山地で雲はどこにできる？Where Do Clouds Form over Mountains?

1予想しよう（触る前に）Predict (before you touch anything)

1. 地表の空気が湿っている(湿度が高い)日と乾いている(湿度が低い)日では、山の斜面にできる雲の底(雲ができはじめる高さ)はどちらが低いと思いますか。On a day when the air near the ground is humid (high humidity) and on a day when it is dry (low humidity), on which day do you think the base of the cloud on the mountain slope (where clouds start to form) will be lower?💡 雲ができるのは、上昇して冷えた空気の温度が露点まで下がったときです。地表で気温と露点の差が大きいのはどちらの日でしょうか。Clouds form when the rising, cooling air drops to its dew point. On which day is the gap between air temperature and dew point at the ground larger?
2. 風上で雨を降らせた空気が山を越えて風下のふもとに下りてきたとき、気温は風上のふもとと比べて高い・低い・同じのどれだと思いますか。When air that dropped rain on the windward side crosses the mountain and comes down to the foot on the lee side, do you think its temperature will be higher, lower, or the same as at the windward foot?💡 雲ができる前とできたあとで、100 m 上がるごとの温度の下がり方が同じかどうかに注目しましょう。Pay attention to whether the temperature drops by the same amount per 100 m before and after the cloud forms.

2動かしてみようTry it

1. 最初の状態(「① 地表の気温」25 ℃、「② 相対湿度」60 %、「③ 山の高さ」2000 m)で空気塊が斜面を上る様子を見て、画面下の「空気塊：高度・気温・露点・湿度」の表示と、凝結高度(LCL)の点線を通過したときの変化を観察する。途中で「一時停止」して数値を読んでもよい。In the starting state ("① Ground temperature" 25 ℃, "② Relative humidity" 60 %, "③ Mountain height" 2000 m), watch the air parcel climb the slope, and observe the "Air parcel: altitude, temp, dew point, RH" readout at the bottom and how it changes when the parcel passes the dashed cloud base (LCL) line. You may press "Pause" to read the numbers.
2. 右の「高度-温度」グラフで、赤の乾燥断熱線と青の点線(露点)が交わる白い丸(LCL)と、それより上のオレンジの湿潤断熱線の傾きを確認する。On the altitude-temperature graph on the right, find the white circle (LCL) where the red dry adiabatic line meets the blue dotted dew-point line, and check the slope of the orange moist adiabatic line above it.
3. 左上の「風上の平地」と右上の「風下の平地」の気温・露点・湿度を比べる。Compare the temperature, dew point and RH in the "Windward plain" box (top left) and the "Leeward plain" box (top right).
4. 「② 相対湿度」を 90 % にし、次に 30 % にして、凝結高度(LCL)の値と雲・雨のようす、風下の平地の気温の変化を見る。Set "② Relative humidity" to 90 %, then to 30 %, and watch how the cloud base (LCL) value, the cloud and rain, and the leeward plain temperature change.
5. 「② 相対湿度」を 60 % に戻し、「③ 山の高さ」を 1000 m と 4000 m にして、雲ができるかどうかと風下の平地の気温・湿度を比べる。Return "② Relative humidity" to 60 %, set "③ Mountain height" to 1000 m and then 4000 m, and compare whether a cloud forms and the leeward plain's temperature and RH.

3確かめようCheck

1. 最初の状態で、雲ができはじめた高さ(LCL)は何 m でしたか。そのとき空気塊の気温と露点はどうなっていましたか。In the starting state, at what height (LCL) did the cloud start to form? What were the parcel's temperature and dew point there?→ 凝結高度は約 1039 m。地表で 25.0 ℃ だった気温が約 14.6 ℃ まで下がり、露点(地表 16.7 ℃)と等しくなって湿度 100 % になった。それより上では「飽和：雲が発生」と表示され、露点＝気温のまま上昇した。The cloud base was about 1039 m. The temperature, 25.0 ℃ at the ground, fell to about 14.6 ℃ and became equal to the dew point (16.7 ℃ at the ground), so RH reached 100 %. Above that the readout showed "saturated: cloud forms" and the dew point stayed equal to the temperature.
2. 雲ができる前とできたあとで、100 m あたりの温度の下がり方はどう違いましたか。How did the temperature drop per 100 m differ before and after the cloud formed?→ 雲ができる前は 100 m あたり 1 ℃(乾燥断熱)、雲ができたあとは 100 m あたり約 0.5 ℃(湿潤断熱)とゆるやかになった。グラフでもオレンジの線は赤の線より傾きが急(温度があまり変わらない)だった。Before the cloud it dropped 1 ℃ per 100 m (dry adiabatic); after the cloud formed it dropped only about 0.5 ℃ per 100 m (moist adiabatic). On the graph the orange line is steeper than the red one (temperature changes less with height).
3. 風上の平地と風下の平地では、気温と湿度はどう違いましたか。How did the temperature and RH differ between the windward and leeward plains?→ 最初の状態では、風上が 25.0 ℃・湿度 60 % だったのに対し、風下は 29.8 ℃・湿度 38 % と、高温で乾燥していた(フェーン現象)。山の高さを 4000 m にすると風下は 39.8 ℃・湿度 15 % になった。In the starting state, the windward plain was 25.0 ℃ and 60 % RH while the leeward plain was 29.8 ℃ and 38 % RH, hotter and drier (the foehn effect). With a 4000 m mountain the leeward plain reached 39.8 ℃ and 15 % RH.
4. 相対湿度や山の高さを変えると、雲のでき方はどう変わりましたか。How did cloud formation change when you changed the relative humidity or the mountain height?→ 湿度 90 % では凝結高度が約 220 m と低くなり、斜面の低いところから雲と雨ができた。湿度 30 % では凝結高度が約 2349 m で山頂(2000 m)より高く、「雲はできない」と表示され、風下も 25.0 ℃・30 % で風上と同じだった。湿度 60 % でも山の高さ 1000 m では凝結高度(1039 m)に届かず雲はできなかった。At 90 % RH the cloud base dropped to about 220 m, and cloud and rain formed low on the slope. At 30 % RH the cloud base was about 2349 m, higher than the 2000 m summit, so "no cloud forms" appeared and the leeward plain was 25.0 ℃ and 30 %, the same as the windward side. At 60 % RH, a 1000 m mountain did not reach the cloud base (1039 m), so no cloud formed.

4考えようThink further

1. 雲ができると、なぜ空気の温度の下がり方がゆるやかになるのでしょうか。Why does the air cool more slowly once a cloud forms?→ 水蒸気が凝結して水滴になるときに熱(潜熱)を出し、その熱が空気をあたためるので、膨張による冷え方の一部が打ち消されるから。When water vapor condenses into droplets it releases heat (latent heat), which warms the air and partly offsets the cooling from expansion.
2. フェーン現象で風下が風上より暑くなるのはなぜでしょうか。雲ができないときに気温が変わらなかったこととあわせて説明しましょう。Why does the lee side become hotter than the windward side in the foehn effect? Explain it together with why the temperature did not change when no cloud formed.→ 風上では雲ができてから 100 m あたり 0.5 ℃ しか冷えないが、雨で水分を落とした空気は風下で下降するとき 100 m あたり 1 ℃ ずつあたたまる。冷えた量より温まる量が多いぶん、ふもとでは風上より高温になる。また水蒸気が雨として失われるので湿度も低くなる。雲ができないときは上りも下りも 1 ℃/100 m なので、ふもとの気温は元と同じになる。On the windward side, once the cloud forms the air cools only 0.5 ℃ per 100 m, but when the air, having lost water as rain, sinks on the lee side it warms 1 ℃ per 100 m. It gains more heat than it lost, so it is hotter at the foot than on the windward side, and since water vapor was lost as rain its humidity is also lower. With no cloud, both rising and sinking are 1 ℃/100 m, so the temperature returns to the original value.

よくある誤解Common misconceptions

• 「雲は山頂の高さでできる」という誤解。雲ができはじめる高さは露点に達する高さ(凝結高度)で決まり、湿った空気なら山頂よりずっと低い位置からでき、乾いた空気なら山を越えても雲ができないこともある。"Clouds form at the height of the summit." Where clouds start depends on the height at which the air reaches its dew point (the cloud base); humid air forms clouds far below the summit, and dry air may cross the mountain without forming any cloud.
• 「上空ほど寒いのは太陽から遠い・地面から離れるから」という誤解。上昇する空気が冷えるのは、気圧が下がって膨張する(断熱膨張)ためである。"Air higher up is colder because it is far from the ground or the Sun." Rising air cools because the pressure drops and the air expands (adiabatic expansion).

用語（日本語 / English）Key terms (Japanese / English)