グローバルおよび大陸規模河川流域の水循環

気象と水の科学 (増田が分担する部分)

グローバルおよび大陸規模河川流域の水循環

【[授業後補足] zoom の録画は、ここに置きました。
https://web.microsoftstream.com/video/6dffc9fd-f95d-4cc5-8c39-3481d17af732 】

地球上の水 (H₂O) は、水文学の対象である。それにくわえて、大気中には水蒸気があり、それが雲になり、雨や雪になるので、水は気象学の対象でもある。ここでは、おもに気象学のたちばから、水の循環について見ていく。

水の3相 (氷、液体の水、水蒸気)

物理・化学では「凝縮」というが、気象学では「凝結」という。
- (用語補足) [(気象むらの方言) 凝結]
物理・化学では「凝固」というが、水を対象としたばあい「凍結」のほうがふつうである。
「昇華」は両方むきにつかわれてきたが、化学教育の専門家から、固体にむかうほうは「凝華」と言おうという提案がある。
- (用語補足) [相変化の用語。「昇華」の逆は「凝華」とするか]

質量に注目する

日常用語の「重さ」には、あいまいなところがある。ここにある物体を、月へ、あるいは人工衛星へ持っていったら、重さは変わるのか? 「質量」(英語では mass) は、そこで変わらない量である。

国際単位系 (SI) のうちでの質量の基本単位は、キログラム (kg) である。

キログラムの構想は、1辺が 0.1 m (10 cm) の立方体の体積 (1 リットル) の、液体の水の質量だった。それは定義にはならなかったが、近似としては有用である。

質量は、つぎの3つの基本的な物理法則にあらわれる。

(ニュートンの) 運動の法則 ... 運動方程式「質量 × 加速度 = 力」
(ニュートンの) 重力の法則 ... 「力 = 重力定数 × 質量A × 質量B / 距離²」
質量保存 (物質不滅) の法則

質量保存とは、質量が不生不滅だということである。

次の図を、3次元の直方体の箱だと思ってほしい。この箱の中にある物質の質量について考えよう。

【物質の出入りのない系での質量保存】壁をこえて物質が出入りしない箱の中にある質量は、時間とともに変化しない。

【物質の出入りのある系での質量保存】壁をこえて物質が出入りしうる箱の中にある質量は、時間とともに変化しうるが、箱の中の質量の変化 (増加を正とする) は、箱の壁をとおる質量の正味の流入にひとしい。 (「正味の流入」とは、「流入ひく流出」である。)

このような保存法則があると、質量の収支によって、直接測定されていない量 (質量のたまりの変化あるいは質量の流れ) を推定できる。

現実には、水(3相をふくむ)とその他の化学物質とのあいだの化学変化がある。しかし、その化学変化が化学平衡の状態にあって両方むきがつりあっていると近似できるならば、水として存在する質量について、質量保存を考えることができる。「水収支」は、このような近似のもとでの、質量保存の応用である。

(用語補足) [たまりの量と流れの量]

地球上の水の量、そのうち大気中の水蒸気の量

Oki (1999) の英語を増田が日本語になおした。くわしくは [地球上の水の存在量(箱)と移動量(矢印)] のページにしめした。
岩石に化合したものなどはふくまず、H₂O 分子のかたちで存在する水 (3相とも) を対象としている。
箱の中の数字は、質量のたまりの量 (単位は 10¹⁵ kg [10の15乗キログラム])。
矢印につけられた数字は、質量の流れの量 (単位は 10¹⁵ kg/年 [10の15乗キログラム毎年])。

最大の部分は海洋 (10²¹ kgのけた)、それにつぐのは氷河 (とくに、南極とグリーンランドの氷床) と、地下水 (10¹⁹ kg のけた)である。それから、凍土と、湖 (10¹⁷ kg のけた) がある。

大気中の水蒸気は、10¹⁶ kg のけたであり、河川・湿地・土壌水分とならんで、地球上の水の質量のたまりのうちでは、小さな部分である。 (しかし、水の質量の流れにとっては、重要な部分である。それについては、あとで見ていく。)

地球の表面積あたりの大気の質量は、約 10000 kg/m²。液体の水に置きかえると、約 10 m の水柱にあたる。

大気中にふくまれる水蒸気の量は、場所によってさまざまである。 (大きな傾向としては、温度が低いほどすくない。)

鉛直方向については積算し、水平方向については世界平均すると、地球の表面積あたりの水蒸気の質量は、約 25 kg/m²、液体の水に置きかえると、約 25 mm である。

降水と蒸発

水蒸気の凝結はおもに大気中でおこり、雲粒 (くもつぶ) (液体の水や固体の氷の粒子のうち、直径約 0.1 mm 以下のもの) ができる。
- 雲粒が (あえて簡単化していうと) 併合して雨粒や雪結晶になり、落下する。 (ここも大気中の水循環としてはだいじなところなのだが、今回は簡単にすませておく。もうすこしくわしくは、[気候・気象学]の授業で、今学期は5月20日にあつかう予定。)
- 雲粒が降水にならないで蒸発して水蒸気にもどることもある。
水は地表面 (海面や陸面) から蒸発して大気中に出ていく。
- 地表面で凝結がおこることもある。液体の水になったのが露[つゆ]、氷になったのが霜[しも]である。

水収支を考えるばあいは、ふつう、雲粒になっても降水にならず蒸発してしまうぶんは、対象からはずす。また、露や霜は、降水とみなすか、負の蒸発とみなすかを、あらかじめきめておく。

このようにすると、大気中の水蒸気の質量のたまりの変化は、蒸発による質量の流入と、降水による質量の流出との差にひとしい、と、まとめられる。

降水量の単位はふつう「何ミリ」というが、これは mm で、雨が土壌にしみこんだり蒸発したりしないでそのままたまったと仮定したときの水の深さである。深さは単位面積あたりの体積ともいえる。水の密度を 1000 kg/m³ で代表させて、単位面積あたりの質量におきかえると、1 mm は 1 kg/m² にあたる。

降水量や蒸発量などの流れの量は、時間区間を指定されて、意味をもつ。時間(hour)降水量、日降水量、月降水量、年降水量などを考える。わたしは年降水量ならば単位を「mm/年」のように書く習慣にしているが、単に「mm」と書く人もいる。

(用語補足) [降水量、なんミリ?]

世界平均・年平均でみると、大気中の水蒸気の質量のたまりの変化は小さく、降水量と蒸発量がほぼつりあっている。どちらも約 1000 mm/年 (1000 kg/(m² 年) ) である。

もし蒸発によって補充されず、しかし降水量は現状どおりならば、大気中の水蒸気はどれだけの期間でなくなるか?

25 kg/m² / ( 1000 kg/(m² 年) ) = ( 1/40 ) 年 = 約 9 日

これは、大気中にはいってきた水分子の平均滞在時間でもある。 (平均であって、それぞれの水分子の滞在時間は長いことも短いこともある。)

くわしくみると、地球温暖化が進行しているので、大気中の水蒸気の質量はふえる傾向にあるようだ。この件は次回にあつかいたい。

また、大気中の水蒸気の質量のたまりには季節変化がある。半球ごとにみれば、気温の高い夏のほうが冬よりも水蒸気が多いのは当然だが、南北半球をあわせて世界平均でみると、北半球の夏のほうが冬よりも水蒸気の質量が多い。これは、北半球のほうが、陸のしめる面積比が大きいので、夏と冬との気温の差が大きいからだと考えられる。なお、水蒸気以外の大気成分の質量の季節変化は、大気中の水蒸気の質量の季節変化よりも小さいので、世界平均では、水蒸気の質量の季節変化が、ほぼそのまま、大気の質量の季節変化になる。ただし、半球にわけてみると、両者はことなる。 ([大気の質量の季節変化 (全球・南北半球)]のページに観測にもとづく計算の例 (1990-2000年代の研究成果) をしめした。)

水循環

ひとまず、水の質量のたまりの変化を省略すると、水の流れからなる循環は、つぎのようにまとめることができる。

とくに、陸から海への川の流れが定常的に続いているとすれば、それをおぎなう海上から陸上への大気中の水蒸気の輸送 (風によってはこばれること)があるはずである。

大気の大循環 (緯度ごとにおもにどんな風がふいているか) と降水・蒸発の緯度分布

気象衛星ひまわり8号による全球画像の動画でおおまかな雲の分布を見よう。

ここで見せる画像は地球が出す赤外線を観測したものである。それによって、昼も夜も雲の動きを追うことができる。赤外線の弱いところほど白く表示している。とくに白いところは、背の高い雲にあたる。黒っぽいのは陸面や海面であることが多い。

画像の上が北、下が南でまんなかが赤道、左が西、右が東でまんなかが東経140度。

[画面共有をきりかえる]

雲の動画からわかる特徴

温帯 (南北両半球の緯度 30度～60度あたり) では、雲をともなう渦 (温帯低気圧) が、西から東へ動いていく。
亜熱帯 (緯度 15度～30度あたり) では、雲が少ない。そのうち陸 (とくにオーストラリア) では、地面温度の日変化が見える。
赤道地帯 (南北緯度約 10度以内) では、背の高い雲ができたり消えたりをくりかえす。
緯度 5～10度あたりで、ときどき、雲をともなう渦 (熱帯低気圧) ができて、亜熱帯・温帯へ動いていく。

【[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)」のMP4ファイルである。】

大気大循環の要点

(年平均、東西に全経度平均した、南北・鉛直断面の模式図)

熱帯では、赤道付近の雲の多いところで上昇し、亜熱帯で下降する、南北・鉛直循環 (「ハドレー循環」という名まえがついている) が、大気大循環の主役である。
- 熱帯低気圧 (そのうち北西太平洋にできる強いものが「台風」)は、気圧の低さや風の強さでは重要な現象ではあるが、大気大循環にとって必須の現象ではない。
温帯では、西から東に動く温帯低気圧が、大気大循環の主役である。温帯低気圧の中心付近には上昇流、西側には低緯度にむかう風(北半球では北風)、東側には高緯度にむかう風(北半球では南風)があらわれる。
(用語補足) [大循環]
(用語補足) [低気圧、高気圧]

【[授業後補足] なぜ熱帯ではハドレー循環、温帯では温帯低気圧が主役なのかは、この授業では省略してしまいました。わたしの今学期の授業のうちでは、[気候・気象学]と [地学 II]であつかいますが、どちらも学期の後半になる見込みです。】

降水量(赤)と蒸発量(黒)の、東西方向と季節については平均した、南北分布

降水量の極大は、赤道付近 (ハドレー循環の上昇域) と、中緯度 (温帯低気圧帯) にある。亜熱帯 (ハドレー循環の下降域) は相対的極小になっている。
蒸発量は大きくみると低緯度ほど大きいが、極大は赤道付近ではなく、亜熱帯の海上にある。 (貿易風とよばれる地上の東風が継続的にふいている、雲がすくなく地表面に達する太陽放射エネルギーが多い、などの原因がある。)
亜熱帯の陸上では、降水量と蒸発量がほぼひとしく、河川流出がほぼゼロである。

この図には表現されていないが、季節変化がある。降水の多い少ないの帯状の構造が、夏半球側にずれる。

大気による水蒸気の南北輸送

増田は、博士論文で、大気がエネルギーを各緯度線をこえて南北にどれだけ運んでいるかを集計した。図の折れ線のうち、長い破線が水蒸気にともなうエネルギー輸送で、エネルギー輸送の 1×10¹⁵ W [10の15乗ワット] が、水蒸気輸送の 4×10⁸ kg/s [10の8乗キログラム毎秒] に相当する。結果を見ると、大気は、青の矢印でしめした南北緯度20度付近をさかいとして、低緯度側では赤道向きに、高緯度側では極向きに、水蒸気をはこんでいる。

出典

Masuda K., 1988: Meridional heat transport by the atmosphere and the ocean: Analysis of FGGE data. Tellus, 40A, 285 -- 302. doi: 10.3402/tellusa.v40i4.11801

これと、大気の大循環、降水・蒸発の南北分布とあわせてみると、つぎのようなことがいえる。

亜熱帯の海から蒸発した水蒸気が、大気によって、赤道付近と温帯の両方にはこばれている。
- ハドレー循環の下側の枝によって赤道付近へ
- 温帯低気圧の東側(高緯度向き、水蒸気多い)と西側(低緯度向き、水蒸気少ない)の差によって高緯度側へ

(水蒸気以外のエネルギー輸送の話題はこの授業では省略する。 [地学 II] で今学期は6月ごろあつかう予定。)

季節変化を考えに入れた水収支の考えかた

質量保存の法則にもとづき、水の質量のたまりと流れとの関係がつけられる。

(式の各項は、単位面積あたり・単位時間あたりの質量の{たまりの変化、流れ} をあらわす。 SI単位は kg / (m² 秒)。秒のかわりに日、年などをつかうことが多い。)

陸のばあいの各項の意味:

たまりには、陸水 (積雪、河道の水、土壌水分、地下水などの合計) S と、大気中の水蒸気 W の 2つを考える。
流れには、陸水と大気とのやりとりとして降水 P と蒸発 E、陸水側で流出 R、大気側で水蒸気輸送の収束 C がある。

S と E は広域を代表する観測が困難なので、収支からもとめることが多い。(上に南北分布をしめした E、つぎに流域別にしめす S と E もそうである。)

(用語補足) [地表面のエネルギー収支と水収支]

大陸の大河川流域の水収支

[大陸の大河川流域の水収支各項の季節変化] ← このページを見る

陸上の水のたまりの量が多い季節は?

寒冷地域は冬 (積雪)
雨季・乾季のある熱帯は雨季の終わりごろ
温帯のうち、東アジアは秋、北アメリカは春

(補足) [陸水収支からみたモンスーン地域の特徴]

2021-05-10, 2021-05-18
増田耕一 (MASUDA Kooiti)

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