気象
気象（きしょう）とは、気温・気圧の変化などの、大気の状態のこと。また、その結果現れる雨などの現象のこと。広い意味においては大気の中で生じる様々な現象全般を指し、小さな旋風から偏西風のような大気の大循環まで幅広いスケールの現象を含む。
学術的に「気象現象」は、地球を取り巻く諸現象（地球科学的現象）のうち、大気中において空気や水などの流れ（循環）によって生じる物理現象を指し、大気圏外で起こる現象は「天文現象」、地面や地中で起こる現象は「地質現象」として区別される。ただし、同じ大気中の物理現象であっても、地理的な観点から「ある土地固有の気象現象」として捉えた場合は「天候」「気候」と呼び、別の意味をもつ。
しばしば「天気(weather)」と同義に用いられるが、厳密な意味は若干異なる。「気象(meteorological phenomena)」は気象学が扱う現象全般を指すが、「天気」は晴れや雨などの大気の状態のみを形容するものである。ちなみに、日本の気象業務法では、「気象」を「大気（電離層を除く。）の諸現象」と定義している（気象業務法2条1項）。
これらの気象とその仕組みを研究する学問が気象学である。また、これから起こるであろう気象の予測を行うことを気象予報や気象予測と言うが、一般的には天気予報の語が使われる。
気象の仕組み
地球の大気は地表から高度約100km程度までで、この層内には地球の重力に捉えられた気体が存在している。最も外側の熱圏（高度80 - 800km）では大気分子が低圧・低密度の環境下で電離していて気象現象と呼べるようなものはほとんど生じていない（このような高高度の気象は高い観測技術を要するため、まだ解明されていない部分もある）。地表に近付くほど大気の分子密度（気圧）が高くなり、気象現象らしいものが現れてくる。ほとんどの気象現象は、極付近では約6km以下、赤道付近では約11km以下の対流圏内で起こる。濃い大気が覆う対流圏内では、地表や海面が太陽の光（太陽放射）を受けて熱せられたり、水が熱の運搬を伴って状態変化を起こしたりして、熱の移動を軸として気象現象が発生する。また気圧は低いが成層圏下層でも非常に速い西風の循環があるほか、そのほかの大気圏内でも気象現象がいくつもある。
地球上に起こるほとんど全ての気象現象は、太陽の活動により地球に供給される熱エネルギーに由来している。もしも太陽の活動が無ければ供給が途絶え、逆に宇宙空間に放出され続けて次第に寒冷化していく事になる。常時太陽から受けるエネルギーとそれを適度に保持する温室効果によって、地球表面温度は全平均15℃で平衡している（詳しくは地球のエネルギー収支を参照）。太陽活動によって供給される熱は、緯度、地形、季節、時間などによって異なるため、温度差・密度差が生じて、これを解消しようとする働きによって乱れが発生する。雨や風などの気象の根本的な原因はこの乱れであり、気象学においてはこれを擾乱（じょうらん）（気象擾乱）とよび、「大気の定常状態からの乱れ」と定義している。
例えば、夏の暑い日に山の斜面が暖められたとする（山の斜面は平野よりも日射に対して直角に近いため、暖まりやすい）。するとそこの地面や地面に近い大気が暖められ、体積が増えて上昇し、暖められた大気があった場所は気圧が下がる。これが典型的な擾乱である。気圧が下がると圧力勾配が生じて周囲から大気が集まり、その空気が同様に暖められて空気をどんどん押し上げていき、上昇気流をつくる。湿度の高い空気であれば、上昇によって膨張しながら温度が下がり、やがて露点温度を超えて雲を生じる。水蒸気が凝結する時に潜熱が放出されるので、その空気はさらに暖まって上昇を続ける。
擾乱を引き起こす要因は無数にあるため、カオス理論で定義されるように科学的に予測できないような効果（この極端な例がバタフライ効果）をもたらし、連鎖を起こしたり周囲に影響を与えたりする。擾乱は自身の力で成長していく働きがある一方で、偏った状態から定常状態に戻ろうとする働きもあるため、最終的には乱れが元に戻ることになるが、平衡は長く続かず次の擾乱の発生へと移行していく。これら一連の過程で引き起こされる現象が気象である。
以上のように複雑な仕組みによって気象現象は発生するが、それぞれの現象の発生・経過・消滅はおおむね物理学における原則（例：気圧傾度力、熱力学第二法則など）に従っている。この原則を基に気象現象の仕組みを解明する学問が気象学である。
気象に影響を与えるもの
地球の大気の中の様々な物理現象が相互に作用して気象現象が発生する。ここでは主要なものを挙げる。
以下は大気に対して作用する外的要因である。
- 天体・天文学的要因
- 地球が球体であること。地球はほぼ球体をしているため、緯度によって太陽高度が異なる。北極や南極に近いほど太陽高度は低いため気温も低く、赤道に近いほど太陽高度は高いため気温は高い。
- 軌道要素。地球の自転軸が傾いている（約23.4°の赤道傾斜角がある）ため、太陽高度が変化して季節が生まれる。また、自転軸の傾きや歳差運動、地球の公転軌道の離心率は数万年以上の単位で変化しており（ミランコビッチ・サイクル）、気候の変化が生じる。
- 太陽変動。太陽活動の変化によって、太陽光（太陽放射）の量自体が変化する。太陽定数と呼ばれる太陽放射の量は現在約1366W/m2であり、過去数十年間の間に0.1%の範囲内で周期的に変化している。このほか、太陽黒点数の変化に伴う大幅な変化（マウンダー極小期など）が気候の影響をもたらしたことが、放射性同位体生成量の変化の観測結果から間接的に推定されている。
- 地表の状態
- 光の反射率（アルベド）や比熱（比熱容量）。地表の状態によってアルベドが異なるため、同じ量の太陽エネルギーを受けても熱に変換される割合が異なる。アルベドが低いほど温度が高くなり、その地面に接する大気の気温も高くなる。アルベドが低い順に、水（海面や湖面）、森林、草原、サバナ、乾燥土、砂漠、氷（氷床）、雪となり、後者ほど光を多く反射する。同じ土壌であっても、湿っているものはアルベドが低い。また、物質によって比熱が異なるため、同じ熱量を受けても暖まりやすいものと暖まりにくいもの（同様に冷えやすいものと冷えにくいものも）がある。湿った地面や海洋は比熱が大きく、乾燥した地面やコンクリート・金属構造物は比熱が小さい。
- 地形。起伏のある地形は風の流れを変え、風上側の峰で雲を生じさせる一方で風下側の峰では晴れる（雨蔭、フェーン現象）。また、草原や砂漠などの平坦な地形と鬱蒼と木々の生い茂った森林とでも風の吹き方が異なる。都市の建物による風への作用や排熱（ヒートアイランド現象）も無視できない。
以下は大気が自身に対して作用する内的要因である。
- 大気の状態
- 温室効果。大気の成分によって温室効果係数が異なるため、大気中で蓄えられる熱量が異なる。六フッ化硫黄や亜酸化窒素は温室効果係数が高いほか、地球に豊富に存在し得る二酸化炭素やメタンの量も温室効果を大きく左右する。温室効果が大きいほど気温は高い。
- 日傘効果。火山灰や砂ぼこりなどの大気エアロゾル粒子が多いほど日傘効果が高まるため、太陽光の反射率が大きい。地表に対しては冷却作用があるが、粉塵濃度の高い大気に対しては加熱作用がある。
- 水循環。水・水蒸気・氷は蒸発・降水・積雪等のプロセスを経ながら大量の熱の移動に関与している。蒸発が多い地域では地表から大気へと大量の熱が運搬される。雲の状態によってアルベドが変化する効果もあり、雲の厚さと密度が小さいほどアルベドが低い。
- 大気循環。大気自体の移動によって大量の熱が運ばれている。大局的には、赤道を中心とした低緯度から極を中心とした高緯度の方向へと運搬されており、偏西風等の強い気流がそれを担っている。気流の流路が変化することで、暖かくなったり寒くなったりと天候のパターンが変化する。
- 気団。温度や湿度が異なる、気団と呼ばれる空気の塊があり、どの気団に覆われているかによって地上の気象が異なる。気団の境界面には前線や低気圧などが発生しやすく、気団のぶつかり合いは風雨を発生させる原動力となる。
気象と地球・人類
気象がもたらすもの
雨が岩石を浸食したり、風化を促進するなど、気象が自然の地形にもたらす効果は、地殻変動や海洋による効果と並んで大きなものである。V字谷は河川の浸食、カールやU字谷は氷河の浸食による典型的な谷である。河成平野は主に河川による堆積作用によってできた平野である。また大量の雨は、土砂崩れ、地滑り、土石流などの土砂災害や洪水も引き起こす。一方で、鍾乳洞や滝、石灰岩の浸食によるカルスト地形など、美しい景観に寄与する面もある。雨は様々な経路を経て、地下水から井戸により汲みあげたり、河川から取水し水道網を経たりして、生活や産業活動にも使われる重要な役割を持つ。
気象と人類
気象が人類の歴史に大きな影響を及ぼした例もある。1281年の弘安の役において神風と呼ばれる嵐が元軍の撤退に拍車をかけたことは日本では広く知られている。グリーンランドでバイキングの植民地が全滅した小氷期、冷害や大雨により発生した天明の大飢饉、高潮と大雨によってニューオーリンズが水没したハリケーン・カトリーナなど、異常気象と呼ばれるような災害も歴史上で多く発生している。
気象の予測
- 詳細は天気予報を参照。
人間活動において、気象は生活に深く関わるため、天気予報と呼ばれる気象の予測は太古の昔から行われてきた。観天望気と呼ばれるような、自然現象などから気象を予測することは最も古くから行われている気象予測である。「朝焼けがあれば雨が降る」などの地域に根付いた伝承はその予報のために考え出された法則だといえる。長い間観天望気による予測が行われたが、物理学などの諸科学の発展により、ヨーロッパにおいては中世ごろから気象現象を科学的に解明することが始まった。19世紀に電報が発明されてから遠距離間で気象情報を伝達できるようになったことをきっかけに、本格的な科学的予測が始まった。20世紀初頭に数値予報と呼ばれる気象観測結果を基にした計算法が考え出され、1970年代の高性能コンピュータの普及によって大量計算が可能になってからは大きく科学的予測が発展した。また1960年代に登場した気象衛星は気象観測の幅を広げ、精密機械や通信機器の開発に伴って気象観測の自動化・無人化も進んでいる。
気象の制御
近年、科学の力によって人工的に雨を降らせたり、台風（熱帯低気圧）を弱らせたりといった気象制御の試みがいくつか実行された。しかし、現在の技術ではいずれも明確な成功には至っておらず、技術が発展した未来でなければ制御は不可能だとされている。
サイエンス・フィクションの世界では、火星などの惑星をテラフォーミングして人間が生活できる環境を作るという話もあるが、これも遠い未来の技術でしか不可能だとされる。
気象要素
気象を定量的に評価するものさしとして、いくつかの気象要素がある。
- 天気 - 地上から見た大気の状態。
- 視程 - 大気の見通しの程度。降水や霧、砂塵嵐、吹雪などによって低下する。航空の分野では重要視される。
- 最小視程、卓越視程などがある。
- 日照 - 日光の照射。120W/m2以上の直達日射があるものを「日照がある」と定義している。
- 気圧 - 大気の圧力。
- 気温 - 大気の温度。
- 一定の期間内の気温のデータから、最高気温、最低気温、平均気温などが算出される。
- 湿度 - 大気中の水蒸気量。一般的には相対湿度や露点温度を用いて表す。鉛直大気中の水の総量は可降水量によって表される。
- 風 - 気圧差によって起こる大気の流れ。
- 降水 - 様々な形で降る水。
- 海水温 - 海水の温度。海洋における気温と相関関係があるため気温の算出に用いられるほか、対流活動の推測にも重要な指標。
様々な気象
気象現象
- 降水現象
- 視程障害現象
- 地球規模の風 : 貿易風、偏西風、極東風、ジェット気流
- 大陸 - 地域規模の風 : 海陸風、山谷風、川風、湖風
- 地方風・季節性の風 : おろし、スコール、春一番、木枯
- （性質による分類）フェーン、ボーラ、ハブーブ（砂塵嵐）、ブリザード（猛吹雪）、モンスーン（季節風）
- 突風 : 塵旋風、竜巻、ダウンバースト
- 理論上の風 : 地衡風、旋衡風、温度風、傾度風
雲形 : 積雲、積乱雲、層雲、層積雲、高積雲、高層雲、乱層雲、巻雲、巻層雲、巻積雲
- 虹、光冠、光輪、暈、幻日、幻日環、環天頂アーク、環水平アーク、外接ハロ・タンジェントアーク、ラテラルアーク、パリ―アーク、太陽柱、映日、向日アーク、対日アーク
- 朝焼け・朝焼け、グリーンフラッシュ、薄明光線、彩雲、陽炎、蜃気楼
- その他
- 気団 - 寒冷、乾燥などそれぞれ異なる性質を持った空気の塊（高気圧）。
- 前線 - 気団の境界に生じる気温差の大きい部分。温帯低気圧の発生と密接に関わっている。湿度差によって生じる乾燥線というものもある。
気象現象に密接に関連する現象
- 大気海洋相互作用によるもの : エルニーニョ・南方振動（ENSO, エルニーニョ・ラニーニャ）、北大西洋振動(NAO)、北極振動(AO)、マッデン・ジュリアン振動(MJO)、太平洋十年規模振動(PDO)、成層圏準2年周期振動(QBO)、成層圏突然昇温(SSW)、ダイポールモード現象(IOD)
- 地球温暖化
気象に関する概念
その他の気象の分類法
気温や気圧など以外の、いわゆる典型的な気象現象（大気現象）は、大まかに4つに分類することがある[1][2]。
- 大気水象（たいきすいしょう, hydrometeor） - 主に水からなる水滴や氷の粒が、落下、浮遊、上昇、付着、相転移などをする現象。
- 大気塵象（たいきじんしょう, lithometeor） - 主に砂塵やその他の微粒子などからなる粒子が、落下、浮遊、上昇、付着などをする現象。
- 大気光象（たいきこうしょう, photometeor） - 大気中で観測される、光学的な現象。
- 大気電気象（たいきでんきしょう, electrometeor） - 大気中で観測される、電気的（電磁気学的）な現象。
分類名のアルファベット表記は、ギリシャ語のmeteor（大気現象）と各現象の種類を示す語をあわせたもの。大気光象以外の分類名はあまり用いられない。
また、マイクロスケール、メソスケール、総観スケール、マクロスケール、惑星スケールといった、気象のスケール（規模）による分類もよく用いられる。気象現象のスケールを参照。
気象観測と気象統計
気温や湿度などの様々な気象要素を観測してデータ化し、統計としてまとめることは、気象予報や気象学において、さらには各地の気候を知る上でも重要なことである。
平年値とは、数十年間のデータを平均して算出される過去の気象の傾向を示す値である。極値とは、観測開始から継続して観測を行ってきた上で最も平均から外れた値である。平年値は気候を知る上で重要であり、極値はその観測地点の気象がどの程度の範囲で変動するかを知る上で重要なものである。
初雪や桜の開花などは、気象に関連が深いことから季節現象として観測され、統計が取られる。季節現象のうち、生物に関するものは生物季節とも呼ばれる。ここでは、主な季節現象を挙げる。
統計としてまとめられた値は、様々な表や図・グラフに表され、気象予報や気象学研究に使用されている。ここでは、その主なものを挙げる。
気候
詳細は気候を参照。
地上から見た気象やその他の自然現象の特徴や傾向のことを気候と呼ぶ。気象が主に現象や状態を視点としたものであるのに対して、気候はある地域での現象や状態の傾向である。地域により様々な気候があり、気候の区分としてはケッペンの気候区分が広く使われる。
地球以外の気象
地球以外の天体でも、大気がある天体には気象現象が発生する。
土星の衛星であるタイタンは窒素とメタンの大気からなり、メタンの雨らしきものが降っていることがカッシーニの探査から分かっている。また、金星は二酸化硫黄の雲から硫酸の雨が降り、上空では秒速100mもの風が吹いていることが分かっている。火星の極地では大規模な二酸化炭素の昇華によって時速400kmもの風が吹いていることも分かっている。
木星では、大赤斑と呼ばれる高気圧の渦があり、長期的に安定して存在する大気の循環によってできたのではないかと考えられている。これに対して海王星では大暗斑と呼ばれるものがあるが、こちらは短期間で消滅するものしか観測されていない。
出版物
脚注
関連項目
外部リンク
- NASA Goddard Space Flight CenterWEATHER FORECASTERS MAY LOOK SKY-HIGH FOR ANSWERS成層圏の気象について
- 気象庁気象等の知識
- 気象庁気象統計情報
- WEATHER PREDICTION . COM気象の仕組みと気象予測について
- イギリス気象庁National Meteorological Library and Archive気象学関連のライブラリとアーカイブ