【第61回】2024年１月試験（学科専門試験）問９（温帯低気圧）

本問は、北半球の偏西風帯における、東進する発達中の温帯低気圧に関する問題です。

本問の解説：(a)について

（問題）温帯低気圧の発達には、水蒸気の凝結によって放出される潜熱の補給が不可欠である。

→ 答えは 誤 です。

温帯低気圧は、「有効位置エネルギー」が「運動エネルギー」に変換されることで発達します。

有効位置エネルギー とは、すべての位置エネルギーのうち、運動エネルギーに変換できる位置エネルギーのことです。（詳しくは下記で説明します。）

下図は、「有効位置エネルギー」から「運動エネルギー」への転換を表した模式図です。

間に壁（太実線）をつくった箱があり、その箱の中には寒気と暖気が、それぞれ壁を隔てて左側と右側に入っているとします。

実際の大気でいうと、高緯度側に寒気、低緯度側に暖気があり、暖気と寒気の境目（壁の部分）が中緯度というイメージです。

この箱の中の壁を取り除くと、寒気は重たいので箱の下のほうへ流れていき、暖気は軽いので箱の上のほうへ流れていきます。

そして、最終的に（２つの空気が混ざり合わない限り）、寒気は箱の下のほうに溜まり、暖気は箱の上のほうに溜まることになります。

物体の位置エネルギーは、（基準面からの）高さが高いほど大きく、物体が重いほど大きくなります。

そして、この関係は空気に対しても当てはまります。

寒気は、上から下に（高さが低くなる方向に）流れていくので、位置エネルギーは減少します。

暖気は、下から上に（高さが高くなる方向に）流れていくので、位置エネルギーは増加します。

しかし、寒気の方が暖気よりも重たいため、寒気が失う位置エネルギーの量は、暖気が得る位置エネルギーの量よりも大きくなります。

つまり、「寒気の位置エネルギー減少量 ＞ 暖気の位置エネルギー増加量」となり、この差分が運動エネルギーとして変換されます。

こうして、温帯低気圧は寒気と暖気の位置エネルギーの差を運動エネルギーに変換することで発達していくのです。

（このように、位置エネルギーの中でも、運動エネルギーに変換できる位置エネルギーのことを「有効位置エネルギー」といいます。）

一方、問題文のように、空気中の水蒸気の凝結によって放出される「潜熱」が「運動エネルギー」に変換されることで発達するのは、台風などの熱帯低気圧です。

したがって、温帯低気圧の発達には、「潜熱」ではなく「有効位置エネルギー」が不可欠ですので、答えは 誤 となります。

本問の解説：(b)について

（問題）温帯低気圧の進行方向前面では暖かい空気が上昇し、後面では冷たい空気が下降することにより、温帯低気圧の運動エネルギーが増大している。

→ 答えは 正 です。

問題(a)で考えたように、温帯低気圧は、有効位置エネルギーを運動エネルギーに変換することで発達します。

下図は、温帯低気圧の立体的な模式図です。

温帯低気圧の前面では暖気が上昇し、後面では寒気が下降するので、これにより有効位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、発達します。

したがって、温帯低気圧の進行方向前面では暖かい空気が上昇し、後面では冷たい空気が下降することにより、温帯低気圧の運動エネルギーが増大していますので、答えは 正 となります。

本問の解説：(c)について

（問題）２つの異なる等圧面の鉛直方向の間隔 (高度差) は、地上の温帯低気圧の東側では西側に比べて大きい。

→ 答えは 正 です。

下図は、発達中の偏西風波動の東西鉛直断面図です。

温帯低気圧の前面では暖気移流、後面では寒気移流になっているので、上図を見ると、（少し分かりづらいかもしれませんが）暖気のある低気圧前面の方が層厚が大きく、等圧面間の高度差が大きくなっていることが分かります。

したがって、２つの異なる等圧面の鉛直方向の間隔 (高度差) は、地上の温帯低気圧の東側では西側に比べて大きいので、答えは 正 となります。

本問の解説：(d)について

（問題）温帯低気圧に伴う温暖前線では、寒冷前線と比較して層状性の雲が形成されやすく、乱層雲などから降水がもたらされる。

→ 答えは 正 です。

温暖前線では、暖かい空気が冷たい空気を押してはい上がって進んで行くため、主に層状性の雲を作ります。

このため、乱層雲などから降水がもたらされます。

一方、寒冷前線では、冷たい空気がどんどん暖かい空気の下へ潜り込んで進んでいくため、暖かい空気は急激に上昇させられて、主に対流性の雲をつくります。

このため、積雲や積乱雲などからの降水がもたらされ、にわか雨や雷雨が発生します。

したがって、温帯低気圧に伴う温暖前線では、寒冷前線と比較して層状性の雲が形成されやすく、乱層雲などから降水がもたらされますので、答えは 正 となります。

以上より、本問の解答は、(a) 誤 (b) 正 (c) 正 (d) 正 とする ３ となります。