偏西風はなぜ吹くのか？

地球は北極の上の方から見ると左回転をしています。その回転方向と同じ方向になぜ偏西風がいつも吹くのでしょうか。偏西風の説明をする前に、地球全体ではどのような風が吹くか、そしてその原因について述べます。

図１ 地球の大気循環

赤道付近では暑く、北極（高緯度の地域）では寒くなります。太陽から放射される熱は同じなのに気温の違いが生じるのは、地球が球体で、(1) 赤道付近では太陽からの日射をほぼ垂直に受けるのに対し、高緯度の地域では斜めに当たる、すなわち広い面積に広がる、(2) 大気を通過する距離の差、のためです。
赤道付近では太陽熱によって加熱された空気は上昇して南北に振り分けられ、やがて冷やされると密度を増して下降せざるを得ません。これが大気の大循環と呼ばれるものです。ただし北極まで到達するのではなく、実際には北緯30度付近で温度が下がるために下降して、赤道付近へ戻ります。この循環をハドレー循環と言います（図１）。
一方、北極での冷たい空気は地上を這うよう南の方向へ広がります。北緯60度付近で温度が上がり、上昇して北極付近へ戻ります。この循環を極循環と言います。
ハドレー循環と極循環の間にはフェレル循環があります。フェレル循環は渦としては閉じておらず、空気の流れを平均することによって現れる「みかけの循環」と言われています。

図１には地上ならびに上空の気流が模式的に描かれています。地球は自転しているので、気流は「コリオリの力^*1」により北半球では右へ針路を曲げるようになります。南半球では左方向になります。

図２ 地衡風（Wiki「コリオリの力」）

北緯30度付近ではハドレー循環の下降する空気の流れによる高圧の部分（亜熱帯高圧帯）があり、北緯60度付近では極循環によって上昇気流による亜寒帯低圧帯があります。この高圧帯と低圧帯で生じた気圧の差によって南から北への空気の流れが生じます。これを気圧傾斜力による空気の流れと言います。図２は気圧傾斜力が一定の北向きの力としており、そして各部分におけるコリオリの力を表しています。気圧傾斜力により空気の速度は増加し、それに伴いコリオリの力も増加することにより、空気の進む方向が変わっていきます。やがて気圧傾斜力とコリオリの力が反対方向で釣り合うようになります。風向きが等圧線と平行になった時の風を地衡風（ちこうふう）と呼んでいます。北半球では西風（東方向へ吹く風）になります。これが偏西風の生じる原因です。南半球ではコリオリの力が左方向に加わるので同じように偏西風となります。

図３　偏西風の蛇行

最近では（2021年12月）、西日本から東海地方の豪雨と後の高温（18年7月）、九州の大雨（20年7月）、日本海側の大雪（21年1月）、西日本・東日本太平洋側の大雨（21年8月）、海外でもアメリカ南西部の極端な乾燥（20年5月）、シベリア・カナダ・アメリカ北西部の高温（21年6月）、ヨーロッパ中部の洪水（21年7月）など異常気象が続いています。その原因は偏西風の蛇行と言われています。
海や陸地のいろいろな場所での温度の違いにより高気圧や低気圧が発生します。コリオリの力により、高気圧では右回りで風を吹き出し、低気圧では左回りで引き込みます。そのため、偏西風は図３のように蛇行します。この蛇行は年によって大きく変化することがあります。蛇行の原因については様々な議論があり、十分な説明ができない事も多いと言われています。ここで記載したのは一つの原因となりますが、さらに複雑な原因も有りそうと捉えて頂きたいと思います。

図４　ジェット気流

高度10km付近の最も偏西風の速度の速い所をジェット気流（英語ではジェットストリーム）と呼びます。厚さ数km、幅100km位で蛇行しながら地球を1周します。ジェット気流は南北の気圧勾配の大きな所、すなわち南北の温度差が大きな所で流れ、フェレル循環の極側付近の寒帯ジェット気流と北緯30度付近の亜熱帯ジェット気流の2種があります（図４）。 冬季には寒帯ジェット気流と亜熱帯ジェット気流が合流する日本付近とアメリカ東部では風速は30m/s位で、時には100m/s近く（時速300km）に達することもあります。夏期はその半分程度の風速に弱まります。 特に日本上空ではジェット気流が強くなっています。コンピュータ・シミュレーションにより山岳の存在、ならびに、海洋と大陸の間の気温の差、赤道付近の海洋の温度差が大きな影響を与えていることが明らかになりました。