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台風の基礎知識

第1回  台風の基礎知識

執筆者

上野 充
電気通信大学講師、横浜国立大学講師 理学博士
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台風とはどんなもの?

台風が巨大な空気の渦巻きであることは、ご存知の方も多いでしょう。台風は熱帯や亜熱帯の海洋上で発生し発達する、「熱帯低気圧(tropical cyclone)」の北西太平洋域での呼び名です。同じ北太平洋でも、東経180度より東側や北大西洋では「ハリケーン」と呼ばれますし、インド洋や南太平洋域では「サイクロン」と呼ばれています。しかし、基本的には同じ大気現象ですから、共通の呼び方があると便利です。その共通の呼び方に相当するのが、「熱帯低気圧」です。気象業務上は、最大風速(10分平均の地上風速の最大値)が秒速17m(34ノット)以上に達した熱帯低気圧だけを「台風」と呼びます。したがって、天気予報などで報じられる「台風の発生」は、何もなかったところに急に空気の渦巻きが生じたということではなく、熱帯低気圧が次第に発達して、最大風速が秒速17mに達したことを意味しています。

単に空気の渦巻きと言ったら竜巻を連想する方も多いかも知れませんが、台風と竜巻では、大きさや寿命だけでなく発生のしくみや構造もかなり異なっています。例えば大きさについて言えば、竜巻が数百mの広がりをもつ現象であるのに対し、台風は小さいものでも数百km、大きいものになると数千kmにも及びます。こんな巨大な空気の渦巻きがどうしてできるのでしょうか。

実は、今でも台風の発生のしくみについてはそれほどよくわかっていません。それでもひとつだけはっきりと言えることがあります。竜巻とは異なり、台風の発生には地球の自転が深く関わっているということです。そのことを最も端的に表しているのが、渦巻きの向きが北半球と南半球では異なることです。もし北極上空や南極上空の宇宙空間から地球が回転する様子を眺めたとすれば、地球はそれぞれ反時計回り、時計回りに1日にほぼ1回転というペースで回転している様子が見えるはずです。(図1)は、赤道をはさんで北半球側と南半球側にほぼ同時に発生した、熱帯低気圧の雲画像です。まるで地球の回転が乗り移ったかのように北半球の熱帯低気圧(台風)は反時計回りに、また南半球の熱帯低気圧(サイクロン)は時計回りに渦を巻いています。

台風が発生するための条件

地球の自転と台風の渦巻きの関係について、もう少し詳しくみていきましょう(分かりやすくするために、すべての熱帯低気圧を台風と呼ぶことにします)。台風は熱帯や亜熱帯の海上で発生し、北半球と南半球で渦巻きの向きが異なることはすでに説明しましたが、ここでひとつ疑問がわきます。それは、熱帯でありながら北半球とも南半球とも言えない赤道直下の台風は、一体どちら向きに回転するのか、ということです。実は、赤道付近で台風が発生することはめったにありません。図2の画像は、1945年から2006年までの間に発生した、台風の移動経路を示したものです。赤道をはさんだ南緯5度から北緯5度くらいの範囲は、台風発生の空白地帯であることがわかります。

なぜ赤道近くでは台風が発生しにくいのかを理解するための第一歩として、今度は赤道上空の宇宙空間から、地球を眺めた場合を想像してみて下さい。北極上空や南極上空から眺めた場合と異なり、直下の地表面(海面)は地球の自転に伴いひたすら西から東へ移動するだけです。つまり北極や南極と異なり、赤道上では地表面は鉛直軸まわりの回転成分を持っていません。鉛直軸まわりの地表面の回転の度合いを表す係数をコリオリ係数と言いますが、北半球ではコリオリ係数は北極で最大で、緯度が低くなるにつれて小さくなり、赤道ではゼロになります。図2の画像は、台風の発生にはある程度の大きさのコリオリ係数が必要であることを示唆しています。地表面が鉛直軸のまわりに回転しているということは、たとえ無風状態であっても、宇宙空間からみれば大気は回転運動をしていることを意味しています。この回転運動の有無が、台風の発生にとって重要なのです。

(図2)をよく見ると、台風が発生してもよさそうな海域であるにもかかわらず、南太平洋東部や南大西洋では全くと言っていいほど発生が見られません。これはコリオリ係数の大小では説明がつきません。海域によって台風の発生状況が全く異なるというこの事実は、台風が発生するのが海洋上であることと密接に結びついています。

(図1)のような衛星写真を見れば一目瞭然ですが、台風はたくさんの雲(積乱雲)の集合体です。実際、台風の運動エネルギーを作り出しているのは、水蒸気が凝結し積乱雲が成長する際に発生する凝結熱です。大気中に水蒸気がたくさん含まれるほど、台風の発生や発達にとって好都合ということになります。水蒸気の主要な供給源である海洋上の大気は、陸上の大気に比べてはるかに多くの水蒸気を含んでおり、同じ海洋上でも温度が高いほど大気に含まれる水蒸気量は大きなものになります。これまでの研究によれば、台風が発生するためには、ある程度広い範囲にわたって海面水温が26℃以上であることが必要です。台風が発生することがほとんどない南太平洋東部や南大西洋は、大陸の西岸に沿って流れる寒流の影響もあり、この条件を満たしていないのです。

台風の温度分布の特徴

コリオリ係数や海面水温以外にも、台風の発生や発達を左右する要因がいくつかあります。その中でも特に注目されているのが、熱帯や亜熱帯で吹いている大規模な風の分布です。大規模な風が対流圏の上部と下部でどれくらい異なっているかを表す指標に、「環境風の鉛直シアー」と呼ばれるものがあります。環境風の鉛直シアーが大きいと、台風を流す風が対流圏の上部と下部で大きく異なることになり、台風の温度分布の特徴である暖気核(後出)を維持するのが困難だと考えられているのです。環境風の鉛直シアーは、気温が水平に大きく変化している場所で大きいことが知られています。中緯度は熱帯や亜熱帯と異なり気温が南北に大きく変化しており、それだけ環境風の鉛直シアーが大きい状態にあります。海面水温が低いだけでなく環境風の鉛直シアーが大きいという点でも、中緯度は台風の発生や発達には適していない場所だと言えるのです。

台風が日本付近の地上天気図に顔を出すのは、主として夏から秋にかけての比較的短い期間です。これは温帯低気圧が季節にかかわりなく、毎日のように天気図に現れるのとは対照的です。地上天気図に描かれた台風は、温暖前線や寒冷前線などの前線を伴わないことや、等圧線の形状がほぼ円形で中心近くでは等圧線が密集していることなどから、温帯低気圧とすぐに区別がつきます。台風を表す等圧線が中心部で密集していることは、中心に近づくと急速に気圧が低下することを意味しています。気圧は上空の空気の重さだとみなせますので、気圧が低いということは、それだけ上空の空気が軽く、気温が高いということです。

したがって、中心に近づくと急速に気圧が低下するということは、中心に近づくと急速に上空の気温が高くなっていることを意味しています。実際、台風中心部は地上付近から対流圏上部に至るまでのどの高度においても、周囲に比べて気温がかなり高い暖気核構造をしています。対流圏上部では、台風中心部と周辺部の温度差が特に大きく、十分に発達した台風の場合、20℃前後の温度差が観測されることもあります。水平方向に温度変化の乏しい熱帯や亜熱帯で、一体どのようにして暖気核という大きな温度変化をもつ大気現象が存続することができるのでしょうか。その謎を解く鍵は、暖気核と一体になった台風の風の分布にあります。

台風の燃料補給のしくみ

一般的にある程度大きなスケールの気象現象になると、風と気温の分布は互いに密接に結びついており、片方が分かれば他方を近似的に導き出すことができます。台風も例外ではなく、暖気核構造から「台風の中心を取り巻く反時計回りの風の回転速度は、地表面近くで最大で、上空に行くほど小さい」という風の分布を導き出すことができます。しかし地表面近くでは、地表面との摩擦により風が強いほど多くの運動エネルギーを奪われてしまいます。それなのに、台風はどうして何日間も強い勢力を維持したり、場合によってはさらに発達したりすることができるのか、という疑問が生まれます。

この疑問に答えるためには、地表面摩擦がもたらすもう1つの効果に注目する必要があります。地表面摩擦は、確かに地表面(海面)のすぐ上の回転風を弱めてしまいますが、それと引き換えに、地表面近くに台風の中心部に向かう空気の流れであるインフローを生成します(図3)。インフローは海面近くで積乱雲の燃料である水蒸気をかき集めて、台風中心部の積乱雲群(アイウォール)に輸送する働きがあります。燃料の補給を受けたアイウォールは、凝結熱を出すことで引き続き暖気核を維持することができるというわけです。回転風が強いほど海面から蒸発する水蒸気の量が増え、インフローも強くなります。これは台風がさらに発達して、より多くの燃料(水蒸気)が必要になってもそれをしっかりとサポートするしくみが存在するということです。南北の温度差をエネルギー源とする温帯低気圧は、水蒸気がなくても発生し発達することが可能ですが、水蒸気が生命線である台風はそういうわけにはいきません。燃料である水蒸気を持続的に補給できるしくみが存在してはじめて、台風という大気現象が成立するとも言えるのです。

(図3)に示すように、アイウォールが存在するのは台風の中心ではなく、中心から少しだけ(距離で言えば10~100km程度)離れた場所です。アイウォールで囲まれた台風の中心は、「台風の眼」と呼ばれる雲がほとんどない領域です。台風の眼の中には、下降流が存在することが知られています。また、下降流に伴う空気の断熱圧縮は、暖気核の形成要因の1つだと考えられています。しかし、台風の眼が形成されるしくみについてはまだ十分に解明されているわけではありません。

(2013年8月30日 更新)