今年はなぜ風が強いのでしょうか？みんなを哪吒と同じ髪型にしたいですか？

制作：中国科学普及協会

著者: 陳徳秀 (中国科学院大気物理研究所)

プロデューサー: 中国科学博覧会

先週、北京では陸上では珍しい風速13度の強風が観測されるなど、異常な強風が話題となった。意外なことに、蛇年の春節休暇後に労働者が受け取った最初の速達便は北峰速達でした。誰か（私）は冗談でこう言った。「この風が吹いたら、大娥と同じ見た目になるのは簡単だ。」

今日は、科学を利用してこの「極寒の配達」の背後にある秘密を解明し、このレベル 13 の強風がどのようにして私たちの玄関口に届けられたのかを見ていきます。

1. 気圧差駆動 - 風のエンジン

風とは、気圧の高いところから低いところへ向かう空気の流れです。地球の表面と地表の間に温度差があると、暖かい空気は上昇して低気圧を形成し、冷たい空気は下降して高圧を形成します。圧力差により、地球表面の大気の水平方向の流れが駆動されます。一般的な例としては、赤道と両極の間の太陽放射による不均一な加熱が挙げられ、これが地球全体の大気循環を引き起こします。日中の海と陸の温度差により海風と陸風が発生します。日中は陸地が急速に暖まり、海から陸地へ風が吹きます（海風）。夜間は海洋の比熱容量が大きいため、温度の低下が少なく、風は暖かい海洋に向かって吹きます（陸風）。熱帯太平洋の東と西の温度差（温度差は約4～6℃、西は28℃、東は22℃）により、大気中にウォーカー循環が生じます。

図1 14時の中国の基本気象解析図（左：2月6日、右：2月11日）

（写真提供：中国気象台）

最近、蛇年初の寒波が襲来し、シベリアの寒冷高気圧と中緯度低気圧の急激な気圧差が今回の強風の主因となった。寒冷高気圧の中心気圧は1060ヘクトパスカルにも達する一方、華北平原から長江中下流域にかけての気圧は1020ヘクトパスカル程度まで下がり、急激な気圧勾配を形成している。 6日と11日の天気図（図1）を比べると、6日午後の等気圧配置線（青線）はより密になっており、階段状の構造となっていることがわかります。段数が多いほど、同じ距離内での圧力勾配（傾斜）が大きくなります。この強力な勾配力は、数千マイルに及ぶ「超風力ポンプ」のようなもので、冷たい空気を急速に南へ押しやります。寒波は強風を伴い、地上風速は急速にレベル8～10（20～25m/s）まで増加します。

2. 地形差加速度 - 風速増幅器

粗い表面（森林など）はブレーキパッドのように機能し、地面近くの摩擦を増加させて風を減速させます。しかし、両側に山がある場合、地形の差によって狭い水路が形成されます。空気の流れが山の障害物に遭遇すると、空気の流れはこのチャネルを素早く「通り抜ける」ことを選択します。この現象は狭チャネル効果と呼ばれます。日常生活における狭い管の影響としては、パイプの水出口をつまむと水がより遠くまで噴射される、隙間風が吹く、などが挙げられます。

図2 狭管効果

（画像出典：著者自作）

細管効果とは何か、そしてそれがどのように風速を増幅させるのかを、流体力学の 2 つの基本原理を組み合わせてさらに説明しましょう。質量保存の法則によれば、理想的な流体の場合 (単位時間あたりにパイプのどの断面を通過する空気の流量も同じ)、パイプの断面が小さくなると、単位時間あたりに同じ量の空気が通過するように空気の流速を上げなければなりません。さらに、流体力学におけるベルヌーイの原理によれば、理想的な条件下では、摩擦による散逸がないと仮定すると、流体の単位体積の運動エネルギーと位置エネルギーの合計は、同じ流管のどの断面でも変化しません。つまり、速度、圧力、高さの間にはエネルギー保存の関係があります。したがって、空気が狭いチャネルを流れる場合、流体の高さは低下し、速度は大幅に増加します。

図3 中国地域地形図

（写真提供：天地地図）

わが国の地形図（図3）を見ると、北西からの寒気が南下する際、太行山脈と燕山山脈に束縛され、張家口から北京までの狭い回廊に集中していることがわかります。特に延慶などの地域では風が強いです。この寒波と強風の間、延慶二海沱などの観測所は風速13度の強風を経験した。高層ビルが密集する都市では、狭いチャネル効果により、強い局地的な突風が発生しやすい。

3. 高高度ブースター - 強風の第二のエンジン

この寒波と強風は、地上の急激な気圧差と狭い地形に加え、高高度と地上の対立も含んでいます。また、高度5キロ以上の「見えないエンジン」が火に油を注いでいる。この寒波と強風の原動力は、北極から南下する寒冷渦と偏西風のジェット気流の連動だ。

北極からの渦：前進、前進、前進！

図4 2月3日から6日までのユーラシア地域の500hPa等圧面の基本気象状況（出典：中国気象台、筆者作成）

ほぼすべての気象は対流圏で発生します。地上では強い風が吹いていますが、対流圏の中層や上層では何が起こっているのでしょうか？ 500hPa（高度約5.5km）の天気図（図4）を見ると、2月上旬にはユーラシア大陸から北極方面に高気圧の閉塞（赤丸）があったことがわかります。この怪物のような形状は北極の冷たい空気を圧縮し、北極の冷たい空気を下方に引き寄せました。

北極からの寒冷渦（明るい円）が急速に南下したため、2月5日までに寒冷渦は2つに分裂しました。西側の寒冷渦は高高度の「冷気爆弾」のようで、極端に冷たい空気を我が国に運んでいました（図4）。寒冷渦はコマのように全体として南方向へ移動しながら回転を続けます。高速で回転すると、南側に強い西風が吹き出します。高高度の大規模な寒気が強い気流に乗って水平に運ばれ、春節ですでに暖かくなっている華北地域に流れ込みます。冷たい空気は重くて下降し、暖かい空気は上昇して強い垂直混合運動を形成し、高高度から地面への冷たい空気の伝達経路を形成します。高高度と地上の風速を比較すると、高高度ジェット気流の風速が強まるため、高度とともに風速が急激に増加します。垂直勾配の変化は運動量の下方への伝達にも役立ち、地上の強風をさらに強めます。急速に前進する渦と西風の勢いが増し、この寒波と強風にさらに油を注いでいる。

知識カード：寒冷渦とは、地上数千メートル上空の対流圏中層および上層にある寒冷渦を指します。空に浮かんで反時計回りに回転する「冷気ジャイロスコープ」として想像できます。下層に加熱（午後の日射や地表温暖化など）があると、鉛直方向に上重心の高い不安定成層が形成されやすく、短時間の大雨、雷雨、強風、雹などの強い対流活動を引き起こします。

4. 寒波が偏見の山を打ち破る

1. 北極の極渦：私と関係があるかもしれないが、渦と間違えないように

この寒波と強風のニュースでは、「北極渦」が頻繁に目に飛び込んできます。空高くにある巨大な冷蔵庫なので、扉がしっかり閉まっていないのが今回の寒波と強風に影響したのでしょうか？極渦を単純に寒波と同一視してよいのでしょうか?

知識カード: 極渦はなぜ空の巨大な冷気貯蔵庫と呼ばれるのでしょうか?

北極渦とは、北極上空に漂い、強い偏西風ジェット気流に囲まれた持続的な大きな低気圧渦システムのことです。ジェット気流は、北極からの冷たい空気を閉じ込める、急速に回転する壁と考えることができます。したがって、北極の渦は空高くにある天然の冷蔵倉庫のような役割を果たします。

壁の具体的な位置は一般的に最大風速によって決まりますが、壁は水平でも垂直でもありません。対流圏から成層圏にかけて、壁の縁の輪郭には明らかな時間的および空間的な不連続性があります。したがって、科学者たちは、これらが2つの独立した渦であると考えています[1]、すなわち対流圏極渦と成層圏極渦です（図5）。これらは、構造と特性が異なる 2 つの気候システムです (表 1)。 「対流圏極渦」[2]については学界でまだ議論があるため、ここでは北極の成層圏極渦についてのみ議論する。

図5 成層圏と対流圏における極渦の模式図

（画像出典：参考1）

表1 成層圏と対流圏の極渦の違い（DeepSeekによる生成）

前述のように、気象は主に対流圏で発生しますが、成層圏の極渦の異常は対流圏の寒波の発生に影響を及ぼす可能性があります。成層圏極渦が病気になると（例えば、成層圏で爆発的な温暖化が発生し、もともと安定していた壁が揺れ始め、成層圏極渦が崩壊するなど）、病んだガスが下方に広がり、対流圏に感染し（複雑な成層圏と対流圏の結合により、対流圏の異常な大気循環を引き起こします）、間接的に地上の天候に影響を与えます（図6）。

図6 北極渦異常擾乱の模式図

(画像提供: NOAA)

しかし、必ずしもそうとは限りません。例えば、2019年初頭には、成層圏極渦の弱体化特性が200hPa以下に伝わりにくく、対流圏循環に影響を与えることができませんでした。今年1月上旬の米国の寒波は、成層圏極渦の底が北米方向に変形しなかったため、比較的安定して平常通りであり（図7）、これも感染の疑いを軽減した。

図7 2025年1月5日、米国で寒波が発生した際の成層圏北極渦の3次元構造

(画像提供: NOAA)

図8 今回の寒波の1週間前の北極渦の変化（10hPa）

(画像出典: earth.nullschool)

「病気」が広がるまでには時間がかかり、通常は7～10日ほどかかります[6]。この寒波と強風の1週間前の成層圏極渦を振り返ると（図8）、渦構造は初期段階では正常であったが、楕円形→細長い帯状→ピーナッツ形（「8」の字型）と、ユーラシア大陸の両端と北米大陸に向かって徐々に拡大・細長くなっており、寒波の接近とともに異常になったことが分かる。おそらく、今回の寒波現象はこの変化に関係しているのでしょう。

現時点では、成層圏極渦と寒波などの気象現象との因果関係はまだ明らかにされておらず、その具体的なメカニズムを明らかにするにはさらなる研究が必要です。そのため、北極渦の変化が見られるときに厚手の服を取り出す必要はありません。それでも天気予報に従うべきです。極渦の分裂プロセスは、前述の寒冷渦の変化と非常に似ているため、ここでは成層圏極渦について声を上げたいと思います。間違った渦を認識しないでください。私たちは同じレベルではありません。

2. 地球温暖化: 私は性格的には温厚ですが、気質的には冷たいこともあります。

「2024年は最も暑い年ではないのか？」「暖かい冬なのになぜこんなに寒いのか？」…

地球全体の平均温暖化傾向とは異なり、天気は短期間での大気の「気分変動」であり、多くの要因の影響を受けます。地球温暖化を背景に、地球の気候システムはますます不安定になり、乱気流が発生しやすくなり、異常気象や気候現象の頻度と強度が増加しています。

たとえば、世界が温暖化するにつれて、北極地域の温暖化傾向は世界平均よりもはるかに高くなり、両極と中緯度の間の気温差は狭まります。この時期、偏西風帯の擾乱は急速に発達しやすく、中高緯度地域を南北に、地球の半分を東西に渡って覆うような大規模な変動が生じます。変動の谷線付近では、極地や高緯度からの冷たい空気が南下し、最も激しい暴風雪や寒波を引き起こします。変動の稜線付近では、中低緯度からの暖かい空気が高緯度地域、さらには極地域に直接移動し、極地域の気温が中緯度地域の気温を上回ることがあります[7]。

参考文献:

[1] Waugh, DW, Sobel, AH, & Polvani, LM (2017).極渦とは何か？そしてそれは天候にどのような影響を与えるのか？アメリカ気象学会誌、98(1)、37-44。 https://doi.org/10.1175/BAMS-D-15-00212.1

[2] マニー、GL、バトラー、AH、ローレンス、ZD、ワーガン、K.、サンティー、ML（2022）。名前には何があるのでしょうか? 「極渦」という用語の使用と重要性について。地球物理学研究レター、49、e2021GL097617。 https://doi.org/10.1029/2021GL097617

[3] 北極の極渦を理解する（https://www.climate.gov/news-features/understanding-climate/understanding-arctic-polar-vortex）

[4] 極渦のせいでセーターを着たくなるでしょう。恐れなさい。とても恐れなさい。 (https://www.climate.gov/news-features/blogs/enso/polar-vortex-going-make-you-put-sweater-be-afraid-be-very-afraid)

[5] 極渦がアメリカの寒波を引き起こしているのでしょうか？ (https://www.climate.gov/news-features/blogs/polar-vortex/polar-vortex-causing-us-cold-air-outbreak)

[6] ボールドウィン、MP、ダンカートン、TJ（2001）。異常気象の前兆となる成層圏現象。サイエンス、294、581−584。 https://doi.org/10.1126/science.1063315

[7] 暖冬だったのに、最近の寒波はなぜこんなにも厳しいのでしょうか？ (https://mp.weixin.qq.com/s/koZ3D4SPEA4ymQlI57eJhg)