(稲津 5.4節)
稲津 図5.14 でとりあげられた台風 2018年21号, 2012年8月25日の天気図
「熱帯低気圧」は、地上で2次元的に見て低気圧であるような3次元構造のうち、 温帯低気圧とならんだ主要な類型のひとつである。 英語では、tropical cyclone (広い意味)、tropical storm などという。
熱帯低気圧のうち、強いものに特別な名まえがつけられる。
日本の気象庁がいう「台風」は、 北西太平洋 (赤道から北、日付変更線から西 [東経側] )で発生し、 地上風速 (10分間平均風速) が 約 17 m/s [正確にはノット単位できめられている] 以上になったものをいう。
英語の typhoon は、北西太平洋で発生し、地上風速が 約 34 m/s 以上になったものをいう。 同様な強さで、大西洋や東太平洋で発生したものは hurricane、 その他の海域で発生したものは tropical cyclone (狭い意味) という。
地上風速が 17 m/s 以上だが 34 m/s に達しないばあいについての 英語表現は、tropical storm (TS) がある。 国際組織である台風委員会で命名するのは、 北西太平洋で発生し TS 以上に達したものなので、日本でいう「台風」と同じとみてよい。
TS の強さに達しない熱帯低気圧は、英語では tropical depression (TD) という。
熱帯低気圧は、地上では、まわりよりも気圧が低く、 風は、北半球では上からみて反時計まわりにまわりながら、いくらか中心にむかって ふきこんでいる。
熱帯低気圧は、温帯低気圧とちがって、前線をもたず、軸対称な形をしている。 地上天気図の等圧線の形はほぼ同心円である。(稲津 図5.16 左) 中心にちかづくほど、等圧線の間隔はせばまっている。 つまり、水平の気圧傾度力が大きくなっている。 それと「傾度風」の関係にある風速も強くなる。 (稲津 図 5.16 右 は紙面に直角方向の風速の断面図。図5.17 は傾度風の説明。) こまかい構造をならしてみると、台風の中心部には、上昇流があり、 対流圏上部で、風は水平にふき出している。
熱帯低気圧の中心のまわりの温度分布も同心円状である。 中心部は対流圏ではまわりよりも温度が高い。 これと静水圧のつりあいから考えて、 熱帯低気圧の中心部の 同じ高さの周辺にくらべた 気圧の低さは、高いところほど小さくなる。 (そして対流圏上部では高気圧になる)。
熱帯低気圧は、鉛直にのびる積雲・積乱雲をともなっている。 強い熱帯低気圧では、中心に近いところにとくに積乱雲が発達した「壁雲」ができるが、 その内側は、雲のすくない「台風の目」ができている。(稲津 図5.15 模式図。) 「台風の目」では風速も弱い。
また、熱帯低気圧をとりまく雲の分布は、同心円状からずれて、 スパイラルバンド (spiral band、渦巻状の帯) になっている。
水平の風の場を回転成分 (渦度に関連する) と発散成分とにわけると、 回転成分のほうが水平規模が大きくなるほど大きなわりあいをしめる。 熱帯低気圧では、回転成分は熱帯低気圧全体の規模を反映した同心円状の形をしているが、 発散成分はスパイラルバンドに対応した複雑な形をしている。
熱帯低気圧は熱帯の海上でできる。 赤道直下ではなく、緯度5度から10度あたりでできることが多い。 海面水温が ある程度以上に高いことも必要である。 これまでの観測にもとづいて、しきい値は 26.5℃ といわれることがある。 ただし、気候が変化するとき、しきい値がどう変わるかは、まだよくわかっていない。 (また、台風があると、風による海水のかきまぜなどにより、海面水温はやや低下する。)
温帯低気圧とちがって、熱帯低気圧は、水平温度勾配の小さいところでできる。
熱帯低気圧の多くは、熱帯の内を西に移動する。 (熱帯の海上の風は東風であることが多く、熱帯低気圧はそれに流されるとみられる。) しかし、熱帯低気圧の一部は、高緯度側に向きをかえ、温帯にやってくる。 日本付近にくる台風は、日本付近で (偏西風に乗って) 東向きに向きを変えることが多い。 また、その経路は、夏から秋にかけて、しだいに東にずれていく傾向がある。 (稲津 図5.18 日本付近の台風の経路と、700 hPa面での風。)
熱帯の海上の大気には、対流圏下層に海から蒸発した水蒸気が大量にあり、 対流圏の成層は [大気の成層と対流のおこりやすさ (2) 水の相変化のあるばあい]の回でのべた 条件つき不安定であることが多い。 そこで、きっかけとなる上昇流があると、積雲・積乱雲をふくむ積雲対流が発達する。
熱帯低気圧は、積雲対流と、低気圧性の渦が、相互に維持・強化しながら発達したものである。 ここで「低気圧性の渦」とは、 中心が低気圧となりそれと傾度風のつりあいになりうる渦のことをいい、 北半球では上から見て反時計まわりである。
低気圧の中心付近の、地表に近い大気 (大気境界層) では、摩擦がはたらくので、 風は傾度風のつりあいで円形にまわるだけでなく、中心にむかってふきこむ (水平収束をもつ)。 空気の質量保存から、ここでは鉛直発散が生じ、上昇流ができる。 また、低気圧が海面水温の高い海上にあれば、水蒸気を多くふくむ空気が収束してくるので、 上昇流にともなって水蒸気が凝結し、上昇流を強化する。 これによって低気圧の中心にむかう下層の水平収束もつよまる。
収束してくる空気塊は、角運動量をもはこぶ。 ここで、空気塊にともなってほぼ保存される (不生不滅である) のは、 地球に相対的な角運動量ではなく、 地球の自転にともなうものもふくめた「絶対角運動量」であり、 その回転は、低気圧性の渦と同じ向きである。 したがって、水平収束の結果として、低気圧性の渦が強まる。
【[補足] 角運動量のうち簡単なばあいとして、 質量 m の物体が 半径 r の円を 角速度 ω で等速円運動しているばあいの角運動量は、m r2 ω である。 角運動量を保存しながら半径が小さくなると、角速度 ω が大きくなる。 日常に近い例として、フィギュアスケートのスピンでは、腕をちぢめると r にあたるものが小さくなるので、 角速度が大きくなる。 また、ふろおけの底の栓をぬいたとき速い渦が生じる要因もこれだろう。 しかし、この渦の時間スケールは地球の自転周期にくらべてずっと小さいので、地球の自転はきかず、 もともとある (地球に相対的な) 渦が、どちらまわりであれ、その方向をたもってつよまるはずである。 角運動量についてもうすこしくわしく知りたい人は、 [2021年度 「物理学 I」の教材]で 「角運動量」をさがしてみてほしい。】
熱帯低気圧の発生のメカニズムには「第2種の条件つき不安定」(CISK)という名まえがついている。 これは、一様な基本場のもとに、弱い渦があったら、 ここでのべてきたような因果連鎖によって渦が発達し、一様な場がくずれることをさしている。 ふつうの「条件つき不安定」は上下の湿潤対流に対する成層の安定性だが、 ここで考えているのは、上下の対流に対しては安定であるのに他の形の運動が増幅することなので、 区別して「第2種」と言っている。
熱帯低気圧のしくみは熱機関のように説明されることもある。 簡単に考えると、海面が高温熱源、 宇宙空間に地球放射が出ていくところの雲頂あるいは大気分子が低温熱源で、 その温度差によって運動エネルギーがつくりだされる、と考える。 (実際に、作業流体である空気の密度が大きくかわるところは、 水蒸気がくわわる海面ではなく、それが凝結する積雲の中なので、熱機関とのくわしい類推はむずかしいが。)
CISKと熱機関論とは直接に対立する学説ではない。 因果連鎖を構成する要素はだいたい同じである。 CISKは初期の発達を指数関数型の成長で近似しており、 熱機関論は成熟した熱帯低気圧を定常状態で近似しているので、対象がすれちがっている。
熱帯低気圧は、上陸すると、陸面では海面よりもふつうは蒸発量がすくなく、 地表面の摩擦が大きいがそれにともなって水蒸気収束がつよまらないので、 エネルギーの供給がとぼしくなり、弱まるのがふつうである。
また、海上であっても、海面水温が低いところでは、熱帯低気圧の構造のままでは、弱まる。
しかし、温帯にくると、南北温度勾配があるので、渦が温帯低気圧として発達することはできる。 台風として温帯にやってきた渦が、温帯低気圧の構造にかわることを「温帯低気圧化」という。 温帯低気圧化してから発達したものは、もはや台風ではないが、 風速などの指標でみて強さは台風におとらず、防災上も警戒が必要であることが多い。
台風の観測事実の報道でも予報でも、「暴風域」「強風域」がしめされることがある。 暴風域は地上風速 (10分平均) が 25 m/s 以上、強風域は 15 m/s 以上である。 暴風域や強風域のひろがりは、 かならずしも台風の中心気圧や最大風速が大きいほど大きいわけではないが、 台風の規模の指標となりうる。
台風の進路予報には不確かさがある。 かつては、進路に対して横方向の不確かさを表現した扇形の表示がされていた。 しかし、進行方向の不確かさもしめすべきだということで、 「予報円」にかえられた。 予報円が大きいことは、その台風の進路予報の不確かさが大きいことをしめしているのであり、 (暴風域や強風域の円とはちがって) 台風の規模の指標ではない。 予報円の周囲のいろいろな位置に、暴風域の円を置いて、それをあわせた領域では警戒すべきだ。
台風が移動しているとき、風速は、台風のまわりの同心円状の分布に、台風の移動速度がくわわる。 したがって、台風の進行方向から(上からみて)右側、台風が北向きに移動しているならば東側で、 とくに風速が強くなる。 航海する船はこの知識をもって航路をえらぶべきである。 また、(風速のちがいが直接きくわけではないが) 日本の陸上で、台風による大雨は、 南の海上から水蒸気を多くふくむ空気がやってきて山の斜面で上昇しておこることが多い。 これも、台風が北向きに移動しているならばその東側でおこりやすい。
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