気象学

気象学は、地球の大気と短期的な大気現象（すなわち天気）を科学的に研究する学問であり、天気予報に重点を置いています。[ 1 ]気象学は、軍事、航空、エネルギー生産、輸送、農業、建設、気象警報、災害管理などに応用されています。

気候学、大気物理学、大気化学、そして超高層大気文学とともに、気象学は大気科学のより広範な分野を形成しています。地球の大気と海洋の相互作用（特にエルニーニョとラニーニャ）は、水文気象学という学際的な分野で研究されています。その他の学際的な分野には、生物気象学、宇宙天気、惑星気象学などがあります。海洋天気予報は、大気と大規模な水域との相互作用に基づいて、気象学と海上および沿岸の安全を結び付けます。

気象学者は、太陽放射、地球の自転、海流、その他の要因によって引き起こされる気象現象を研究します。これらには、雲、降水量、風のパターンなどの日常の天気と、熱帯低気圧や厳しい冬の嵐などの深刻な気象現象が含まれます。このような現象は、温度、圧力、湿度などの変数を使用して定量化され、その後、局所的 (ミクロスケール)、地域的 (メソスケールおよび総観スケール)、および地球規模の天気を予測するために使用されます。気象学者は、温度計、気圧計、風見鶏(地表レベルの測定用) などの基本的な機器と、気象衛星、気球、偵察機、ブイ、レーダーなどの高度なツールを使用してデータを収集します。世界気象機関(WMO) は、気象研究の国際標準化を確実にします。

気象学の研究は数千年も前に遡る。古代文明は民間伝承、占星術、宗教儀式を通じて天気を予測しようとした。アリストテレスの論文『気象学』は、この分野の初期の観察をまとめたもので、中世初期にはほとんど進歩しなかったが、ルネサンス期にアルハザンとルネ・デカルトが科学的手法を重視してアリストテレス理論に異議を唱えたことで復活した。18世紀には、正確な測定ツール（気圧計や温度計など）が開発され、最初の気象学会が設立された。19世紀には、電信に基づく気象観測ネットワークが広い地域にわたって形成された。[ 2 ] 20世紀には、数値天気予報（NWP）と高度な衛星およびレーダー技術が相まって、洗練された予報モデルが導入された。[ 3 ]その後、コンピューターが膨大なデータセットをリアルタイムで処理し、モデリング方程式を自動的に解くことで、予報に革命をもたらした。 21世紀の気象学は、ビッグデータとスーパーコンピューティングによって高度に高精度化されています。機械学習、アンサンブル予報、高解像度の全球気候モデリングといった革新的な技術が採用されています。[ 4 ]気候変動によって引き起こされる異常気象は、予報と研究に新たな課題をもたらします。[ 5 ]一方、大気の混沌とし​​た性質（バタフライ効果参照）のために、固有の不確実性は依然として残ります。[ 6 ]

語源

気象学という言葉は、古代ギリシャ語のμετέωρος metéōros (流星) と-λογία -logia ( -(o)logy ) に由来し、「空高くにあるものの研究」を意味します。

歴史

アリストテレス時代までの古代気象学

サヴォワのパルヘリオン（サンドッグ）

初期の天気予測の試みは、予言や占いと関連していることが多く、時には占星術的な考えに基づいていました。古代宗教では、気象現象は神々の支配下にあると信じられていました。[ 7 ]年間周期に基づいて雨や洪水を予測する能力は、少なくとも農業が始まった時代から、あるいはそれ以前から人類によって利用されていたようです。初期の天気予測のアプローチは占星術に基づいており、司祭によって実践されていました。エジプト人は紀元前3500年頃にはすでに雨乞いの儀式を行っていました。 [ 7 ]

古代インドのウパニシャッドには雲や季節についての記述がある。[ 8 ]サマヴェーダには特定の現象が観察された際に供儀を行うと記されている。[ 9 ]ヴァラーハミヒラの古典『ブリハトサンヒタ』は西暦500年頃に書かれたもので、[ 8 ]気象観測の証拠を提供している。

バビロニアの粘土板に刻まれた楔形文字の碑文には、雷と雨との関連が記されていた。カルデア人は22度と46度の光輪を区別していた。[ 9 ]

古代ギリシャ人は、天気についての理論を立てた最初の人々でした。多くの自然哲学者が天気を研究しました。しかし、気象観測機器が存在しなかったため、研究は主に定性的なもので、より一般的な理論的推測によってしか判断できませんでした。[ 7 ] : 8 ヘロドトスは、タレスが紀元前585年の日食を予言したと述べています。彼はバビロニアの春分点表を研究しました。 [ 7 ] : 11 セネカによると、彼はナイル川の毎年の洪水の原因は北風が海からの川下りを妨げるためだと説明しました。[ 7 ] : 4 アナクシマンドロスとアナクシメネスは、雷と稲妻は空気が雲にぶつかって炎が燃え上がることによって発生すると考えました。初期の気象理論では、一般に大気中に火のような物質があると考えられていました。アナクシマンドロスは風を空気の流れと定義しましたが、これは何世紀にもわたって一般には受け入れられませんでした。[ 7 ] : 5 夏の雹を説明する理論は、アナクサゴラスによって初めて提唱された。彼は、高度が上昇するにつれて気温が下がり、雲が水分を含むことを観察した。また、熱によって物体が上昇するため、夏の日の熱が雲を水分が凍る高度まで押し上げることにも気づいた。[ 7 ] : 6 エンペドクレスは季節の変化について理論化した。彼は、大気中で火と水が互いに対立し、火が優勢になると夏が、水が優勢になると冬が来ると信じた。デモクリトスはナイル川の氾濫についても書いている。彼は、世界の北部の雪が夏至の間に溶けると述べた。これにより水蒸気が雲になり、北風によってナイル川に運ばれて嵐が発生し、湖やナイル川が満たされる。[ 7 ] : 8 ヒポクラテスは天候が健康に与える影響を調査した。エウドクソスは、プリニウスによれば悪天候は4年ごとに起こると主張した。[ 7 ] : 9

アリストテレス気象学

これらの初期の観察は、紀元前350年に書かれたアリストテレスの『気象学』の基礎となりました。 [ 7 ] : 11 [ 10 ]アリストテレスは気象学の創始者とみなされています。[ 11 ]『気象学』に記された最も印象的な業績の一つ​​は、現在では水循環として知られているものの記述です。彼の著作は、その後2000年近くも気象学の権威として語り継がれました。[ 12 ]

『宇宙について』（紀元前250年以前、または紀元前350年から200年の間に書かれた）には次のように記されている。[ 13 ]

閃光体が燃え上がり、激しく地面に突進する時は雷鳴と呼ばれます。もし半分だけ火がついていても、激しく、質量も大きければ、流星と呼ばれます。もし全く火が付いていなければ、煙を吐く稲妻と呼ばれます。これらはすべて、地面に急降下するため、「急降下する稲妻」と呼ばれます。稲妻は煙を吐くことがあり、その場合は「くすぶる稲妻」と呼ばれます。また、素早く走る場合は「鮮やかな」稲妻と言われます。また、曲がった線を描く場合は「二股の稲妻」と呼ばれます。何かの物体に急降下する場合は、「急降下する稲妻」と呼ばれます。

アリストテレス以降、気象学の進歩は長らく停滞していた。テオプラストスは天気予報に関する『兆候の書』と『風について』を編纂した。彼は1年までの気象現象の兆候を数百個示した。[ 7 ] : 25 彼のシステムは、1年をプレアデス星団の昇りと沈みで分割し、さらに夏至と冬至と春分で半分に分け、それらの期間の天候の継続性に基づいていた。また、天候の変化が起きそうな見込みで月を新月、4日目、8日目、満月に分けた。1日は日の出、午前中、正午、午後半ば、日没に分け、それぞれに対応する夜の区分があり、これらの区分のいずれかで変化が起きそうだった。[ 7 ] : 25 これらの区分と年間の天候のバランスの原則を適用して、彼は、冬に雨が多く降ると春はたいてい乾く、といった予報を考案した。動物の行動に基づく規則も彼の著作に見られ、例えば犬が地面を転がれば嵐の兆候であるとされています。流れ星や月も重要な意味を持つと考えられていました。しかし、彼はこれらの現象を説明しようとはせず、アリストテレス的な方法のみを参照しました。[ 7 ] : 26 テオプラストスの著作は、その後2000年近くも天気予報に大きな影響を与え続けました。[ 14 ]

アリストテレス以降の気象学

気象学は何世紀にもわたって研究と発展を続けてきましたが、この分野に大きな進歩がもたらされたのは、14世紀から17世紀のルネサンス時代になってからでした。ガリレオやデカルトといった科学者たちが新たな手法や考え方を提示し、気象学における科学革命へとつながりました。

プロクロスによれば、エラトステネスが、人類がナイル川の水源地に行って雨を観察していたことは知られていると述べたことでナイル川の洪水の原因に関する憶測は終わったが、その意味についての関心は続いていた。[ 7 ] : 26

ローマ支配下のギリシャとヨーロッパの時代には、気象学に対する科学的関心は薄れていった。紀元前1世紀には、ほとんどの自然哲学者が雲や風は111マイルまで広がると主張したが、ポセイドニオスは、雲や風は5マイルまでで、それを超えると空気は澄んで液体状になり、明るくなると考えていた。彼はアリストテレスの理論に忠実に従った。紀元前2世紀末までに、科学の中心はアテネから、古代アレクサンドリア図書館のあるアレクサンドリアに移った。紀元後2世紀には、プトレマイオスの『アルマゲスト』で気象学が取り上げられた。これは、気象学が天文学の一部であると考えられていたためである。彼はいくつかの占星術的な天気予報を行った。[ 7 ]彼は、 照度によって気候帯に分けた世界地図を作成し、その中で、赤道と北極の間では、気候帯ごとに夏至の長さが30分長くなるようにした。[ 7 ] : 28 プトレマイオスは天文観測の文脈で大気中の光の屈折について書いた。 [ 15 ]

紀元25年、ローマの地理学者ポンポニウス・メラが気候帯システムを公式化した。[ 16 ]紀元63～64年、セネカは『博物誌』を著した。これは古代ギリシャの理論を集大成し、統合したものである。しかし、セネカにとって最も重要だったのは神学であり、雷などの現象は運命と結びついていると信じていた。[ 7 ] : 29 大プリニウスの『博物誌』の第2巻（第3章）は気象学を扱っている。彼は20人以上の古代ギリシャの著者が気象学を研究したと述べている。彼は個人的な貢献はなく、彼の著作の価値はセネカの著作と同様に、以前の推測を保存していることにある。[ 7 ] : 30

ベイカービーチの夕暮れ

400年から1100年にかけて、ヨーロッパにおける科学的学問は聖職者によって保存されていました。セビリアのイシドールスは、 『語源論』、『創造物の秩序について』 、『自然について』において気象学に多大な関心を寄せました。ベーダは703年に『自然について』で気象について著した最初のイギリス人でした。この作品は当時存在していた古典文献の要約でした。しかし、アリストテレスの著作は『気象学』を含め、12世紀まで大部分が失われていました。イシドールスとベーダは科学的な思考を持っていましたが、聖書の文言に忠実でした。[ 7 ] : 30

イスラム文明は多くの古代の著作をアラビア語に翻訳し、それが西ヨーロッパに伝わりラテン語に翻訳された。[ 7 ]：31

9世紀、アル＝ディナワリーは『キタブ・アル＝ナバート』（植物の書）を著し、アラブ農業革命期における気象学の農業への応用について論じています。彼は、空の気象学的特徴、惑星と星座、太陽と月、季節と雨を示す月の満ち欠け、アンワ（雨の天体）、そして風、雷、稲妻、雪、洪水、谷、川、湖といった気象現象について記述しています。[ 17 ] [ 18 ]

1021年、アルハゼンは光学辞典の中で、薄明は大気の屈折によっても生じることを示しました。彼は薄明は太陽が地平線から19度下になった時に始まると推定し、これに基づいた幾何学的決定を用いて、地球の大気圏の最大高度を52,000パスシム（約49マイル、または79キロメートル）と推定しました。[ 19 ]

バースのアデラードは古典の初期の翻訳者の一人であった。彼は著書『自然に関する問い』の中で気象学についても論じている。彼は、密度の高い空気が風という形で推進力を生み出すと考えていた。雷は雲の中で氷が衝突し、夏には溶けることで発生すると説明した。13世紀には、アリストテレス理論が気象学において再び優位に立った。その後4世紀にわたり、気象学の研究は概して注釈的なものであった。1650年までに『気象学』に関する注釈書が156冊以上書かれたと推定されている。[ 7 ] : 22

中世思想においては、実験的証拠よりも古典や権威への訴えかけが重視された。13世紀、ロジャー・ベーコンは実験と数学的アプローチを提唱した。著書『大宇宙論』では、大気は水、空気、火から構成されるというアリストテレスの理論を光学と幾何学的証明によって補完した。彼はプトレマイオスの気候帯は地形に合わせて調整する必要があると指摘した。[ 7 ] : 33

アルベルトゥス・マグヌスは、降り注ぐ雨粒の一つ一つが小さな球形をしており、この形状から虹は光がそれぞれの雨粒と相互作用することで生じると初めて提唱した人物である[ 20 ] 。ロジャー・ベーコンは、虹の角度の大きさを初めて計算した人物である。彼は、虹の頂上は地平線から42度以上上には現れないと述べた[ 21 ] 。

13世紀後半から14世紀初頭にかけて、カマール・アル＝ディーン・アル＝ファリスィーとフライベルクのテオドリックは、主虹現象について初めて正しい説明を与えました。テオドリックはさらに、副虹についても説明しました。[ 22 ]

16世紀半ばまでに、気象学は二つの方向に発展しました。一つは『メテオロロギカ』に基づく理論科学、もう一つは占星術による天気予報です。自然の兆候に基づく疑似科学的な予報は人気を博し、教会や諸侯の保護を受けました。これは、レギオモンタヌス、レオナルド・ディッグス、ヨハネス・ケプラーといった科学者によって支持されました。しかし、懐疑的な人もいました。14世紀には、ニコラ・オレームが天気予報は可能だが、その法則は当時は未知であると考えていました。占星術が気象学に与える影響は18世紀まで続きました。[ 7 ] : 33

ジェロラモ・カルダーノの『昇華論』（1550年）は、アリストテレス理論の根本的な側面に異議を唱えた最初の著作であった。カルダーノは、土、空気、水の三つの基本元素のみが存在すると主張した。彼は火を軽視した。火は拡散するために物質を必要とし、何も生み出さないからである。カルダーノは、空気には自由空気と閉鎖空気の二種類があると考えていた。前者は無生物を破壊し、生物を保護する一方、後者はその逆の効果を持つとされた。[ 7 ] : 36

ルネ・デカルトの『方法序説』（1637年）は、気象学における科学革命の始まりを象徴する。彼の科学的方法は4つの原則から成っていた。それは、真実であると明確に確信できるもの以外は決して受け入れないこと、あらゆる困難な問題を小さな問題に分割して取り組むこと、常に関係性を探しながら、単純なものから複雑なものへと進むこと、そして偏見を持たずに可能な限り完全かつ徹底的であることである。[ 7 ] : 37

付録『流星群』において、彼はこれらの原理を気象学に応用した。彼は地上の物体とそこから発生する水蒸気について論じ、水滴と風から雲が形成され、それが雨、雹、雪へと変化していく過程を説明した。また、光が虹に及ぼす影響についても論じた。デカルトは、あらゆる物体は様々な形状と織り合わせを持つ小さな粒子で構成されていると仮説を立てた。彼の理論はすべてこの仮説に基づいていた。彼は、雨は雲が空気に収まりきらないほど大きくなることで発生すると説明し、空気が雲を溶かすほど暖かくない場合は雪になり、冷たい風に当たると雹になると説明した。デカルトの先人たちと同様に、彼の方法は演繹的であった。当時、気象観測機器はまだ開発されておらず、広く利用されていなかったためである。彼は気象学に直交座標系を導入し、自然科学における数学の重要性を強調した。彼の業績によって、気象学は物理学の正当な一分野として確立された。[ 7 ] : 37

18世紀には、温度計と気圧計が発明され、気温と気圧のより正確な測定が可能になり、大気のプロセスに対する理解が深まりました。また、この世紀には、1780年に世界初の気象学会であるパラティーナ気象学会が設立されました。[ 23 ]

19世紀には、電信や写真といった技術の進歩により、気象観測網が整備され、嵐の追跡が可能になりました。さらに、科学者たちは気象予測に数学モデルを用いるようになりました。20世紀にはレーダーや衛星技術が発展し、気象システムの観測・追跡能力が大幅に向上しました。さらに、気象学者や大気科学者は、最初の天気予報や気温予測を行い始めました。[ 24 ]

20世紀と21世紀には、コンピュータモデルとビッグデータの登場により、気象学は数値解析とコンピュータシミュレーションへの依存度が高まりました。これにより、天気予報と気候予測は飛躍的に向上しました。さらに、気象学は大気質、大気化学、気候学といった他の分野にも広がりを見せています。観測技術、理論技術、そして計算技術の進歩により、より正確な気象予測、気象パターンや大気汚染の理解が可能になりました。現代では、気象予報と衛星技術の進歩により、気象学は日常生活に不可欠な要素となり、航空、農業、防災など、様々な分野で活用されています。

機器と分類尺度

半球形カップ風速計

1441年、世宗大王の息子で朝鮮の文宗大君が、世界初の標準化雨量計を発明した。[25] これらは朝鮮王朝全土に送られ、農民の収穫量に基づいて地租を算定するための公式の道具となった。1450年、レオーネ・バッティスタ・アルベルティが振動板式風速計を開発し、世界初の風速計として知られるようになった。[ 26 ] 1607年、ガリレオ・ガリレイが温度計を製作した。1611年、ヨハネス・ケプラーが雪の結晶に関する初の科学論文「六角形の雪の新年の贈り物」を執筆した。[ 27 ] 1643年、エヴァンジェリスタ・トリチェリが水銀気圧計を発明した。[ 26 ] 1662年、クリストファー・レン卿は機械式の自動排水機能付き転倒マス式雨量計を発明した。1714年、ガブリエル・ファーレンハイトは水銀温度計を用いて温度を測定するための信頼性の高い尺度を作成した。[ 28 ] 1742年、スウェーデンの天文学者アンデルス・セルシウスは現在の摂氏温度尺度の前身となる「摂氏」温度尺度を提案した。[ 29 ] 1783年、最初の毛髪湿度計がオラス・ベネディクト・ド・ソシュールによって実証された。1802年から1803年にかけて、ルーク・ハワードは『雲の変化について』を執筆し、雲の種類にラテン語名を割り当てた。[ 30 ] 1806年、フランシス・ボーフォートは風速を分類する独自のシステムを発表した。[ 31 ] 19世紀末には、最初の雲地図帳が出版されました。その中には、それ以来ずっと出版され続けている国際雲地図帳も含まれています。1960年4月に打ち上げられた最初の気象衛星TIROS-1は、気象情報が地球規模で利用可能になった時代の幕開けとなりました。

大気組成研究

1648年、ブレーズ・パスカルは、大気圧が高度とともに減少することを再発見し、大気圏上には真空があると推論した。[ 32 ] 1738年、ダニエル・ベルヌーイは『流体力学』を出版し、気体運動論の着手と気体理論の基本法則を確立した。[ 33 ] 1761年、ジョセフ・ブラックは、氷が融解する際に温度を変えずに熱を吸収することを発見した。1772年、ブラックの弟子ダニエル・ラザフォードは窒素を発見し、これをフロギストン化空気と呼び、二人でフロギストン説を発展させた。[ 34 ] 1777年、アントワーヌ・ラボアジエは酸素を発見し、燃焼の説明を発展させた。[ 35 ] 1783年、ラヴォアジエは論文「フロギストンについての考察」[ 36 ]でフロギストン説を否定し、熱量説を提唱した。[ 37 ] [ 38 ] 1804年、ジョン・レスリーは、黒く艶消しされた表面の方が磨かれた表面よりも熱を放射することを観察し、黒体放射の重要性を示唆した。 1808年、ジョン・ドルトンは著書「新化学体系」で熱量説を擁護し、熱量説が物質、特に気体とどのように結びつくかを説明し、気体の熱容量は原子量に反比例して変化すると提唱した。 1824年、サディ・カルノーは熱量説を用いて蒸気機関の効率を分析し、可逆過程の概念を考案し、自然界にはそのようなものは存在しないと仮定して熱力学第二法則の基礎を築いた。 1716 年、エドモンド・ハレーは、オーロラは地球の磁力線に沿って移動する「磁気排出物」によって引き起こされると提唱しました。

サイクロンと気流の研究

地球の大気の大循環: 偏西風と貿易風は地球の大気の循環の一部です。

1494年、クリストファー・コロンブスは熱帯低気圧に遭遇し、これがヨーロッパで初めてハリケーンに関する記録となった。[ 39 ] 1686年、エドモンド・ハレーは貿易風とモンスーンの体系的な研究を発表し、大気の運動の原因は太陽熱であると特定した。[ 40 ] 1735年、ジョージ・ハドレーは貿易風の研究を通じて地球規模の循環の理想的な説明を書いた。[ 41 ] 1743年、ベンジャミン・フランクリンはハリケーンのために月食を見ることができなかったが、低気圧はその周辺の風と逆方向に移動すると結論付けた。[ 42 ]地球の自転が空気の流れに正確にどのように影響するかについての運動学の理解は、当初は不完全だった。ガスパール＝ギュスターヴ・コリオリは1835年に水車などの回転部品を持つ機械のエネルギー収率に関する論文を発表した。[ 43 ] 1856年、ウィリアム・フェレルは中緯度に循環細胞が存在し、その内部の空気がコリオリの力によって偏向し、偏西風が生じると提唱した。 [ 44 ] 19世紀後半には、等圧線に沿った気団の動きは、圧力傾度力と偏向力の大規模な相互作用の結果であると理解されるようになった。1912年までに、この偏向力はコリオリの力と名付けられました。[ 45 ]第一次世界大戦直後、ヴィルヘルム・ビャークネス率いるノルウェーの気象学者グループは、中緯度低気圧の発生、激化、そして最終的な衰退（ライフサイクル）を説明するノルウェー低気圧モデルを開発し、気団間の明確に定義された境界である前線の概念を導入した。[ 46 ]このグループには、カール・グスタフ・ロスビー（流体力学の観点から大規模な大気の流れを初めて説明した人物）、トル・ベルジェロン（雨の形成方法を初めて決定した人物） 、ヤコブ・ビャクネスが含まれていた。

観測ネットワークと天気予報

発生高度による雲の分類
この「世界の降水図」は、1848 年にAlexander Keith Johnstonによって初めて出版されました。
この「ヨーロッパの降水図」も 1848 年に「The Physical Atlas」の一部として出版されました。

16 世紀後半から 17 世紀前半にかけて、温度計、気圧計、比重計、風速計、雨量計など、さまざまな気象観測機器が発明されました。1650 年代には、自然哲学者がこれらの機器を使用して気象観測を体系的に記録し始めました。科学アカデミーは気象日誌を作成し、観測ネットワークを組織しました。[ 47 ] 1654 年、フェルディナンド 2 世デ メディチは、フィレンツェ、クティリアーノ、ヴァッロンブローザ、ボローニャ、パルマ、ミラノ、インスブルック、オスナブリュック、パリ、ワルシャワの気象観測所からなる最初の気象観測ネットワークを設立しました。収集されたデータは定期的にフィレンツェに送信されました。[ 48 ] 1660 年代には、ロンドン王立協会のロバート フックが気象観測者のネットワークを後援しました。ヒポクラテスの著書『気・水・場所』は、天候と病気を結びつけていました。そのため、初期の気象学者は、気象パターンと疫病の発生、そして気候と公衆衛生との関連性を探ろうとしました。[ 47 ]

啓蒙時代の気象学者は、占星気象学を含め、伝統的な気象伝承の合理化を試みた。しかし、気象現象の理論的理解を確立しようとする試みもあった。エドモンド・ハレーとジョージ・ハドレーは貿易風を説明しようとした。彼らは、上昇する赤道上の加熱された空気の塊が、高緯度からの冷たい空気の流入に置き換わると推論した。高高度における赤道から極への暖かい空気の流れは、今度は循環の初期の図を確立した。気象観測者の間の規律の欠如と機器の質の悪さに対する不満から、近代初期の国民国家は大規模な観測ネットワークを組織するに至った。こうして、18世紀末までに、気象学者は大量の信頼できる気象データにアクセスできた。[ 47 ] 1832年、電磁電信機がシリング男爵によって作成された。[ 49 ] 1837年に電信機が登場したことで、初めて広範囲の地表気象観測データを迅速に収集する実用的な方法が可能になった。 [ 50 ]

このデータは、地表近くの地域の大気の状態の地図を作成し、これらの状態が時間の経過とともにどのように変化したかを調べるために使用できます。これらのデータに基づいて頻繁に天気予報を行うには信頼性の高い観測ネットワークが必要でしたが、スミソニアン協会がジョセフ・ヘンリーのリーダーシップの下、米国全土に観測ネットワークを構築し始めたのは1849年になってからでした。[ 51 ]同様の観測ネットワークがヨーロッパでもこの頃に構築されました。ウィリアム・クレメント・レイ牧師は巻雲の理解とジェット気流の初期の理解に重要な役割を果たしました。[ 52 ] 'CKM'ダグラスとして知られるチャールズ・ケネス・マッキノン・ダグラスは、レイの死後に彼の論文を読んで、気象システムの初期の調査を継続しました。[ 53 ] 19世紀の気象学者は、専門の科学者として訓練された人ではなく、軍人や医師の出身者でした。[ 54 ] 1854年、英国政府はロバート・フィッツロイを商務省気象統計官に任命し、海上での気象観測を任務とさせた。フィッツロイの事務所は1854年に英国気象庁となり、世界で2番目に古い国立気象機関となった（オーストリアの中央気象地球力学研究所（ZAMG）は1851年に設立され、世界最古の気象機関である）。フィッツロイの事務所による最初の毎日の天気予報は1860年にタイムズ紙に掲載された。翌年、強風が予想されると主要な港で暴風雨警報コーンを掲揚するシステムが導入された。

フィッツロイは「天気予報」という用語を作り出し、科学的なアプローチと予言的なアプローチを区別しようとした。[ 55 ]

その後50年間で、多くの国が国立気象サービスを設立しました。インド気象局（1875年）は、熱帯低気圧とモンスーンを追跡するために設立されました。[ 56 ]フィンランド気象中央局（1881年）は、ヘルシンキ大学磁気観測所の一部から設立されました。[ 57 ]日本の東京気象台（気象庁の前身）は、1883年に地上天気図の作成を開始しました。[ 58 ]米国気象局（1890年）は、米国農務省の管轄下で設立されました。オーストラリア気象局（1906年）は、既存の州の気象サービスを統合するために気象法により設立されました。[ 59 ] [ 60 ]

数値天気予報

1965年頃、統合数値気象予報ユニットのIBM 7090コンソールの前に立つ気象学者

1904年、ノルウェーの科学者ヴィルヘルム・ビャークネスは論文「力学と物理学における問題としての天気予報」の中で、自然法則に基づいた計算で天気を予測できるはずだと初めて主張した。[ 61 ] [ 62 ]

大気物理学の理解が進み、現代の数値天気予報の基礎が築かれたのは、20世紀後半になってからでした。1922年、ルイス・フライ・リチャードソンは、第一次世界大戦中に救急車の運転手として携わったメモや導出を発見した後、「数値処理による天気予報」[ 63 ]を出版しました。彼は、大気の流れを支配する予測流体力学方程式の小さな項を無視できる方法と、予測を可能にするために考案できる数値計算スキームについて説明しました。リチャードソンは、数千人が参加する大規模な講堂で計算を行うことを思い描いていました。しかし、必要な計算量は電子計算機なしでは完了できず、計算に使用されたグリッドのサイズと時間ステップでは非現実的な結果になりました。しかし、数値解析により、これは数値不安定性によるものであることが後に判明しました。

1950年代から、コンピュータによる数値予報が可能になった。 [ 64 ]この方法で得られた最初の天気予報では、順圧（単鉛直レベル）モデルが使用され、中緯度ロスビー波の大規模な動き、つまり大気の低気圧と高気圧のパターンを正確に予測することができた。[ 65 ] 1959年、英国気象庁は最初のコンピュータであるフェランティ・マーキュリーを導入した。[ 66 ]

1960年代に、エドワード・ローレンツが初めて大気のカオス的性質を観察し、数学的に記述してカオス理論という分野を確立した。[ 67 ]これらの進歩により、現在ではほとんどの主要予報機関でアンサンブル予報が利用され、大気のカオス的性質から生じる不確実性が考慮されている。[ 68 ]地球の長期的な気象を予報するために使用される数学モデル（気候モデル）が開発され、その解像度は今日では古い気象予報モデルと同じくらい粗い。これらの気候モデルは、人為的な温室効果ガス排出がどのような影響をもたらすかなど、長期的な気候の変化を調査するために使用されている。

気象学者

気象学者は、気象学の分野で研究・研究を行う科学者です。[ 69 ]アメリカ気象学会は、権威ある電子版気象学用語集を発行し、継続的に更新しています。[ 70 ]気象学者は、政府機関、民間のコンサルティング・研究サービス、産業企業、公共事業、ラジオ・テレビ局、教育機関などで働いています。アメリカ合衆国では、2018年には約1万人が気象学者の職に就いていました。[ 71 ]

天気予報と警報は気象学者の最もよく知られた成果物ですが、ラジオやテレビの天気予報キャスターは必ずしもプロの気象学者ではありません。彼らは多くの場合、正式な気象学の訓練を受けていない記者であり、 「気象専門家」や「ウェザーマン」といった規制されていない肩書きを使っています。アメリカ気象学会と全米気象協会は、一定の要件を満たす気象キャスターに「承認シール」を発行していますが、これはメディアに採用される上で必須ではありません。

装置

ハリケーン・ヒューゴの衛星画像。画像上部に極低気圧が見える。

それぞれの科学には、独自の実験装置があります。大気中には、測定できるものやその性質が数多く存在します。雨は、いつでもどこでも観測できるもので、歴史的に測定された最初の大気の性質の 1 つです。また、正確に測定される他の 2 つの性質は、風と湿度です。どちらも目に見えませんが、感じることができます。これら 3 つを測定する装置は、15 世紀半ばに登場し、それぞれ雨量計、風速計、湿度計でした。15 世紀以前にも、多くの大気変数を測定するのに適切な装置を製作する試みが数多くなされました。その多くは何らかの欠陥があったり、単純に信頼できなかったりしました。アリストテレスですら、空気を測定することの難しさとして、このことを著作の中で述べています。

地表観測データは気象学者にとって重要なデータです。これらは、ある地点における様々な気象条件のスナップショットを提供し、通常は気象観測所、船舶、または気象ブイで観測されます。気象観測所で取得される観測データには、様々な大気観測量が含まれる場合があります。通常、気温、気圧、風速、湿度は、それぞれ温度計、気圧計、風速計、湿度計によって測定される変数です。[ 72 ]専門観測所には、空気質センサー（一酸化炭素、二酸化炭素、メタン、オゾン、塵、煙）、雲高計（雲の天井）、降雨量センサー、洪水センサー、雷センサー、マイク（爆発、ソニックブーム、雷）、日射計／日射日射計／分光放射計（IR/Vis/UVフォトダイオード）、雨量計／積雪計、シンチレーションカウンタ（背景放射線、降下物、ラドン）、地震計（地震と微動）、透過率計（視程）、データロギング用のGPSクロックも含まれる場合があります。高層大気のデータは天気予報にとって非常に重要です。最も広く使われている技術はラジオゾンデの打ち上げです。ラジオゾンデを補完するために、世界気象機関（WMO）によって航空機による収集ネットワークが組織されています。

気象学で使われるリモートセンシングとは、遠く離れた場所での気象現象のデータを収集し、気象情報を作成するという概念である。リモートセンシングの一般的な種類は、レーダー、ライダー、衛星（または写真測量法）である。それぞれが遠隔地から大気に関するデータを収集し、通常は機器が設置されている場所にデータを保存する。レーダーとライダーは、どちらも電磁放射を使用して大気の特定の部分を照らすため、受動的ではない。[ 73 ]気象衛星は、さまざまな高度で地球を周回するより汎用的な地球観測衛星とともに、森林火災からエルニーニョ まで、さまざまな現象の研究に欠かせないツールとなっている。

空間スケール

大気の研究は、時間スケールと空間スケールの両方に依存する明確な分野に分けられます。このスケールの極端な例の一つが気候学です。数時間から数日という時間スケールでは、気象学はミクロスケール、メソスケール、総観スケールの3つの気象学に分類されます。これら3つのスケールの地理空間的規模は、それぞれ適切な時間スケールと直接関係しています。

その他のサブ分類は、それらのサブクラス内の固有、ローカル、または広範な影響を説明するために使用されます。

大気運動システムのスケール[ 74 ]
動きの種類 水平スケール（メートル）
分子の平均自由行程10 −7
微小な乱流渦10 −2 – 10 −1
小さな渦10 −1 – 1
砂嵐1～10
突風10 – 10 2
竜巻10 2
積乱雲10 3
前線、スコールライン10 4 – 10 5
ハリケーン10 5
総観サイクロン10 6
惑星波10 7

マイクロスケール

ミクロスケール気象学は、約1キロメートル（0.62マイル）以下のスケールにおける大気現象の研究です。個々の雷雨、雲、そして建物やその他の障害物（個々の丘など）によって引き起こされる局所的な乱流がこのスケールでモデル化されます。[ 75 ]ミソスケール気象学は非公式な分野です。

メソスケール

メソスケール気象学は、水平スケールが1 kmから1000 km、垂直スケールが地球の表面から始まり、大気境界層、対流圏、対流圏界面、成層圏下部を含む大気現象を研究する学問です。大気プロセスの水平スケールを分類するためのメソアルファ、メソベータ、メソガンマという用語は、イシドロ・オルランスキーによってメソスケール気象学の分野に導入されました。[ 76 ]メソスケールの時間スケールは1日未満から数週間にわたります。通常、対象となる現象は、雷雨、スコールライン、前線、熱帯および温帯低気圧の降水帯、山岳波や海陸風などの地形的に発生する気象システムです。[ 77 ]

総観スケール

NOAA : 総観規模の気象解析

総観気象学は、最大1000 km、10 5秒 ~ (2.8日)のスケールにおける大気の変化を、時間と空間において予測します。総観スケールでは、熱帯地方以外で移動する気団に作用するコリオリの加速度が予測において主要な役割を果たします。総観気象学で典型的に説明される現象には、温帯低気圧、傾圧性の谷や尾根、前線帯、そしてある程度はジェット気流などがあります。これらはすべて、通常、特定の期間の天気図上に表示されます。総観現象の最小水平スケールは、地上観測所の間隔に制限されます。[ 78 ]

地球規模

年平均海面水温

地球規模の気象学は、熱帯から極地への熱輸送に関連する気象パターンの研究です。この規模では、非常に大規模な振動が重要です。これらの振動の周期は通常、マッデン・ジュリアン振動のように数か月単位、またはエルニーニョ南方振動や太平洋十年規模振動のように数年単位です。地球規模の気象学は気候学の領域にまで及びます。気候の従来の定義はより長い時間スケールにまで及び、より長い時間スケールの地球規模の振動を理解することで、それらの気候や気象擾乱への影響を総観的およびメソスケールの時間スケール予測に含めることができます。

数値天気予報は、大気と海の相互作用、熱帯気象、大気の予測可能性、そして対流圏・成層圏のプロセスを理解する上で主要な焦点です。[ 79 ]カリフォルニア州モントレーにある海軍研究所は、海軍運用全球大気予測システム（NOGAPS）と呼ばれる全球大気モデルを開発しました。NOGAPSは、米国軍の艦隊数値気象海洋学センターで運用されています。他の多くの全球大気モデルは、各国の気象機関によって運用されています。

気象学の分野

方法論的アプローチに基づく

物理気象学

物理気象学は、大気の物理的特性、プロセス、および現象を研究します。大気の熱力学とエネルギー伝達の基本原理、特に太陽放射と地表放射（吸収、反射、散乱）を網羅します。雲物理学は、エアロゾル、降水形成、大気湿潤過程の研究と並んで、もう一つの重要な研究分野です。さらに、この分野では大気中の光学的、電気的、音響的効果も研究されます。混合、乱流、摩擦といった地表近傍のプロセス、そしてそれらが大気の物理的特性とどのように関連しているかを理解することも、物理気象学の領域に含まれます。[ 80 ] [ 81 ] [ 82 ]

動的気象学

力学気象学は、流体力学、 熱力学、機械運動の原理を用いて、大気の運動とそれを支配する物理法則を研究する学問である。その目的は、大気がなぜ運動し、その状態がどのように変化するかを説明することである。ここでは、大気の挙動の基本的な分析単位は、大気の流体連続体における極小領域として定義される気塊である。この重要な概念ツールは、大気の個別の分子的および化学的性質からの抽象化を可能にする。温度、密度、圧力などは、この大気連続体の中で固有の値を持つ重要な物理量と考えられている。これらは大気の状態を特徴付ける。[ 74 ]

総観気象学

総観気象学は、広大な地域における特定の瞬間の大気の状態を診断することに重点を置いています。この分野では、同時に観測された気象条件（「まとめて見る」という意味の「総観」という用語が由来）を表示する様々な天気図の作成が行われます。このような天気図の例としては、高層気象図、高層気象図、雲の動きを示す衛星画像などがあります。気象学者はこれらの図を詳細に分析することで、大規模な風や気圧のシステム、そして大気循環と地域の地表環境との複雑な関係を理解することを目指しています。この分野の主目的は、これらの初期状態から、通常は数時間から数日先の大気の変化を予測することです。最終的な目標は、地域予報や観測所ベースの予報の作成を支援することです。[ 83 ] [ 84 ] [ 85 ]

規模に基づいて

境界層気象学

境界層気象学は、地球表面の真上にある大気層（大気境界層（ABL））におけるプロセスを研究する学問です。地表の影響（加熱、冷却、摩擦）により、大気層内で乱流混合が 発生します。乱流運動によって、1日未満の時間スケールで熱、物質、または運動量の大きな移動が引き起こされます。 [ 86 ]境界層気象学には、海洋、湖沼、都市部、非都市部を含むあらゆる種類の地表-大気境界の研究が含まれます。

アプリケーション

天気予報

北太平洋、北米、北大西洋の今後5日間の表面気圧の予報

天気予報は、科学技術を応用して、将来の特定の時点と特定の場所における大気の状態を予測することです。人類は数千年にわたり非公式に、そして少なくとも19世紀以降は公式に天気を予測しようと試みてきました。 [ 87 ] [ 88 ]天気予報は、現在の大気の状態に関する定量的なデータを収集し、大気プロセスに関する科学的理解を用いて、大気がどのように変化するかを予測することによって行われます。[ 89 ]

かつては気圧の変化、現在の気象状況、空の状態に基づいて人間が中心となって行っていた予報モデルが、 [ 90 ] [ 91 ] 、現在では将来の気象状況を判断するために利用されています。しかし、予報のベースとなる最適な予報モデルを選択するには、依然として人間の介入が必要であり、パターン認識能力、テレコネクション、モデル性能に関する知識、モデル偏りに関する知識が求められます。大気の無秩序な性質、大気を記述する方程式を解くために必要な膨大な計算能力、初期条件の測定に伴う誤差、大気過程の不完全な理解などにより、現在時刻と予報対象時刻の差（予報範囲）が大きくなるにつれて予報の精度は低下します。アンサンブルやモデルのコンセンサスを用いることで、誤差を小さくし、最も可能性の高い結果を選ぶことができます。[ 92 ] [ 93 ] [ 94 ]

天気予報にはさまざまな最終用途があります。気象警報は生命や財産を守るために使用されるため、重要な予報です。[ 95 ]気温と降水量に基づく予報は農業にとって重要であり、[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ]、したがって株式市場の商品取引業者にとっても重要です。気温予報は、公益事業会社が今後数日間の需要を見積もるために使用されます。[ 100 ] [ 101 ] [ 102 ]人々は日常的に天気予報を利用して何を着るかを決めています。大雨、雪、風の冷え込みにより屋外での活動が大幅に制限されるため、予報はこれらの事象に合わせて活動を計画したり、事前に計画を立てて乗り切ったりするために使用できます。

航空気象学

航空気象学は、気象が航空交通管理と飛行運航に与える影響を研究する学問です。航空乗務員にとって、飛行計画と飛行中の安全に影響を与える気象条件を理解することは重要です。 [ 103 ]乱気流、着氷、雷雨、視程低下といった気象現象は航空にとって大きな危険であり、世界中で標準化されたパイロット訓練カリキュラムに含まれています。[ 104 ]インドでは、民間航空総局（DGCA）がパイロット免許試験において気象学を必修科目として扱っています。[ 105 ]

農業気象学

気象学者、土壌科学者、農業水文学者、農学者は、植物の分布、作物の収量、水利用効率、動植物の生育季節、そして人工生態系と自然生態系のエネルギー収支に対する気象と気候の影響を研究する専門家です。また、植生が気候と気象に及ぼす役割にも関心を持っています。[ 106 ]

水文気象学

水文気象学は、水循環、水収支、および暴風雨の降雨統計を扱う気象学の一分野です。[ 107 ]水文気象学者は、積算降水量（量的降水量）、大雨、大雪の予報を作成・発表し、突発洪水の危険性のある地域を特定します。通常、必要とされる知識の範囲は、気候学、メソスケール気象学および総観気象学、およびその他の地球科学と重複します。[ 108 ]

核気象学

核気象学は、大気中の放射性エアロゾルとガスの分布を調査します。 [ 109 ]

海上気象学

海上気象学は、海上を航行する船舶の大気と波浪の予測を扱います。海洋予測センター、ホノルル国立気象局予報所、英国気象庁、KNMI、気象庁などの機関が、世界の海洋の公海予報を作成しています。

軍事気象学

軍事気象学は、軍事目的のための気象学の研究と応用です。アメリカ合衆国では、海軍の司令官である海軍気象海洋学司令部が海軍と海兵隊の気象観測活動を監督し、空軍の空軍気象局が空軍と陸軍の気象観測を担当しています。

環境気象学

環境気象学は、主に温度、湿度、風、さまざまな気象条件などの気象パラメータに基づいて、産業汚染の拡散を物理的および化学的に分析します。

再生可能エネルギー

再生可能エネルギーにおける気象学の応用には、風力および太陽エネルギーの基礎研究、「探査」、および風力および太陽放射の潜在的マッピングが含まれます。

参照

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さらに読む

辞書と百科事典

歴史

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