エマグラムで直感的に分かることはたくさんあります。

エマグラムで遊んで、大気の状態を覚えましょう。

エマグラム専用用紙は、縦軸が気圧[hPa]の対数目盛(下が地表で上が上空)で、横軸が気温[℃]です。
図の中には、3本の斜めの線が引かれていて、45度くらいに寝ているのが乾燥断熱線、次が湿潤断熱線、70度くらいに立っているのが飽和混合比線です。

これらの線は、断熱過程での変化を表しています。

ここに、気圧=900hPa、気温=15℃の点を打ってみましょう。
図はこうなります。
pinta
右の目盛から900hPaの水平線を引きます。
下の目盛から15℃の垂直線を立ち上げると、点Aの位置が自動的に決まります。

これによって、乾燥断熱を辿って1000hPaの温度を読むと24℃なので、273.15度を加えて絶対温度に換算すると、温位が297Kとなることが分かります。
(小数点以下は概算省略)

同時に、この点を通る等飽和混合比線から、飽和混合比が12g/kgであることも決まります。

つまり、気圧、気温、飽和混合比、温位のうち、2点が与えられれば、他の項目が自動的に決定されることになるのです。

気圧を保持したまま温度を下げたらどうなるか

この現象は、例えば、地上(一定気圧)で空気塊を強制的に冷却するような状況に相当します。

実際の例としては、露点測定をイメージしてください。
地上で空気を冷却していくと、徐々に相対湿度が上昇して、やがて飽和に達して結露を生じます。
その温度が露点になります。

この様子をエマグラム上で表すと、水平に左に移動する動きになります。、

図で検証してみましょう。

atuonge

露点測定の原理から、この動きによって相対湿度が上昇することが想像できますが、温位や相当温位はどのような変化をするでしょうか。

等飽和混合比線との関わり

最初に、赤い矢印線を見てみると、等飽和混合比線をまたいで、値が小さくなっているいます。
これは、飽和混合比がどんどん小さくなっていることを示しています。
つまり、空気中に保持する水蒸気量がどんどん少なくなるので、相対湿度は上昇します。

やがて最初に含んでいた蒸気量を下回ったところで飽和に達するので、凝結(結露)が始まります。
この時の温度が露点温度になるのです。

スタートの温度と露点温度との差が、湿数になります。

さらに温度を下げていくと、飽和混合比がさらに小さくなるので、空気中に存在できなくなり凝結した水滴がぼたぼたと落ちてくるはずです。
氷水を入れたコップの周囲に水滴が出来て、流れ落ちる現象ですね。

乾燥断熱線との関わり

次に青い矢印線に着目してみよう。
乾燥断熱線、言い換えれば等温位線をまたいでいるので、温位が小さくなっていることを示しています。

周囲から冷却するのだから、温位が小さくなるのは当然でしょう。

湿潤断熱線との関わり

最後に茶色の矢印線を見ると、湿潤断熱線つまり相当温位線をまたいで相当温位が小さくなっています。

第33回学科一般知識 問3 (正誤問題です)

(c)未飽和湿潤空気塊が圧力一定の条件で凝結を伴うことなく冷却されるとき、この空気塊の相当温位は一定に保たれる

圧力一定で冷却されるのは、エマグラム上で水平に左に移動することです。
相当温位が低下するので、この設問は『誤』であることが、直感的に分かりますね。

第38回学科一般知識 問3 (正誤問題です)

(a)気圧を一定に保ちながら乾燥空気塊の温度を上昇させるときにはその温位は保存される。

圧力一定で温度を上昇させるのは、エマグラム上で水平に右に移動することです。
温位が増加するので、この設問は『誤』であることが、直感的に分かりますね。

温度を維持したまま気圧を下げたらどうなるか

エマグラム上で、まっすぐ上に移動する動きになります。
減圧しながら加熱する動きなので、自然界では再現しにくい状況です。

図示するとこうなります。

pupst
まず、赤い矢印を見ると、等飽和混合比線をまたいで、飽和混合比が大きくなる方向に動いているので、水蒸気量が変わらないとすれば、乾燥する動きになり凝結は発生しません。

次に、青い矢印に注目してみると、乾燥断熱線をまたいで、温位が大きくなる方向に動いていますね。
温位が大きくなるということは、同じ気圧なら温度が高くなることです。

1000hPaで気温5℃の空気塊を断熱変化で乾燥断熱線に沿って高度を上げると900hPaでは
・・・気温は4℃くらいに低下します。

でも、青の矢印のように真っ直ぐに上昇させると5℃のまま、あれ?
ちょっと変だぞ。

青の矢印では、断熱変化のときよりも気温が上がっている!
何故だろう?

実は、空気塊が周りから熱をもらいながら上昇したからなのです。
1℃分の熱をもらうことができたのです。

これを等温変化と言います。

空気塊の上昇スピードに合わせながら適切に熱を供給しないといつも気温一定の状態にはできないので、自然界では起こりにくい現象です。

断熱的に上昇させたらどうなる

では、加熱や冷却なしに空気塊を上空に持ち上げたらどうなるか。
これが、おなじみの断熱的な操作で、最初は乾燥断熱線に沿って上がることになるのです。

解説するための参考図を示します。
20150103h7
最初に設定した、点A(900hPaで15℃)をスタートしましょう。

この点の温位は297Kで、飽和混合比は12g/kgであることが決まっていることは、最初に説明したとおりです。

ここで、今後の説明のために、現在の混合比を仮に5g/kgと設定しておくことにします。
飽和混合比が12g/kgなので、相対湿度は5/12=41.7%になりますね。

飽和するまでは乾燥断熱線

ここから断熱的に空気を上空に持ち上げるためには垂直な線を引いてはいけまえん。
青い色で示した乾燥断熱線に沿って左上の方向に上がってゆくのです。

気圧の減少と共に温度は下がってゆきます。
当たり前の現象が確認できました。

スタート点の飽和混合比は12g/kgだったが、等飽和混合比線をまたいで進んでいくと、値がどんどん小さくなってゆきます。

仮に設定した5g/kgの等飽和混合比線と交差したところで、飽和に達します。

青い丸で示した点が、持ち上げ凝結高度(LCL)です。
ここで等飽和混合比線と900hPaの交点を見ると、露点温度(2.1℃)が分かりますね。

露点温度(2.1℃)と現在の温度(15℃)との差(12.9℃)を、湿数と言います。

ついでに、LCLから湿潤断熱線に沿って1000hPaまで落とすと、湿球温位が分かるのです。

図示していませんが、元の気圧(900hPa)との交点が湿球温度になります。

エマグラムの操作でいろいろな指標が見えてきますね。

飽和に達したら湿潤断熱線

さて、青い線で示した乾燥断熱線に沿って空気を持ち上げましたが、飽和に達すると挙動が変わってきます。

ここから上は、オレンジ色で示した湿潤断熱線に沿って上昇を続けることになります。

なぜかというと、飽和してからさらに温度が下がるので、空気中の水蒸気が凝結して水滴に変わるので潜熱を発することになり、青い線のまま進むことが出来なくなるのです。

だから、どうしても、オレンジ色の線に乗り換えなければならないのです。

オレンジ色の線を良く見てみると、乾燥断熱線をまたいで大きい数字になっています、つまり温位が上がっているのです。
何故温位が上がるかといえば、凝結熱(潜熱)が発生するからです。

熱帯で水蒸気がどんどん蒸発すると、上空に暖気核ができますが、それはこんな理由からなのです。
暖気核が、やがて台風を育てることにもつながります。

水蒸気をどんどん凝結させながら、つまり水蒸気を絞り出して雲や霧や雨を作りながら、温位を上げているのです。

上空では湿潤断熱線と乾燥断熱線が重なる

しかし、保持している水蒸気には限りがあり、雲を作りながら(あるいは雨を降らせながら)上昇してゆけば、空気はだんだん乾燥状態に近づいてゆきます。
やがて、水蒸気を全部吐き出してしまったら、もうそれ以上温位が上がることはありません。

ふと見ると、オレンジ色の湿潤断熱線は、グレーの乾燥断熱線と重なっていることに気が付きます。
重なったところから、グレーで示した乾燥断熱線に沿って1000hPaまで下げてみると、311Kですね。
これが、最初に与えられた「点A」(900hPa、15℃、混合比5g/kg)の相当温位を示しているのです。

この作図で操作したことを振り返れば、相当温位とは、当初保持していた水蒸気をすべて吐き出して持っていた潜熱を温位に変化させて上昇させた後に到達した温位であることが、図から読み取れます。
相当温位が温位よりも右側にあることが明白であり、温位(θ)<相当温位(θe)であることも必然的に頭に残リますね。
是非、残してください。

第31回学科一般知識 問3 (正誤問題です)

(c)湿潤空気塊の相当温位は、その空気塊の温位より高い。

上述の説明通りで、正解は『正』です。

文章で読むと、すごくごちゃごちゃしていますが、じっくりと線をたどってみれば、簡単に分かるはずです。

エマグラムを嫌わず、頼りになるツールとして活用してください。

例題:自分で考えてください。

第20回学科一般知識  問3 の改題 (正誤問題です)

  • (a)空気塊を基準気圧(1000hPa)まで乾燥断熱的に変化させたときの温度を、温位という。
  • (b)乾燥空気塊が断熱的に運動するとき、その空気塊の温位は保存される。
  • (c)湿潤空気塊の相当温位は、その空気塊の温位より高い。

シェアする

  • このエントリーをはてなブックマークに追加

フォローする

コメント

  1. 高木彩 より:

    気象予報士試験の勉強をしている学生です。
    エマグラムについて理解ができなかったのでこのページを参考にさせていただきました。
    そこで疑問点があるので質問させていただきます。
    このページの真ん中あたりにある”断熱的に上昇させたらどうなる”のエマグラム内で
    オレンジ色とグレー色の線が重なったところを基準にして
    グレーの線をたどって1000hPaまで下げると相当温位が求められると書いてありますが、
    このエマグラムを見る限りグレーの乾燥断熱線に重なる以前に
    もっと温位の低い乾燥断熱線に重なっているように思えるのですが、
    なぜグレーの線と重なった時だけ特別扱いするのですか?
    周囲に気象学についての知識がある人がいなくて困っています。
    もしお時間を割いていただけるのならば、メールアドレスに返信等していただけると嬉しいです。

  2. syoh G より:

    「断熱的に上昇させたらどうなる」について3つ質問が有りますが、よろしくお願いいたします。

    1. エマグラム図中の乾燥断熱線、湿潤断熱線、等飽和混合比線の線分は
    地球上のどの地点でも同一のものが使われるのですか?

    2.乾燥断熱線、湿潤断熱線、等飽和混合比線の線分はエマグラム上で見る限り、
    緩やかなカーブを描いていますが、それぞれを表す関数式は有るのでしょうか?

    3.エマグラムの中には露点温度が折れ線グラフで表示されているものが有ります。
    (めざてん-天気の安定とは-状態曲線 で例示された図)
    この露点温度の折れ線グラフとエマグラムの基本説明で使われる等飽和混合比線の使い分けが分かりません。

    具体的には、持ち上げ凝結高度LCLを求める方法として次の二つの方法が有ると思います。
    ①等飽和混合比線を使用する方法
    地表面の露点温度を通る等飽和混合比線と乾燥断熱線の交点から求める。

    ②露点温度のグラフを使用する方法
    乾燥断熱線と露点温度グラフの交点から求める。

    ①と②のそれぞれの方法でLCLを求めると、値にかなりの差が生ずるように思います。

    露点温度の折れ線グラフと等飽和混合比線は、同時に使用されることは無いと考えて
    余り深く考えない方がいいのでしょうか?(笑)

    • 北上大 より:

      syoh Gさん、おはようございます。

      研究熱心ですね。
      ただ、予報士試験範囲から逸脱している部分は、あまり深追いしないほうがゴール到達が早いですよ。

      >1. エマグラム図中の乾燥断熱線、湿潤断熱線、等飽和混合比線の線分は
      >地球上のどの地点でも同一のものが使われるのですか?
      エマグラムは、圧力、水蒸気と気温の関係を図式化したものですから、南半球用とか高緯度用とかの区別はありません。
      このような観点で調べたことがないので断言はしませんが、地球上のどこでも同一だと思います。
      わたしの知る範囲では、過去問で、そのような観点を突いた問題はありませんでした。

      >2.乾燥断熱線、湿潤断熱線、等飽和混合比線の線分はエマグラム上で見る限り、
      >緩やかなカーブを描いていますが、それぞれを表す関数式は有るのでしょうか?
      単純な物理現象ですから、数式に基づいているはずです。
      例えば、乾燥断熱線は次式をグラフ化したものです。
       θ=(T+273.15)×(1000/p)^0.2857
         θ:温位(K)、 T:気温(℃)、 p:気圧(hPa)
      しかし、気象予報士の仕事は、グラフ用紙を作ることではありません。
      グラフの意味を理解して活用することですから、式を覚える必必要はありません。

      時間がないので、3番は後ほど回答します。

      • syoh G より:

        北上大さん、おはようございます
        早速、的を得たご回答を頂き、なるほどねと感心している所です。

        私は疑問点が一つ浮かぶと、頭の中で連鎖反応の如く次々連なって、
        それらの疑問点を調べているうちに目的を見失う癖があります。
        こんな事をしていては、合格への道のりは遥か彼方になってしまいますね(笑)。

        しかし、気象予報士の勉強を始めて気付いたのですが、
        これ程夢中にさせる勉強分野は今までの自分には少なかったように思います。
        そして今、気象予報士のツボに嵌ってます(笑)。

    • 北上大 より:

      syoh Gさん、回答の続きです。

      >3.エマグラムの中には露点温度が折れ線グラフで表示されているものが有ります。
      >(めざてん-天気の安定とは-状態曲線 で例示された図)
      通常の状態曲線では、気温と露点温度のデータがセットで表示されますので、極めて普通の図です。

      >この露点温度の折れ線グラフとエマグラムの基本説明で使われる等飽和混合比線の
      >使い分けが分かりません。
      そもそも使い分ける性質のものではありません。
      露点温度の折れ線は、(鉛筆で記入した)大気の状態を表すデータです。
      等飽和混合比線は、(予め印刷された)グラフ用紙の罫線の一部です。
      まったく性質が異なる線なので、使い分けという概念が存在しません。

      >①等飽和混合比線を使用する方法
      >地表面の露点温度を通る等飽和混合比線と乾燥断熱線の交点から求める。
      これが普通の方法ですね。

      >②露点温度のグラフを使用する方法
      >乾燥断熱線と露点温度グラフの交点から求める
      この方法をわたしは知りません。

      >①と②のそれぞれの方法でLCLを求めると、値にかなりの差が生ずるように思います。
      LCL持ち上げ凝結高度は、水蒸気の物理的性質ですから1点に定まるものです。
      2つの値が得られるのなら、どちらかが間違っています。
      おそらく、わたしが知らない②の方法で、なにか勘違いをしているのではないでしょうか。
      ②の方法が分からないのでこれ以上の詮索はできません。

      >露点温度の折れ線グラフと等飽和混合比線は、同時に使用されることは無いと考えて
      >余り深く考えない方がいいのでしょうか?
      繰り返しますが、露点温度の折れ線グラフと等飽和混合比線は、まったく性質が違う線ですから、同時に使用するという概念が変です。

  3. syoh G より:

    北上大さん、
    >おそらく、わたしが知らない②の方法で、なにか勘違いをしているのではないでしょうか。

    はい、ご指摘の通り私が勘違いしていたようです。
    ②の方法とは
    ラジオゾンデから得られるエマグラムを見ていた時に、
    この図からLCL持ち上げ凝結高度を求めようとするとどうするんだろう? 
    と考えた末に、自分で編み出した猿知恵です。

    誤りをご指摘いただいただけで大収穫です。
    お手数お掛けしまして申し訳ございません。
    有難うございました。

  4. n より:

    初めまして。いつも分かりやすい解説ありがとうございます。

    以前こちらにコメントされていた高木彩さまと全く同じ疑問を抱きました。

    上空では湿潤断熱線と乾燥断熱線が重なる
    の説明で、
    「オレンジ色の湿潤断熱線は、グレーの乾燥断熱線と重なっていることに気が付きます。」

    とありますが、図を見ているとそれ以前に湿潤断熱線と乾燥断熱線と交わる点があるのでは、と感じました。

    お忙しいかと存じますが、ご回答いただけたら幸いです。よろしくお願い致します。

    • 北上大 より:

      nさん、こんにちは。

      『上空では湿潤断熱線と乾燥断熱線が重なる』とは、交差することではありません。
      漸近線として2つの線が近づいて1本の線に重なってしまうのです。

      そうなる理由は、
      湿潤断熱線は、上空に行くほど冷却されて飽和水蒸気圧が小さくなり、乾燥状態に近くなるのです。
      湿潤断熱線が乾燥状態になると湿潤の意味がなくなり、上空では乾燥断熱線に近づいてやがて同じ線になります。

      解答とは別に、一つお願いがあります。
      ハンドルネームは、もう少し識別性がはっきりする名前を使ってください。
      nさんでは26人しか判別できませんが、この掲示板にはもっとたくさんの人がコメントを寄せてくれますので。

  5. n より:

    北上さん

    ご回答頂きありがとうございます。
    重なる、とは交差するということ
    ではないのですね。理解致しました。

    ハンドルネームの件も承知致しました。
    以後気を付けます。

    今後ともよろしくお願い致します。

  6. bagbag より:

    北上様はじめまして
    bagbagです。
    基礎的な事ですみません。
    温位が地上の温度より低いことがありますが持ち上げ凝結高度は1000hpa以上で成立する場合はあるのでしょうか。

    • 北上大 より:

      bagbagさん、こんにちは。

      >持ち上げ凝結高度は1000hpa以上で成立する場合はあるのでしょうか。

      あると思います。
      地上で気温と露点温度が同じ(飽和している)であれば、持ち上げ凝結高度は地表面になります。
      このときに、その地域の地上気圧が1000hPa以上であれば、ご指定の条件になります。
      雲底高度が地表面になるので、雲(キリ)が発生するかもしれません。
      昨日(2020年6月26日)の潮岬がこの条件に近いと思います。

      また、典型的な例を図示すればこうなりますが、1000hPa以上の高圧でこんなにきれいに図示できることは稀です。
      持ち上げ凝結点

      • bagbag より:

        北上様 御解答ありがとうございます!
        なるほど、稀ではあるけど高圧条件でも成立する場合があるのですね、ありがとうございます!