【第55回】学科一般・問題8(2021年1月試験)

 図は,年平均した⼤気による熱の北向き輸送量の緯度分布を⽰したものである。この図について述べた次の⽂章の空欄(a)〜(e)に⼊る語句や記号の組み合わせとして正しいものを,下記の①〜⑤の中から1つ選べ。

 ⼤気による顕熱輸送はほぼ極向きであり,⾼緯度ではその輸送量は極に近づくほど⼩さくなっている。つまり⾼緯度の⼤気を(a)していることがわかる。図のB,Cの緯度付近を極⼤・極⼩とする⼤気による顕熱輸送は,主に (b)によって担われ,A,Dの緯度付近を極⼤・極⼩とする⼤気による顕熱輸送は,主に(c)によって担われている。⼀⽅,⼤気による潜熱輸送をみると,図の(d)付近では蒸発した⽔蒸気が南北両⽅向へ輸送され,図の(e)付近では⽔蒸気が収束している。

  (a) (b) (c) (b) (c)
加熱 ハドレー循環 傾圧不安定波 PとR Q
加熱 ハドレー循環 傾圧不安定波 Q PとR
加熱 ウォーカー循環 ハドレー循環 PとR Q
冷却 ハドレー循環 傾圧不安定波 PとR Q
冷却 傾圧不安定波 ウォーカー循環 Q PとR
答え
① (a)加熱 (b)ハドレー循環 (c)傾圧不安定波 (d)PとR (e)Q
解説 基礎知識

まず、問題文に出てきた「ハドレー循環」「傾圧不安定波」「ウォーカー循環」について解説します。

ハドレー循環

ハドレー循環は大気の大循環のひとつ。南北方向の直接循環(相対的に温度が高い地域で上昇、低い地域で下降する循環)です。

傾圧不安定波

傾圧不安定波とは「偏西風帯の波動」です。

高層天気図に見られるように、偏西風は南北に波うっています。

この波動のうち、波長が数千kmのものが地上低気圧・高気圧と結びついて日々の天気に変化をもたらします。

ウォーカー循環

太平洋赤道域で見られる東西の循環です。通常は下層で東風、上層で西風が吹きます。

エルニーニョ現象のときは、この循環が弱くなります。

解説 (a)について
「⼤気による顕熱輸送はほぼ極向きであり,⾼緯度ではその輸送量は極に近づくほど⼩さくなっている。つまり⾼緯度の⼤気を(a)していることがわかる。」

(a)は加熱です。

問題文より、「⼤気による顕熱輸送」の話なので、図の実線グラフに注目します。

縦軸は「北向きの熱輸送量」を表していることから、上半分が「北向きの熱輸送量」、下半分(マイナスの値)は「南向きの熱輸送量」になります。

実線グラフを見ると、左側(北半球)では「北向きの熱輸送量」、右側(南半球)では「南向きの熱輸送量」となっています(※)。

そのため、赤道付近から北極・南極に向かって、それぞれ熱が輸送されていることがわかります。

緯度ごとの熱輸送量を見てみると、北緯50°あたりでは「約3×1012」、北緯70°~80°では「約1×1012」と読み取れます。

つまり、「北緯70°~80°地点から北に向かう熱輸送量」よりも「北緯50°地点から北に向かう熱輸送量」のほうが多いです。

北緯70°~80°地点では、出ていく熱量よりも、低緯度から入ってくる熱量のほうが多いので、大気は加熱されます。

ちなみに

潜熱…状態変化(個体⇔液体⇔気体)に伴う熱。※実際の温度は上がらない

顕熱…温度が上がったり下がったりする時の熱。※実際の温度変化がある

※厳密には、Q点の左側が「北向きの熱輸送量」、Q点の右側が「南向きの熱輸送量」となっているので、北半球でも「南向きの熱輸送量」の所が少しあります。

解説 (b)について
「図のB,Cの緯度付近を極⼤・極⼩とする⼤気による顕熱輸送は,主に (b)によって担われ」

(b)はハドレー循環です。

赤道付近は、太陽放射によって空気が暖められ、強い上昇流が発生しています。

暖められた空気は極側に向かって運ばれますが、コリオリ力の影響を受けるため、緯度30°あたりで下降します。

この赤道~緯度30°付近の循環を「ハドレー循環」といいます。

■参考
東京航空地方気象台「大気大循環とジェット気流」

解説 (c)について
「A,Dの緯度付近を極⼤・極⼩とする⼤気による顕熱輸送は,主に(c)によって担われている。」

(c)は傾圧不安定波です。

A,D付近は中緯度です。

中緯度は「フェレル循環」がありますが、フェレル循環はハドレー循環と極循環にはさまれた「見かけ上の循環」です。

つまり、「赤道と極付近は、温度差による鉛直方向の循環(ハドレー循環と極循環)がある。その間の中緯度では、ハドレー循環と極循環が成り立つような循環がある。」と考えられたのが「フェレル循環」です。

そのため中緯度の熱輸送は、フェレル循環ではなく別の循環です。

中緯度では偏西風が蛇行しながら吹いていて、これにより北側の冷たい空気が南へ、南側の暖かい空気が北へ運ばれます。

偏西風の蛇行、すなわち「偏西風帯の波動」が、熱を輸送しています。

「偏西風帯の波動」は「傾圧不安定波」と呼ばれているので、(c)の答えは傾圧不安定波です。

■参考
筑波大学 計算科学研究センター「ハドレー循環とフェレル循環と温帯低気圧の関係 」

解説 (d)(e)について
「図の(d)付近では蒸発した⽔蒸気が南北両⽅向へ輸送され,図の(e)付近では⽔蒸気が収束している。」

(d)はPとR、(e)はQです。

問題文より、「PとR」と「Q」の一方が「蒸発した⽔蒸気が南北両⽅向へ輸送される地点」、もう一方が「⽔蒸気が収束する地点」だとわかります。

まず「PとR」の特徴を見てみましょう。

「PとR」は大気による潜熱輸送のグラフが0になる地点です。

潜熱は状態変化に伴う熱なので、今回の問題では、水蒸気(気体)⇔水(水)の状態変化に伴う熱のことを指します。

「PとR」の左側では潜熱が北方向に輸送され、右側では潜熱が南方向に輸送されています。

よって「PとR」は「蒸発した⽔蒸気が南北両⽅向へ輸送される地点」です。

次に「Q」の特徴を見てみましょう。

問題文より、⽔蒸気がどのように輸送・収束しているかを考えるため、潜熱輸送に着目します。

「Q」も大気による潜熱輸送のグラフが0になっています。

しかし「PとR」とは異なり、「Q」の左側で南方向、右側で北方向に輸送されています。

「PとR」から、それぞれ「Q」に向かって潜熱輸送があるので、「Q」付近では⽔蒸気が収束しています。

よって「Q」は「⽔蒸気が収束する地点」です。

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