気候学

気候学（ギリシャ語の κλίμα、klima、「傾斜」および-λογία、-logiaに由来）または気候科学は、地球の気候に関する科学的研究であり、通常、少なくとも30年の期間の平均化された気象条件として定義されます。^[1]気候は、長期間から無期限の大気の状態に関するものであり、気象は、比較的短い期間の大気の状態です。主な研究テーマは、気候変動、気候変動のメカニズム、および現代の気候変動の研究です。^{[2] [3]この研究テーマは}、大気科学の一部であり、地球科学の1つである自然地理学の下位分野と見なされています。気候学には、海洋学と生物地球化学のいくつかの側面が含まれます。

気候学者が主に用いる方法は、観測結果の分析と気候を決定する物理的プロセスのモデル化である。短期的な天気予報は、エルニーニョ南方振動（ENSO）、マッデン・ジュリアン振動（MJO）、北大西洋振動（NAO）、北極振動（AO）、太平洋十年振動（PDO）、太平洋十年振動（IPO）などの気候周期など、気候の長期的な現象に関する知識に基づいて解釈することができる。気候モデルは、気象や気候システムのダイナミクスの研究から将来の気候の予測まで、さまざまな目的で使用されている。^[2]

気候の正式な研究はギリシャ人が始めた。実際、「気候」という言葉は「傾斜」を意味するギリシャ語のklimaに由来しており、地球の軸の傾斜または傾きを指している。気候に関する最も影響力のある古典は、紀元前400年頃にヒポクラテスが書いた『空気、水、場所について^』[4]である。この著作では、気候が人間の健康に与える影響や、アジアとヨーロッパの文化の違いについて論じている。^[4]気候によってどの集団が優れているかが気候によって決まるというこの考え、つまり気候決定論は、歴史を通じて影響力を持ち続けた。^[4] 中国の科学者沈括(1031–1095) は、当時は竹の生育に適さなかった乾燥気候の地域である兗州(現在の陝西省延安)付近の地下で発見された化石化した竹を観察した後、気候は長い時間をかけて自然に変化すると推測した。^[5]

科学革命の間に温度計と気圧計が発明されたことで、体系的な記録管理が可能になり、これは1640～1642年にイギリスで始まっていた。^[4]初期の気候研究者には、南半球への航海の後に1686年に貿易風の地図を発表した エドモンド・ハレーがいる。ベンジャミン・フランクリン（1706～1790）は、北米からヨーロッパに郵便を送るのに使うために、初めてメキシコ湾流のコースを地図に描いた。フランシス・ゴルトン（1822～1911）は、高気圧という用語を発明した。^[6]ヘルムート・ランツベルク（1906～1985）は、気候学における統計分析の使用を促進した。

20世紀初頭、気候学は主に地域気候の記述を重視していました。この記述気候学は主に応用科学であり、農民やその他の関心のある人々に、通常の天候がどのようなものか、極端な現象が発生する可能性がどの程度高いかについての統計を提供しました。^[7]これを行うには、気候学者は気候の標準、つまり通常30年間の天候と極端な天候の平均を定義する必要がありました。 ^{[8]科学者は}氷河期 などの過去の気候変動を知っていましたが、気候が非常にゆっくりと変化するという概念は記述気候学に役立ちました。これはその後の数十年間で変化し始めました。気候変動科学の歴史はそれより早く始まりましたが、気候変動が気候学者の主要な研究テーマの1つになったのは1970年代以降でした。^[9]

気候学の様々なサブトピックは、気候の異なる側面を研究します。気候学のサブトピックにはさまざまな分類があります。たとえば、アメリカ気象学会は、記述気候学、科学的気候学、応用気候学を気候学の3つのサブカテゴリとして特定しており、これは研究の複雑さと目的に基づいた分類です。^{[10]応用気候学者は、}製造業や農業などのさまざまな産業に専門知識を適用します。^[11]

古気候学は、氷床コアや樹木の年輪などの記録を調べることで、過去の気候を再構築し理解しようとする試みです (年輪気候学)。古気候学では、同じ記録を使用して、数千年にわたるハリケーンの頻度を判定します。歴史気候学は、人類の歴史に関連する気候の研究 であり、主に過去数千年を対象としています。

境界層気候学は、地表付近の水、エネルギー、運動量の交換を研究する。^[12]さらに、物理気候学、動的気候学、竜巻気候学、地域気候学、生物気候学、総観気候学などのサブトピックが特定されている。長期にわたる水循環の研究は、特に気候変動が水循環に与える影響を研究する場合、水文気候学と呼ばれることもある。^[10]

現代の気候の研究には、降雨量、気温、大気の組成の記録など、長年にわたって蓄積された気象データが組み込まれています。大気とその力学に関する知識は、統計的または数学的なモデルにも組み込まれており、さまざまな観測結果を統合し、それらの一致度をテストするのに役立ちます。モデリングは、過去、現在、および将来の潜在的な気候を理解するために使用されます。

気候研究は、気候を支配する大規模、長期にわたる期間、複雑なプロセスによって困難になっています。気候は、微分方程式として表現できる物理原理によって支配されています。これらの方程式は結合され非線形であるため、数値手法を使用して地球規模の気候モデルを作成することで近似解が得られます。気候は確率過程としてモデル化されることもありますが、これは、そうでなければ分析するには複雑すぎるプロセスの近似として一般的に受け入れられています。

気候変数の長期にわたる記録の収集は、気候の研究に不可欠です。気候学は、気象学者が記録した集計データを扱います。^{[13]科学者は、}地球観測衛星や、世界規模の温度計ネットワークなどの科学機器から、氷河から採取された先史時代の氷まで、気候の直接的および間接的な観測の両方を使用します。^[14]測定技術は時間の経過とともに変化するため、データの記録を直接比較できないことがよくあります。都市は一般に周辺地域よりも暖かいため、都市化により、この都市ヒートアイランド効果を考慮してデータを常に修正する必要が生じています。^[15]

気候モデルは、定量的な方法を使用して、大気、海洋、地表、氷の相互作用をシミュレートします。これらは、気象および気候システムのダイナミクスの研究から将来の気候の予測まで、さまざまな目的で使用されます。すべての気候モデルは、地球への短波（可視光線を含む）電磁放射として入射するエネルギーと、地球から放射される長波（赤外線）電磁放射として出射するエネルギーを均衡させます（またはほぼ均衡させます）。不均衡があると、地球の平均気温が変化します。ほとんどの気候モデルには、二酸化炭素などの温室効果ガスの放射効果が組み込まれています。これらのモデルは、地表温度の上昇傾向と、高緯度での気温のより急速な上昇を予測しています。

モデルは、比較的単純なものから複雑なものまでさまざまです。

• 地球を単一の点として扱い、放出されるエネルギーを平均化する単純な放射熱伝達モデル。
• これは垂直方向（放射対流モデル）または水平方向に拡張できます。
• 大気・海洋・海氷結合 地球気候モデルは、質量およびエネルギーの移動と放射交換の完全な方程式を離散化して解きます。
• 地球システムモデルにはさらに生物圏が含まれます。

さらに、100 km超から1 kmまでのさまざまな解像度で利用できます。高解像度の全球気候モデルは計算量が非常に多く、全球データセットはごくわずかしか存在しません。例としては、ICON ^[16]や、CHELSA（地球の陸地表面の高解像度の気候学）などの機械的にダウンスケールされたデータがあります。^{[17] [18]}

気候学者が研究するテーマは、気候変動、気候変動のメカニズム、現代の気候の変化という3つの主要なカテゴリーから構成されています。 ^[19]

さまざまな要因が、特定の場所の大気の平均的な状態に影響を与えます。たとえば、中緯度では気温の季節サイクルが顕著ですが、熱帯地域では年間を通じて気温の変化がほとんど見られません。^{[20]気候のもう1つの主要な変数は大陸性、つまり}海洋などの主要な水域までの距離です。海洋は緩和要因として機能するため、海洋に近い陸地では、通常、遠い地域よりも冬と夏の気温差が小さくなります。 ^[21]大気は気候システムの他の部分と相互作用し、風が海流を生み出し、熱を地球全体に運びます。^[22]

分類は複雑なプロセスを簡素化する重要な方法です。何世紀にもわたってさまざまな気候分類が開発されてきましたが、最初の分類は古代ギリシャにありました。気候の分類方法は、その用途によって異なります。風力エネルギーの生産者は、降水量と気温がより重要な農業に関心のある人とは異なる情報（風）を分類に必要とします。^[23]最も広く使用されている分類であるケッペンの気候分類は、19世紀後半に開発され、植生に基づいています。これは、気温と降水量に関する月間データを使用します。^[24]

変動にはさまざまな種類があり、気温やその他の気候変数の繰り返しパターンなどがあります。これらはさまざまな指数で定量化されます。30社の株価に基づくダウ工業株30 種平均が一般的な株価変動を表すために使用されるのと同様に、気候指数は気候の重要な要素を表すために使用されます。気候指数は一般に、単純さと完全性という 2 つの目的で考案され、各指数は通常、それが表す気候要因の状態とタイミングを表します。その性質上、指数は単純であり、多くの詳細を組み合わせて大気や海洋の一般化された全体的な説明を作成し、地球の気候システムに影響を与える要因を特徴付けるために使用できます。

エルニーニョ南方振動（ENSO）は、太平洋における海洋と大気の結合現象であり、地球全体の気温変動の多くを引き起こしており、^[22] 2年から7年の周期があります。^[25]北大西洋振動は、主に下層大気である対流圏に限定された変動モードです。その上の大気層である成層圏も独自の変動を引き起こす可能性があり、最も重要なのは、約30日から60日の周期を持つマッデン・ジュリアン振動（MJO）です。数十年規模太平洋振動は、数十年スケールで太平洋と下層大気に変化を引き起こす可能性があります。

気候変動は、地球の気候システムの変化によって新しい気象パターンが長期間にわたって持続するときに発生します。この期間は、数十年という短いものから数百万年という長いものまであります。気候システムは、ほぼすべてのエネルギーを太陽から受け取ります。気候システムは、宇宙空間にもエネルギーを放出します。入ってくるエネルギーと出ていくエネルギーのバランス、および気候システムを通過するエネルギーによって、地球のエネルギー予算が決まります。入ってくるエネルギーが出ていくエネルギーよりも大きい場合、地球のエネルギー予算はプラスになり、気候システムは温暖化しています。出ていくエネルギーが多い場合、エネルギー予算はマイナスになり、地球は寒冷化します。^[26] 気候変動は平均海面にも影響を与えます。

現代の気候変動は、主に化石燃料の燃焼による温室効果ガスの人間による排出によって引き起こされ、地球の平均地表温度を上昇させています。気温の上昇は現代の気候変動の一側面に過ぎず、降水量、嵐の進路、雲量の観測された変化も含まれます。気温の上昇は、広範囲にわたる氷河の融解、海面上昇、動植物の変化など、気候システムのさらなる変化を引き起こしています。 ^[27]

数週間以内に終わる短期的な気象現象を重視する気象学とは対照的に、気候学はそれらの気象現象の頻度と傾向を研究します。気候学では、数年から数千年にわたる気象現象の周期性、および大気の状態に関連した長期平均気象パターンの変化を研究します。気候学者は、気候の性質（地方、地域、地球）と、気候の変化を引き起こす自然要因または人為的要因の両方を研究します。気候学は過去を考慮し、将来の気候変動を予測するのに役立ちます。

気候学的に興味深い現象には、大気境界層、循環パターン、熱伝達（放射、対流、潜熱）、大気と海洋および地表（特に植生、土地利用、地形）との相互作用、大気の化学的および物理的構成などがあります。

比較的難しい予測方法であるアナログ手法では、今後のイベントで模倣されると予想される過去の気象イベントを記憶しておく必要があります。この手法が難しいのは、将来のイベントに完全なアナログがほとんど存在しないためです。^[28] このタイプの予測をパターン認識と呼ぶ人もいますが、これは、衛星画像が陸上の降水率とどのように関係しているかについての知識を使用して、海洋などのデータ空白部分の降雨量を推定する有用な方法です。 ^[29]また、将来の降水量と分布の予測にも役立ちます。中期予測に使用されるこのテーマのバリエーションはテレコネクションとして知られており、他の場所のシステムを使用して、周囲のレジーム内のシステムの位置を決定するのに役立ちます。^[30] テレコネクションを使用する方法の1つは、ENSO関連現象などの気候指標を使用することです。^[31]

• ロビンソン、ピーター J. ロビンソン; ヘンダーソンセラーズ、アン (1999)。現代気候学。ハーロウ、イギリス: ピアソン プレンティス ホール。ISBN 0582276314。
• ローリ、ロバート V.; ベガ、アンソニー J. (2018)。気候学（第 4 版）。ジョーンズ & バートレット ラーニング。ISBN 9781284126563。
• Rohli, Robert. V.; Vega, Anthony J. (2011).気候学(第 2 版). Jones & Bartlett Learning.
• ワン・シーユー。ギリーズ、ロバート R. 編（2012年）。現代の気候学。リエカ、クロアチア：InTech。ISBN 978-953-51-0095-9。

• ジェニー・アグロウ、「天気とは何か」（サラ・ドライ著『世界の水：海洋、大気、氷床の謎を解明し、地球全体を作り上げた科学者たちの物語』シカゴ大学出版局、2019年、332ページのレビュー）、ニューヨーク・レビュー・オブ・ブックス、第66巻第20号（2019年12月19日）、56～58ページ。

ウィキバーシティには気候学に関する学習リソースがあります

• 気候科学特別レポート – 米国地球変動研究プログラム
• KNMI Climate Explorer オランダ王立気象研究所の Climate Explorer は、空間データと時間データの気候学的関係をグラフ化します。
• 気候学という職業 2007-07-13 にWayback Machineでアーカイブアメリカ物理学会による 20 世紀の気候学という学問の歴史に関する説明