気象学とは何か

気象学は、ほとんどの気象現象が発生する、対流圏と呼ばれる地球大気の最下層に焦点を当てる傾向があります。その用途は、エネルギー・公益事業、石油・ガス、農業、航空、建設など、さまざまな産業に及びます。

気象学分野の科学者は気象学者と呼ばれます。気象学者は気象の観測や予測だけでなく、長期的な気候傾向とそれが人類に与える影響についても注目しています。しかしながら気候関連の研究の大部分は、気候学の領域内で行われています。

初期の文明では、気象を観察し、予測し、さらには影響を与えようとしました。ギリシャの哲学者アリストテレスは、気象学の創設者とみなされることがよくあります。気象学という言葉は、「空のあらゆる現象」を意味するギリシャ語の「meteoron（メテオロン）」に由来しています。アリストテレスが紀元前350年頃に執筆した、大気に関する最初の主要な論文『メテオロロジカ（Meteorologica）』は、2000年近くにわたってこの分野の権威であり続けました。

17世紀に、フランスの哲学者、科学者、数学者であるルネ・デカルトが科学的手法を気象学に応用したことで、気象学は科学的変革を遂げました。正確な気象観測機器がなかったため比較的演繹的ではありましたが、デカルトの理論は、物理学の正当な一分野としての気象学の地位を、確固たるものにしました。

18世紀に発明された気圧計と温度計は、気象学に大きな変化をもたらしました。科学者はこれらの機器により、気圧と温度という2つの重要な大気変数を測定できるようになりました。科学者はこの時期に、より正確な気象予測を行うための数理モデルも開発しました。

19世紀までには、電信などのイノベーションにより、気象学者はモールス信号を使用して情報を共有できるようになり、それが最初の近代的な天気図の開発につながりました。これらの地図は世界の気象パターンを大規模な視野で提供し、より正確な予測を可能にしました。

20世紀には、大気物理学の進歩が近代的な数値天気予報の基礎となりました。ノルウェーの気象学者は、現在の天気予測の構成要素である気団と前線の概念を発見しました。

世界大戦期の科学者たちは、軍事活動が気象状況の理解と予測にますます依存するようになったため、気象学を進歩させました。もともと航空機や船舶の方向と速度を追跡するために発明されたレーダーでさえ、気象パターンの方向と速度を追跡する目的で使用されました。

1950年代と1960年代には、衛星やコンピューター・モデルが世界規模で大気圧を監視し、データに基づくシミュレーションを実行できるようになりました。これらすべてが気象予測の精度向上につながりました。現代の気象学では、これらのテクノロジーの高度なバージョンを使用して、気象をほぼリアルタイムで観測および予測しています。

毎日、天気に基づいて意思決定が行われています。特に現在は、悪天候の発生の頻度と深刻さが増加しているため、人々や企業が悪天候を予測し、計画を立て、それに対応するためのリソースを持つことが重要です。

企業はリスク管理のために天気予報に頼っています。たとえば航空業界では、風速や降水量などの気象データをフライト計画やフライト追跡に活用しています。車両群を保有する組織は、嵐の中に車両を送り出すことがないように、気象情報を考慮に入れます。電力会社は、電力網の管理、電気負荷の予測、潜在的な山火事の防止に、 LiDARなどの気象予測ロケーションインテリジェンスツールを活用しています。

気象学者は、悪天候による悪影響の予測やその軽減を支援します。これは、2023年に世界の自然災害による被害が総額3,800億米ドルの経済的損失に達した時期に行われました。¹

気象学者はグローバル気候モデルを使用して、地球の気温など、進行中の気候傾向を追跡することもできます。気候関連財務情報開示タスクフォース（TCFD）によると、気象条件の変化は環境、ビジネス、社会のさまざまな側面に影響を及ぼす可能性があります。世界各国が協力して気候変動と闘い、ネットゼロを達成するには、このような気候リスクを理解し、気候レジリエンスを構築することが極めて重要です。

気象学者は大気科学者で、研究気象学者または運用気象学者（予報士とも呼ばれます）のいずれかに分類できます。

研究気象学者は、大気汚染、対流、気候などの現象を研究することで、大気の状態が地球の表面にどのような影響を与えるかをよりよく理解します。運用気象学者は、その研究を数理モデルや熱力学などの物理学の原理と組み合わせて、大気の現在および将来の状態を評価します。

気象学者は、アメリカ気象学会（AMS）、世界気象機関（WMO）、国立気象局（NWS）などの組織に所属しています。これらの団体は、大気、海洋、水力、地球物理学などの、気象学のさまざまな分野にわたる研究を推進しています。

気象学の多くは、大気現象、または大気内で起きている観測可能な出来事を扱っています。こうした現象は、霧の局所的なものから地球を吹きわたる強風まで多岐にわたります。起こり得る事象の範囲が膨大であることを考慮して、気象や大気現象について説明する際には、マイクロスケール、メソスケール、シノプティックスケール、グローバルスケールという4つの気象スケールが使用されます。

マイクロスケール現象の規模は、数cmから数kmまで多岐にわたります。時間の尺度は短く、通常は 1 日未満です。これらの現象は小規模な地理的地域に作用して、その地域の気温や地形に影響を与えます。マイクロスケール気象学の例には、土壌と植物間の熱移動、大気汚染物質の移動、大気質などがあります。

メソスケール現象の規模は数kmから1,000 km近くまで広がり、1日未満から数週間続くこともあります。これらの現象は、メソスケール対流複合体（MCC）とメソ対流系（MCS）という2つの現象で構成されています。水蒸気は降水に変わり、大雨を発生させるMCCと分類される単一の雲システムや、MCSと分類されるより小さな雷雨のクラスターとして現れます。

シノプティックスケールの現象は、数百から数千kmの範囲に及び、最長で28日間続くことがあります。これらの現象は、高気圧と低気圧で構成されています。低気圧では、風と湿気が高気圧に吸い込まれ、対流が加速し、より厳しい気象条件が発生します。高気圧は下向きの垂直方向に動き、通常はより乾燥した、より変化の少ない気象になります。

グローバルスケールの現象とは、熱帯地域から極地までの風、熱、湿気の流れを指します。大気大循環（GAC）は、地球の表面全体に熱を分配する大規模な現象です。各半球には、ハドレー循環、フェレル循環、極循環という3種類の対流、またはセルが含まれています。気象学者は、GACに最大の影響を与え、船舶が利用する貿易風の流れを決定するハドレー循環に注目することが多いです。

気象学者は、気象系の評価と予測に役立ついくつかのツールを利用しています。一般的な気象ツールには、次のようなものがあります。

気象ツールは、機械学習（ML）、人工知能（AI）、ビッグデータなどのテクノロジーと組み合わせることで、より正確な予測やその他の貴重な洞察を提供できます。場合によっては、これらのソリューションが業務運営を根本的に改善することもあります。注目すべき例には次のようなものがあります。

レーダーアンテナは気象観測気球、飛行機、船などに設置できます。センサーを使用して電波を送信し、雲の大きさ、速度、方向などの情報を収集します。二重偏波レーダーは、水平波パルスと垂直波パルスを展開し、より優れた気象予測能力を提供します。たとえば、航空業界で気候リスクを分析して安全対策を改善する場合、これらの洞察は貴重です。

衛星は、大気の変化の観測と世界規模の気象現象の予測において重要な役割を果たします。アメリカ航空宇宙局（NASA）とアメリカ海洋大気庁（NOAA）は、静止気象衛星を運用する2つの組織です。これらの衛星は、地理情報システムを使用して視覚化できる貴重な地理空間データを収集します。これらの衛星は気象パターンだけでなく、農家が作物を管理し、水使用量を改善するのに役立つリモート・センシング機能も提供します。

現在、コンピューターモデリングは、気象学者が気象パターンの予測に使用する、最も信頼性が高く正確な方法の1つです。コンピュータモデルは大量の気象データを処理し、気象モデルと呼ばれる予測に変換するさまざまなコードとアルゴリズムで構成されています。これらのモデルは特定の入力に応じて変化するため、気象学者は必要に応じて予測を調整できます。公衆衛生当局も同様の手法を疾病の予測と監視に使用できます。