気象学

気象学(きしょうがく、: meteorology)は、地球の大気で起こる諸現象(気象)や個々の流体現象を研究する学問。自然科学あるいは地球科学の一分野。

気象を長期的な傾向から、あるいは地理学的観点から研究する気候学は、気象学の一分野とされる場合もあるが、並列する学問とされる場合もある。現代では気象学と気候学をまとめて大気科学: atmospheric science)と呼ぶこともある。

なお、将来の大気の状態の予測という実用に特化した分野を天気予報(気象予報)という。

気象学の歴史

19世紀にヨーロッパで天気の予測に用いられたストームグラス

気象は生活との関わりが深い現象であり、気象の研究は古代文明より行われてきた。よく知られているものとして、古代インドにある書籍や古代ギリシャのアリストテレスの著書『Meteorologica』があり、この中で気象や彗星流星などを研究する学問をMeteorologicaとしており、四大元素説に基づいて天候の仕組みを論じている。一方、古代中国においても『淮南子』において陰陽説に基づくの原理が論じられている。しかし、この頃の気象の予測の根拠は経験則などを基にした観天望気であり、科学的な観測はまだほとんど行われなかった。

科学的な観測が始まったのは近代科学が発達し始めた近世ヨーロッパである。17世紀にはトリチェリが制作した気圧計によって気圧変化と天候の変化の関連性が発見され、ガリレオ・ガリレイが発明したとされる温度計もこの頃改良され実用化した。このような測定器の発明によって科学的な気象観測が始まり、近代気象学も発達し始める。エドモンド・ハレーは1686年、航海記録から風の地図を作成して貿易風季節風にあたる風を発見した。 ジョージ・ハドレー英語版は1735年に、貿易風は熱帯が太陽の熱を多く受けることと地球自転の力によって生じるとの説を発表し、これが後のハドレー循環の発見につながる。

19世紀には科学的な天気予報が成立する。1820年に ハインリッヒ・ウィルヘルム・ブランデス英語版が初めて天気図を作り気圧配置と天気の関係を明らかにした。1837年に実用化された電信によって、気象観測データを瞬時に集めることが技術的に可能になる[1]。ただこれはなかなか実現せず、1845年に初めてジョセフ・ヘンリーの主導でスミソニアン協会が運営するアメリカの気象観測網ができた。1854年にはイギリス商務省の中にロバート・フィッツロイを長とする海の気象観測を担当する組織が発足し、同年にイギリス気象庁として分立される(世界初の国家気象機関)。1860年には、タイムズ紙面上に毎日の天気予報が掲載され、暴風が予想されるときは港に警報を出して出港を制限するようになった。1863年には、ユルバン・ルヴェリエパリ天文台においてヨーロッパの毎日の天気図の発行を始め、彼の進言によって天気図を用いた天気予報(現在で言う総観スケールの予報)が検討され始める。その後インド気象局(1875年)[2]フィンランド気象研究所(1881年)[3]気象庁(1883年)[4]アメリカ国立気象局(1890年)、オーストラリア気象局(1904年)[5][6]など各国で気象機関が設立される。

この頃にも気象学は発展を続けていく。1835年ガスパール=ギュスターヴ・コリオリは回転座標系における回転体の運動方程式、つまり自転している地球上での風の運動を記述する方程式を発表する[7]。19世紀後半には、気圧傾度力コリオリの力によって風が等圧線に沿って吹くことが理論的に証明される。1920年頃には、ヴィルヘルム・ビヤークネスらの研究グループによってノルウェー学派モデルが提唱され、寒帯前線と絡めた気団論、温帯低気圧や前線の発達過程が初めて示された[8]。また同研究グループのロスビーは後に大気波の一種であるロスビー波を発見するなど流体力学で業績を残し、トール・ベルシェロンは1933年に雨の発生原理のひとつである「氷晶説(現在の「冷たい雨」の原理)」を発表するなどしている。

この頃、地上や海上で行われていた気象観測が上空にも拡大し始める。気球やロケットなどで上空の大気現象を観測し研究する高層気象学は、高層観測が主流でなかった20世紀初頭までは独立した分野を確立していた。しかし、一般化してからはその意義を失い一般的な気象学と融合していった。

1922年、ルイス・フライ・リチャードソンは著書の中で数学的に天候の変化をすることは可能だと述べ、実際に計算を行ったが膨大な量と精度の問題から実用には程遠いものであった。1949年にチャーニー数値予報に初めて成功し、1950年代にはコンピュータによって単純なモデルで大気の物理現象を計算することが可能となり、様々なシミュレーションが試みられるようになった[9]。その中でエドワード・ローレンツは計算結果のカオス的振る舞い(バタフライ効果)を発見し、後のアンサンブル予報と呼ばれる不確実性を少なくする予報手法へとつながっていく[10][11]。1955年にアメリカ国立気象局、1959年に気象庁が数値予報を導入したが、スピードや精度はまだ低かった[12]。これ以降もコンピュータの発達によって計算量・スピードは改善していった。

日本の気象学の歴史

『雪華図説』。土井利位著、1832(天保3)年刊。国立科学博物館の展示。

日本には自然観察に基づく経験則によって生み出された 農事暦などは存在したが、体系的な気象学が入ってくるのは、江戸時代後期以後である。とはいえ、全くそれ以前に気象学が無かったわけではなく、西洋の気象学は部分的ながら戦国時代に宣教師を通じて流入していた。山鹿素行は風が地表を移動する空気の流れである事には気づいていた。これは西洋で気象学が盛んになる前の発見であったが、彼の関心は軍学の一環としての物であり、独自の学問としては発達しなかった。蘭学の流入以後わずかながら気象の動きに抱く人も出てきて、柳沢信鴻司馬江漢のように気象の状況について詳細な記録を残す人も登場した。土井利位が自ら顕微鏡で観察した雪についての研究書である『雪華図説』はよく知られている。

天保年間以後江戸幕府天文方で気象観測が行われるようになり、安政4年には 伊藤慎蔵によって本格的な気象書の翻訳である『 颶風新話』が刊行された。なお、meteorologyを「気象学」と訳した最初の文献は明治6年の『 英和字彙』である。2年後、東京気象台が設置され、明治17年には天気予報が開始、明治20年には中央気象台が発足されるとともに気象台測候所条例が制定され、日本の気象学が本格的に勃興することになる。

ヨーロッパ、アメリカなどの先進国の気象学と日本の気象学は、異なる発達過程を経てきている。これは地理的に離れていることで学者の交流が少ないことに加えて、台風梅雨、日本海側の大雪などの独特の気象によって研究対象が違ったことが要因である。

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