はじめに
前回の「豆知識８」では、上空の気圧の谷・尾根について述べました。今回は、これらと地上の低気圧・高気圧との関係を図解します。そのうえで、低気圧が発生するメカニズム、さらには発達する低気圧にみられる特徴についてお話します。
なお、今回取り上げる低気圧は、温帯地方で発生する「温帯低気圧」です。以下では単に「低気圧」と呼ぶ場合もあることを、ご承知おきください。
上空の偏西風波動（気圧の谷・尾根）と地上の低気圧・高気圧との関係
空気が地上で収束し、上空で発散する所では上昇気流が起こり、上空で収束し、地上で発散する所では下降気流が生じること。前者の地域に低気圧、後者の地域に高気圧が対応することを「まめ知識７」で述べました。
また、上空の南北方向の気温傾度（気圧傾度）がある限界を越すと、等高度線が波を打ち（気圧の谷・尾根の形成）、偏西風が蛇行することを「豆知識８」で述べました。
今回は、これらの「上昇気流」「下降気流」「偏西風の蛇行」を一体的に考えてみます。図１をご覧ください。この図は、発達しつつある上空の偏西風波動（気圧の谷・尾根）と地上の高・低気圧との関係を表しています。
図１ 発達しつつある上空の偏西風波動（気圧の谷・尾根）と地上の高・低気圧との関係（模式図）
図中の➀と⑤は高気圧性の流れで曲率が最大、②と④は直線的な流れで曲率がない、③は低気圧性の流れで曲率が最大となります。ここで、各点の風速を比較してみましょう。②と④では地衡風（豆知識３ 図1）に近い風ですが、➀と⑤では高気圧性曲率の風（豆知識３ 図５右）で、風速は②と④より大きくなります。一方、③では低気圧性曲率の風（豆知識３ 図５左）で、風速は②と④より小さくなります。
よって、➀と③の間では空気の収束（豆知識７ 図２）が起こり、③と⑤の間では空気の発散（豆知識７ 図３）が起こります。すなわち、上空の気圧の谷の進行方向前面（東側）では空気が発散し、気圧の谷の後面（西側）では空気が収束します。
これは、「上空の気圧の谷の前面（東側）では地上の低気圧ができやすく、上空の気圧の谷の後面（西側）では地上の高気圧ができやすい」という、天気予報で非常に重要なことを意味します。
温帯低気圧のエネルギー源（温帯低気圧が発達する仕組み）
低気圧が発達すると、雨や風が強まりますね。では、低気圧は、何をエネルギー源にして発達するのでしょうか？ 結論からいうと、低気圧は、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されることによって発達します。
位置エネルギー（ポテンシャル・エネルギー）とは、高い位置にある物体が潜在的に持っているエネルギーのことです。その物体が重いほど、また、物体の位置が高い所にあるほど、位置エネルギーは大きくなります。例えば、リンゴが木の枝から離れると、リンゴの位置エネルギーは運動エネルギーに変換（顕在化）され、リンゴは落下という運動を始めます。
ここで、高い位置にある「リンゴ」を、高い位置にある「空気」に置き換えてみましょう。つまり、図２➀のように、大きな箱の中で、鉛直に立った壁（しきい）を境にして、異なる温度の空気が静止している状況を考えます。図２➀の左側が北極側の寒気、右側が赤道側の暖気をイメージしています。
図2 寒気が暖気の下にもぐりこみ、位置エネルギーが運動エネルギーに変換されることを示す模式図
境界の壁を取り除くと、重い空気（寒気）は下降して軽い空気（暖気）の下にもぐりこみ、軽い空気（暖気）は上昇して重い空気（寒気）の上にのっていきます（図２②）。空気が混合しなければ、最終的に、重い空気は全て軽い空気の下にたまります（図２③）。
２種の空気を合わせた箱全体の重心（重さ的にバランスがとれる点）を、黒丸で示しました。その位置は最初の状態（➀）の方が、最終の状態（③）より高い。よって、➀の位置エネルギーは、③のそれより大きい。その差が運動エネルギーに変換されて、➀では静止していた空気が②のように運動を起こしたのです。
この図２は、豆知識８の図１の垂直断面（左が北、右が南）とも言えます。「豆知識８ 図１」では、気圧の谷の西側では北からの寒気の流入、気圧の谷の東側では南からの暖気の流入があることを示しました。
今回の図２は、その寒気は下降しながら流入し、暖気は上昇しながら流入することを示しています。すなわち、大気全体の位置エネルギーが減少し、その分だけ運動エネルギーが増加する。それが、低気圧の発達につながるということです。
発達する低気圧にみられる３つの特徴
さきほど、低気圧が発達する過程を、エネルギーの観点から述べました。次に、低気圧が発達するとき、実際の天気図でみられる特徴を整理します。その特徴は、大きく分けて以下の３つです。
地上の低気圧の中心に対して、上空の気圧の谷が西に位置
まず、気圧の谷の軸についてお話します。発達期の温帯低気圧の場合、上空では気圧の谷が解析されても、上空に低気圧の中心は解析されません（図１、図３）。しかし、最盛期（閉塞期）を迎えると、上空でも低気圧の中心が解析されることが多くなります。このような上空の気圧の谷（又は上空の低気圧の中心）と地上の低気圧の中心を結んだ線を（図３）、気圧の谷の軸（又は渦管）といいます。
図３ 上空の気圧の谷と地上の低気圧および気圧の谷の軸（発達中の低気圧）
図３では発達中の低気圧を描いており、この場合、地上から上空に向けて気圧の谷の軸が、西に傾いています。このことは、地上低気圧の中心に対し、上空の気圧の谷が西に位置していると言い換えることもできます。
これが、発達する温帯低気圧にみられる特徴の１つ目です。なお、低気圧が発達して最盛期（閉塞期）に達したら、気圧の谷の軸は鉛直に立ちます。
ではなぜ、発達中の低気圧の場合、気圧の谷の軸が西に傾くのでしょうか。それは、低気圧（気圧の谷の軸）の進行方向前面（東側）の暖気と、後面（西側）の寒気の層の厚さが違うからです（図４）。図４は、図３を正面（左が西、右が東）から見た図です。
図４ 低気圧発達期における気圧の谷の軸と空気の厚層（高度差）
「豆知識２、３」で述べたとおり暖気は軽い（密度が小さい）ので、空気の厚層（高度差）が大きくなり、逆に寒気は重い（密度が大きい）ので、空気の厚層（高度差）が小さくなります（図４）。よって、上空ほど、同じ気圧面での東側と西側の高度差が大きくなり、気圧の谷の軸は上空に向け西側に傾くようになります。
「豆知識２、３」では、特に中緯度地帯における南北間の温度差が、南北間の厚層の違い（高度差）につながることを図で示しました。今回は、暖気移流と寒気移流に伴う、東西間の厚層の違い（高度差）に注目しました（図４）。南北間、東西間を問わず、厚層に違い（高度差）が生じる直接的な原因は、「その温度差」にあります。
次に、低気圧が最盛期（閉塞期）を迎えた時の、気圧の谷の軸をみてみましょう。この頃になると、低気圧の後面（西側）から寒気が中心に向かって流れ込み、次第に寒気だけに覆われるようになります（図５）。
図５ 低気圧最盛期（閉塞期）における気圧の谷の軸と空気の厚層（高度差）
そうなると、気圧の谷の両側の気温差がなくなり、厚層は等しくなって、軸は鉛直に立つようになります（図５）。気圧の谷の東西の温度差がないと、位置エネルギーから運動エネルギーへの変換は起こりません。つまり、低気圧はそれ以上発達しません。
低気圧（気圧の谷の軸）の前面で暖気移流、後面で寒気移流
低気圧（気圧の谷の軸）の進行方向の前面（東側）で暖気移流、進行方向の後面（西側）で寒気移流が卓越していること。これが、発達する温帯低気圧にみられる特徴の２つ目です。
前面の暖気と、後面の寒気については、図４で取り上げました。その暖気と寒気移流が卓越することが、発達条件になります。暖気移流や寒気移流が発生するメカニズムについては、豆知識８の図１をご覧ください。
実際に天気図で暖気移流や寒気移流を確認する場合は、主に850hPa（上空約1500m）の天気図を利用します。このことは、今後の豆知識で紹介したいと思います。
低気圧（気圧の谷の軸）の前面で上昇気流、後面で下降気流
低気圧（気圧の谷の軸）の進行方向の前面（東側）で上昇気流、進行方向の後面（西側）で下降気流が卓越していること。これが、発達する温帯低気圧にみられる特徴の３つ目です。
図１を、再びご覧ください。この図では、前面（東側）に上昇気流、後面（西側）に下降気流がみられます。その上昇気流と下降気流が卓越することが、発達条件になります。
実際に天気図で上昇気流や下降気流を確認する場合は、主に700hPa（上空約3000m）の天気図を利用します。このことについても、今後の豆知識で紹介する予定です。
地上の低気圧の中心に対して、上空の気圧の谷が西に位置する4つの事例
発達する温帯低気圧にみられる３つの特徴のうち、「地上の低気圧の中心に対して、上空の気圧の谷が西に位置する（地上から上空に向けて気圧の谷の軸が、西に傾く）」事例を、実際の天気図でみてみましょう。
以下の図６～９では500hPa天気図における気圧の谷を黄色の実線で示すとともに、その図の中に、地上の低気圧の中心位置を星印、中心気圧（hPa）を白字で書き込みました。
これらの事例を通して、「発達中は、気圧の谷の軸が西に傾く」「最盛期（閉塞期）に達したら、気圧の谷の軸は鉛直に立つ」ことを確認していただければ幸いです。
2024年3月16日21時～3月19日9時
図６ 500hPa 高度・風 予想図（欧州中期予報センター，Windy.comのwebサイトより入手）注）実線は等高度線。風速（ノット）の分布は、色を変えて表示（詳細は、豆知識5の図6を参照）。細く途切れた線は、風の流れを示す。気圧の谷を黄色の実線で示すとともに、地上の低気圧の中心位置を星印、中心気圧（hPa）を白字で加筆。
2024年3月25日21時～3月27日9時
図７ 500hPa 高度・風 予想図（欧州中期予報センター，Windy.comのwebサイトより入手）注）図中の注釈は図６を参照。
2024年4月18日9時～4月20日9時
図８ 500hPa 高度・風 予想図（欧州中期予報センター，Windy.comのwebサイトより入手）注）図中の注釈は図６を参照。
2024年6月21日9時～6月22日21時
図９ 500hPa 高度・風 予想図（欧州中期予報センター，Windy.comのwebサイトより入手）注）図中の注釈は図６を参照。
おわりに
今回は、発達する低気圧にみられる３つの特徴（➀～③）を述べました。これらは、相互に密接に関係しています。つまり、「➀気圧の谷の軸が西に傾いている」ことは「②前面（東側）に暖気、後面（西側）に寒気がある」ことを意味し、また、「②前面に暖気移流、後面に寒気移流がある」ことは「③前面で上昇流、後面に下降流がある」ことを意味します。
➀と②をつなぐポイントは「暖気と寒気は、層の厚さが異なる」点であり、②と③をつなぐポイントは「暖気と寒気では、重さが異なる」点でしたね。３つの特徴をバラバラにではなく、関連付けて考える。そうすることで、「温帯低気圧の発達」について、理解が深まると思います。
今回の豆知識で参考にした図書等
・安斎政雄（1998） 新・天気予報の手引（改訂29版），日本気象協会
・小倉義光（1994） お天気の科学－気象災害から身を守るために－，森北出版株式会社
・小倉義光（1999） 一般気象学（第２版），東京大学出版会
・中島俊夫（2022）イラスト図解 よくわかる気象学 実技編，ナツメ社
・福地 章（1999）高層気象とFAXの知識（第７版），成山堂書店
・Windy.comのwebサイト
