NASAの嵐追跡飛行機は吹雪の中を飛行し、降雪予報の精度向上に努める

先週末、東海岸は猛吹雪に覆われ、一面真っ白な雪に覆われた。場所によっては、冬の風が時速 70 マイルを超え、吹雪で 12 インチ以上の氷が積もった。しかし、強風と視界不良で北東部の空港で 5,000 便以上のフライトが欠航となったにもかかわらず、センサーや科学機器を満載した 2 機の小型飛行機は空中にとどまり、大西洋岸を吹き荒れる嵐を追っていた。

搭乗したパイロット、技術者、研究者は、地上のチームメンバーからの指示を注意深く聞きながら、機体と計器を同時に操作しなければならなかった。「想像してください。大量の情報が飛び交い、吹雪の中、乱気流に巻き込まれた飛行機に乗っているのです」と、ノースカロライナ州立大学の気象・気候の専門家で、地上から飛行を監督する主任ミッション科学者のサンドラ・ユーター氏は言う。「とても緊張します。戻ってきたら、完全に疲れ果てています」

この飛行は、2020年に開始された第2ラウンドの空中嵐追跡実験の一部であり、NASAの大西洋沿岸を脅かす吹雪に関する微物理学と降水量の調査（IMPACTS）のために実施された。雲の中を飛び越えて上空を飛行する2機の研究用飛行機には、吹雪が展開する途中で直接データを収集できるという独自の利点があり、この現象がどのように形成され、発展するかについて新たな視点を与えてくれる。

こうした冬の嵐の性質を理解することで、この気象学者チームは、潜在的に危険な降雪量の予測精度の向上に貢献できる。「嵐の一般的な構造についてはよくわかっているが、それぞれの嵐で降雪の強さがなぜそのように分布しているのかはわかっていない」とワシントン大学の准研究教授でIMPACTSの主任研究員でもあるリン・マクマーディ氏は言う。このプロジェクトは、米国北東部の中緯度地域の冬の気象現象に焦点を当てている。中緯度の嵐は年間を通じて発生するが、夏は弱まり、通常は雨をもたらす。下層大気の気温が高いため、降雪時に雪が溶けるからだとマクマーディ氏は説明する。

降雪と捉えどころのない冬の気象現象との関連

北東部の暴風雪は往々にして移動を危険にさらし、ホワイトアウトを引き起こし、突発的な吹雪状態を引き起こす。しかし予報は先週末の嵐も含め、予測に大きなずれがあることで有名だ。「予想はあちこちで飛び交っていました」と、このミッションで地上管制も担当したマクマーディ氏は言う。「吹雪が来ることはわかっていました。ただ、ニューヨークを吹き飛ばすのか、内陸部までどこまで広がるのか、すべて沖合にとどまるのか、まったくわかりませんでした」

最も被害が大きい時期や地域を予測するのは、特に先のことまで予測しすぎると難しいことが多いとユター氏は言う。「大抵、暴風雪の予報では、積雪は3～8インチ程度で、午後から降り始めて夕方まで続くと予想されます。これは非常に大きな幅です」と彼女は言う。

モデルにおけるこの変動を少しでも抑える方法の 1 つは、あまり研究されていない気象現象である雪帯の形成を解明することです。これらの細長い帯は、その後に大量の雪や雨を降らせることがあります。「嵐の降水分布は、雨であれ雪であれ、均一ではないことは以前から分かっていました」とマクマーディ氏は言います。「嵐の間、どこでも同じ量の降水が降るわけではありません。しかし、変動の原因の 1 つは、これらの細い帯です」

一般的に、雪帯には 2 つの種類があります。1 つは、非常に長く、複数の州にまたがる長さになることもあるプライマリ バンド、もう 1 つは、小さな列が連続して発生し、数郡ほどの大きさになるマルチ バンドです。雪帯の種類と活動度によって、ある都市で何フィートもの積雪があるのに、近くの町では数インチしか積もらない理由が変わる可能性があると、ユーター氏は説明します。しかし、どちらの種類でも大量の降水量になる可能性があります。

そのため、チームは、雲の中の粒子の大きさ、水分含有量、量などの特性が、降雪量の多い帯状降雪帯に寄与しているかどうかを調べている。「雪はいつも美しい星形の樹枝状結晶だと誰もが思いがちですが、実際は非常に厄介です」とマクマーディ氏は言う。「嵐は上向きの動きが非常に激しく、その動きが激しいことが起こり得るのです。空気が上昇するにつれて、空気は冷えて凝縮し、雲の中に小さな水滴ができます。」

これらの小さな水滴は雲の中の他の氷の粒子に付着して雪となり、それが天気予報のレーダー反射率で観測される、とマクマーディ氏は言う。しかし、レーダーの色の強度が高いからといって、必ずしもその地域に雪が多いことを意味するわけではない。「これには多くの要因が関係しています」とマクマーディ氏は説明する。「[レーダーの明るい表示]は、単に雪の粒子が大きいことを意味しているだけかもしれません。」

雲や大気帯の中で雪が形成されてから、それが地上に到達するまでには、さらに 1 ～ 2 時間かかる可能性があるとユーター氏は言う。雪が空のさまざまな環境を通過して落下するにつれて、粒子は変化する可能性があり、吹雪の状況についてさらに多くの手がかりが得られる。

「嵐はそれぞれ違います」とマクマーディは言う。「嵐の中には、それほど縞状の構造をしていないものもありますが、それでもかなり雪が降ります。今週末の嵐は、あちこちに縞状の雪が積もり、すごい勢いでした。一体何が起きているのか、私たちはわかりません。どうしていいかわかりません」

ホワイトアウト中に手がかりを探す

雪帯のパターンは気象レーダーやセンサーで長い間観測されてきましたが、専門家たちはそれがなぜ、どのように形成されるのかを突き止めることができていません。そのダイナミクスをより深く理解するために、IMPACTS チームは NASA の航空機 2 機、P-3 オリオン機と高高度 ER-2 飛行機を活用しています。4 発ターボプロップの P-3 は、雲を切り裂いて 26,000 フィートまで飛行し、雪粒子のサンプルや気温、湿度、その他の大気測定値を収集します。

一方、ER-2 は、高度約 65,000 フィートで嵐の上空を往復し、気象衛星に搭載されているものと同様のリモート センシング機器を使用します。この飛行機は、軌道上の衛星よりも嵐に近づくことができるため、より高い空間解像度でデータを取得できます。その間、地上のチームは、雲の特性を測定するレーダーを使用して嵐の進路を追跡します。

準備は数日前から始まり、嵐の日に飛行機を安全に離陸できる飛行場へ移動させる。1 月 29 日の北東風を受け、チームは P-3 をバージニア州ワロップスの基地からオハイオ州デイトン近郊の飛行場へ移動させることにした。飛行時間は約 8 時間で、そのうち約 6 時間は嵐の真っ只中だった。通常、吹雪のときは飛行はスムーズだとユーター氏は言うが、先週土曜日にメイン湾上空を飛行中に飛行機は予想外の乱気流に遭遇した。

「観察をするとき、たいていは最初にいくつかの考えがあるのですが、母なる自然はそれを驚かせてくれます」とユター氏は指摘する。「今回の場合は、弱まりつつある嵐のように見えたものの、その激しさに驚かされたのは間違いありません。」

ユター氏によると、この揺れの原因は謎のままだが、IMPACTS のクルーは、計測値とサンプルを分析すれば答えが得られるかもしれない。チームは、現在アメリカ全土で発生している大規模な冬の嵐を追跡しており、2 月 3 日に中西部、2 月 4 日に北東部への飛行を予定している。2 月中は飛行を続け、降雪帯と降雪量の関係性を探る予定だ。より高度な技術により、このミッションは降雪帯が予報にどのように影響するかを示す新しいデータセットを提供できる可能性があるとマクマーディ氏は言う。

「吹雪の発生を止めることはできませんが、不確実性を減らして予測することができれば、人々は適切な範囲の気象条件に備えることができるでしょう」と彼女は付け加えた。

「将来的には予測精度が向上することを期待しています。」