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台風(Typhoon熱帯低気圧)のメカニズム

1.台風の発生

 海面温度が26〜27℃以上になる夏から秋に発生する。下図は熱帯低気圧の発生地域と年間発生数である。赤道直下は海面温度は高いが、コリオリ力がゼロのため発生しない。太平洋、大西洋の東側で数多く発生するのは偏東風のために海面表層の暖かい海水が東側に吹き寄せられるからである。

 2004年3月26日今まで熱帯低気圧が発生したことのないブラジル沖で観測史上初めての台風が発生した。これも地球温暖化の現象か。(2006年2月追記)

 赤道地方では海面から熱を吸収して定常的に積乱雲が発生している。そのとき直径10km程度の上昇気流と下降気流が隣り合った対流セルが生じる。対流のスケールは対流圏の厚さと同レベルが安定で効率がよい。それは縦に細長い対流だと上昇気流と下降気流の摩擦が大きい(乱流の混合による)。一方横に平べったい対流だと効率よく熱を吸い上げることができない。

 この積乱雲のままだと台風にならないが、赤道の少し高緯度側には偏東風(貿易風と呼ばれる)が吹いている。中緯度地方のロスビー循環と同じようなメカニズムでこの中に偏東風波動が生じ、波動の南側には低気圧、北側には高気圧が並んでいる。台風は低気圧部分の積乱雲が大きな渦に集約されて生じる。

 台風が一つずつ時間をおいて発生するのは、台風が海面の熱を根こそぎ吸い上げて奪い去っていくからである。海面温度が日射によりもとにもどるのに時間がかかる。

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2.傾度風とスピンダウン効果

 普通の低気圧(温帯低気圧)や高気圧は圧力傾度コリオリ力がつり合った流れで地衡風と言う。一方、台風(熱帯低気圧)は非常に強い風速を伴った非常に強い回転運動があるので、圧力傾度コリオリ力と共に遠心力ともつり合った流れになる。そのような流れを傾度風という。この傾度風に摩擦力が働くと、以下説明するスピンダウン効果が生じる。これが台風を発達させ非常に強い勢力を保たせる原因になる。

名称 圧力傾度 コリオリ力 遠心力
地衡風   低気圧・高気圧
傾度風 台風(熱帯低気圧)
慣性振動   海洋中の渦
旋衡風 竜巻

(1)地衡風

 地衡風とは低気圧の半径が大きく気圧傾度も小さい場合の流れ。風速も小さいので向心力(あるいは遠心力)は小さいく普通無視できる。[圧力傾度力]と[コリオリ力]がつり合った流れで、等圧線に平行に吹く。

(2)傾度風

 台風の様に風速、気圧傾度が大きく半径が小さくなると円運動のための向心力との釣り合いが重要になってくる。
(A)大地から見ると[気圧傾度力]−[コリオリ力]=[向心力]となり、この向心力が円運動の向心加速度を生じて円運動を実現する。
(B)風とともに動きながら観察すると向心力が消えて見かけの力(慣性力という)の遠心力が現れる。[気圧傾度力]、[遠心力]、[コリオリ力]の3力がつり合うように見える。
地面の摩擦の無い場合の傾度風の力関係を図6に示す。この場合、風は等圧線に平行に吹く。

(3)スピンダウン効果

 図6の状態で空気塊と地面(海面)との間に摩擦力が働くとどうなるか考える。摩擦のために地面(海面)付近の空気塊の風速が落ちてくる。このように摩擦のために速度が遅くなる厚さの領域をエックマンの境界層という。これはもともと風に引きずられて流れる大洋の表層流(いわゆる海流)の厚さのことで、エックマンの吹送流理論の中で展開されたものである。エックマン境界層は様々な流体現象で観察され、そのスケールも様々である。例えば茶碗の中の水をかき回した場合は茶碗の底層1mm程度、風で海水が流される場合表層の水深100m程度、台風の場合高さ1km程度までが、その領域になる。

 摩擦のために風速が遅くなると、遠心力は風速vの二乗に比例して弱まる。コリオリ力も風速vに比例するため小さくなる。その結果、気圧傾度力が変わらなければ内向きの力が大きくなり、等圧線に沿った円運動が保てなくなる。そのため空気塊は等圧線を横切って低圧側に風向きを変える。そうして新たに[気圧傾度力][コリオリ力][遠心力][摩擦力]をつり合わせようとする。このように中心に向かう流れ込みが生じることをスピンダウン効果という。

 スピンダウン効果は茶碗にお茶を入れてハシでかき回してみれば観察できる。底に沈んでいる茶ガラが茶碗の渦巻きの中心に掃き寄せられていくのを見て欲しい。この場合コリオリ力の替わりに遠心力が働くと考える。圧力勾配ができるメカニズムは異なりますが、遠心力と圧力傾度力に加えて茶碗の底でも摩擦力が働き中心向きの流れが生じる事情は同じです。茶碗の場合に圧力勾配が生じるメカニズムは別稿を御覧ください。

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3.台風のメカニズム

 台風領域の1km以上の高空では等圧線にほぼ平行に、中心に対して左周り(北半球)に風が吹く。しかし地表付近では摩擦のためスピンダウン効果が生じて台風の中心に向かって流れ込む風になる。そのとき[気圧傾度力][コリオリ力][遠心力][摩擦力]がつり合っている。

 暖かい海面を吹く風は海面から気化熱を奪いながら水蒸気をたっぷり含んで中心に向かうことになる。台風の中心に集まり行き場を失った空気塊は上昇せざるを得ない。上昇を開始した空気塊は気圧の減少とともに断熱膨張して温度が下がる。気温低下により過飽和になった空気塊は水蒸気の凝縮を始める。そのとき多量の凝縮熱を出し空気塊を暖める。暖まった空気塊は膨張して軽くなるためさらに勢いよく上昇を続ける。以後、断熱膨張→水蒸気の凝縮→潜熱の開放→空気の加熱膨張→上昇気流 が繰り返され激しい上昇気流が生じるとともに多量の雨を降らす。台風が近づくと気温が上昇するのを思い出してほしい。

 渦の中心に行くほど角運動量保存則により渦は強くなる。渦の回転が強い(vが大)ほどコリオリ力、遠心力が大きくなる。だからそれに抗して小さな半径の円運動をさせるためには気圧傾度は大きくなる必要がある。そのため中心の気圧はますます低下する。その低い気圧がさらに周囲の空気を吸い込み上記のメカニズムを強める。

 大気が暖められると膨張して高く積もり、そのために低気圧となる。高く積もると、大気の底が低気圧になる理由については別稿「大気大循環」を御覧ください。
 台風領域では、温帯低気圧(上空は高気圧)と違って、上空も周囲に対して低気圧になっている。しかし台風では遠心力が大きいためその気圧傾度に逆らって空気塊は周囲へ吹き出す。図8参照

 台風は暖かい海面上を吹き抜ける風により、あたかも電気掃除機の様に海面の熱エネルギーを気化熱という形で水蒸気の中に閉じこめ、その中心に向かって吸い集める。中心に向かう原動力がスピンダウン効果である。集めたエネルギーを台風の中で凝縮熱という形で解放して上昇気流を発生させる。上昇気流は断熱膨張により飽和水蒸気をさらに凝縮させて潜熱を解放し上昇気流をさらに強める。台風の中心部には凝縮熱で暖められて膨張した空気が低密度で高く積もるため、地表部はかなりの低気圧になる。その低気圧がさらに周囲の空気を吸い込み、その強大な運動エネルギーを維持する。
 貿易風帯で発生した当初はそんなに強くなかった台風が暖流(黒潮)に乗って北上するとともに次第に発達して強大になり、だいたい北緯20〜25度あたりで最大規模に成長する。何とも目くるめく驚異の大気現象だ。

 台風は北上につれて、やがて海面温度の低い領域に入り、また陸に上陸して水蒸気や気化熱の供給を絶たれる。そのため日本本土に上陸する頃から次第に勢力を弱め、最後には温帯低気圧となる。

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