1日の観測記録から前線の種類を判定する
H市の中学校で、3月12日の天気を1時間ごとに観測した。結果は次のとおり。6時：気温12.4 ℃、気圧1012 hPa、風向南南東2 m/s、晴れ。9時：14.8 ℃、1008 hPa、南4 m/s、薄曇り。12時：16.1 ℃、1002 hPa、南7 m/s、曇り。15時：16.5 ℃、997 hPa、南西9 m/s、強い雨。18時：11.2 ℃、1004 hPa、北西10 m/s、弱い雨。21時：7.6 ℃、1010 hPa、北西5 m/s、晴れ。24時：5.1 ℃、1014 hPa、北西2 m/s、晴れ。雨は15時から18時の間にだけ降り、降り始めは雷を伴い、1時間に30 mmを超える激しいものだった。18時以降は雨脚が弱まり、21時には星が見えた。15時から18時の間には、雨とともにひょうが降ったという報告もある。この日、日本付近には低気圧が東進していた。観測は校舎の屋上で行われ、気圧計は0.5 hPaまで読み取れるもの、風向風速計は10分間の平均を記録するものを用いた。生徒の一人は「気温が上がったあとに下がったのだから、温暖前線が通過したはずだ」と主張している。
1. 通過したのは寒冷前線か温暖前線か。上の記録から根拠を3つ以上挙げて判定せよ。また、前線が通過した時刻はおよそいつか。
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結論：寒冷前線が通過した。通過時刻は15時から18時の間。
根拠
- 気温の変化：15時16.5 ℃→18時11.2 ℃と、3時間で5 ℃以上も急に下がり、その後も下がり続けている。温暖前線なら通過後に気温は上がる。
- 気圧の変化：15時を最低（997 hPa）として、その後は上昇に転じている。前線通過後に気圧が上がるのは寒冷前線の特徴。
- 風向の急変：南西9 m/sから北西10 m/sへ、短時間で風向が変わり風速も強まった。
- 降水の降り方：通過時だけ短時間に激しく降り、雷やひょうを伴い、通過後は急速に弱まって晴れた。
時刻の判断
- 気温の急降下、気圧の極小、風向の急変がすべて15時と18時の間で起こっている。この間に前線が通過したと判断できる。
- 1時間ごとの記録なので、通過時刻を1時間より細かく特定することはできない。16時や17時の観測があれば、さらに絞り込める。
2. 15時から18時にかけて、なぜ短時間に強い雨が降ったのか。前線面の傾きと雲のでき方から説明せよ。
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寒冷前線のしくみ
- 寒冷前線では、冷たい空気の塊が暖かい空気の下にもぐりこみ、暖かい空気を急激に押し上げる。
- 前線面の傾きが急なので、押し上げられる暖かい空気の上昇気流が強くなる。
- 強い上昇気流の中で積乱雲が発達し、限られた範囲に短時間で激しい雨を降らせる。雷やひょう、突風も伴いやすい。
記録との対応
- 雨は15〜18時の間に限られ、1時間に30 mmを超え、雷やひょうを伴った。これは積乱雲による降水の特徴と一致する。
- 通過後は雨脚が急速に弱まり、21時には晴れた。降水域が狭く、通過するとすぐ回復する点も寒冷前線らしい。
対比
- 温暖前線は前線面の傾きがゆるやかで、暖かい空気がゆっくり乗り上げる。乱層雲が広がり、広い範囲で弱い雨が長く続く。今回の記録とは合わない。
3. 18時以降に気温が下がり、気圧が上がったのはなぜか。空気の性質と密度の観点から説明せよ。
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気温が下がる理由
- 前線通過後は風向が北西に変わり、大陸側から乾いた冷たい空気が入り込む。
- 寒気の上層では下降気流が生じやすく、雲が消えて晴れる。晴れると地表からの放射冷却が進み、夜間にさらに気温が下がる（18時11.2 ℃→24時5.1 ℃）。
気圧が上がる理由
- 冷たい空気は密度が大きい。同じ高さまでの気柱を考えると、冷たく密度の大きい空気が入れ替わることで、地表にかかる空気の重さが増える。
- さらに下降気流は上空から空気を押し下げるので、地表の気圧を高める。
- 実際、15時997 hPa→24時1014 hPaと17 hPaも上昇している。
まとめ
- 「気温が下がる」と「気圧が上がる」は別々の現象ではなく、冷たく密度の大きい空気に入れ替わったという同じ原因から説明できる。
- 生徒の「気温が上がってから下がったから温暖前線」という主張は、通過前の南風による気温上昇を前線の通過と取り違えている。通過後に気温が下がり続けている点で寒冷前線と判断すべきである。