[気候・気象学]

雲と降水

雲とは?

エーロゾル (aerosol、「エアロソル」「エアロゾル」ともいう)は、 空気中に、液体や固体の微粒子がまじり、空気とほぼいっしょに動く状態をさす。

ただし、気象学では、水 (H2O) を主成分とするエーロゾルを、 エーロゾルと言わずに、「雲」という。 雲を構成する水や氷の粒子を「雲粒」(くもつぶ) という。

雲粒の大きさは、直径として、約 0.1 mm 以下である。 それより大きくなると、空気に対してあきらかに落下する。 そのような粒子については、「雨粒」「雪結晶」などの用語をつかう。


雲量 (佐藤 2019 5.1節)

「雲量」の基本的な意味は、「空のうちどれだけが雲でおおわれているか」である。 (質量でも体積でもモル数でもない。)

地上観測による雲量は、地平面から上の全天を半球面のようにとらえて、 そのうち、雲におおわれた部分の、立体角としての比率をさしている。 立体角は半径1の球の表面積のようにかぞえるので半球だと 2πになるのだが、 雲量ではこれを (日本式のばあい) 10 に換算するのだ。

日本では、全天が雲でおおわれたばあいを 10 とした、0から10までの雲量がつかわれる。

国際的な気象観測の通報では、全天が雲でおおわれたばあいを 8 とした雲量がつかわれる。

雲量の観測値のヒストグラムは (日本の方式でいえば) 0 と 10 の両端にピークをもつことが多い。正規分布とはまったくちがう。 (ただし、たとえば1か月の平均をとると、かなり正規分布に近くなる。)

衛星観測やシミュレーションから得られる雲量は、地表面積のうちで雲におおわれた部分の 面積としての比率をさすことが多い。 この雲量と、地上観測の雲量とは、統計的性質がよく対応するとはかぎらない。

雲量と天気

日本の気象庁では(その前身の中央気象台のころから) 天気の「晴れ」・「くもり」の区分を、雲量によっている。 全天を10とした雲量の、1以下が快晴、2から8が晴れ、9以上がくもりである。

国際的な気象観測の通報では、「天気」(weather)は降水、霧、雷などをさす。 日本の方式の「快晴」「晴れ」「くもり」に対応する情報は雲量で伝えられ、「天気」にはふくまれない。

気象庁の「晴れ」「くもり」の定義を意識しない日本語話者の 日常語の「晴れ」「くもり」は、気象庁のものとちがうようである。 たとえば、「日照あり、なし」に近いかもしれない。 もしそうだとすると、定量的気象要素でいえば、直達日射量を反映しているかもしれない。 気象庁以外の天気記録をつかう際には、用語の意味がちがうかもしれないことに注意する必要がある。

【[授業後補足] テレビやネットの「天気予報」「気象情報」のわくで気象予報士の人がつかう用語の 「晴れ」「くもり」は、気象庁の定義にあわせて、雲量できめているはずです。 しかし、気象予報士以外の人がつかう「晴れ」「くもり」はちがうもしれません。】


雲の分類 (佐藤 2019 5.2節)

雲の分類名の背景には、つぎの2つの考えかたがある。

雲の形のおおまかな分類

雲の存在する高さの分類

十種雲形

高さの分類雲形記号(ラテン語・英語)
上層雲巻雲Cicirrus
巻積雲Cccirrocumulus
巻層雲Cscirrostratus
中層雲高積雲Acaltocumulus
高層雲Asaltostratus
中層雲 (下層にもひろがる)乱層雲Nsnimbostratus
下層雲層雲Ststratus
層積雲Scstratocumulus
鉛直にのびる雲積雲Cucumulus
積乱雲Cbcumulonimbus

【[授業後補足] 十種雲形の雲の写真の例として、桜美林大学の坪田 幸政 先生のウェブサイトにあるものを見る。


衛星観測による雲画像 (佐藤 2019 5.3節)

気象衛星は、 地球が反射する太陽光と、射出する赤外線の、それぞれ空間分布を観測している。

雲は、波長 10μm ぐらいの赤外線の波長帯では、黒体に近い射出率をもつ。 【このあたりの放射に関する概念は、教科書 第6講にあたる話題の回に説明する。】 したがって、雲が出す赤外線は、雲頂温度の黒体放射に近い。 対流圏では、上ほど温度が低いのがふつうだから、 雲頂高度が高いほど、雲頂温度は低く、衛星が受ける赤外線のエネルギーは少ない。 人は (雲は可視光の反射率が高いので) 雲は白いと認識する習慣があるので、 赤外画像は、エネルギーが少ない (いわば「赤外線の目で見て暗い」) ほど明るいように表示する。 そのような赤外画像で白いところは、背の高い雲に対応している。

気象衛星画像の空間パターンを見ることによって、 温帯低気圧や台風などの構造を認識することができる。

また、複数の時点の画像を比較することによって、 雲の動きから風速ベクトルを推定したり、台風などの構造の移動を知ったりすることができる。

【[授業後補足] 気象衛星「ひまわり」は、気象庁が担当しているが、 データは公開され、いろいろな人が加工して提供している。 講義で紹介した動画は、国立情報学研究所の 北本 朝展 先生による「デジタル台風」 というサイト (http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/ ) の 「気象データ動画アーカイブ」のうちの「雲画像動画アーカイブ」の 「ひまわり8号月別雲画像動画アーカイブ」http://agora.ex.nii.ac.jp/digital-typhoon/himawari-3g/monthly/ の 「雲画像動画:全球(10分間隔)」の「赤外画像[B13] (1000x1000)」と 「可視カラーハイブリッド画像 (1000x1000)」のMP4ファイルである。】


降水過程 (佐藤 2019 5.4節)

凝結

大気中で水蒸気が凝結するためには、水蒸気圧が飽和に達していることのほかに、 凝結核となるエーロゾル粒子が必要である。 凝結核に適しているのは、直径 1 ~ 10 μm 程度の大きさの粒子で、物質の種類にはあまりよらない。 凝結核が乏しいと、水蒸気圧が飽和水蒸気圧をこえても、凝結がおこらないことがある。 の状態を「過飽和」という。 野外では、凝結核が不足して過飽和になっていることはあまりない。 【しかし、凝結核の個数が多いか少ないかは雲のできかたに影響する。 同じ雲水量 (雲粒になっている水の合計質量) でも、 凝結核が多いほど、雲粒の数が多くなり、大気中での雲の寿命が長めに、太陽光反射率が高めになる。】

粒子の落下

雲粒は空気に対してほとんど落ちないが、雨粒は落ちる。 これは、空気の抵抗が粒子の大きさによってちがうからである。

話を簡単にするために、球形の粒子を考える。

落下する粒子にはたらく空気の抵抗力は、 粒子が小さく、落下速度が遅いうちは、粒子の半径と落下速度とに比例する。 重力と空気の抵抗力がつりあう落下速度が「終端速度」とよばれる。 終端速度は、上の近似では、粒子の半径の2乗に比例する。 粒子が大きくなるにつれて この近似からずれてくる。 半径が 1 mm ならば、終端速度は 約 4 m/s となる。

水滴の成長

雲粒は、そのまわりに水蒸気が凝結することによって、直径 0.02 mm くらいまで成長する。

そこからさきの成長は、おもに粒子の併合による。 大きな粒子のほうが落下速度が速いから、その下にある小さな粒子に追いついて併合することがある。

氷晶または過冷却水滴の形成

水滴がこおって氷晶ができることがあるが、 それは、氷晶核となるエーロゾルがあると促進され、 それがないと、-40℃ぐらいまで過冷却水滴のままのこともある。 氷晶核になる物質の種類はかぎられている。

過冷却水滴は、航空機に着氷をもたらすことがある。

氷晶の成長

氷に対する飽和水蒸気圧 (固相と気相の相平衡による) は、 水に対する飽和水蒸気圧 (液相と気相の相平衡による) よりも小さい。 そこで、空気が、氷に対しては飽和しているが、水に対しては未飽和であることがある。 そのようなとき、水滴が蒸発し、氷晶が成長することがある。

氷晶の結晶系は六方晶系だが、その結晶がどのような形につながって成長するかは、 その場の温度・湿度条件によって変わってくる。 中谷 [なかや] 宇吉郎 の有名なことば「雪は天から送られた手紙である」は、 雪の結晶の形が、上空の温度・湿度条件を反映していることをさしている。

氷粒子と過冷却水滴が併合すると、雪結晶でなく、不透明な氷の粒ができる。 これが「あられ」、その大きいもの(直径 約 5 mm 以上)が「ひょう(雹)」である。

雷の発生には、積乱雲のなかで あられ と 氷晶の雲粒 とが衝突することがかかわると考えられている。 したがって、あられ ができる条件は、雷が発生する条件の前提となる。

水滴併合による雨と氷晶成長による雨

雨のうちには、水滴の併合だけによってできるものもある。

他方、氷晶の成長によって雪結晶ができ、それが (対流圏では下層ほど温度が高いので) 融解して雨となって降るものもある。 融解が不完全ならば「みぞれ」となる。

わたしはつかいたくない表現だが、雨ができるしくみの分類をあらわす専門家の符丁として 「つめたい雨」「あたたかい雨」という表現がつかわれることがある。 これは雨水の温度をしめすものではない。


強い雨 (佐藤 2019 「参考 雨の強さ」)

佐藤 (2019) の88ページの表にしめされた 雨の強さと 1時間雨量の対応の出典は 気象庁によるつぎの表にちがいない。


本の紹介

雲と降水についての入門的読みものをいくつか紹介します。


2021-05-16, 2021-05-20
増田 耕一 (MASUDA Kooiti)
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