【第59回 気象予報士試験 一般知識】問6 摩擦力があるときの風向とコリオリ力をわかりやすく解説

こんにちは！今回は第59回気象予報士試験 一般知識 問6を解説します！

この問題は、北半球中緯度で、地上付近の空気塊に働く力のつり合いから風向を判断する問題です。

ポイントは、地衡風そのものではなく、摩擦力を含む地上風を考えることです。 さらに、相対渦度が正という条件から、風の東西成分の向きを判断する必要があります。

この問題で重要なポイント

  • 北半球ではコリオリ力は運動方向の右向きに働く
  • 地上付近では摩擦力が風向と反対向きに働く
  • 等圧線間隔が北ほど狭いので、気圧傾度力の大きさは北ほど大きい
  • 相対渦度が正という条件から、風の東西成分の鉛直ではなく水平分布を考える
  • 東西一様なので、相対渦度は主に東西風速の南北変化で決まる
  • 正の相対渦度になるには、北側ほど西向き成分が強い流れを考える
  • 摩擦があるため、風は等圧線に平行ではなく低圧側へ少し横切る

■ 問題文

北半球中緯度にある平坦な地域において、一定の気圧間隔で描かれた地上の等圧線の分布が図のように東西に一様で北にいくほど間隔が狭くなっており、相対渦度の鉛直成分が図の範囲でどこでも正になっているとする。

このとき地上付近の空気塊に働くコリオリ力の向きを示す矢印として適切なものを、図の①〜⑤の中から1つ選べ。 ただし、コリオリパラメータは一定とし、空気塊に働く水平方向の力は気圧傾度力、コリオリ力、摩擦力のみで、摩擦力の大きさは風速に比例し、その向きは風向と反対の向きに働くとする。

図
選択肢 図中の矢印
① 左上向きの矢印
② 左下向きの矢印
③ 上向きの矢印
④ 下向きの矢印
⑤ 右下向きの矢印

■ 解答

①

■ 解き方の方針

この問題は、いきなりコリオリ力の向きを考えると混乱します。 まずは、風がどちら向きに吹いているかを考えます。

等圧線は東西方向
↓
気圧傾度力は南北方向

北ほど等圧線間隔が狭い
↓
北ほど気圧傾度力が大きい

相対渦度が正
↓
北側ほど西向きの風が強い

地上付近なので摩擦あり
↓
風は等圧線を少し横切る

北半球のコリオリ力
↓
風向の右向き

この順番で整理すると、図中の①が選べます。

■ まず相対渦度が正という条件を読む

この問題では、等圧線が東西に一様です。 つまり、風の東西方向の変化よりも、南北方向の変化を見る問題です。

相対渦度の鉛直成分は、ざっくりいうと、空気の水平的な回転の向きを表します。 北半球で正の相対渦度は、反時計回り、つまり低気圧性の回転です。

ここが受験生のつまずきポイントです

「相対渦度が正」と言われると、すぐに低気圧性回転とだけ覚えて終わりがちです。

しかしこの問題では、等圧線が東西に一様なので、 北側と南側で東西風がどう変わるか を考える必要があります。

図では、北にいくほど等圧線間隔が狭くなっています。 したがって、北側ほど気圧傾度力が大きく、風速も大きくなります。

相対渦度を正にするには、北側ほど西向きの風が強い状態を考えます。

相対渦度が正になる風速分布

北側
↓
西向きの風が強い

南側
↓
西向きの風が弱い

結果
↓
反時計回りの回転成分
↓
相対渦度が正

■ 摩擦があるので風は等圧線を横切る

もし摩擦がなければ、風はほぼ等圧線に平行に吹きます。 これが地衡風です。

しかし、問題文では地上付近の空気塊を考えており、摩擦力が風向と反対向きに働くとされています。

摩擦力があると、風速が小さくなり、コリオリ力も弱くなります。 その結果、気圧傾度力を完全には打ち消せなくなり、風は等圧線を少し横切って低圧側へ向かいます。

地上風のイメージ

上空の地衡風
↓
等圧線にほぼ平行

地上付近の風
↓
摩擦で風速が弱まる
↓
コリオリ力も弱まる
↓
風は低圧側へ横切る

この問題では、正の相対渦度の条件から西向き成分をもつ風を考えます。 さらに摩擦により、等圧線に完全に平行ではなく、少し低圧側へ向かう成分を持ちます。

■ コリオリ力は風向の右向き

北半球では、コリオリ力は風向に対して右向きに働きます。

つまり、風向が決まれば、コリオリ力の向きも決まります。

コリオリ力の判断手順

まず風向を考える
↓
北半球なので右向きに曲げる
↓
それがコリオリ力の向き

問題で問われているのは風向ではなく、コリオリ力の向きです。 ここを取り違えないように注意しましょう。

正の相対渦度と摩擦を考慮すると、地上付近の風に対してコリオリ力は図の①の向きになります。

したがって、正解は①です。

■ 選択肢確認表

選択肢 判定 理由
① 正 正の相対渦度となる風向と、北半球で風向の右向きに働くコリオリ力を考えると、この向きになる
② 誤 摩擦を含む地上風とコリオリ力の向きの関係が合わない
③ 誤 コリオリ力が真北向きになるには風が真東向きである必要があり、正の相対渦度の条件と合わない
④ 誤 コリオリ力が真南向きになるには風が真西向きに近い必要があるが、摩擦による横切り成分を考慮できていない
⑤ 誤 コリオリ力の向きが、正の相対渦度と摩擦を含む力のつり合いに合わない

■ 受験生がつまずくポイント

1. 風向ではなくコリオリ力の向きを聞かれていることを見落とす

この問題で選ぶのは、風の向きではありません。

空気塊に働くコリオリ力の向きです。 北半球では、コリオリ力は風向の右向きに働きます。

2. 摩擦があるのに地衡風だけで考えてしまう

摩擦がなければ、風は等圧線にほぼ平行です。

しかし地上付近では摩擦力が働くため、風は等圧線を少し横切ります。 この「少し低圧側へ向く」成分を忘れると、選択肢を誤りやすくなります。

3. 等圧線間隔が狭い場所を見ても、風速差に結びつかない

等圧線間隔が狭いほど、気圧傾度力は大きくなります。

この図では北ほど等圧線間隔が狭いので、北側ほど風速が大きくなります。 この風速差が相対渦度の判断につながります。

4. 正の相対渦度を単なる暗記で処理してしまう

正の相対渦度は、北半球では低気圧性、反時計回りの回転です。

ただし、この問題ではそれを図の風速分布に落とし込む必要があります。 北側ほど強い西向き成分をもつ流れとして考えるのがポイントです。

5. 力のつり合いを一度に考えようとして混乱する

気圧傾度力、コリオリ力、摩擦力を同時に考えると混乱しやすいです。

まず相対渦度から風の大まかな向きを決め、次に摩擦による横切りを加え、最後にコリオリ力を風向の右向きに取ると整理しやすくなります。

■ まとめ

  • 北半球では、コリオリ力は風向の右向きに働く
  • 地上付近では摩擦力が風向と反対向きに働く
  • 摩擦があるため、風は等圧線を少し横切る
  • 等圧線間隔が北ほど狭いので、北ほど気圧傾度力が大きい
  • 相対渦度が正という条件から、北側ほど強い西向き成分をもつ流れを考える
  • その風向に対して右向きに働くコリオリ力は、図の①の向き

正解は①

この問題で必ず押さえたいこと

等圧線間隔が北ほど狭い
↓
北ほど気圧傾度力が大きい

相対渦度が正
↓
北側ほど強い西向き成分

地上付近
↓
摩擦あり
↓
風は等圧線を少し横切る

北半球
↓
コリオリ力は風向の右向き

答え
↓
①

この問題では、地衡風だけで終わらせず、 摩擦力がある地上風として考えることが大切です。

※ 本記事では、一般財団法人 気象業務支援センターより利用許諾を受けて、気象予報士試験問題を掲載しています。
問題文の著作権は一般財団法人 気象業務支援センターに帰属します。

以上、第59回 一般知識 問6の解説でした！

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