【第60回 気象予報士試験 一般知識】問10 接地境界層と対流混合層をわかりやすく解説
こんにちは！今回は第60回気象予報士試験 一般知識 問10を解説します！
この問題は、風の弱い晴れた日の平坦な陸上で見られる接地境界層と対流混合層の特徴を問う問題です。
ポイントは、昼と夜で大気境界層の構造が大きく変わることです。 正午頃は地表面加熱によって対流が活発になり、夜間は放射冷却によって接地逆転層ができやすくなります。
この問題で重要なポイント
- 正午頃は地表面加熱により、接地境界層が不安定になりやすい
- 接地逆転層は昼過ぎではなく、夜間から明け方に発達しやすい
- 対流混合層では、水蒸気の混合比はほぼ一様になりやすい
- 相対湿度は気温の影響を受けるため、混合比と同じように一様とは限らない
- 接地境界層では、風速は高度とともに増加する
- 対流混合層では、乱流混合により風速はほぼ一様になりやすい
■ 問題文
風の弱い晴れた日の平坦な陸上で見られる大気境界層（接地境界層と対流混合層）の一般的な特徴について述べた次の文（a）〜（d）の正誤の組み合わせとして正しいものを、下記の①〜⑤の中から1つ選べ。
（a）正午頃の接地境界層では、気温は乾燥断熱減率で高度とともに低下している。
（b）接地逆転層は昼過ぎに現れ、日の入りの頃、厚さが最大となる。
（c）正午頃の対流混合層では、水蒸気の混合比及び相対湿度は、高度によらずほぼ一様である。
（d）正午頃の接地境界層では風速は高度とともに増加しているが、対流混合層ではほぼ一様である。
| 選択肢 | （a） | （b） | （c） | （d） |
|---|---|---|---|---|
| ① | 正 | 正 | 誤 | 正 |
| ② | 正 | 誤 | 正 | 正 |
| ③ | 誤 | 正 | 誤 | 誤 |
| ④ | 誤 | 誤 | 正 | 誤 |
| ⑤ | 誤 | 誤 | 誤 | 正 |
■ 解答
⑤
（a）誤
（b）誤
（c）誤
（d）正
■ 解き方の方針
この問題は、まず昼の境界層と夜の境界層を分けて考えると解きやすくなります。
昼
↓
地表面が加熱される
↓
下から暖められる
↓
対流が活発
↓
対流混合層が発達
夜
↓
地表面が放射冷却で冷える
↓
地表付近が冷える
↓
接地逆転層ができる
つまり、「正午頃」と書かれているものは、基本的に地表面加熱による不安定・混合を考えます。 一方、「接地逆転層」は夜間から明け方の現象として整理します。
■ （a）正午頃の接地境界層は乾燥断熱減率か
（a）では、正午頃の接地境界層では、気温が乾燥断熱減率で高度とともに低下していると述べています。
これは誤りです。
風の弱い晴れた日の正午頃は、地表面が強く加熱されます。 そのため、地表面に近い空気ほど強く暖められ、接地境界層では非常に不安定な状態になりやすいです。
正午頃の接地境界層のイメージ
地表面が強く加熱
↓
地表付近の空気が強く暖まる
↓
高度とともに気温が急激に低下
↓
乾燥断熱減率より大きい気温減率になりやすい
乾燥断熱減率で低下している状態は、乾燥空気に対して中立に近い状態です。 しかし、正午頃の接地境界層では、地表面加熱の影響で乾燥断熱減率よりも大きな気温減率、つまり不安定な状態になりやすいです。
したがって、（a）は誤りです。
■ （b）接地逆転層は昼過ぎに現れるか
（b）では、接地逆転層は昼過ぎに現れ、日の入りの頃に厚さが最大となると述べています。
これは誤りです。
接地逆転層は、地表面付近の気温が上空より低くなる層です。 風が弱く晴れた夜には、地表面が放射冷却で冷えます。 その結果、地表付近の空気が冷やされ、接地逆転層が形成されます。
接地逆転層ができる時間帯
日没後
↓
地表面が放射冷却で冷える
↓
地表付近の空気が冷える
↓
接地逆転層が形成
↓
明け方頃に発達しやすい
昼過ぎは地表面が加熱され、対流が活発な時間帯です。 そのため、接地逆転層が昼過ぎに現れて、日の入り頃に最大になるという説明は逆です。
受験生がつまずきやすいのは、「日の入り頃＝冷え始めるから最大」と考えてしまうところです。
しかし、接地逆転層は日没直後にすぐ最大になるわけではありません。 夜間の放射冷却が続くことで発達し、一般には明け方に厚くなりやすいです。
したがって、（b）は誤りです。
■ （c）対流混合層では混合比と相対湿度がどちらも一様か
（c）では、正午頃の対流混合層では、水蒸気の混合比及び相対湿度が、高度によらずほぼ一様であると述べています。
これは誤りです。
対流混合層では、上下方向の乱流混合が活発です。 そのため、水蒸気の混合比は高度によらずほぼ一様になりやすいです。
しかし、相対湿度まで一様とは限りません。
混合比と相対湿度を分けて考える
混合比
↓
空気中の水蒸気量そのものに近い指標
↓
混合層で一様になりやすい
相対湿度
↓
水蒸気量 ÷ 飽和水蒸気量
↓
気温に強く左右される
↓
一様とは限らない
対流混合層では、温位や混合比はよく混ざってほぼ一様になりやすいです。 一方、気温は高度とともに変化します。 気温が下がると飽和水蒸気量も変わるため、同じ混合比でも相対湿度は変化します。
つまり、混合比が一様だから相対湿度も一様とはいえません。
したがって、（c）は誤りです。
■ （d）風速は接地境界層では増加し、対流混合層ではほぼ一様か
（d）では、正午頃の接地境界層では風速は高度とともに増加しているが、対流混合層ではほぼ一様であると述べています。
これは正しいです。
接地境界層では、地表面摩擦の影響が大きく、地表に近いほど風速が小さくなります。 そのため、地表から離れるほど風速は増加します。
接地境界層の風速
地表面に近い
↓
摩擦の影響が大きい
↓
風速が小さい
高度が上がる
↓
摩擦の影響が弱まる
↓
風速が増加
一方、対流混合層では、熱対流によって上下方向の混合が活発です。 運動量も上下に混合されるため、風速は高度によらずほぼ一様になりやすいです。
対流混合層の風速
対流が活発
↓
上下方向の混合が強い
↓
運動量も混ざる
↓
風速はほぼ一様
したがって、（d）は正しいです。
■ 選択肢確認表
| 項目 | 判定 | 理由 |
|---|---|---|
| （a） | 誤 | 正午頃の接地境界層では地表面加熱により、乾燥断熱減率より大きい気温減率になりやすい |
| （b） | 誤 | 接地逆転層は昼過ぎではなく、夜間の放射冷却で形成され明け方に発達しやすい |
| （c） | 誤 | 混合比はほぼ一様になりやすいが、相対湿度は気温の影響を受けるため一様とは限らない |
| （d） | 正 | 接地境界層では風速は高度とともに増加し、対流混合層では混合によりほぼ一様になる |
以上より、正しい組み合わせは⑤です。
■ 受験生がつまずくポイント
1. 正午頃の接地境界層を乾燥断熱と考えてしまう
正午頃は地表面加熱が強く、地表付近の空気が強く暖められます。
そのため、接地境界層では乾燥断熱減率より大きい気温減率となることがあります。 「乾燥断熱＝いつでも境界層の基本」と考えないようにしましょう。
2. 接地逆転層の時間帯を間違える
接地逆転層は、昼ではなく夜にできやすい現象です。
晴れて風が弱い夜、地表面が放射冷却で冷えることで形成され、明け方に発達しやすくなります。
3. 混合比と相対湿度を同じもののように扱う
対流混合層では、水蒸気の混合比はよく混ざってほぼ一様になりやすいです。
しかし、相対湿度は気温に依存します。 高度とともに気温が変化すれば、相対湿度も変化します。
4. 「混合層だから全部一様」と考えてしまう
対流混合層では、温位や混合比、運動量はよく混ざります。
しかし、すべての量が完全に一様になるわけではありません。 特に相対湿度のように温度依存の大きい量は注意が必要です。
5. 風速の鉛直分布を混同する
接地境界層では、地表面摩擦の影響で下ほど風が弱く、上ほど風が強くなります。
一方、対流混合層では上下の混合が強いため、風速はほぼ一様になります。 この違いを押さえましょう。
■ まとめ
- 正午頃の接地境界層は、地表面加熱により不安定になりやすい
- 接地逆転層は夜間の放射冷却で形成され、明け方に発達しやすい
- 対流混合層では、水蒸気の混合比はほぼ一様になりやすい
- 相対湿度は気温の影響を受けるため、一様とは限らない
- 接地境界層では風速は高度とともに増加する
- 対流混合層では風速はほぼ一様になりやすい
正解は⑤
（a）誤
（b）誤
（c）誤
（d）正
この問題で必ず押さえたいこと
昼・晴れ・風弱い
↓
地表面加熱
↓
対流混合層が発達
夜・晴れ・風弱い
↓
放射冷却
↓
接地逆転層が発達
対流混合層
↓
混合比はほぼ一様
でも
相対湿度は一様とは限らない
接地境界層の風速
↓
高度とともに増加
対流混合層の風速
↓
ほぼ一様
この問題では、昼と夜の境界層構造を分け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60回 一般知識 問10の解説でした！
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