環境気象学概論

http://macroscope.world.coocan.jp/ja/edu/ris/env_met/weather_climate.html

気象と気候

まえおき

「気象」と「気候」 (あるいは climate と weather) は、 意味にかさなりがあるが、同じではない。 どちらの語も同じものをさす文脈もあるが、 区別が重要な文脈もある。

教科書の 4.1節「気象と気候」では、 「気象」「気候」などの基本的概念を説明している。 わたしなりの説明は、[「気象・気候学」の 「気候、気象、気候システムについての序論」] のページに書いたが、 それとはあちこちちがいがある。

学術的な議論がなりたつためには、それぞれの議論の文脈で、 用語の意味が明確になっている必要がある。 しかし、大部分の学術用語は、厳密な定義をもっていない。 【特定の文脈では厳密な定義があたえられることもあるが、その定義をつかうという約束は 他の文脈までを支配しない。】 用語をつかった議論がおこなわれるなかで、参加者が用語の意味を共有する。 それが世代から世代につたわっていくが、そのうちに意味がうつりかわることもある。 また、議論をする人の集団が複数あって、ちがう集団では同じ用語がちがう意味で つかわれていることもある。

わたしが見たところ、「気象」「気候」などの基本的用語は、 意味が広いか、あるいは、複数の意味をもっている。 教科書は、そのうち、著者が重視する意味をとりあげている。 かぎられた紙面では、だれでも、そのようにするしかないだろう。 この授業教材では、教科書よりも多い字数をつかって、わたしの考える意味をのべながら、 教科書の記述を位置づけることにしたい。

大気

「大気」は、別の回の授業 (教科書では 4.2節) で あつかう。 「大気」 (atmosphere) と「空気」 (air) は同じものをさすが、「空気」は 物質であり (そのうちの混合物であるが)、 「大気」は 地球あるいは惑星をとりまいた位置にある物体である。

気象学

日本語の「気象学」ということばは、漢字に分解して、 「大気中でおこる現象についての科学」と理解してよいと思う。

ただし、これは、西洋のことば、英語で代表させれば meteorology の訳語である。 meteorology の語源 (かならずしもいまの意味ではない) についていえば、 これは ギリシャ語の要素からなっている。 logy はギリシャ語の logos 、本来は「ことば」という意味だが「論理」や「理屈」という意味になることもあり、 学問の分科の名まえによくつかわれる。 meteor は、英語で「流星、流れ星」をさす meteor と、本来同じである。 現代、流星は、地球の外からはいってくる、小さな隕石 (岩石あるいは鉄) または氷の粒子が 地球の大気との摩擦で温度があがって揮発する現象だと考えられている。 それは気象学であつかわれる側面もあるが、気象学のおもな対象ではない。 古代ギリシャのアリストテレス (紀元前 384年 - 前322年) の著書 (むしろ講義ノート) のひとつに Meteorologika (『気象論』) というものがあって、それには流星も出てくるのだが、雨や雪なども出てくる。 (また、風も論じられている。) 雨や雪も、流星も、天から落ちてくる粒子であり、 そういうものをあわせて meteor だったのだろう。 いまでは、雨や雪のような水からなる粒子は、hydrometeor という。 meteorology はしだいに、hydrometeor や 風などをあつかう学問の名まえになっていった。

近代科学のはじめ、温度を量として計測をはじめた人たちのうちに ガリレオ (1564-1642) がふくまれる。 大気に圧力 (気圧) があるという認識は、 トリチェリ (1608-1647)、パスカル (1623-1662) によって明確になった。 そのころ、温度、圧力などの物理の基本的概念と、 気温、気圧などの、今からみれば気象学の基本的概念とは、いっしょに発達してきた。 そして、18世紀にはかぎられた地域で、19世紀後半には世界各地で、 気温や気圧などの継続した観測がおこなわれるようになり、 気象学はそのような物理量の観測値をつかうことによって発達してきた。 物理法則によって大気中の現象を説明しようとする「大気物理学」と 「気象学」とのかさなりがしだいに大きくなり、いまでは両者は同意語とみなされることが多い。

気象

教科書 4.1節 a では 「気象」 とは 「大気の瞬間瞬間の状態およびその時空間変化」だとしている。 これは、(これからのべる) climate (気候) と対比された意味での weather にあたる。

【わたし (増田) は、この weather を「天気」といい、 「気象」は「大気中の現象」あるいは「気象学の対象となるものごと」ぐらいにとらえている。】

気候

わたし (増田) は、「気候」ということばの意味には、新旧の 3つの層がかさなっていると考えている。 それについては [「気候・気象学」の序論のページ]に書いた。ここでは説明を省略して簡単にのべる。

教科書 4.1節 b にある「気候」の定義のようなもの 「大気圏内に固定された特定の領域で、ある一定の幅のなかで毎年同じ大気状態の時間変化を繰り返していること」 [表現を名詞句の形にした] は、わたしのいう第1の層と第2の層のうちで、 とくに年周変化という特徴をもった現象に注目したものといえる。

教科書 4.1節 b は西洋語の語源に注目している。 学術用語一般に、語源の意味が現在もひきつがれているとはかぎらないけれども、 部分的にでもひきつがれていれば、それを考えてみる意義はあるだろう。

「気候」にあたる英語は climate である。 climate の語源は、ギリシャ語 (便宜上ローマ字で示す) klima であり、 それはさらに「傾き」を意味する klinō (クリノメーターのクリノでもある) から派生したものである。 アリストテレスの時代にはすでに、緯度によって昼の長さがちがうことが認識されていた。 緯度は、天の北極 (星のみかけの日周運動の中心) の高度角として、すでに測定可能だった。 緯度が高いところほど、昼の長さが、夏には長く、冬には短い。 ここで「昼の長さ」としたものごとは、物理量の次元は長さではなく時間であり、 学術用語でいえば「可照時間」にあたる。これについてはあとでのべる。 当時、定量的な温度の概念はなかったが、低緯度で暑く 高緯度で寒い傾向があることは認識され、 太陽の高度角 および 昼の長さ と、なんらかの関係があると考えられていただろう。 Sanderson (1999) によれば、アリストテレスは5つの緯度帯を認識した。 教科書 4.1節 b にのべられた 24の緯度帯は、 アレクサンドリアのプトレマイオス (Ptolemaios, 英語では Ptolemy トレミー, 紀元後 87-150年) の 著作に出てくるもので、ギリシャ語がつかわれていたが、古代ギリシャというよりも ローマ帝国のもとでのヘレニズム文化の人である。

日本語の「気候」の語源は、古典漢文から来ていて、 「二十四節気、七十二候」の「気、候」にちがいない。 これは、みかけの太陽の運動を等間隔にくぎったふしめ (代表的なものとしては、春分、夏至、秋分、冬至) による、季節の記述である。

西洋の学問が日本にはいってきたとき、 climate (オランダ語では klimaat) の話題では季節が大きな位置をしめていたので、 それと「気候」とが同一視されたのだろう。

みかけの太陽の運動による季節と、気温による季節との関係については、 話したいことはたくさんあるのだが、この回の授業におさまらない。 概論的参考文献として Trenberth (1983) をあげておく。

文献

climate と weather

気候 (climate) を、気象要素で表現されるものごとととらえるとき、 climate と weather (教科書では「気象」、増田の用語では「天気」) との区別は、 注目する時間スケールによる。

日本語では、「天気」と「気候」の中間に「天候」ということばがある。 増田が用語をえらぶならば、 天気は1日から数日程度、気候は30年より長い期間でとらえたものごとをさし、 ひとつの季節 (数か月の期間) をまとめてとらえた 「1993年の夏は冷夏だった」などの認識は「天候」に関するものとなる。 (境目、たとえば周期が2週間程度の現象は天気か天候かなどは、不明確である。)

英語には「天候」にあたる語がないので、 「冷夏」などの話題も climate になってしまう。 日本の気象庁でいう「季節予報」にあたることをしている アメリカ合衆国のNOAA (海洋大気庁) の部署は Climate Prediction Center という。 日本語でも、人によっては、英語の climate からの訳語として「気候」をつかい 「ことしの夏の気候」のような表現がされることがあるので、注意が必要だ。

なお、climate と weather があることは、 ひとつの気象観測点でえられたローカルなものごとについても、 日本全国のような (あとでのべる)「総観規模」のものごとについても、言えることである。

天気

「天気」ということばは、上にのべた広い意味 (教科書では「気象」としている) のほかに、 限定された意味がある。 現代の日本では、日常用語のなかに、毎日の天気がある。 日本ではむかし (平安時代ごろ) から、日記に天気を記述する習慣があった。 それには「晴れ」「くもり」「雨」「雪」などの定性的記述がふくまれる。 ただしそれを総称して「天気」というのは近代になって普及した表現らしい。

日本では、気象庁の前身である中央気象台が天気の分類をつくり、 それが、ラジオ気象通報でつたえられる天気図の情報にもつかわれたので、普及した。 教科書の 4.1節 c、 [(*) 教科書の表 4.1-1 「天気種類表」] にはそれがしめされている。 これを今回の授業では暫定的に「日本式天気分類」と呼んでおく。 【2022年度の授業では「JMA式」と呼んだがこれは他の人がつかわない表現なのでやめた。】 教科書の表の直接の出典は気象庁 (1998) の59ページ 「表12-1 天気種類表」である。 この『気象観測の手引き』は、2022-09-11 現在、気象庁ウェブサイトの [外]「知識・解説 > 気象衛星・気象観測 > 気象観測ガイドブック」のページ からリンクされているが、「参考」とされている。 現行の文書として置かれている『気象観測ガイドブック』には、「天気」の観測は出てこない。

日本式天気分類の特徴は、 雨、雪、雷などの天気現象があればそれを優先させるが、 それがないばあいには、「快晴」「晴」「曇」の区別を、 雲量 (地上から見た全天のうちの雲でおおわれている部分の割合) できめていることである。

【増田は、共同研究者との議論のなかで、 日本語の日常用語の「晴れ」「くもり」の区別は、 雲量による区別とはちがい、むしろ、日照あるいは直達日射の有無との関連が深いようだ、 という認識にいたっている。 近代的気象観測がはじまるまえの人の記録から気象の情報をくみとるために、 日常用語による記述はどんな大気現象をとらえたものかを知りたいと思っている。 日本で気象学を学ぶ人は日本式天気分類を知る必要もあるが、 できれば、それと独立に、自分の感覚で天気をとらえることもしてみてほしい。】

他方、地上気象観測のデータの国際的交換には、WMO (世界気象機関) できめた約束がある。 日本の気象庁もそれにしたがった発信や天気図作成をしている。 気象庁ウェブサイトでは、 [外]「知識・解説 > 天気図について > 国際式の天気記号と記入方式」] のページ で紹介されている。これを「国際式」としておく。 国際式の「現在天気」(present weather) は、ここでいう天気現象だけであり、 雲量は別の項目とされている。 国際式の天気図の まる の中にしめすのは雲量で、「現在天気」の記号は外にかく。 (国際式の雲量は、全天を 8 としたものであり、 日本の気象庁では全天を 10 として観測した雲量をそれにあてはめている。)

【いまの気象観測関連の用語でいう「天気」は、 近代気象観測が発達していくにつれて、地上気象のうちから、 定量的な観測でとらえられるものが独立していき、残ったもの、とも考えられる。 国際式では、気象要素の独立が 日本式よりもう一歩進んで、 雲量も「天気」から はずれてしまったわけだ。】

日本式天気分類は、気象学の基本概念というほどのものではないと (増田は) 思う。 しかし、複数の人が参加した気象観測では記述の約束を共有する必要があり、 そこで「天気」は 日本式天気分類にしたがうという方針は、(日本でならば) もっともだと思う。

文献など

気象の空間スケールと時間スケール

大気中にはいろいろな空間スケール・時間スケールの現象がおこる。 空間スケールはその現象の大まかな長さの寸法である。 たとえば、円形の渦ならば直径、波動ならば波長 (山から山までの距離) をとることができる。

【ここでいう「スケール」(scale) は、「規模」に近い意味であり、 空間スケールの物理量の次元は「長さ」、時間スケールの物理量の次元は「時間 (time)」である。 「スケール」は「縮尺」の意味になることもあるが、ここでの意味はそれではない。 気象では「large scale」は「大規模」を意味し、「大縮尺」ではない。】

おこりうる現象の空間スケールは水平方向と鉛直方向でちがう。 鉛直方向は、だいたい対流圏の高さである10～15 km ぐらいで頭打ちになる。 (ただし、対流圏から成層圏・中間圏につたわっていく波動はある。) 水平方向は、地球の大きさ、大円の円周で代表させれば 4万 km で頭打ちになる。 時間スケールにはこのような明確な限界はない。(大気が存在するかぎりという意味ならばおそらく数十億年だろう。)

水平スケールが 10 km のけたよりも小さい現象は、水平スケールと鉛直スケールが同程度であることが多い。 水平スケールが 10 km のけたよりも大きい現象は、水平スケールが鉛直スケールよりも大きい、扁平な形になる。

いろいろな現象の水平スケールと時間スケールを両対数目盛りのグラフに表示してみる。 代表的な図として、 [(*) 小倉 (2016) の図6.27 (159ページ)] があげられる。 (教科書の図 4.1-1 もそれと基本的に同じである。) 多くの現象が、大まかに、1:1の直線にのる。つまり、水平スケールと時間スケールは大まかに比例する。 ただし、大まかにであって、2けた (100倍) くらいずれているばあいもある。

この近似的比例関係をいいかえると、水平スケールや時間スケールがちがう現象でも、 速度の大きさは大まかに同じ (1 m/s から 10 m/s のけた) である。 ただし、ここでいう速度は、空気の移動速度つまり風速であるばあいも、 大気中の構造 (たとえば「台風」) の移動速度であるばあいもある。 音波の速度は除外する。

大気中の現象 (気象) の水平スケールを、大きく、(ギリシャ語にもとづいた英語の接頭語で) macro, meso, micro とわける。 日本語では、macro-scale は「大規模」、 meso-scale は「中小規模」または「メソスケール」とされることが多い。 micro は「小-」とする人と「微-」とする人がいる (ただし「微規模」とはいわない)。 境目については専門家のあいだでも個人差があるが、 「大規模」がおおまかに 千 km 以上 (つぎにのべる Orlanski にしたがえば 2000 km 以上) であることはだいたい共通である。

大規模のうちでも約 1万 km 以上を「惑星スケール」(planetary scale) あるいは「全球スケール」(global scale)、 千 km のけたを「総観スケール」(synoptic scale) として区別することがある。 「総観」は、地上から空を見ていたのではわからず、 (19世紀以後) 地上観測を同時におこなってえられた結果を地図上に表示した 「天気図」をつくることによってわかってきた現象のスケールをさしている。

メソスケールのうちにも、けたちがいのものがふくまれる。 Orlanski (1975) は、大きいほうから、2000～200 km をメソα [アルファ]、 200～20 km をメソβ [ベータ]、20～2 km をメソγ [ガンマ]とした。 十進法のけたでわけただけの便宜的な区分だが、そういうものとしては便利なので、採用する人が多い。 前にあげた小倉『一般気象学』の図でも採用している。 小倉 『メソ気象の基礎理論』の本でも、1.1節、2ページでとりあげている。

Orlanski (1975) は、同様に、micro も 3段階に分類した。 農業気象学であつかわれる農地の上の乱流などは、 「微気象」といわれるが、Orlanski の分類では micro γ (20 m～2 m) に 相当する。ただし、micro については Orlanski の分類はあまり普及していない。

文献

可照時間

「昼の長さ」にあたる学術用語を「可照時間」というが、この用語の背景には「日照時間」がある。 【これは 教科書 4.3節の「放射」に関連する話題だが、ちょっとさきどりしておく。】 日照時間とは、地上の観測点で日照がある時間で、 1日(day)のうち何時間(hour) という形でしめされることが多い。 ここでいう「日照」は、直達日射、つまり太陽の方向から光線のかたちをたもってくる太陽放射をさしている。 WMO の 観測指針では、日照時間は、直達日射量が 120 W / m2 以上の時間とされている。

日照時間は、大気中の雲やエーロゾル (固体・液体の微粒子) によって変わる。 しかし、もし雲やエーロゾルによってさえぎられないならば、 日照のある時間は、太陽と地球上の観測点との位置関係だけできまるだろう。これが「可照時間」である。 (ただし、可照時間については、 120 W / m2 という しきい値はつかわず、 太陽が見えれば日照が可能であるという考えによる。)

可照時間を考えるときは、地表面は平面で考える。 実際には、観測地点のまわりの地形や植生や建物 (教科書では「地物」とまとめている) によって 日射がさえぎられることがあるが、可照時間を考えるときは、そのような障害物はないとする。 また、地球が球であることによる平面からのずれや、大気層による光の屈折も考えない。 すると、可照時間は、観測地点の緯度 φ [ファイ] と太陽の赤緯 δ [デルタ] だけによる簡単な式で表現できる。 【π [パイ] は円周率。ギリシャ文字の読みかたは [ギリシャ文字]のページを参照。】

可照時間 = (Tday / π) arccos ( -tan φ tan δ)

【Tday は 1日の長さ (物理量の次元としては時間 (time)、SI単位は秒) である。 (ここでは「昼の長さ」ではない。) 「時間 (hour)」単位でもとめたいのならば、Tday = 24 h をあたえればよい。 (この h は単位記号であって変数ではない。) arccos は cos の逆関数で教科書では cos-1 とかかれている。 cos(arccos(x)) = x である。 cos の逆関数は多値だが、ここでの arccos は 0 と π のあいだにくる値をえらぶ。】

太陽の赤緯は、太陽の天球上での見かけの位置をあらわす 「赤道座標」の2つの角度「赤緯、赤経」の一方である。

赤緯は、太陽と北極・南極をふくむ子午線上での太陽の位置を、 天の赤道 (地球の赤道面を延長して天球にまじわるところ) から天の北極にむかってはかった角度である。 赤緯の値は、春分・秋分に 0 になり、 現在の地球の公転軌道のもとでは、北半球の夏至に +23.4度、冬至に -23.4度になる。

赤経は、太陽と北極・南極をふくむ子午線が、 基準の子午線から東西にどれだけまわったかところかをあらわし、 (角度であらわすこともなくはないが) 1周を24時間とした時間の時・分・秒であらわすことが多い。 基準の子午線としては、(基準時点での) 春分点 (つまり地球からみて春分のときに太陽がある方向、 公転軌道上で 秋分のときに地球がある方向) をとおる子午線が採用されている。

もし、地球の公転が等速円運動であり、 しかも地球の公転軌道面 (黄道面) と赤道面との傾きがない ならば、 太陽の赤経は時間に比例して変化する (太陽のみかけの運動の角速度が一定である) はずだ。 しかし現実には、地球の公転が楕円軌道上の運動であることと、 黄道面と赤道面との傾きがあることとによって、 実際の太陽の赤経と、赤道上を角速度一定で動く「平均太陽」の赤経とは、ずれる。 この差を時間の次元であらわしたものが「均時差」とよばれる。

均時差があるので、日時から赤緯を計算する式は簡単な形にならないが、 精度のよい近似計算をすることができる。

各緯度での、1年のうちでの最大可照時間は、 δの絶対値が最大になるとき (その半球の夏至とほとんど同じ) の 可照時間として計算することができる。

文献など

2021-09-27, 2022-09-26, 2023-09-26 (同日夜 補足), 2023-10-02
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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