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西へ 進みたい 波が、風に 止められる ── ロスビー波と 天気

西へ進みたい波が、風に止められる ── ロスビー波と遠くの国の天気

ロスビー波と偏西風の蛇行 ── 停滞したロスビー波がエネルギーを東へ運ぶ

分野:自然

2003年の 夏、日本は すずしい 夏に なりました。その きっかけの 1つは、北ヨーロッパの 空に できた 大きな うねりだった と いわれます。

とおい 国の うねりが、どうして 日本まで とどくのでしょうか。うねりの 正体は、ロスビー波と いう 波です。西へ 進みたい 波が 風に 止められる ふしぎと、海に ある なかまの 波が わかります。

2003年の夏、北ヨーロッパの上空に現れた偏西風の大きな蛇行は、数日後に日本の上空にまで届き、日本は冷夏になったと説明されています。この蛇行が、その夏の天気の要因の一つになったという見方です。

遠い国の空のうねりが、なぜ日本まで届くのでしょうか。その正体であるロスビー波は、本来は西へ進む波なのに、偏西風との関係で停滞することがあります。それでも、エネルギーは東へ伝わります。そのしくみと、海にある仲間の波が分かります。

2003年の夏に北欧で現れた偏西風の蛇行は、数日後に日本の上空へ達し、日本は冷夏になったと東京大学先端研の解説は述べる[3]。ただし、これは冷夏の唯一の原因という意味ではない。

数千キロ離れた蛇行が、なぜ数日で日本に影響しうるのか。鍵は、ロスビー波が本来は西へ進むのに、偏西風に押されて停滞し、波形は止まったままエネルギーだけが東へ伝わる性質にある。この性質と、ブロッキング、海の波までが分かる。

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1. 遠い 国の うねりが、日本の 夏を かえた?

1. 北ヨーロッパの蛇行が、数日後に日本の夏に関わった

1. 2003年の冷夏と、蛇行の「遠隔的な」影響

2003年の 夏は、日本で すずしい 日が 多い 夏でした。東京大学の 研究室の せつめいでは、北ヨーロッパの 空に できた 風の うねりが、数日 かけて 日本まで とどいた と されます[3]。

ただし、すずしい 夏の げんいんが、これだけとは かぎりません。うねりは、げんいんの 1つと 考えられて います。

では、空の うねりとは 何でしょうか。そして、どうやって 遠くまで つたわるのでしょうか。

2003年の夏、日本は冷夏に見舞われました。東京大学先端科学技術研究センターの中村尚研究室の解説では、その夏に北ヨーロッパの上空に現れた偏西風の蛇行が、数日後に日本の上空にまで到達したとされています[3]。

ここで大切なのは、「数日後に届いた」の意味です。届いたのは、波が伝わる速さの話であり、冷夏の原因のすべてがこの蛇行にあるという意味ではありません。蛇行は、要因の一つと考えられています。

数千キロも離れた空のうねりは、なぜ数日で日本の天気に関われるのでしょうか。まず、そのうねりが何なのかから見ていきます。

東京大学先端研の中村尚研究室の解説によれば、2003年夏に北欧に現れた蛇行は数日後に日本にまで到達し、日本は冷夏に見舞われた[3]。到達までが数日という点が、この現象を考える出発点になる。

ただし数日という時間は、蛇行が伝わる速さを示すもので、冷夏の因果のすべてを説明するものではない。夏の天気は、ほかの要因も重なって決まるため、蛇行は「要因の一つ」と読むのが妥当だ。では、その蛇行の正体は何か。

2. 空の うねりの 正体は、地球が 回って いること

2. 蛇行の正体は、球で回る地球が生む大きな波

2. 偏西風の蛇行とロスビー波 ── 球面上の自転が作る波

日本の 上の 空には、西から 東へ ふく 風が あります。偏西風へんせいふうです。この 風は、ときどき 南や 北へ 大きく うねります。

このうねりは、大きな 波です。名前は、ロスビー波。地球が 丸くて、しかも 回って いるから、生まれる 波だと いわれます[2]。北へ 行くほど、地球が 回る ことの えいきょうが 強く なります。その ちがいが、波を 生む ヒントです[5]。

名前は、スウェーデン生まれの きしょうがくしゃ、ロスビーから きて います[6]。

そこで、ふしぎな ことが 出て きます。この 波は、本当は 西へ 進みたがるのです。

偏西風は、日本の上空を西から東へ流れる強い風です。まっすぐ流れる日もありますが、ときおり大きく南北にうねります。これが偏西風の蛇行です。

気象庁の研修資料によると、この蛇行の正体は、地球が球で回っているために存在しうる、大気の大規模な波です。これがロスビー波で、気流に変化があったとき、回転の勢いを保とうとして起きる動きとされています[2]。アメリカの海洋大気庁(NOAA)も、ロスビー波を、自転する流体(大気や海)で自然に生じる惑星規模の波だと説明しています[1]。

球の上では、北へ行くほど自転の効果が強くなります。ロスビー波は、この緯度による差があるために生まれる波です[5]。

名前は、スウェーデン生まれのアメリカの気象学者カール=グスタフ・ロスビーにちなみます[6]。ここで、不思議な点が出てきます。この波は本来、西へ進むのです。

偏西風は、ときおり南北に大きく持続的に蛇行する。気象庁の季節予報研修テキストは、その蛇行の正体を「地球が球で回転しているために存在しうる大気の大規模な波」、すなわちロスビー波と位置づけ、流れに変化が起きたとき絶対渦度(渦位)を保存するように生じる運動だと説明する[2]。渦位は、回転の強さと空気の性質をまとめた量で、ここでは「保存される量」とだけ理解すれば足りる。NOAAも、この波を自転する流体に自然に生じる惑星規模の波(プラネタリー波)としている[1]。

この波が成り立つ根本は、球面上では緯度が高いほど自転の効果(コリオリの力)が強まることにある。SMHIの解説によれば、ロスビーの式は、気圧系の動く速さが対流圏の西風の強さ、系の大きさ、そしてこの強まり方(β効果)で決まることを示す[5]。名の由来は、スウェーデン生まれの米国の気象学者ロスビーである[6]。ところで、大きな波が本来は西へ進むなら、なぜ偏西風の蛇行は日本へ向かって東へ進んで見えるのか。

3. 西へ 進みたい 波が、どうして 止まるの?

3. 西へ進みたい波が、偏西風に押されて止まる

3. 波の西進と西風の押し戻し ── 停滞する波

川で、流れに さからって 泳ぐ ところを 思いうかべて ください。流れと 同じ 速さで 上へ 泳ぐと、体は 岸から 見て、その場に 止まって 見えます。

ロスビー波も、これに にて います。波は 西へ 進みたい。でも 偏西風へんせいふうが 西から 東へ ふいて、波を おしかえします[3]。すると、波は その場に 止まったように なる ことが あります[2]。

ただし 本当は、川の 中の 人と ちがって、波が 風の 中を 泳いで いる わけでは ありません。あくまで、止まって 見える ことが ある という たとえ話です。

止まったのは、波の かたちだけ です。では、うねりの 力は どこへ 行くのでしょうか。

川を、流れに逆らって泳ぐ人を思い浮かべてください。流れと同じ速さで上流へ泳ぐと、岸から見て、その人はその場に止まって見えます。

ロスビー波の止まり方は、これに似ています。東京大学先端研の解説によると、高気圧や低気圧は西へ移動しようとしますが、上空の偏西風がそれを押しとどめようとします[3]。気象庁の資料も、波が本来は西向きに進むのに、偏西風に東へ流されて停滞することがある、と説明しています[2]。

この止まり方には、条件があります。SMHIによれば、動く速さは上空の西風の強さ、波の大きさ、自転の効果の強まり方で決まり、大きな高気圧ほど、止まったり西へ動いたりしやすくなります[5]。ただし、川の泳ぎ手と違い、波が風の中を泳ぐわけではなく、あくまで、止まって見える仕組みのたとえです。

ここで注意したいのは、止まっているのは波の形だけだという点です。では、そのうねりの力はどこへ行くのでしょうか。

波の位相は西へ進むが、偏西風がそれを押し戻し、両者がつり合うと波形は停滞する。気象庁の資料は、ロスビー波が本来は西向きに進むが偏西風によって東に流され、停滞することがあると述べる[2]。東京大学先端研の解説も、高・低気圧は西へ移動しようとするが、上空の偏西風がそれを押しとどめようとする、と表現する[3]。

止まりやすさは条件で変わる。SMHIによれば、ロスビーの式で速度を決めるのは、対流圏の西風の強さ、系の大きさ、緯度による自転効果の強まり方であり、大きな高気圧は止まったり西へ動いたりし得る[5]。ここで、「波が止まる」ことと「波の影響が止まる」ことは別だという点が重要になる。停滞した波の中で、エネルギーはどちらへ向かうのか。

4. 止まった 波の 力は、東へ 走る

4. 波は止まっても、エネルギーは東へ伝わる

4. 停滞波のエネルギー伝播とジェット気流への捕捉

びっくりする ことに、波の かたちが 止まっても、うねりの 力は 東へ すすみます[2]。しかも その 力は、偏西風へんせいふうが いちばん 強い 道すじ(ジェット気流)に そって 進みやすい とされます[2]。

たとえば、ひもの 一方を ゆらすと、ゆれが 手から 先へ つたわります。ひもが 動かなくても、ゆれは 先へ 行きますね。空の うねりも、そんな ふうに 力だけが 東へ つたわるのです。ただし、本当の 空は ひもより ずっと 大きく、こんなに かんたんでは ありません。

2010年の 夏には、ユーラシアたいりくの 上の 大きな 波が、ロシアの 空を 通って、日本の 上の 高気圧こうきあつに とどいた と されます[3]。この 夏の ひどい 暑さの、げんいんの 1つと 考えられて います。

気象庁の資料によれば、ロスビー波が停滞するとき、その波のエネルギーは東向きに進みます。しかもそのエネルギーは、偏西風の軸であるジェット気流に捕捉されやすい、とされています[2]。

ひもの一端を揺らす場面で考えてみましょう。手元の揺れが先へ伝わっても、ひもの各点は大きく移動しません。波の山が動くのではなく、エネルギーが伝わる、という点が同じです。ただし空は、ひもよりずっと複雑です。

2010年の夏には、8月上旬にユーラシア大陸上で見られた大規模な波が、ロシア上空を経て日本上空の高気圧に到達し、その夏の猛暑の要因の一つになったとされます[3]。ここでも「要因の一つ」であり、猛暑のすべてがこの波で説明されるわけではありません。

止まった波は、さらに大きくなることがあります。そのとき空では何が起こるのでしょうか。

停滞波では、波形が動かなくても、そのエネルギーは東向きに伝わる。伝わる先は、偏西風の軸であるジェット気流にトラップされやすい[2]。波の形がその場にあっても、エネルギーは東へ伝わる。

そのため、数千キロ離れた地点が数日のうちに関係しうる。2010年夏の例では、8月上旬にユーラシア大陸上で見られた大規模な波動がロシア上空を経由し、日本上空の高気圧に到達して、その夏の猛暑の要因の一つになったと解説される[3]。2003年の冷夏(前章)と合わせても、いずれも「要因の一つ」で、単独の原因とは読めない。では、この波の振幅がさらに大きくなると何が起きるのか。

5. 波が 大きく なりすぎると、天気が 動かなく なる

5. 蛇行が大きくなると、ブロッキングが起きる

5. 蛇行の大振幅化とブロッキング ── 熱の輸送と季節予報

うねりが とても 大きく なると、ときどき、高気圧こうきあつや 低気圧ていきあつが 1週間ほど、ほとんど 動かなく なります。これを ブロッキングと いいます[3]。

うねりが さらに 大きく なると、波では なくなり、ひとつの 大きな うずに なる ことも あります[2]。こうなると、同じ 天気が 長く つづき、大雨や 暑さなどの、めずらしい 天気が つながる ことが あります[2]。

ロスビー波には、はたらきも あります。あたたかい 空気を 熱帯ねったいから 北へ、冷たいつめたい 空気を 北から 南へ 運ぶのを、助けると いわれます[1]。だから 地球の 天気や きこうに かかわります。

気象庁きしょうちょうも、この うねりを きせつごとの 予ほうに かかわる ものとして しらべて います[2]。

東京大学先端研の解説によれば、偏西風が大きく蛇行し、移動性の高気圧や低気圧の動きが妨げられる状態が、1週間程度かそれ以上続くことがあります。これがブロッキングです[3]。

蛇行の振幅がとても大きくなると、波ではなく、孤立した渦(ブロッキング高気圧など)になることもあります。気象庁の資料は、こうした蛇行の持続が、異常気象の連鎖につながりうると述べています[2]。

一方で、ロスビー波には、地球の熱を運ぶ役目もあります。NOAAは、この波が熱帯から極へ熱を、極から熱帯へ冷たい空気を運ぶのを助け、地球の天気と気候に影響すると説明しています[1]。

気象庁の季節予報の研修資料でも、「偏西風の蛇行とロスビー波」「蛇行とブロッキング」「蛇行と地上の気圧配置」が、予報にかかわる現象として並んでいます[2]。空の遠いうねりを読むことが、季節の見通しの一部になっています。

蛇行が大きくなり、移動性高低気圧の移動が阻害される状態が1週間程度かそれ以上続くものを、ブロッキングと呼ぶ[3]。さらに波の振幅が非常に大きくなると、波ではなく孤立した渦(ブロッキング高気圧など)となる場合がある。気象庁のテキストは、蛇行の持続が異常気象の連鎖につながりうると述べている[2]。

この波は、熱の輸送にも関わる。NOAAは、熱帯から極へ熱を、極から熱帯へ冷たい空気を運ぶのを助けるとしており、天気だけでなく気候にも効く[1]。だから気象庁の季節予報の研修資料は、偏西風の蛇行とロスビー波、蛇行とブロッキング、蛇行と地上気圧配置を、季節予報に関わる大気現象として整理している[2]。同じ波は、大気だけでなく海にも生じるのか。

6. 海にも 同じ なかまの 波が ある

6. 海のロスビー波は、衛星で見つかった

6. 海洋のロスビー波 ── 高度計による検出と伝播時間

ロスビー波は、空だけでは ありません。海にも あります。でも、海の 波は、目では 見えません。海の 高さが、NASAの せつめいでは 10〜20センチ ほど、ゆっくり 上がり 下がりする だけだからです[4]。

人工えいせいが、この わずかな 高さの ちがいを はかって、はじめて すがたが わかりました。1つの 波の 長さは、数百キロ にも なります[4]。

速さは、場所で ちがいます。NOAAの せつめいでは、赤道の 近くでは 海を 横ぎるのに 数か月から 1年、太平洋の 中ほどの 場所では 10〜20年 くらい かかると いいます[1]。

こうした 海の 波は、海流や 水温を かえ、海から 空へ 出ていく ねつの りょうに えいきょうする ことが あります。それが 天気に つながる こともあると 考えられて います[4]。

ロスビー波は、大気だけでなく海にも存在します。NASAのジェット推進研究所(JPL)の解説によると、この波は衛星の高度計で見つかりました。海面の高さの変化は10〜20センチほどと小さく、目には見えません。波長は数百キロメートルにおよびます[4]。さらに、この観測では、中緯度での伝わる速さが、以前の考えの2〜3倍だったと報告されています[4]。

伝わるのにかかる時間は、場所によって大きく違います。NOAAの説明では、低い緯度の波は海を横切るのに数か月から1年、太平洋の中緯度で生じる波は10〜20年ほどかかることがあります[1]。

この海の波は、海流や海面水温を変えます。JPLの解説は、それが海から大気への熱の出方を変え、天気にも影響しうると述べています[4]。海と空は、同じ種類の波でつながっている可能性があるのです。

ロスビー波は海洋にも存在し、衛星の高度計による観測で検出された。NASA/JPLの解説では、海面高度の変化は10〜20cm程度、波長は数百km、中緯度での伝播は従来の見積もりの2〜3倍速かった[4]。NOAAは、典型的な海面の変化を約10cmとしており、幅をもって理解する必要がある[1]。

伝播の時間は緯度によって大きく異なる。NOAAでは、低緯度の波が海を横切るのに数か月から1年、太平洋の中緯度で生じる波は10〜20年ほどかかるとされる[1]。低緯度と中緯度では、伝わる時間が1桁以上ちがう。

この波は海流や海面水温を変え、海から大気への熱の放出に影響し、天気にも影響しうると報告されている[4]。海の波が海面水温や熱の放出を変え、天気にも影響することがある。

7. 天気図で、動かない 高気圧こうきあつを さがして みよう

7. 天気図で、居座る高気圧を探してみる

7. 出口 ── 天気図の観察と、資料の読みどころ

毎日、天気図を 見て みましょう。新聞や、気象庁きしょうちょうの ウェブサイトで 見られます。日本の 近くに ある 高気圧こうきあつや 低気圧ていきあつが、何日も ほとんど 動かない ことは ないでしょうか。

1週間ほど 見つづけて、いつもと ちがう 動きを メモに 書いて おきます。もし 動かない 高気圧こうきあつが あったら、それが 「ブロッキング」の なかまかも しれません。ただし、これは 1回の かんさつなので、決めつけは できません。

もっと 知りたく なったら、大人と 一しょに、気象庁きしょうちょうの しりょうや 東京大学の 研究室の せつめいを 開いて みて ください。

気象庁のウェブサイトや新聞の天気図を、1週間ほど毎日見てみましょう。日本の近くの高気圧や低気圧が、ほとんど動かない日が続くことはあるでしょうか。西から東へ次々に入れ替わる様子と、居座る様子を見比べます。

居座りがブロッキングかどうかは、一枚の天気図では決められません。研究者は、もっと広い範囲と期間の資料で判断します。

もっと読みたくなったら、気象庁の季節予報研修テキスト[2]や、東京大学先端研の解説[3]を開いてみてください。

気象庁のウェブサイトや新聞の天気図を1週間ほど毎日見て、高気圧・低気圧の移動を記録する。動きにくい高気圧が見られても、それがブロッキングかどうかは、一枚の天気図では判断できない。ブロッキングは1週間程度以上続く状態と定義されている[3]。

資料を読むなら、蛇行の理論的な位置づけは気象庁の季節予報研修テキスト[2]、事例は東京大学先端研の解説[3]、海の波はNOAA[1]とNASA/JPL[4](英語)の解説が参考になる。2003年・2010年の事例が年ごとにどのような要因の重なりで説明されているかは、さらに調べる価値のある問いだ。

しらべた もとの じょうほう

参考にした情報源

参考にした情報源と、その使い方

出典について:NOAA、気象庁、東京大学先端科学技術研究センター、NASA/JPL、スウェーデン気象水文研究所(SMHI)の解説と、Wikipedia(二次資料)を使った。何に使ったかは、それぞれの項目の最後に書いている。

  1. NOAA National Ocean Service, "What is a Rossby wave?"(英語)。https://oceanservice.noaa.gov/facts/rossby-wave.html (ロスビー波の定義、熱の輸送、海の波の伝わる時間について)
  2. 気象庁 季節予報研修テキスト(2014年講習資料)。https://www.jma.go.jp/jma/kishou/minkan/koushu140227/shiryou.pdf (偏西風の蛇行とロスビー波、停滞する波、ブロッキング、季節予報での扱いについて)
  3. 東京大学先端科学技術研究センター 中村尚研究室 研究紹介。https://www.atmos.rcast.u-tokyo.ac.jp/nakamura_lab/research/research2.html (風が波を押しとどめること、ブロッキング、2003年と2010年の事例について)
  4. NASA/JPL, "Weather-Changing Oceans Waves Charted From Space"(英語)。https://www.jpl.nasa.gov/news/weather-changing-oceans-waves-charted-from-space/ (海のロスビー波の大きさ・速さと、天気への影響について)
  5. SMHI(スウェーデン気象水文研究所)"Vad är en Rossbyvåg"(スウェーデン語)。https://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/artikelserie-fran-vader-och-vatten-om-atmosfarens-allmanna-cirkulation/vad-ar-en-rossbyvag (波の動く速さを決めるものについて)
  6. Wikipedia "Rossby wave"(英語)。https://en.wikipedia.org/wiki/Rossby_wave (名前の由来のロスビーについて。二次資料)

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