気象学の教科書 気象ブックス047


978-4-425-55461-4
著者名:稲津 將 著
ISBN:978-4-425-55461-4
発行年月日:2022/2/8
サイズ/頁数:A5判 224頁
在庫状況:在庫有り
価格¥2,420円(税込)
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気象に興味を持った人が最初に読んで欲しい1冊。
気象学を学ぶ大学生や気象予報士を目指している人のために、平易な説明と多くの事例、日頃役立つ天気のコラムなどを盛り込んで、わかりやすく解説しています。

気象学者の「荒木健太郎さん」も推薦。
以下のコメントを帯に掲載しています。

「知れば知るほど楽しくなる。
気象学を志すすべての方にオススメしたい、
空の教科書の決定版!」



はじめに

「太古」ギリシアのイカロスは、蝋ろうで固めた鳥の羽を持ち、太陽に向かって飛び立ちました。太陽に近づいたイカロスは熱で蝋が溶け、はかなくも墜落してしまいます。これは歌にもなっていて、よく知られた逸話です。しかし、イカロス墜落の原因は、本当に太陽の熱で蝋が溶けたことなのでしょうか?
著者にはどうしてもそうは思えません。蝋で固めた鳥の羽ごときで空を飛べるのかということは、いま問わないことにしましょう。飛び立ったイカロスは、しばらくすると上空の寒さにさらされます。太陽に少し近づいたからといって暑くなるわけではなく、むしろ寒くなります。山の空気がひんやりと感じる、それです。ギリシアなら高度3 km ほどで氷点に達します。次に、上空に行けば行くほど空気がうすくなり、息苦しくなります。高山病で知られる頭痛や吐き気の症状が出ます。さらに、ギリシア上空10 kmでは20 m/s( 72 km/時)を超える風が平均的に吹いています(図0)。その強風の中で翼をはばたかせることなど、どだい無理な話です。しかも、雲が出てきたら避けなければなりません。雲は小さな水滴の集まり、雲の中ではばたけば、イカロスはずぶ濡れです。
強靭なイカロスはこれら困難に耐え、さらに上空へ向かうとしましょう。しかし、イカロスは高度20 km で限界を迎えます。体液が沸騰するのです。
山の上では熱いコーヒーが飲めないとか、美味しいご飯が炊けないとかいうのは、気圧が低くて水の沸点が下がっているからです。高度20kmともなると、気圧は地上の約1/20、沸点は体温程度です。上記、神話の一節に咬か みついた野暮には気象学の基礎が満載です。上空に行くと、気温や気圧は下がり、そして場所によっては風が強くなります。雲もあります。イカロスがあわれ犬死せず、空をはばたき自由を謳おうか歌するには、気象学の知識が必要でした。
本書は気象に興味を持った人に、教養としての気象学を提供することを目的にしています。想定読者として、気象学を学ぶ大学生や気象予報士を目指している人が挙げられます。したがって、高校生でも読めるように平易な説明を心掛け、ときに肩の力が抜けるような話題を盛り込みました。なお、本書だけでは気象予報士試験対策にいささかの不足があります。あくまでも本書はきっかけとして位置づけ、最新の気象予報技術は他書で補ってください。
本書の出版にあたり、成山堂書店の小川典子社長、気象ブックス編集委員長日下博幸教授(筑波大学)には大変お世話になりました。また、草稿に有益なコメントをお寄せいただいた、上田博名誉教授(名古屋大学)、向川均教授(京都大学)、堀之内武教授・佐藤陽祐特任准教授(北海道大学)、青木一真教授(富山大学)、筆保弘徳教授(横浜国立大学)、三浦裕亮准教授(東京大学)、馬場賢治准教授(酪農学園大学)、神山翼助教(お茶の水女子大学)、柳瀬亘博士・荒木健太郎博士(気象研究所)、澁谷亮輔博士(三井住友海上火災保険株式会社)、小松麻美氏(日本気象協会)、松岡直基氏(北海道気象技術センター)、北海道大学及び酪農学園大学の学生の皆様、並びに気象ブックス編集委員の皆様、ここに記して感謝を申し上げます。

2022年1月吉日
稲津 將

書籍目次

第1章 光  1.1 光と電磁波
 1.2 散乱
  コラム1 阿弥陀如来
  コラム2 直達日射と全天日射
 1.3 反射と吸収
 1.4 放射平衡
  コラム3 金星と火星の運命
 1.5 気象衛星
  コラム4 十種雲形

第2章 水  2.1 水蒸気の飽和
  コラム5 洗濯物を干す方法
 2.2 雲
 2.3 雨
 2.4 雪
  コラム6 雪結晶の撮影
  コラム7 ホワイトアウト・ブラックアウト
 2.5 降水と雲の観測
  コラム8 雪を掘る観測
  コラム9 宇宙からのレーダー・ライダー観測

第3章 熱  3.1 気圧と気温
  コラム10 気象骨董市①水銀気圧計
 3.2 乾燥空気の安定性
  コラム11 気象骨董市②百葉箱
 3.3 湿潤空気の安定性
 3.4 断熱図
  コラム12 ヒートアイランド・クールアイランド
 3.5 パーセル法による対流の診断

第4章 風  4.1 陸と海
  コラム13 六甲おろし
  コラム14 世界大紀行①緑のサハラ
 4.2 天気図の風
 4.3 上空の風
  コラム15 世界大紀行②ジェット気流に乗って
 4.4 物質の輸送
 4.5 風の観測

第5章 渦  5.1 水平風と鉛直風
  コラム16 霧の摩周湖
 5.2 ハドレー循環とロスビー波
  コラム17 十二支の方角
  コラム18 世界大紀行③最北の不凍港ハンメルフェスト
 5.3 温帯低気圧と前コラム19  世界大紀行④吠える40度、狂う50度、叫ぶ60度
 5.4 台風
  コラム20 富士山レーダーと台風観測
 5.5 寒冷渦とポーラーロー
  コラム21 成層圏の渦

第6章 対流  6.1 大気境界層内の対流
 6.2 積乱雲を伴う対流
  コラム22 雷
  コラム23 飛行機事故とダウンバースト
 6.3 メソ対流系
 6.4 日本の夏
  コラム24 世界大紀行⑤ウンカ、海を渡る

第7章 予報  7.1 気象予測
  コラム25 世界大紀行⑥数値不安定の地、巡礼
 7.2 気象情報の伝達
 7.3 季節予測
  コラム26 季節内予測
 7.4 気候変動
  コラム27 世界大紀行⑦水没国家の危機線…


著者略歴

稲津 將(いなつ まさる)
1977 年 北海道岩見沢市生まれ。
1998 年 京都大学理学部中退。
2002 年 北海道大学大学院地球環境科学研究科博士後期課程修了。
2005 年 東京大学気候システム研究センター特任助手。
2007 年 北海道大学大学院理学研究院准教授。
2017 年から現在まで 北海道大学大学院理学研究院教授。



この書籍の解説

季節の変わり目には、気温の変化が気になります。暖かくなったと思ったら急に寒くなって、コートを慌てて羽織った経験のある方も多いでしょう。春は花粉が飛んで憂鬱ですが、一方で桜はいつ開花かな?なんて楽しみもあったりします。花が終われば、最近ではすぐ夏めいてきます。今年の梅雨はどのくらい続きそう?夏は暑くなるだろうか?
私たちはこんなふうに、日々の天気や季節ごとの天候の変化を気にしながら暮らしています。この気象の変化は、何が原因で、どのようなメカニズムで起こっているのでしょうか。
ほとんどの大気現象の源は、太陽からの光です。光によって気温が変化し、大気の対流が起こり、水が温められて雲ができます。空気が水平に流れれば風となります。このような現象の組み合わせによって、様々な気象現象が起こるのです。
今回ご紹介する『気象学の教科書』では、初学者向けに気象学の分野を段階的に解説していきます。光(大気放射)から始め、水(雲物理)、熱、風(力学、境界層気象)までの前半で気象学の基礎を、後半ではこれまでの章を踏まえて、渦(総観気象≒広い範囲の気象)、対流(メソ気象≒局地的な気象)の章を設けています。最後の章では、気象予測について扱います。
高校生〜大学教養レベルの内容ですが、例え話を織り込んだ著者のユニークな語り口や、豊富な図表が理解を助けてくれます。このコラムのタイトル「イカロス」の話は、著者が本書の導入部で用いています。「なるほどそうか」と話に入り込めますよ。
専門的な気象の学習を始めるにあたっての最初の一冊として、ご活用いただければと思います。

この記事の著者

スタッフM:読書が好きなことはもちろん、読んだ本を要約することも趣味の一つ。趣味が講じて、コラムの担当に。

『気象学の教科書 気象ブックス047』はこんな方におすすめ!

  • 気象に興味のある方
  • 気象学を学ぼうとする高校生以上の方
  • 気象予報士試験対策の前に基礎固めをしたい方

『気象学の教科書 気象ブックス047』から抜粋して5つご紹介

『気象学の教科書』からいくつか抜粋してご紹介します。本書はテキストとして読まれることを想定しており、理解を深めるため図を豊富に使用しています。「基本編」は90分の講義3回分程度の内容となっており、数式や法則の解説も行うので抜粋も難しく、ここでご紹介しているのは「基本を踏まえればこの現象を解ける」というものに偏りがちなのをご容赦ください。
また、気象に関するコラムも色々収録していますので、勉強の合間に気象の雑学も学べます。

地球のエネルギーバランス

太陽からもらうエネルギーが地球から出す分よりも多ければ地球の気温は上がり続け、エネルギーを出す分がもらう分よりも多ければ気温は下がり続けます。しかし現実には、気温が上がり続けたり下がり続けたりすることはありません。太陽放射(太陽が発する電磁波のエネルギー)と地球放射(地球の発する電磁波のエネルギー)のエネルギーの収支は釣り合って、地球上の気温を保っています。このエネルギーの釣り合いを、「放射平衡」といいます。

地球が受ける太陽放射の総量は、太陽定数(地球大気の上端でまっすぐ受ける太陽放射)×地球の断面積です。これを地球の表面積で割ると、地球表面平均の太陽放射が計算できます。

地球全体の光の反射率(アルベド)は30%なので、平均の太陽放射の70%を戻せば釣り合いが取れます。地球放射のエネルギーがこれと釣り合うとすれば、地球のエネルギー収支を満たす温度(放射平衡温度)は−18℃と求められます。ずいぶん低い温度に思えますが、放射平衡温度は宇宙空間から赤外線を通じて計測した地球の温度なので、上空の気温であってもよいのです。この温度は、地球大気の代表的な温度です(実際には上空5〜6kmの気温です)。

では地表面の温度はどうかというと、大気は地表面が放射した赤外線を吸収するだけでなく、その気温に見合った赤外線を放射するので、地表面温度は放射平衡温度よりも高くなります。これを温室効果と呼びます。温室効果気体としてはオゾンが有名ですが、赤外線の吸収にかかわる水蒸気、二酸化炭素、メタンなども含まれます。

水分子同士には互いを引き合う力が働いています。この分子間に働く力によって、液体は緩くまとまっています。液体表面ではこれが内側に働く力(表面張力)となり、分子が外に飛び出そうとするのを抑制します。

空中に浮いた微小水滴にも表面張力が働きます。水滴表面には表面張力が働き、微小水滴の表面積を小さくしようとします。表面積が最小の形は球なので、他の力が働かない限りは空中に浮いた水滴は球形です。水滴が小さくなると、内側に向かう力の影響が大きくなります。内側の圧力が強くなるため、小さな水滴は大きな水滴より蒸発しやすいのです。

従って、水蒸気の凝結によって空気中に小さな水滴を作り出すためには、過飽和でなくてはなりません。しかし、偶然に水分子が集まって微小水滴を維持するに至るためには、自然界では非現実的な過飽和状態が必要になってしまいます。

そこで必要なのが、空気中を漂う微粒子(エアロゾル粒子)です。純水の微小水滴は蒸発しやすいのですが、水滴に不純物が含まれていると、不純物の分子の一部が表面の一部を塞いで水分子が外に出るのを邪魔します。そのため、微小水滴が維持できるのです。周りに十分な水蒸気があれば、水滴は水蒸気を吸着して大きくなります。この水滴の成長過程を凝結といい、元になったエアロゾル粒子のことを雲凝結核と呼びます。こうして雲粒ができるのです。

海が蒸発して大気中の水蒸気となり、不純物を核にして凝結し雲粒ができます。これが雨粒に成長すれば雨が降るのですが、雲粒が雨粒になるために必要なのは、水滴の大きさの違いです。大きさの違う水滴は異なる速度で空中を落下するので、ぶつかりあって合体し、大きな水滴(雨粒)になります。

熱力学的フェーン

関東地方での冬場の乾燥は厳しいものです。この原因は日本海側の雪と関係しています。ユーラシア大陸より冷たい空気が(相対的には)暖かい日本海上を吹くと、日本海の水が蒸発します。こときの蒸発量は海面水温と直上の気温との温度差に関係しています。日本海上を吹走する空気は飽和状態に近く、日本の脊梁山脈を越える際に雨や雪として除去されます。峠を境に、関東平野側には乾いた風が流れていくのです。

暖かくて湿った空気が持ち上げられると、気温と気圧が同時に低下し、飽和混合比も変化します。持ち上げ凝結高度に達すると、空気中の水蒸気が凝結して雲ができます。この水分は雨や雪として降り、空気は水分を失います。また凝結のときに熱が発生するので、空気の温度は上がります。これが温度の高い乾いた風として関東平野に吹き込むのです。

このように凝結・降水を伴って空気塊が山越えし、山の下流側に高温・乾燥した空気をもたらす現象を熱力学的フェーンといいます。

熱力学的フェーンは夏にも起こります。西日本を台風が通過するとき、太平洋側で大雨を降らせたあと脊梁山脈を越え、日本海側に高温をもたらします(山越えの方向が冬とは逆になります)。このときの気温は、40℃を超えることがあります。

気象学は数学・物理学と切り離しては考えられないので、本書にも色々な法則や計算式が出てきます。難しいものもあるのですが、「空気を一部分だけ取り出すことはできないが、できることにした。周りの空気とは混じらず塊の中身は均一で、周囲と熱交換もしない」という仮想の「空気塊」は理解に役立ちました。塊が膨れたり萎んだり、暖まったり冷えたりといった状態変化がイメージしやすくなりました。この項に添えられている「空気塊山越えの図」も結構かわいいです。

海風

海から陸へ向かう風は、一般に海風と呼ばれます。夜間には陸から海へ向かう逆向きの風(陸風)が吹くこともあります。海風・陸風を合わせて海陸風と総称します。海陸風の影響範囲は、海岸線から50km程度です。

海陸風は、昼夜における陸と海の温度変化の特性に原因があります。昼間、日射を受けて海と陸の気温はともに上昇します。陸は海の約5倍暖まりやすく(比熱が高く)、そのため陸上の空気は昼によく暖まります。地表付近で暖まった空気塊は、大気境界層内でよく混合し、温位が一様になります。一方、昼間の海面水温の上昇は陸に比べると小さく、海面の温位は上空ほど高くなっています。従って、高温の陸上で気圧は低くなり、低温の海上で気圧が高くなります。風は気圧の高い方から低い方へ吹くので、午後になると海から陸へ風が吹きます。

夜になって日射がなくなると、地上も海面も赤外放射によって冷却されます(放射冷却)。しかし陸は海より5倍冷えやすく、海はあまり冷えないので、今度は気圧が逆になり、夜間には陸から海に風が吹くのです。

甲子園球場で高校球児を悩ませるライト方向からの強い風は、この海風です。甲子園球場の風といって思いつくのは「六甲おろし」の方かもしれませんが、こちらは名前の通り、山に関係した風です。寒い時期、六甲山地の北に北風が吹きつけると、たまった寒気があふれるように六甲山を下りてくるのです。

季節予測

気象予測システム(気象モデル)が完全だったとしても、大気の振る舞いはカオス的であるため、中緯度における予測限界は2週間程度です。2週間以上先の特定の日付における気温や気圧を予測することはできません。しかし、次の季節が概ね暖かくなるか寒くなるかといったことは、予測できる可能性があります。

海洋は熱容量が大きく、大気よりも長い時間スケールで変動します。そのため、海洋の情報を的確に予測すれば、大気の大まかな状況を予測できるというわけです。初期値の情報は失われますが、海洋の情報が大気に反映されます。このような考え方を境界値問題と呼びます。初期値とする気象現象の把握が重要な1週間程度の天気予報とは対照的です。

季節予報には海洋の動向が重要です。熱帯における大気と海洋が結合して変動するシステムは、数か月先まである程度の予測が可能です。よく用いられる指標は、北緯5度と南緯5度、西経150度と西経90度に囲まれたNiño3監視海域です。この領域平均の海面水温偏差を5か月移動平均した値が、エルニーニョ現象とラニーニャ現象の定義に用いられています。

季節予測では、海洋の状態により注目します。海面水温が上がると空気の対流が起こり、風が起きて水を動かします。このような大気と海洋が協調したメカニズムを大気海洋相互作用といいます。長期予報の難しさを表現する「バタフライ・エフェクト」という言葉がありますが、ある領域での海面水温が広域での気候変動に繋がっていく様子は、どちらかというと「風が吹けば桶屋が儲かる」を連想してしまいますね。

『気象学の教科書 気象ブックス047』内容紹介まとめ

気象学の初学者向けに、まず前半で光、水、熱、風に関する気象学の基礎を解説しました。その知識をもとに後半では渦(総観気象学)、対流(メソ気象学)といった観測スケールの異なる気象現象について、最後の章は気象予測について述べています。専門的に気象学を学ぶための最初のテキストとして最適です。

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目指す道に合わせて気象を学ぶ!おすすめ3選

『気象予報士試験精選問題集 2022年版』
本書のあと、まっすぐ気象予報士を目指す人ならまずこの問題集を!1994年の第1回~2021年の第56回まで、学科と実技試験から選りすぐりの良問をぎゅっと収録。解答とヒント、傾向と対策もばっちりです。

『基礎からわかる海洋気象』
船に乗るには、海の天気を知らなければなりません。本書は三級・四級海技士(航海)を目指す人向けに、気象の基本、海洋気象の特徴、天気図の読み方等、海で必要な気象の基礎知識をまとめました。

『図解 パイロットに必要な航空気象』
様々な気象条件の中、飛行機を操縦するパイロット。パイロットになるためには、航空気象の理解が必須です。現役パイロットが気象と天気図の基礎知識から、飛行現場で使うMETARやTAFを解説しました。
カテゴリー:気象・海洋 タグ:気象 気象ブックス 気象予報士 
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