結論からいうと、雨は「たくさんの雨粒が空から地上へ落ちてくる現象」であり、雨粒はその雨を構成する一つひとつの水滴だからです。さらに、雨の強さや降り方は、雨粒の大きさ・数・落下速度・粒径分布によって変わります。
つまり「雨」と「雨粒」は別々のものではありません。雨という現象を細かく見ていくと、その中身が雨粒です。そして、どんな大きさの雨粒がどれくらいの数で降っているかを調べると、弱い雨か激しい雨か、霧雨か雷雨か、レーダーでどのように見えるかまで理解しやすくなります。
雨と雨粒の関係を一言でいうと？
雨は、多数の液体の水滴が雲から地面へ落下する降水現象です。その一つひとつの水滴が雨粒、気象学では雨滴と呼ばれます。
気象庁では、直径0.5mm未満の微小な雨滴による弱い雨を「霧雨」としています。つまり、降ってくる水滴の大きさは、雨の種類を区別するときにも使われます。
一方、私たちが「雨が強い」と感じるかどうかは、一粒の大きさだけでは決まりません。一定時間に、どれだけ多くの水が地面へ届くかで決まります。そのため、雨粒の大きさ・個数・落下速度の組み合わせが重要です。
雨粒は最初から大きな水滴として雲の中にあるわけではない
雲の中には、非常に小さな雲粒や氷晶が浮かんでいます。これらは軽いため、すぐには地上まで落ちてきません。
NOAAは、雲粒や氷晶がそのままでは小さすぎて降水にならず、成長して空気中で支えきれないほど大きくなって初めて落下すると説明しています。
液体の雲粒が多い暖かい雲では、大きさの違う水滴同士が異なる速度で落ち、衝突して合体する「衝突・併合」によって雨粒が成長します。
一方、雲の上部が低温のときは、氷晶が成長して雪片などになり、それが落下途中で融けて雨になることもあります。気象庁も、雲の中で成長した雪の結晶が地上へ落ちる途中で融ければ雨になると説明しています。
つまり、地上で見る雨粒は、雲の中で成長した水滴そのものの場合もあれば、氷の粒が融けてできた場合もあるのです。
雲粒と雨粒は大きさが違う
雲をつくる水滴と、地上まで落ちる雨粒は、同じ液体の水でも大きさが大きく異なります。
NASAは、雲粒には直径0.1mm未満の非常に小さいものが多く、地上へ落ちる雨粒は数mmまで成長すると説明しています。大きな雨粒では直径6mm程度に達するものもあります。
雲粒が小さいうちは、上昇気流や空気の抵抗によって雲の中にとどまりやすくなります。しかし成長して大きくなるほど落下速度が増し、やがて地上まで落ちてきます。
この「小さな雲粒が成長して雨粒になる」という変化が、雲から雨が生まれる重要な過程です。
雨の強さは雨粒の大きさだけでは決まらない
大粒の雨が降っていると「強い雨」と感じやすいですが、雨の強さは一粒の直径だけで決まるわけではありません。
一定面積へ一定時間に届く水の量は、雨粒の数、各雨粒の体積、落下速度の組み合わせで変わります。大粒が少数だけ落ちる場合と、中くらいの雨粒が非常に多く落ちる場合では、総雨量が同程度になることもあります。
気象庁は、降水量を「降った雨が流れ去らずにそのままたまったときの水の深さ」としてmmで表します。つまり、雨量は最終的には空から地面へ届いた水の総量です。
雨粒一粒の大きさを知るだけでは足りず、どの大きさの雨粒が何個あるかまで見る必要があります。
雨滴粒径分布とは何？
雨粒の大きさごとの数の分布を「雨滴粒径分布」と呼びます。
たとえば、0.5mm前後の小さな雨粒が多い雨、1〜2mm程度の雨粒が中心の雨、大きな雨粒まで幅広く含む雨では、見た目も降り方も異なります。
J-STAGEに掲載された研究では、雨滴粒径分布を観測し、降雨タイプや降雨強度との関係を分析しています。別の研究でも、雨滴粒径分布から短時間の降雨強度変動を評価しています。
このことから、雨粒の大きさの分布は、雨の性質を理解するための基本的な情報だとわかります。
対流性の雨と層状の雨では雨粒の分布が違う
積乱雲による対流性の雨と、広い範囲で降る層状性の雨では、雨滴粒径分布に違いが出ることがあります。
NOAAが公開する研究では、対流性降雨と層状性降雨で雨滴粒径分布の特徴が異なることが示されています。対流性降雨では、より広い粒径範囲の雨滴が現れる場合があります。
雷雨や夏の強いにわか雨では、大きな雨粒が目立つことがあります。一方、弱い層状性の雨では、比較的小さな雨粒が多くなることがあります。
ただし、実際の雨では粒径分布は時間とともに変化し、同じ雨雲の中でも場所によって違います。そのため「大粒なら必ず雷雨」と単純にはいえません。
大きな雨粒ほど速く落ちる傾向がある
雨粒は重力で落下しますが、空気抵抗も受けます。
一般に、小さな雨粒は落下速度が遅く、大きな雨粒ほど速く落ちます。NASAも、大きな雨粒は小さな雨粒より速く落下する傾向があると説明しています。
そのため、強い雨では、大きめの雨粒が速い速度で地面へ当たり、傘や屋根、地面に強い衝撃を与えることがあります。
農地では、雨滴の衝撃が土粒子を跳ね飛ばし、土壌侵食につながることがあります。雨粒の大きさと速度は、単に雨の見た目だけでなく、地表への作用にも関係しています。
雨粒は涙の形をしているわけではない
天気予報のマークでは、雨粒が涙型に描かれることがあります。しかし、実際の雨粒は典型的な涙型ではありません。
NASAによると、小さな雨粒は表面張力によってほぼ球形ですが、直径が2〜3mmほどになると、落下中の空気抵抗によって下側が平らになり、丸いパンの上半分のような形になります。
さらに大きくなると変形が強まり、安定して落ち続けることが難しくなり、分裂することがあります。NASAは、非常に大きな雨粒は落下中に壊れて小さな粒へ分かれると説明しています。
つまり、雨粒の大きさには、表面張力と空気抵抗のバランスによる実質的な上限があるのです。
雨粒同士は落下中にも変化する
雨粒は、雲を出た後も大きさが完全に固定されているわけではありません。
落下中に雨粒同士が衝突して合体することがあります。反対に、大きくなりすぎた雨粒は空気抵抗で変形し、分裂することがあります。また、地上付近の空気が乾いていれば、一部が蒸発して小さくなることもあります。
そのため、雲の中で観測した雨滴粒径分布と、地上で観測した粒径分布がまったく同じとは限りません。
雨は、落下している途中でも雨粒の大きさや個数が変化する動的な現象です。
レーダーは雨粒から返る電波を使って雨を測る
気象レーダーが雨を観測できるのも、雨粒が電波を反射するからです。
レーダーは電波を発射し、雨粒などから返ってきた信号を測ります。一般に、大きな雨粒は小さな雨粒より強い反射を返します。
NASAは、雨滴の大きさや形がレーダー反射に関係し、雨量推定の精度を高めるには雨滴粒径分布の理解が重要だと説明しています。
J-STAGEの研究でも、雨滴粒径分布の鉛直変化を観測し、レーダーによる降雨量推定の精度改善につなげる試みが行われています。
つまり、私たちが天気アプリで見る雨雲レーダーの情報も、雨粒の大きさや数と深く関係しています。
「強い雨」は雨粒が大きいだけではない
気象庁は、1時間雨量によって「やや強い雨」「強い雨」「激しい雨」「非常に激しい雨」「猛烈な雨」などを区分しています。
この区分は地上へ届いた水の量を基準にしています。したがって、強い雨になる理由は、大きな雨粒が含まれることだけではありません。
- 雨粒の数が非常に多い
- 大きな雨粒が増える
- 大きさの異なる雨粒が幅広く含まれる
- 雨を生み出す雲が次々と供給される
こうした条件が組み合わさって、地上へ届く総水量が増えると、強い雨になります。
雨粒を測ると何がわかる？
雨滴粒径分布を測る装置をディスドロメーターと呼びます。
この装置を使うと、どの大きさの雨粒が何個落ちたか、落下速度がどれくらいかを調べることができます。
得られた情報は、降雨強度の推定、レーダー雨量の補正、対流性・層状性降雨の研究、土壌侵食の評価などに利用されます。
NOAAも、雨滴の数と大きさを示す粒径分布が、降水量推定やレーダー観測の改善に重要だと説明しています。
「一粒の雨」を測ることが、広い地域の大雨を理解することにつながっているのです。
雨と雨粒の関係を整理すると
- 雨：多数の水滴が地上へ落下する降水現象。
- 雨粒：雨を構成する一つひとつの水滴。
- 雨の強さ：雨粒の大きさ・数・落下速度・粒径分布によって変わる。
- 雨の生成：雲粒の衝突・併合や、氷粒子の成長と融解によって雨粒ができる。
- 観測：雨粒の大きさや数は、レーダーによる雨量推定に重要。
- 地表への影響：雨粒が大きく速いほど、地面への衝撃も大きくなりやすい。
まとめ
雨と雨粒が関係しているのは、雨という現象そのものが、多数の雨粒によってできているからです。
雲の中では、小さな雲粒や氷晶が成長し、地上まで落下できる大きさになると雨粒になります。雨粒はすべて同じ大きさではなく、小さなものから数mmの大きなものまで混ざっています。
そして、雨の強さは一粒の大きさだけではなく、どの大きさの雨粒が何個あり、どの速度で落ちているかによって決まります。この大きさごとの分布が雨滴粒径分布です。
さらに、雨粒の大きさや形はレーダー反射にも関係するため、天気予報や大雨監視にも重要です。
つまり、雨粒は雨を構成する最小単位であり、その大きさ・数・動きの集まりが、私たちが感じる「弱い雨」「強い雨」「大雨」という違いをつくっているのです。
コメント