 東日本で午前中から比較的強い降水が観測された 1500 JST 以降, 関東平野から東京湾で強い積乱雲エコーが次々と発生した東京都大田区で降雹, 神奈川県川崎市では 90 mm/h

1730 JST に富津市の海上で発生した ( 図 2 印 ) 竜巻発生の約 10 分前のレーダエコーでは湾内に顕著なエコーは存在しておらず ( 図 2), 竜巻は房総半島で発生した積乱雲エコーの北端でエコーの発達とほぼ同時に発生したと考えられる竜巻発生地点近傍に積乱雲が存在し強い降水 ( 下降流 ) が存在したこと, また後述するようにこの下降流が海上を発散した先端 ( ガストフロント )

2 2. 当日の気象状況 2007 年 5 月 31 日竜巻発生時の関東地方は低気圧通過後, 上空の寒気 (500hPa で-18 ) におおわれていた ( 図 1) このため, 大気の状態が非常に不安定になり, 東日本で午前中から比較的強い降水が観測された 1500 JST 以降, 関東平野から東京湾で強い積乱雲エコーが次々と発生した東京都大田区で降雹, 神奈川県川崎市では 90 mm/h の集中豪雨が観測され, 被害が相次いだこれらの積乱雲のうち, 房総半島では 1700 JST すぎから富津岬とその南東の内陸部で積乱雲が急速に発達した ( 図 2) なお, 同日午後, 北海道千歳市でも竜巻が発生している 5) 富津岬の積乱雲はレーダサイトからも至近距離で観測することができ, 強い降水に伴う雨足 (virga) を確認したまた, 南東の積乱雲からは降雹も確認された竜巻は 1730 JST に富津市の海上で発生した ( 図 2 印 ) 竜巻発生の約 10 分前のレーダエコーでは湾内に顕著なエコーは存在しておらず ( 図 2), 竜巻は房総半島で発生した積乱雲エコーの北端でエコーの発達とほぼ同時に発生したと考えられる竜巻発生地点近傍に積乱雲が存在し強い降水 ( 下降流 ) が存在したこと, また後述するようにこの下降流が海上を発散した先端 ( ガストフロント ) 上で発生した積乱雲に伴って竜巻が発生した点は,waterspout の形成過程と類似していた図 1 気象庁地上天気図 (2007 年 5 月 31 日 1500 JST) Synoptic weather chart (1500 JST May 31, 2007) 2007/5/31 17:20:39 JST (EL=2.5 ) 図 2 防大レーダエコー画像 (2007 年 5 月 31 日 1720JST) NDA radar image (1720JST May 31, 2007) 3. 竜巻の構造竜巻の発生した近傍の富津市内で現地調査を実施した当日, 関東南部は積乱雲が次々に発生したものの, 比較的夕方の明るい時間帯だったこともあり, 竜巻発生地点の湾周辺では多くの目撃証言や映像が得られた竜巻発生地点の東南東約 1.5 km の富津市上総湊, 南南西 3 km の富津市竹富, さらに房総半島の対岸, 三浦半島の横須賀市観音崎でそれぞれ竜巻が目撃された ( 図 3) これら画像データから竜巻の構造を解析したまず, 発生位置は上総湊及び竹富, 横須賀観音崎で得られた画像の解析 ( 図中の太矢印は撮影方向を示す ) により,1730 JST 時点で, 北緯 35 度 13 分, 東経 139 度 51 分と算出された ( 図 3, 印 ) 最も竜巻発生地点に近い上総湊での目撃証言から竜巻発生の時系列を追うと,1725 JST 頃に黒い雲 ( ガストフロント上で発生した積雲と考えられる ) が交差する上空に白い漏斗状の雲ができ ( 図 4), 次第に海面付近に水しぶきが上がって渦が認められた ( 図 5) 上総湊の住民がデジタルカメラにより竜巻を撮影した画像から, 漏斗雲が認められた時間は 1728 JST であった竜巻渦はやや沿岸に移動したが, ほぼ同じ位置に停滞して 1735 JST に海上で消滅した親雲が停滞している場合, 漏斗雲は直立することが多いが, 本事例では図 4 に示したように漏斗雲はかなり傾斜していたこれは, ガストフロント上で発生した積乱雲下で竜巻が発生したため, ガストフロントに沿って竜巻が形成されたと推測される

3 ズームで撮影された画像からは竜巻渦がより明瞭に確認でき, 海岸線に存在した構造物の実測スケールをもとに, 海岸線から約 1 km 沖に存在した竜巻のスケールを推定した竜巻の直径は海面付近で約 25 m, 雲底付近で約 50 m と見積もられたまた, 富津の複数の箇所から撮影された映像からの雲底高度は m と見積もられた横須賀に設置したシーロメータ ( 雲底高度計 ) では, 同時刻の雲底高度は約 800 m であり, 現地の写真から見積もられた雲底高度に概ね一致していたさらに写真からは海面に形成されたシアーバンドとみられる影 ( 図 5 の矢印 ) も確認されたこれは, 図 2 に示した竜巻発生地点の南北に存在した積乱雲エコーからの下降流によって形成されたシアーラインと考えられるこのシアーラインはドップラー速度場でも竜巻発生地点の東西約 2 km の領域で確認された 6) 4. 最大風速の推定本事例では, 地上被害は認められなかったものの, ズームアップされた画像データを用いて竜巻渦の構造, 特に風速の推定を行うことができた竜巻の画像データが残された場合, 画像解析により詳細な構造を議論できる場合がある特に複数の地点で画像が残されていると, ステレオ解析から, 竜巻の位置, 竜巻の直径, 雲底高度が推定できるさらに拡大された竜巻渦のビデオ画像からは風速 ( 回転速度 ) を推定することが可能になる一般に, 陸上で発生した竜巻の場合, 漏斗雲や地上付近に土埃で可視化された渦 (dust column) 内で検出可能な飛散物を対象に画像処理することができる 7) 一方, 海上で発生した竜巻の場合は海面近くまで漏斗雲が達しないことも多く, また飛散物も存在しないその代わり, 海水が吸い上げられて形成された筋状の模様が渦内にみられることがある図 3 竜巻の発生位置 Position of the waterspout

図 6 は土佐湾で発生した竜巻渦の海面付近の拡大画像である 4) この事例では海面上数 10 m の地点から何本もの筋が回転しながら高度が高くなるにつれてまとまり, 渦が可視化された ( 図中矢印 ) この筋は海水が吸い上げられて形成された水滴であり, 漏斗雲とは区別されるまた, この筋は渦糸のようにもみえるが, 竜巻の微細構造として直径 1 m

4 図 6 は土佐湾で発生した竜巻渦の海面付近の拡大画像である 4) この事例では海面上数 10 m の地点から何本もの筋が回転しながら高度が高くなるにつれてまとまり, 渦が可視化された ( 図中矢印 ) この筋は海水が吸い上げられて形成された水滴であり, 漏斗雲とは区別されるまた, この筋は渦糸のようにもみえるが, 竜巻の微細構造として直径 1 m 程度の渦が存在するかどうかは画像の分解能から議論は難しい図 7 は 1731 JST の海上約 100 m (ASL) における竜巻渦である前述の筋模様が濃淡として確認でき, また筋がらせん状に絡まっている様子がわかる ( 動画参照 6) ) この上総湊で撮影された竜巻の動画(30 fps) の解析では, 図 8 に示した異なる高度の 3 箇所を選んだランキン渦を仮定し, 検出したピクセルは同一平面上を円運動するものとして, 筋の濃淡成分の移動から回転速度を算出した渦の直径を 25 m とし, 解析された接線速度は,18 m/s から 24 m/s までの幅があったが, 平均で渦の接線速度は約 20 m/s と見積もられた ( 表 1) この風速は F0 スケールに相当し, たとえ上陸したとしても顕著な被害は認められなかったであろうことが推測されるまた, 本解析では原理的に上昇流 ( 上昇速度 ) を見積もることも可能であったが, この筋の動きは, らせん状に複雑であり誤差が大きくなるため, 今回解析は行わなかった竜巻渦を切り出し, 筋模様の移動を求めたこの筋模様は回転しながら複雑な形状を示したので, 解析では可視化された渦の最も外側の筋内で他の領域と区別して検出可能なピクセル ( 図 8, 印 ) を選んだ図年 5 月 31 日 1728 JST の竜巻 Waterspout in Futtsu Coast at 1728 JST, May 31, 2007 図年 10 月 4 日に土佐湾で発生した竜巻の海面付近を拡大した画像 4) Close up image of Tosawan tornado (October 4, 1994) 500 m 50 m 25 m 800 m Shear band 図年 5 月 31 日 1730 JST の竜巻 Waterspout in Futtsu Coast at 1730 JST 図年 5 月 31 日 1731 JST の竜巻渦 Close up image of the vortex at 1731 JST

上空に長時間メソサイクロンが存在するようなスーパーセルトルネードの場合, 飛散物から推定された上空 ( 雲底下 ) の水平風速は 50 m/s を越え, 上昇流も竜巻渦内で水平風速に匹敵した報告もある 7) 上昇流の直接観測は極めて困難であるが, 竜巻渦内の鉛直流分布は風工学的に重要なパラメータである表 1に示した推定風速から竜巻渦の渦度は3 10 0 s -1 と計算された ( 表 2)

5 上空に長時間メソサイクロンが存在するようなスーパーセルトルネードの場合, 飛散物から推定された上空 ( 雲底下 ) の水平風速は 50 m/s を越え, 上昇流も竜巻渦内で水平風速に匹敵した報告もある 7) 上昇流の直接観測は極めて困難であるが, 竜巻渦内の鉛直流分布は風工学的に重要なパラメータである表 1に示した推定風速から竜巻渦の渦度は s -1 と計算された ( 表 2) ドップラーレーダで観測された親雲の渦 ( マイソサイクロン ) の直径は, 雲底付近で約 500 m であり 6), 画像から見積もられた親雲のスケール ( 図 5) とほぼ一致したマイソサイクロンの渦度は10-1 s -1 のオーダーであり, 竜巻渦に比べて1オーダー小さかった 6) 今回のwaterspout は 10 分程度の寿命を持ち, マイソサイクロンは高度 4 km まで達していた 6) 一方, 2006 年 4 月 20 日藤沢市で発生した竜巻は F0 スケールの被害をもたらしたが 8), そのマイソサイクロンは高度 2 km までしか存在しなかった 9) このように, ノンスーパーセル型の竜巻も構造は多様であり, 今後詳細な観測データを蓄積する必要がある 5. まとめ 2007 年 5 月 31 日千葉県富津市沖で発生した竜巻について, ドップラーレーダ観測及び現地調査で得られた各種映像及び証言から, 雲底下の竜巻渦を解析し以下の結論を得た竜巻渦は高気圧性回転を持ち, 寿命は約 7 分だったこの竜巻は周囲の積乱雲からの下降気流により形成されたシアーライン ( ガストフロント ) 上で, 積乱雲の発生とほぼ同時に形成され,waterspout 的な構造を有していたことが示唆された画像解析から海面付近の竜巻渦の直径は約 25 m と見積もられたまた, 吸い上げられた海水により形成された筋模様から, 竜巻渦の接線速度は 20 m/s, 渦度は s -1 と推定された雲底付近で漏斗雲の直径は増大したが, 直径の時間変化は小さかった表 1 画像解析の結果 Result of image analysis Angular velocity (rad/s) Radial velocity (m/s) No No No Average (Diameter=25 m) 図 8 動画による竜巻渦の回転速度解析 Analysis of the vortex velocity from the movie images

6 表 2 海上竜巻のスケール Scale of the waterspout Features of the waterspout lifetime 7 minutes (17:28 ~ 17:35 JST) funnel diameter 50 m (near cloud base) 25 m (near surface) tangential velocity 20 m/s direction of rotation anticyclonic vorticity s -1 cloud top 8 km cloud base 800 m 謝辞本研究に際し, 被害調査にご協力頂いた住民の方々, 画像を提供して頂きました山根修一氏, 小畑勝志氏に謝意を表します参考文献 1) Niino, H., T. Fujitani and N. Watanabe, A statistical study of tornadoes and waterspouts in Japan from 1961 to 1993, J. Climate, 10, pp (1997). 2) 小林文明, 菅原祐也, 松井正宏, 最近 10 年間のわが国における竜巻の統計的特徴, 日本風工学会誌, 32,pp (2007). 3) Golden, J. H., The life cycle of Florida Keys waterspouts, J. Appl. Meteor., 13, pp (1974). 4) 小林文明, 千葉修, 松村哲,1994 年 10 月 4 日土佐湾上で発生した竜巻群の形態と構造, 天気, 44, pp (1997). 5) 小林文明, 風災害研究会報告, 風工学会ホームページ (2007). 6) Sugawara, Y. and F. Kobayashi, Structure of a waterspout occurred over Tokyo Bay on May 31, SOLA, 4, pp.1-4 (2008). 7) 小林文明, 菊地勝弘, 竜巻に伴う漏斗雲と地上の強風域の観測的研究, 第 13 回風工学シンポジウム論文集,pp (1994). 8) 小林文明, 菅原祐也, 今井真希, 松井正宏, 吉田昭仁, 田村幸雄,2006 年 4 月 20 日に発生した藤沢竜巻の被害特性, 日本風工学会誌, 32, pp (2007). 9) Kobayashi, F., Y. Sugawara, M. Imai, M. Matsui, A. Yoshida and Y. Tamura, Tornado generation in a narrow cold frontal rainband -Fujisawa tornado on April 20, 2006-, SOLA, 3, pp (2007).

第24回　風工学シンポジウム

第24回　風工学シンポジウム第 24 回風工学シンポジウム (2016) 2015 年 2 月 13 日厚木市で発生した突風被害ガストフロントに伴う渦 ATSUGI GUSTNADO ON FEBRUARY 13, 2015 小林文明 1) 松井正宏 2) 吉田昭仁 2) 岡田玲 3) Fumiaki KOBAYASHI, Masahiro MATSUI, Akihito YOSHIDA, Rei OKADA ABSTRACT