田中 浩 (2004) 大気科学とその周辺

  • 田中 浩, 2004: 大気科学とその周辺。相模原: 現代図書, 641 pp. ISBN 4-906666-26-4.

著者は、ながらく名古屋大学につとめた気象学者だ。(筑波大学につとめている気象学者の田中 博さんではない。社会思想史家の田中 浩さんでもない。) 1939年生まれで、2019年に亡くなっている。著者の経歴は、著者自身が2012年に書いたもの(日本気象学会の藤原賞という功労賞のようなものをもらったときの講演記録)と、永尾一平さんによる追悼記事に書かれている。

本書については、日本気象学会機関誌にのった書評記事(木村, 2004)で知って注文した。定価 11905円 (税別) だった。B5判のペーパーバックで、おそらくパソコンのワープロソフトウェアでつくられた版下による本だ。(数式はきれいに書かれている。別のソフトウェアで書いてはりつけたのかもしれない。) 出版社も書店では見かけなかったところだ。おそらく著者自身の企画なのだろう。本書の発行日付は2004年2月29日で、著者が名古屋大学を定年で退職して1年間、高野山大学非常勤講師をしていた時期だ。本書は、名古屋大学の大学院で教えるために書きためてきた講義ノートを整理したものにちがいない。

わたしは、教材を本にすることが重要だと主張はするものの、自分ではなかなかできないでいる。(ようやく最近、編集能力の高い人のペースにのることによって、講義資料の一部分を本のかたちにすることができそうなところにきた。) 田中さんはおそらく自分自身で本にすると決意してやりとげたのだ。尊敬する。本をめくってみると、(とくに「応用編」に) わたしが考えたり教えたりすることとかさなる主題を多くふくんでいる。しかし、わたしはそれを参照するよりも、主題ごとにそれぞれの専門家が書いた本をさがす。本書はながらく箱づめしたままになっていた。

本書は大きく「基礎編」と「応用編」にわかれている。基礎編では、大気放射、大気力学、大気化学をあつかっている。応用編は、惑星大気、地球温暖化、古気候、水循環、雪氷と砂漠、(補遺としてだが)熱力学的エントロピーの観点とカオス論の観点を論じている。基礎編はだいたい確立したこと、応用編は研究途上の課題、という考えでわけたものと思うが、実際はかならずしもそうなっていない。大気化学のところでは、成層圏・対流圏それぞれのオゾンとそれにかかわる物質の話題が多いが、硫黄の循環に関する章もある。その章では、海洋プランクトンがつくる硫化ジメチル(DMS)からできた硫酸エアロゾルが重視されているが、それの地球温暖化や古気候(いずれも応用編の章の主題)におよぼす効果についての研究途上の課題への著者の関心も出てくる。応用編の水循環のところには、水の物性や雲物理の基礎概念もある。もしかすると、基礎編は、著者が大学院教育で教える義務を負った主題群なのかもしれない。小野 晃さんが亡くなったあと、雲物理の基礎の教育は武田 喬男さんにたよることができたけれども、硫酸エアロゾルに関する研究の指導はひきうけることになっただろうから。

わたしの知っている1980年代の著者の研究の主題は、大気、そのうちとくに成層圏の、内部重力波という力学的波動、そしてその波動がつたわって砕けるところでその場の平均の流れ(風)にどのような影響をあたえるか、ということだった。著者の2012年の講演でもそれに重点がおかれている。本書でももちろんその話はある。しかし、準地衡風近似の力学にもページがさかれている。ただし、著者が気象力学を学んだ1960年代の教科書にくらべれば、要点をしぼったあつかいになっていると思う。わたしは著者と同じスクールで学んだのだけれど、18年ほど若い。もちろん準地衡風近似は学んだのだが、ロスビー波と傾圧不安定がみちびかれたところで勉強をとめてしまっていた。そんなわたしにとっては本書の記述は勉強しなおす材料になるかもしれない。

文献 (『天気』の記事は http://www.metsoc.jp/tenki/ から検索してPDFで取得可能)

  • 木村 龍治, 2004: (本だな) 「大気科学とその周辺」 田中 浩 著。天気, 51: 491-492.
  • 田中 浩, 2012: 藤原賞をいただいて。天気, 59: 111-118.
  • 永尾 一平, 2019: 田中 浩先生のご逝去を悼む。天気, 66: 469-470.

折りかえしのあとに くわしい目次をつける。

== 目次 ==
序文
目次
第一部 基礎編
第1章 大気放射学の基礎
– 1. 太陽放射と地球放射
– – 1.1 惑星の温度
– – – 付録1-1 日射とアルビード
– – 1.2 放射強度
– – 1.3 プランク関数とステファン・ボルツマン定理
– – 1.4 太陽放射スペクトル
– 2. 太陽放射の減衰
– – 2.1 空気分子による散乱
– – 2.2 微粒子(エアロゾル・雲粒)による散乱
– – – 付録1-2 消散(散乱)効率因子の求め方
– 3. 放射の伝達
– – 3.1 放射伝達方程式
– – 3.2 放射伝達式の解
– – 3.3 キルヒホッフの法則
– – 3.4 水平面近似
– – 3.5 散乱の定式化
– – – (1) 散乱を含む放射伝達方程式
– – – (2) 二方向近似
– – – (3) デルタ調節
– – – 付録1-3 エディントン近似
– – – 付録1-4 位相関数の厳密な定義
第2章 短波放射の伝達
– 1. 短波放射の多重散乱
– – 1.1 吸収のない雲層の場合 (ϖ = 1)
– – 1.2 吸収のある雲層の場合 (ϖ < 1)
– – – 付録2-1 吸収のあるエアロゾル層の近似解
– 2. 一般的な短波放射伝達
– – – 付録2-2 散乱解の構造
– 3. エアロゾルの散乱・吸収特性
– 4. 雲の散乱特性
– 5. 水蒸気による日射吸収
– 6. オゾンによる日射吸収
– 7. 短波放射の収支
第3章 長波放射の伝達
– 1. 簡単な温室効果の説明
– 2. 長波放射の伝達
– – 2.1 長波放射伝達式の解
– – 2.2 鉛直温度分布
– 3. 複雑な長波放射伝達
– – 3.1 非灰色大気
– – – 付録3-1 方向分離しない放射伝達式の解法
– – – 付録3-2 透過関数表示
– – – – (1) 光学的厚さによる表示
– – – – (2) 高度による表示
– – – – (3) 気圧による表示
– – – 付録3-3 吸収帯の近似計算
– – – – (1) 大気の窓領域における水蒸気連続吸収帯の透過関数
– – – – (2) 雲による透過関数
– – – 付録3-4 加熱率の計算法
– – – 付録3-5 長波の吸収スペクトル
– – 3.2 希薄大気の近似
– – – 付録3-6 温室効果気体の増加と成層圏温度
– 4. 長波放射と雲
– – 4.1 雲層中の長波伝達
– – 4.2 灰色体の雲
– – – 付録3-7 雲層が存在する場合の長波放射
– – – – (1) 雲層の下の大気層
– – – – (2) 雲層の上の大気層
– 5. 長波の放射収支
– 6. 気候と大気放射の接点
– – 6.1 エネルギー平衡モデル(EBM)
– – 6.2 放射と大気循環
第4章 流体力学の基礎
– 1. 連続の式
– 2. ナビエ・ストークス方程式
– 3. 時間変化の概念
– 4. 回転平面の運動方程式
– 5. 二次元非圧縮流体(流線関数と渦度)
– 6. 浅水方程式
第5章 大気力学の基礎
– 1. 大気の鉛直構造
– 2. 大気の連続の式
– 3. 大気の運動方程式
– – – 付録5-1 球面座標
– – – 付録5-2 f面近似とβ面近似
– 4. 熱力学エネルギー方程式
– – 4.1 乾燥大気の熱力学
– – – (1) 熱力学における諸概念
– – – (2) 熱力学第一法則
– – – (3) エントロピーとその保存
– – – (4) 乾燥断熱減率
– – 4.2 湿潤大気の熱力学
– – – (1) 湿潤大気のエントロピー
– – – (2) 相当温位
– – – (3) 湿潤断熱減率
– – – (4) 未飽和大気
– – – 付録5-3 成層の安定性・不安定性
– – – 付録5-4 凝結加熱
– – – 付録5-5 CISK不安定 [第2種対流不安定]
– 5. 大気力学・熱力学のまとめ
– 6. 基本静止場の方程式
– 7. 気圧座標系
– 8. シグマ座標系
– 9. 対数気圧座標系
– 10. 温位座標系
第6章 渦度と循環
– 1. 渦度の定義
– 2. 渦度方程式
– – – 付録6-1 ブシネスク流体の渦度方程式
– – – 付録6-2 浅水方程式の渦度方程式
– 3. Ertelのポテンシャル渦度
– – 3.1 ポテンシャル渦度の導出
– – 3.2 等温位面上のポテンシャル渦度
– – 3.3 ポテンシャル渦度の適用例
– 4. 気圧座標における渦度
– 5. 循環定理
– – 5.1 循環の定義
– – 5.2 循環のダイナミクス
– – 5.3 循環と渦度の関係
– – 5.4 循環の粘性消散
第7章 地衡風近似
– 1. ベクトル場の一般的性質
– 2. 地衡風平衡
– – 2.1 運動方程式からの導出
– – 2.2 渦度方程式からの導出
– 3. 温度風平衡
– – 3.1 地衡風平衡からの導出
– – 3.2 渦度方程式からの導出
– 4. 気圧座標における地衡風平衡
– 5. 等温位座標における地衡風平衡
– 6. 地衡風調節
– – – (1) 初期流速を局所的に変化させた場合
– – – (2) 初期水深を局所的に変化させた場合
第8章 準地衡風近似(大気大循環)
– 1. 準地衡風の導出
– – 1.1 運動方程式
– – 1.2 連続の式
– – 1.3 熱力学エネルギー方程式
– 2. 非発散仮定の準地衡風近似
– 3. 気圧座標による準地衡風近似
– – – 付録8-1 流線関数表示
– – – 付録8-2 プリミティブ方程式系
– 4. 準地衡風力学
– – 4.1 オメガ方程式
– – 4.2 熱と運動量の南北輸送
– – – 付録8-3 傾向方程式
– 5. 大気大循環
– – 5.1 大気大循環の概要
– – 5.2 大気大循環の季節変化
– – 5.3 大気大循環のエネルギーサイクル
– – – (1) 有効位置エネルギー
– – – (2) エネルギー方程式系
– – 5.4 帯状平均場
– 6. 流れ場と物質の移動
第9章 傾圧不安定と傾圧波動
– 1. 傾圧場と傾圧不安定
– 2. イーディーの傾圧不安定論
– – 2.1 不安定条件
– – 2.2 解の具体形
– – – 付録9-1 イーディー・モデルの異なった解法
– 3. チャーニーの傾圧不安定論
– 4. 二層傾圧不安定モデル
– 5. ポテンシャル渦度不安定
– 6. 前線発生理論 (frontogenesis)
– 7. 傾圧波動の減衰
– 8. 傾圧波動の室内実験
– – – 付録9-2 流体力学的不安定
– – – 付録9-3 対称不安定
– – – 付録9-4 メソスケール不安定
第10章 大気波動
– 1. 内部重力波
– – 1.1 一般的特性
– – 1.2 短周期波動(内部重力波)
– – 1.3 慣性重力波
– 2. 波と平均場の相互作用
– – 2.1 相互作用の原理
– – 2.2 成層圏準2年周期振動
– 3. 内部重力波と角運動量収支
– 4. ロスビー波
– – 4.1 一般的特性
– – 4.2 伝播特性とその応用
– – 4.3 プラネタリー波と平均場の相互作用
– – 4.4 プラネタリー波によるオゾン輸送
– – – 付録10-1 成層圏突然昇温
– – – 付録10-2 各種波動モードの導出
– – – 付録10-3 浅水方程式のモード解析
第11章 大気海洋境界層
– 1. 大気境界層の概要
– 2. 渦応力のパラメタリゼーション
– 3. 混合距離理論
– 4. 接地境界層
– – – 付録11-1 モニン・オブコフの相似則
– – – 付録11-2 乱流の運動エネルギー
– 5. 大気の惑星境界層
– – – 付録11-3 惑星境界層のスケール解析
– 6. 大気境界層の気象
– – 6.1 気団変質
– – 6.2 海陸風
– 7. 海洋の惑星境界層
– – – 付録11-4 海洋表面流の運動
– 8. 二次循環とスピンダウン
– – 8.1 大気の場合
– – 8.2 海洋の場合
– 9. 大気海洋相互作用
– – 9.1 大気海洋熱交換
– – 9.2 ENSO [エルニーニョ・南方振動]
– 10. ハドレー循環と惑星境界層
第12章 対流圏大気化学
– 1. 対流圏化学反応
– 2. 対流圏オゾン反応(生成と消滅)
– – 2.1 オゾンの生成
– – – (1) COについて
– – – (2) CH4について
– – – (3) NMHC [メタン以外の炭化水素] について [見出しは「MMHC」と誤植]
– – – (4) オゾン濃度と生成率
– – 2.2 オゾンの消滅
– – – (1) 光解離
– – – (2) HOxとの反応
– – – (3) NOxとの反応
– – 2.3 ハロゲンとオゾン消滅過程
– – – 付録12-1 Sunrise Ozone Destruction (SOD)
– 3. オゾンの季節変化
– 4. 上部対流圏のオゾン
– 5. 反応性窒素化合物
– 6. 窒素化合物の輸送
– 7. 対流圏化学モデル
– – – 付録12-2 ラジカルについて
– – – 付録12-3 PAN [硝酸ペルオキシアセチル]
– – – 付録12-4 対流圏化学反応系
第13章 成層圏大気化学
– 1. 紫外光の吸収
– 2. 成層圏オゾンの生成と消滅
– 3. オゾンホール
– – 3.1 オゾンホールの概要
– – 3.2 オゾンの力学的輸送
– – 3.3 長寿命気体の光化学分解
– – 3.4 極夜期の物理化学過程
– – 3.5 日照期の化学過程
– – – 付録13-1 成層圏における主要化学反応
第14章 大気硫黄循環(エアロゾル)
– 1. 二酸化硫黄とサルフェート粒子
– – 1.1 硫黄化合物の放出
– – 1.2 二酸化硫黄の不均一酸化反応
– 2. 硫化ジメチル
– – 2.1 DMS観測の歴史
– – 2.2 DMSフラックスの理論
– – 3.2 DMSフラックスの観測
– 3. メタンスルフォン酸と非海塩サルフェート
– 4. DMS酸化反応のモデリング
– 5. サルフェートと気候
– – 5.1 直接効果と間接効果
– – 5.2 雲粒の数密度と粒径
– – 5.3 温暖化抑制効果
– 6. サルフェート以外のエアロゾル
– – 6.1 ナイトレート
– – 6.2 ダスト
– – 6.3 有機物とブラックカーボン
– 7. 硫黄化合物の氷期・間氷期振動
– – – 付録14-1 硫黄化合物の化学反応式
第二部 応用編
第15章 惑星大気
– 1. 火星大気
– – 1.1 火星大気の概要
– – 1.2 火星の大気大循環
– – 1.3 火星のダスト
– – 1.4 火星の極冠
– – 1.5 火星の大気・極冠相互作用
– 2. 金星大気
– – 2.1 金星大気の概要
– – 2.2 金星中層大気の構造と特性
– – – (1) 大気の温度構造
– – – (2) 金星大気の運動
– – 2.3 金星中層大気の力学
– – – (1) 基礎方程式
– – – (2) 時間積分の結果
– – 2.4 金星大気研究への指標
– – – 付録15-1 金星中層大気のスケール解析
第16章 地球温暖化(気候変化)
– 1. 地球史と地球温暖化
– 2. 温暖化の検証
– 3. 温暖化のメカニズム
– – 3.1 長波放射による温室効果(平衡系)
– – 3.2 気候感度と放射強制力(遷移系)
– 4. 温室効果気体
– – 4.1 二酸化炭素
– – 4.2 メタン
– – 4.3 一酸化二窒素
– 5. 内部フィードバック系
– – 5.1 積雲対流のフィードバック効果
– – 5.2 長周期変動と温暖化
– – 5.3 テレコネクション
– – 5.4 十年振動あるいは数十年振動
– – 5.5 北極振動
– – 5.6 昇温の緯度依存性
– – 5.7 雲のアルビード効果
– 6. 21世紀の気候変化予測
– – – (1) 温室効果気体の予測
– – – (2) 温度予測
– 7. 炭素循環
– – 7.1 陸域の炭素循環
– – – (1) 植物生産
– – – (2) 寒帯林と熱帯林
– – 7.2 海洋の炭素循環
– – – (1) 炭素循環の化学反応系
– – – (2) 生物によるポンプ
– 8. 未来に向けて
第17章 古気候変動
– 1. 古気候変動の概要
– – 1.1 第4紀[sic]後期の気候変動
– – 1.2 古気候変動の多岐性
– – – (1) ミランコビッチ周期
– – – (2) 10万年周期
– – – (3) 数千年周期
– 2. 大気・雪氷フィードバック
– – 2.1 フィードバック方程式
– – 2.2 地球温暖化と氷床応答
– 3. 古海洋モデル
– – – 付録17-1 熱塩循環のボックスモデル
– – – 付録17-2 熱塩循環の子午面モデル
– – – 付録17-3 海洋大循環モデル
– – 3.1 Wright-Stockerの海 (二次元古海洋モデル I)
– – 3.2 Sakai-Peltierの海 (二次元古海洋モデル II)
– – – 付録17-4 二次元海洋のスケール解析
– – – (1) 単一海洋モデル (大西洋モデル)
– – – (2) 多海洋モデル (南大洋・大西洋・インド洋・太平洋結合モデル)
– 4. 総合モデル (大気・雪氷・4海洋・地殻結合モデル)
– – 4.1 総合モデルの目的
– – 4.2 総合モデルの定式化
– – – 付録17-5 氷床変動モデル
– 5. 温室効果気体の氷期・間氷期変動
– 6. 古気候研究の総轄と展望
第18章 地球水循環
– 1. 水の起源
– – 1.1 大気の誕生
– – 1.2 原始海洋の形成
– 2. 水の性質
– – 2.1 分子の結合と構造
– – 2.2 水の同位体
– – 2.3 水の相変化
– 3. 蒸発
– – 3.1 蒸発の特性
– – 3.2 蒸発量の測定
– – – (1) 渦相関法 (eddy correlation method)
– – – (2) 傾度法 (gradient method)
– – – (3) バルク法 (bulk method)
– – – (4) 間接法
– 4. 核化
– – 4.1 核の存在
– – 4.2 大気エアロゾル
– – 4.3 雲核
– – – (1) 表面張力の効果
– – – (2) 溶液の効果
– – – (3) 総合的効果
– – 4.4 雲核の過飽和度スペクトル
– 5. 雲粒の成長(凝結過程)
– 6. 雨滴の形成(併合過程)
– 7. 氷晶の成長
– – 7.1 氷晶関連粒子
– – 7.2 降水の分類
– 8. 雲と降水の力学
– – 8.1 対流性降雨
– – 8.2 積乱雲
– – – 付録18-1 乾燥大気の対流モデル
– – – 付録18-2 湿潤大気の対流モデル
– – – 付録18-3 スーパーセルの発生
– 9. 雲群
– – 9.1 雲群の形成とメカニズム
– – 9.2 熱帯域の雲と降水
– – 9.3 温帯性低気圧の雲と降水
– – 9.4 メソ対流系
– 10. 梅雨前線と集中豪雨
– 11. 水収支(貯蔵とフロー)
– – 11.1 地球上の水の貯蔵量
– – – (1) 大気中の水
– – – (2) 海水
– – – (3) 凍結水
– – – (4) 地中水
– – – (5) 地表水
– – 11.2 地球上の水のフロー
– – 11.3 グローバル水輸送
– – – (1) 大気中の水輸送
– – – (2) 海洋中の水輸送
– – – (3) 生物による水輸送
– – – (4) グローバル水収支
– – – (5) 温暖化と水循環
第19章 雪氷と砂漠(地球白色地帯)
– 1. 氷河・氷床の特性
– – 1.1 氷河の分布
– – 1.2 氷河の分類
– – 1.3 氷河の形成
– – 1.4 氷河の流動
– 2. 雪氷圏と気候
– – 2.1 アルビード効果
– – 2.2 積雪と気候
– – 2.3 氷河の変動
– – 2.4 ヒマラヤ氷河の涵養と消耗
– – – 付録19-1 モンスーン
– – 2.5 海氷
– – – (1) 海氷形成の一般的特性
– – – (2) 海氷モデル
– – 2.6 氷床と気候
– – 2.7 氷床の成長と衰退
– 3. 最終氷期以降の気候変動
– 4. 砂漠と砂漠化
– 5. 砂漠の様相
– 6. 砂漠の動態
– – 6.1 乾燥化の原因
– – 6.2 気温と降水の特性
– – 6.3 砂漠の水源
– – 6.4 砂漠の長周期変動
– 7. 白色地帯(雪氷と砂漠)の形成メカニズム
– – 7.1 チャーニーの砂漠モデル
– – 7.2 モデルの一般化
– – – 付録19-1 大気循環とアルビード
– – – 付録19-2 正味放射の伝達式
第20章 補遺
– 1. 地球水循環とエントロピー
– – 1.1 孤立系・閉鎖系・開放系
– – 1.2 地球熱力学とエントロピー
– – 1.3 地球水循環と雲核
– – 1.4 光合成と地球水循環
– – 1.5 生きている地球
– 2. カオスと多重平衡
– – 2.1 科学的予測について
– – 2.2 蝶の羽のカオス(ベナール対流)
– – 2.3 多重人格のカオス(ブロッキング)
– – 2.4 未来予測
参考文献
巻末図
索引

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