基礎地学II 気象学事始（1/2）

基礎地学II
気象学事始（1/3）
北海道大学・環境科学院
藤原正智
http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/
気象学事始（全3回）
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第1回目
• 大気の概観・気候の形成
• 日本の四季
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第2回目
• 大気大循環の様相
• 様々な気象現象

第3回目
• 大気の観測
• 大気運動の原理
• 数値予報の基礎
参考文献
・「一般気象学（第２版）」小倉義光、東京大学出版会
・「新気象読本」新田尚、東京堂出版
・「改訂版流れの科学」木村竜治、東海大学出版会
・「新教養の気象学」日本気象学会編、朝倉書店
・「天気図の歴史」斉藤直輔、東京堂出版
（その他多数）
１．大気の概観
1997年8月台風“Winnie”
スペースシャトル Discovery
高度300～500 km
2000年4月
タイ～カンボジア国境付近の積乱雲
旅客機にて、高度10 km
http://antwrp.gsfc.nasa.gov/apod/archivepix.html
地球の平均半径：6371 km ≫ 雲の最大到達高度：10～16 km（対流圏界面）
エベレスト：海抜9 km弱、海洋の平均深度：4 km（最深部～10 km）
オゾン層のある成層圏：10～50 km、オーロラ出現高度：100 km付近が頻度最大
 我々は大変薄い大気の底に住んでいる
大気の温度構造
［熱圏］
数100kmにわたり極めて高温（分子運動活発）
ただし、空気は希薄（気圧極低）
電離層の存在、オーロラの存在
（太陽からのプラズマ粒子が大気分子に作用）
［成層圏・中間圏］
オゾン層が存在し太陽紫外線を吸収
 気温極大層を形成
・雲は基本的には存在しない
・対流活動がない代わりに波動活動あり
・火星や金星にはオゾン層がない
気温極大層ない
（ジャンボジェット機～ 10-11 km）
（0℃＝273K）
（小倉義光著、一般気象学、東京大学出版会）
［対流圏］
気温減率～ 6℃/1 km
鉛直対流運動活発  雲（積乱雲）が存在
大気の組成分布
0.01
0.1
（北海道大学大学院環境科学院編、オゾン層破壊の科学、北海道大学出版会）
大気の主成分： N2（78.084%）、O2(20.946%)：
長波放射（赤外線）と相互作用しない、化学反応しない
大気の微量成分：短波放射・長波放射と相互作用する、化学反応する
（紫外線・可視光線・近赤外線）
２．気候の形成
太陽地球間距離：
1.52×108 km
1.47×108 km
(J. Williams, The Weather Book, 1997)
地球の自転と公転
放射（光・電磁波）の観点：昼と夜（１日）、春夏秋冬（１年/季節）
力学の観点：コリオリ力・遠心力（渦巻運動等）、潮汐（海洋、大気）
1 day （太陽で測る1日、1年平均）= 24 h
1 sidereal day （恒星で測る1日、春分点）= 23 h 56 m 4.090530833 s
http://ja.wikipedia.org/wiki/ (自転)
短波放射（太陽放射）と長波放射（地球放射）

放射＝光＝電磁波：
真空中を光速約3x108 m/sで進む電磁波。波動性と粒子性（“光子”）の二面性を持つ。
波長により名称・利用法等が異なる
(μ=10-6, T=1012, G=109, M=106, k=103)
例： X線（レントゲン）、紫外線（日焼け）、紫外・可視・近赤外（太陽光）、赤外線（暗視カメラ、地球放射）、
マイクロ波（電子レンジ）、電波（テレビ、ラジオ、携帯電話（800MHz, 1.5GHz, . . .））
• プランクの法則
物体は自分自身の温度に対応した光・放射（波長・エネルギー）を出す
（色（＝波長）で温度が分かる、高温ほど短波長）
＜例＞太陽（恒星）、白熱電球
：紫外線～可視光線～近赤外線
人間、動植物、地球大気・地表：赤外線
宇宙背景放射（3K）ビッグバンの名残り：マイクロ波（～1mm、～300GHz）
（１９世紀末、鉄鋼業の発展（溶鉱炉）やエジソンによる白熱電球の発明）
短波放射（太陽放射）と長波放射（地球放射）
地球大気・地表系のエネルギーの源は太陽からの光である
太陽放射（短波放射）：太陽表面温度5800K （0℃＝273K, 5800K～5500℃）
紫外線（<0.36μm）（μ=10－6）
： O3層などにより吸収
可視光線（青：0.48μm、緑：0.53μm、赤：0.7μm）： O2やN2等により一部散乱
他は地表を暖める
近赤外線（1～5μm）
： H2Oなどにより一部吸収
他は地表を暖める
地球からも宇宙へ光の形でエネルギーを捨てることで、
エネルギー収支を保っている（温度をほぼ一定に保っている）
地球放射（長波放射）：地表・大気温度200～300K
赤外線（5～100μm）：温室効果ガス（H2O, CO2, O3, . . .）により吸収・射出
下向き射出分の一部が再度地表を暖める（温室効果）
地球大気・地表系のエネルギー収支
（地学図表、浜島書店）
・短波放射エネルギーのうち：
3割：雲・大気・地表面により宇宙へ反射（“散乱”）
2割：大気（微量）成分（ O3、H2O、雲、塵・ダスト・エアロゾル）により吸収（大気を加熱）
5割：地表面に到達し地表面を加熱する
・大気微量成分（ H2O、CO2、O3、CH4、N2O、フロンなど）や雲やエアロゾル：
赤外線を吸収・射出する性質（温室効果＝赤外線閉じ込め効果）を持つ
 大気からの下向き長波放射も地表面を加熱（短波放射の2倍の加熱量！）
 地表温は大気がない場合よりも昇温している（－20℃  ＋15℃）
大気による太陽光の散乱と空の色・雲の色
大気分子（0.1nm）による太陽光散乱
 “レイリー散乱”過程
・強度は波長の4乗に反比例
・赤い光よりも青い光の方が
5倍近く強く散乱される
雲粒子（10-100μm）による太陽光散乱
 “ミー散乱”過程
・波長依存性弱い  白色
1996年9月イタリア・ヴェネツィア
（運河都市、迷路の街）
2004年12月ミクロネシア連邦・チューク
（熱帯西太平洋、グアムの南、北緯7度）
温室効果：大気分子による赤外線閉じ込め効果
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3原子以上の分子（H2O、CO2、O3、CH4、N2O、CFCなど）は、振動・回転状態の
遷移に伴い、固有の波長の赤外放射を吸収・射出する性質を持つ
地表から出た赤外放射は、大気中の上記分子に吸収・射出を受け、一部は地表を
再度暖める（温室効果）結果的に地表温は大気がない場合よりも上昇している。
“空気塊”の図
CO2 ： 15μm帯
O3 ： 9.6μm帯
H2O ： 6.3μm帯、
回転帯（>10μm）
（北海道大学大学院環境科学院編、オゾン層破壊の科学、北海道大学出版会）
地球の気候を決める
基本定数および物理・化学過程
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太陽定数（太陽表面温度、地球・太陽間距離（地球公転軌道））
地球公転速度、地球自転軸と公転面の傾き（“地球軌道要素”）
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地球半径・質量、自転速度  重力とコリオリ力（転向力）
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大気総量、大気組成（温室効果気体、エアロゾル、雲）
気温気圧分布（大気安定度）、水蒸気量（潜熱）、粘性（乱流）
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地表面状態（海陸、植生、雪氷等の分布
 放射的、熱的、力学的特性）
大気海洋相互作用、大気陸面（生物圏含む）相互作用、
大気雪氷相互作用、海氷海洋相互作用
海洋深層循環
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火山噴火、隕石衝突…
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日本の四季
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日本はおおむね温帯に位置し、春夏秋冬のいわゆる四季が明瞭に現れる。
冬は日本海側での降雪、太平洋側の晴天が比較的良く出現する。地上天気図では、日
本の東海上に発達した低気圧、大陸上に優勢な高気圧がある。このとき、大陸から吹き
出す冷たく乾燥した空気は日本海上で水蒸気の補給を受け、日本海側の地方に降雪を
もたらす。
一方、夏、特に真夏には全国的に晴天となり、日最高気温が30度をこえる。地上天気図
では、日本付近は太平洋高気圧に覆われる。時として、積乱雲による雷雨が発生するこ
とがあるが、おおむね晴天が継続する。
春や秋には、低気圧や移動性高気圧が交互に通過していく。低気圧の通過前には南風
が強まり気温が上昇し、通過後は北風が強まり気温が低下する。このような寒暖を繰り
返しながら、春から夏に向けて次第に気温が上昇し、夏から秋に向けて低下する。
春から夏への季節の変わり目には、梅雨と呼ばれる特徴的な時期がある。この期間は、
西日本での多雨ばかりではなく、東日本での低温・寡照などの特徴がある。梅雨前線の
形成には、チベット高原と偏西風、太平洋高気圧の関係など地球規模の大気の循環が
関係している。同様な前線は初秋にも現れ、秋雨（あきさめ）前線と呼ばれる。
夏から秋にかけては、南海上から北上してくる台風により日本付近の天気が大きく影響
を受ける。
http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-2-1.html
冬
冬は日本海側での降雪、太平洋側の晴天が比較的良く出現する。地上天気図では、日本の東海上に
発達した低気圧、大陸上に優勢な高気圧がある。このとき、大陸から吹き出す冷たく乾燥した空気は
日本海上で水蒸気の補給を受け、日本海側の地方に降雪をもたらす。
いわゆる「西高東低の冬型の気圧配置」
夏
真夏には全国的に晴天となり、日最高気温が30度をこえる。地上天気図では、日本付近は太平洋高
気圧に覆われる。時として、積乱雲による雷雨が発生することがあるが、おおむね晴天が継続する。
2007年8月
春や秋
春や秋には、低気圧や移動性高気圧が交互に通過していく。低気圧の通過前には南
風が強まり気温が上昇し、通過後は北風が強まり気温が低下する。このような寒暖を
繰り返しながら、春から夏に向けて次第に気温が上昇し、夏から秋に向けて低下する。
2007年5月26日（土）奄美遅い梅雨入り
低気圧は東海上に抜け西～東日本は晴れ間が戻ったが、北日本は別の低気圧の影響で曇りや雨。沖縄～東北の
広範囲で黄砂。奄美地方で梅雨入り。統計開始以来最も遅い発表。
（http://www.data.jma.go.jp/fcd/yoho/hibiten/index.html）
梅雨・秋雨
春から夏への季節の変わり目には、梅雨と呼ばれる特徴的な時期がある。この期間は、
西日本での多雨ばかりではなく、東日本での低温・寡照などの特徴がある。梅雨前線の
形成には、チベット高原と偏西風、太平洋高気圧の関係など地球規模の大気の循環が
関係している。同様な前線は初秋にも現れ、秋雨（あきさめ）前線と呼ばれる。
2007年7月7日(土)九州や八丈島で大雨
梅雨前線が九州から本州南岸に停滞。熊本県八代市平山新町で76.5mm/1hの非常に激しい雨。熊本県では1
万人に避難勧告。日本海の高気圧に覆われた北日本は概ね晴れ。
（http://www.data.jma.go.jp/fcd/yoho/hibiten/index.html）
台風
夏から秋にかけては、南海上から北上してくる台風により日本付近の天気が大きく影響
を受ける。
2007年7月13日(金)暴風と大雨
台風第4号は沖縄本島付近を北上。沖縄県や鹿児島県で最大瞬間風速が50m/s を超える。那覇市で東南東
56.3m/s。宮崎県西都市で84.5mm/1h、日向市で84mm/1hの猛烈な雨。
（14日台風第4号は大隅半島に上陸。 15日台風第4号は潮岬付近から伊豆諸島神津島付近を通過し東海上へ。
16日柏崎市などで震度６強。新潟県中越沖地震と命名。本震(Ｍ6.8)発生後も大きな余震続く。台風一過の晴れ
は束の間。全国的に曇りの所が多く、上空に寒気の入った中国地方は雷雨。）
（http://www.data.jma.go.jp/fcd/yoho/hibiten/index.html）
まとめ：気象学事始（1/3）
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大気の概観
気候の形成
• 地球の自転と公転
• 短波放射（太陽放射）と長波放射（地球放射）
• 地球大気・表層系のエネルギー収支
• 散乱過程
• 温室効果

日本の四季

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