1. フェーン現象とは
フェーン現象とは、湿った空気が山を越えて反対側に吹き下りる際、風下側で気温が高くなり、乾燥した風が吹く現象のことです。
発生の仕組み（熱力学的な説明）:
- 風上側: 湿った空気が山の斜面を上昇します。ある高さで凝結して雲ができ、雨を降らせます。このとき、水蒸気が水になるときに出す熱（潜熱）によって、空気の温度低下が緩やかになります（湿潤断熱変化）。
- 風下側: 雨を降らせて水分を失った空気は、山頂から麓へ吹き下ります。このときは雲がなく乾燥しているため、空気が圧縮されることによって急激に温度が上昇します（乾燥断熱変化）。
- 結果: 山を登るときの「冷えるペース」よりも、山を下るときの「暖まるペース」の方が大きいため、元々の気温よりも高くなります。
2. フェーン現象と物理量の変化
フェーン現象が発生した際、風上側の麓（スタート地点）と風下側の麓（ゴール地点）の空気を比較すると、各物理量は以下のように変化します。
これが「なぜそうなるのか」を理解することが重要です。
| 物理量 | 変化の傾向 | 理由・メカニズム |
| 気温 ($T$) | 上昇する | 山を登る際の冷却率（約0.5℃/100m）より、下る際の昇温率（約1.0℃/100m）の方が大きいため。 |
| 相対湿度 ($RH$) | 低下する | 気温が上昇し、かつ水蒸気量が減少しているため、空気中に含むことのできる水蒸気の割合（飽和に対する割合）が激減するため。「乾燥した風」と呼ばれる理由です。 |
| 絶対湿度 ($a$) | 低下する | 山の風上側で雨として水分を落としてしまったため、空気 $1m^3$ 中に含まれる水蒸気の質量は減少します。 |
| 混合比 ($r$) | 低下する | 乾燥空気1kgに対する水蒸気の量のこと。絶対湿度と同様に、降水によって水蒸気が系外へ排出されたため減少します。 |
| 温位 ($\theta$) | 上昇する | 温位は乾燥断熱過程では保存されますが、凝結による潜熱（凝結熱）を受け取ったため、そのエネルギー分だけ温位が上昇します。 |
ポイント:
- 水蒸気量（混合比・絶対湿度）が減るのは、途中で雨が降るからです。
- 温位が上がるのは、雨になるときに放出される熱エネルギー（潜熱）を空気が受け取ったからです。
3. フェーン現象の計算（気象予報士試験・頻出例題）
気象予報士試験の学科試験（一般知識）などでよく出題される、典型的な計算問題を解いてみましょう。
例題
標高 $0\text{m}$ の地点Aにある空気塊が、標高 $2000\text{m}$ の山脈を越えて、反対側の標高 $0\text{m}$ の地点Bに吹き下りた。
地点Aでの気温は $20^\circ\text{C}$ であり、空気塊は標高 $1000\text{m}$ で飽和し、そこから山頂までは雲が発生して降水があったものとする。
地点Bでの気温は何 $^\circ\text{C}$ になるか求めよ。
ただし、乾燥断熱減率を $1.0^\circ\text{C}/100\text{m}$、湿潤断熱減率を $0.5^\circ\text{C}/100\text{m}$ とする。
解答と解説
計算は3つのステップ（未飽和の上昇 $\rightarrow$ 飽和して上昇 $\rightarrow$ 乾燥して下降）に分けて行います。
Step 1: 地点A（0m） $\rightarrow$ 凝結高度（1000m）
- まだ雲はできていないので、乾燥断熱減率（$1.0^\circ\text{C}/100\text{m}$）で冷えていきます。
- 高度差: $1000\text{m}$
- 温度変化: $1000\text{m} \div 100\text{m} \times 1.0^\circ\text{C} = 10^\circ\text{C}$ 低下
- 1000m地点の気温: $20^\circ\text{C} – 10^\circ\text{C} = \mathbf{10^\circ\text{C}}$
Step 2: 凝結高度（1000m） $\rightarrow$ 山頂（2000m）
- 雲ができ雨が降っているため、湿潤断熱減率（$0.5^\circ\text{C}/100\text{m}$）で冷えていきます。
- 高度差: $2000\text{m} – 1000\text{m} = 1000\text{m}$
- 温度変化: $1000\text{m} \div 100\text{m} \times 0.5^\circ\text{C} = 5^\circ\text{C}$ 低下
- 山頂の気温: $10^\circ\text{C} – 5^\circ\text{C} = \mathbf{5^\circ\text{C}}$
Step 3: 山頂（2000m） $\rightarrow$ 地点B（0m）
- 雨を降らせた後は乾燥しているため、再び乾燥断熱減率（$1.0^\circ\text{C}/100\text{m}$）で暖まりながら下ります。
- 高度差: $2000\text{m}$
- 温度変化: $2000\text{m} \div 100\text{m} \times 1.0^\circ\text{C} = 20^\circ\text{C}$ 上昇
- 地点Bの気温: $5^\circ\text{C} + 20^\circ\text{C} = \mathbf{25^\circ\text{C}}$
答え:
地点Bの気温は $25^\circ\text{C}$ となる。（元の気温より $5^\circ\text{C}$ 上昇した）
