雨氷

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バレンタインデーの2月14日は、なんと2月なのに雨。
道路はザクザクになり、屋根からは落雪。

しかし、降る雨はあらゆるところに凍り付く。
車もキレイにコーティングされバリバリ。

翌15日は風が強くなり、吹雪・地吹雪で走行不能になるほど…。
しかも路面はツルツルで、過去に記憶も少ないほどの気象条件でした。

で、タイトルの「雨氷」ですが、これまた珍しい現象です。

雨氷(うひょう)は、0℃以下でも凍らない過冷却状態の雨(着氷性の雨)が、地面や木などの物体に付着することをきっかけに凍って形成される硬く透明な氷のこと。着氷現象の一種でもある。

水はふつう凝固点である0℃を下回ると凝固(凍結)し氷となる。しかし、ある条件下では0℃以下であっても凍結しないで液体のままを保つことがある。水を構成する分子が非常に安定しているときに起こるもので、これを過冷却状態という。自然界では、雲や霧を構成する水滴のように3 - 数百μmの大きさでは-20℃程度まで、雨粒のように数百μm - 数mmの大きさでは-4℃程度まで、過冷却のものが存在することが知られている。

雨粒がこのような過冷却状態にある雨を着氷性の雨(ちゃくひょうせいのあめ)という。なお、直径0.5mm以下の雨粒からなる雨を霧雨というが、同様に過冷却状態にある霧雨を着氷性の霧雨という。本項目ではこれ以降、特に注記がない場合は「着氷性の雨」には霧雨も含めることとする。過冷却状態の水に衝撃を与えると急速に凍結を始めて氷となるが、着氷性の雨も同様に樹木、地面、電線などの(0℃以下に冷えている)物体に触れた衝撃で凍結する。このようにしてできる付着氷が雨氷である。

日本では、近代には雨氷を表す言葉として"glazed frost"の訳に当たる「凝霜」が用いられていた。しかし、霜と混同して誤解を生むとされたことから、中国語の「雨淞」をより平易にした「雨氷」が1915年(大正4年)から使用されるようになった。

英語では「上ぐすり(釉薬)」の意味があるGlaze, Glaze iceを雨氷を意味する語として用いる。また、航空の分野では航空機に付着する雨氷を特にClear iceと呼ぶことがある。また、着氷性の雨、霧雨、霧はそれぞれFreezing rain、Freezing drizzle、Freezing fogという。

雨氷は、物体表面に硬く滑らかで透明な氷の層を作る。同じ着氷現象の1種である樹氷や粗氷とは、色や性質により区別されている。樹氷は白色不透明、粗氷は半透明なのに対して、雨氷は透明である。また樹氷より粗氷の方が固いがどちらも手で触れば崩れる程度の硬さであるのに対して、雨氷は固く手で触った程度では崩れない。色や脆さの違いは、気泡の含有率に起因している。

樹氷は小さな気泡をたくさん含むため白色で脆く、粗氷は樹氷よりは固いがそれでも気泡を多く含むため半透明を呈する。一方の雨氷は気泡の含有率が低いため透明であり、氷が形成されるとき水滴同士が融合しあうので表面が滑らかになる。雨氷の密度は約0.9であり、純粋な氷とほぼ同じである。

なお、0℃を僅かに超えた雨粒が0℃以下に冷えた物体に付着しても透明な氷ができ、雨氷と混同される場合がある。また、積雪が融解したあと再び凍結するなどして透明な氷ができることもある。これらは雨氷ではない。なお、再凍結によりできるもののうち、例えば細く地面に向かって垂れ下がるものは氷柱(つらら)、その逆に空に向かって伸びるものは氷筍(ひょうじゅん)という。

着氷性の雨が発生する条件として、地上気温は0℃から-数℃の狭い範囲に限られ、後述のように上空に適度な厚みの逆転層が存在することが必要である。ごくありふれた現象である雨や雪と比べて、雨氷は目にする機会が少なく、発生頻度も低いため、珍しい気象現象とされている。

低地の平野部よりも、地形に起伏のある山地などのほうが発生しやすい。これは起伏により逆転層が形成されやすくなることなどが原因である。

雨氷が物体に大量に付着すると、樹木の枝が重くなりって折れ曲がったり、地面に氷の層を作って人の転倒や車両のスリップを引き起こすなど、被害を発生させることがある。一方、樹木などに付着した雨氷が美しい風景を作り出すという側面もある。着氷性の雨や霧は上空でも生じるが、これにより雨氷が航空機の翼などに付着して運行に重大な支障を引き起こす例がある。

通常、大気は上に行くほど気温が下がるが、例えば上空の高さごとに風向が異なり、上下の冷たい空気の層(冷気層)の間に暖かい空気の層(暖気層)が侵入すると、逆転層が発生する。逆転層発生の要因は他にも地形による寒気のブロックなどがある。

上下の冷気層が気温0℃以下、真ん中の暖気層が気温0℃以上のとき、上の冷気層の雲から雪が降ると、暖気層で融解して雨、冷気層で再冷却され着氷性の雨となる。

ただし、前記のような逆転層があっても、必ずしも着氷性の雨にはならない。逆転層があっても、暖気層で雪が完全に融けないで雪となる場合もあれば、冷気層で凍結してしまい氷の粒が降る凍雨として観測される場合もあるからである。実際、着氷性の雨より凍雨の方が遥かに発生頻度は高い。

具体的に暖気層の厚さが何百mないし、気温が何℃というようなデータはいくつか報告されているが、事例によりまちまちで定性的ではない。

1956年3月19日 - 20日に着氷性の雨により筑波山の山頂を含む標高700m以上の地域に雨氷が発生した例では、雪の結晶が最初に生成される雲頂(雲の最高部)高度6,000m、0℃以上の暖気層が3,000 - 1,400m、0℃以下の冷気層が1,400 - 800mであった。仮に雨粒の直径を1mm、落下速度を毎秒6mとすれば、暖気層で融解した雨粒はおよそ100秒かけて過冷却となり、標高700 - 800mの地表に達して雨氷を生じさせる(植野、1961年)。

一般的に雲の中では、0℃から-4℃程度では水滴のほとんどが過冷却であり、気温が低くなるにつれて少なくなるが、-20℃程度までは過冷却の水滴が存在する。なお、実際にはこの種の雲はおおむね雲頂の気温が-10℃より高いことが知られている。これが成長し、過冷却を保ったまま降って地上に達した場合、あるいは上空で航空機への着氷などとして観測されれば着氷性の雨になる。この種の着氷性の雨は水滴の直径が小さく、雨というよりも霧雨に分類されるものがほとんどである。

着氷性の雨や霧が物体に付着してから完全に凍結するまでには、多少の時間がかかる。この時間は、凍結に伴う潜熱放出による加熱、蒸発に伴う潜熱吸収による冷却などの熱のバランスに左右され、湿度・気温・風速などに相関性がある。凍結速度が遅いと、枝の表面などでは水の部分は重力により落下していくほか、氷の表面は濡れた状態である。

着氷性の雨(過冷却の液体)→物体表面に付着→冷却による凍結→雨氷(固体)

気温と物体表面の温度が低いなどの条件が整うと、着氷性の雨は物体に付着してすぐに凍結し、次々と積もって厚い氷として成長していく。屋根や壁のような平面の物体では低い方へ広がりながら凍結していく。電線や木の枝のように細長い物体ではそれを取り巻くように凍結する。

着氷性の雨が降ったときの特徴として、低気圧や前線の通過といった総観スケールの気象状態、より小さなスケールの地形の影響などがある。

気温分布図では0℃の等温線付近、降水分布図では雨と雪の境界付近、風向分布図では風向が急変するウインドシアの近傍にそれぞれ着氷性の雨が分布することが多く、分布域は前線に平行することが多い。分布域はふつう細長く幅は狭いが、北極に近い高緯度地方では、幅50km以上の広範囲にわたって着氷性の雨が降ることもある。また凍雨は着氷性の雨と似た条件で発生するため、似たような分布を示すことが多い。

日本においては主に2つのパターンが多い。1つは海に面した平野部で、下層に北寄りの風による寒気の移流、中層に南寄りの風による暖気の移流があって、そこに逆転層が生じるパターン。もう1つは内陸の盆地で、弱風下で下層の盆地内に寒気が滞留していて(「冷気湖」という)、中層に南寄りの風による暖気の移流があって、そこに逆転層ができるパターンである。天気図で見ると、大局的には日本海と本州南岸の2つの低気圧が並んで東進する「二つ玉低気圧」の時に起こる場合が多い。また着氷性の雨の分布は、低気圧の東側にある温暖前線の寒気側から低気圧の周囲付近にかけての細長い地域となる場合が多い。

一般的に起伏のある地形では樹氷や粗氷も発生しやすいが、例年のように樹氷が現れる場所で同様に雨氷が見られるかと言えばそうではない。雨氷は条件が非常に限定的なため、限られた狭い地域で偶発的に発生し、年々変動が大きい。

日本では、長野県で特に多く報告され多いところでは年平均2 -3回の発生がある。また、1989 - 2003年に気象台や測候所のある都市の着氷性の雨・霧雨を調べた調査において、中部から東北にかけての山間部や東北と北海道の太平洋側平野部のいくつかの都市で4 - 5年に1回程度の発生が報告されているほか、被害をもたらすレベルの雨氷は国内で10年に1件程度という調査がある。

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今日の撮影ですが、今日は北海道全体が真冬日でした。
午前中でしたが、道路にガラスの欠片のようなキラキラしたものが散らばっていました。
それは陽射しで電線に付いた氷が落ちたものでしたが、木々の氷を解かすまでには時間がかかりそうです。

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