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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、地球の気候の科学的研究であり、通常、少なくとも30年間にわたって平均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期間における大気の状態に関するものであり、天気は、比較的短い期間における大気の状態です。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つである物理地理学の細分化とみなされています。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。
気候学者が用いる主な手法は、観測の分析と気候を決定する物理プロセスのモデリングである。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）、太平洋十年規模振動（PDO）、太平洋十年規模振動（IPO）などの気候サイクルといった、より長期的な気候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、天気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、さまざまな目的に使用されている。[ 2 ]
ギリシャ人は気候の正式な研究を始めました。実際、「気候」という言葉は、地球の自転軸の傾斜を指すギリシャ語のklimaに由来しています。気候に関する最も影響力のある古典的文献は、紀元前400 年頃にヒポクラテスによって書かれた『空気、水、場所について』 [ 4 ]でしょう。この著作は、気候が人間の健康に及ぼす影響や、アジアとヨーロッパの文化の違いについて論じています。[ 4 ]気候がどの集団が気候に応じて優れているかを決定するというこの考え方、つまり気候決定論は、歴史を通じて影響力を持ち続けました。[ 4 ] 中国の科学者沈括(1031–1095) は、当時竹の生育に適さない乾燥気候の地域である兗州 (現在の陝西省延安市)の地下で発見された化石化した竹を観察した後、気候は膨大な時間とともに自然に変化してきたと推測しました。[ 5 ]
科学革命期に温度計と気圧計が発明されたことで体系的な記録が可能になり、それはイギリスでは早くも1640～1642年に始まった。[ 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、北アメリカからヨーロッパへ郵便物を送るためにメキシコ湾流の経路を初めて地図に記した。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・ランズベルク（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に重点を置いていました。この記述的気候学は主に応用科学であり、農家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、極端な事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ていました。[ 7 ]そのため、気候学者は気候平年値、つまり通常30年間の天候と極端な気象現象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、気候は非常にゆっくりとしか変化しないという概念は、記述的気候学にとって有用でした。これはその後の数十年の間に変化し始め、気候変動科学の歴史はそれ以前に始まっていましたが、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年代以降になってからです。[ 9 ]
気候学のさまざまなサブトピックは、気候のさまざまな側面を研究しています。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、米国気象学会は、記述気候学、科学気候学、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く分類です。[ 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応用しています。[ 11 ]
古気候学は、氷床コアや樹木の年輪（樹木気候学）などの記録を調べることで、過去の気候を復元し理解しようとする学問です。古気象学は、これらの記録を用いて、数千年にわたるハリケーンの発生頻度を推定します。 歴史気候学は、人類の歴史と関連付けた気候の研究であり、主に過去数千年の気候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、運動量の交換に関する学問である。[ 12 ]さらに、物理気候学、力学気候学、竜巻気候学、地域気候学、生物気候学、総観気候学といった下位分野も特定されている。長期間にわたる水循環の研究は、特に気候変動が水循環に及ぼす影響を研究する場合、水文気候学と呼ばれることがある。[ 10 ]
現代の気候の研究には、降水量、気温、大気組成などの長年にわたって蓄積された気象データが用いられます。大気とその力学に関する知識は、統計モデルまたは数理モデルにも反映されており、これらのモデルは様々な観測データを統合し、それらの一致度を検証するのに役立ちます。モデリングは、過去、現在、そして将来の気候を理解するために用いられます。
気候研究は、気候を支配する大規模で長期にわたる複雑なプロセスによって困難を極めています。気候は微分方程式で表現できる物理法則によって支配されています。これらの方程式は連立しており非線形であるため、数値的手法を用い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、これは一般的に、解析するには複雑すぎるプロセスを近似的に表現するものとして受け入れられています。
気候変数の長期記録の収集は、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、温度計のグローバルネットワークなどの科学機器から、氷河から抽出された先史時代の氷に至るまで、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。都市は一般的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のためにデータを常に補正する必要が生じています。[ 15 ]
気候モデルは、大気、海洋、地表面、氷の相互作用をシミュレートするために定量的手法を用います。これらのモデルは、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予測まで、さまざまな目的に使用されます。すべての気候モデルは、地球への短波（可視光を含む）電磁放射として入射するエネルギーと、地球からの長波（赤外線）電磁放射として放出されるエネルギーのバランス、またはほぼバランスが取れています。このバランスが崩れると、地球の平均気温が変化します。ほとんどの気候モデルは、二酸化炭素などの温室効果ガスの放射効果を考慮しています。これらのモデルは、地表面温度の上昇傾向と、高緯度地域でのより急速な気温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多岐にわたる。
さらに、100 km を超える解像度から 1 km まで、さまざまな解像度で利用可能です 。地球規模の気候モデルにおける高解像度は計算負荷が非常に高く、地球規模の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気候データ) [ 17 ] [ 18 ]のようなメカニズム的にダウンスケールされたデータなどがあります。
気候学者が研究するトピックは、気候変動、気候変動のメカニズム、現代の気候変動という3つの主要なカテゴリーに分けられます。[ 19 ]
さまざまな要因が、特定の場所の大気の平均状態に影響を与えます。たとえば、中緯度では気温の季節変動が顕著ですが、熱帯地域では年間を通して気温の変化がほとんどありません。[ 20 ]気候のもう 1 つの主要な変数は大陸性です。これは、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し、海洋に近い土地は、海洋から遠い地域よりも冬と夏の気温差が一般的に小さくなります。 [ 21 ]大気は気候システムの他の部分と相互作用し、風は熱を地球全体に運ぶ海流を生成します。 [ 22 ]
分類は、複雑なプロセスを簡略化するための重要な方法です。さまざまな気候分類が何世紀にもわたって開発されてきましたが、最初のものは古代ギリシャにありました。気候の分類方法は、用途によって異なります。風力発電事業者は、分類において異なる情報（風）を必要としますが、農業に関心のある人にとっては、降水量と気温の方が重要です。[ 23 ]最も広く使用されている分類であるケッペンの気候区分は、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ごとのデータを使用します。[ 24 ]
変動性にはさまざまな種類があります。気温やその他の気候変数の周期的なパターンなどです。これらはさまざまな指標で定量化されます。30社の株価に基づいて算出されるダウ・ジョーンズ工業株平均が株価の変動全般を表すのに用いられるのと同様に、気候指標は気候の本質的な要素を表すのに用いられます。気候指標は一般的に、簡潔さと網羅性という2つの目標を念頭に置いて考案され、各指標は通常、それが表す気候要因の状態とタイミングを示します。指標はその性質上、簡潔であり、多くの詳細をまとめて大気や海洋の一般的な全体像を記述し、地球規模の気候システムに影響を与える要因を特徴づ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が連動した現象であり、地球規模の気温変動の大部分の原因となっている[ 22 ]。周期は2～7年である[ 25 ] 。北大西洋振動は、主に下層大気、対流圏に限定される変動モードである。その上の大気層である成層圏も独自の変動を生み出すことができ、最も重要なのはマッデン・ジュリアン振動（MJO）であり、周期は約30～60日である。太平洋十年規模振動は、太平洋と下層大気に十年規模の変化をもたらす可能性がある。
気候変動は、地球の気候システムの変化によって、長期間続く新しい気象パターンが生じ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、そのエネルギーのほぼすべて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。流入エネルギーと流出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の流れによって、地球のエネルギー収支が決まります。流入エネルギーが流出エネルギーよりも多い場合、地球のエネルギー収支はプラスとなり、気候システムは温暖化します。流出するエネルギーが多い場合、エネルギー収支はマイナスとなり、地球は寒冷化します。[ 26 ] 気候変動は、平均海面水位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為的排出によって引き起こされ、地球の平均表面温度が上昇しています。気温の上昇は現代の気候変動の一側面にすぎず、降水量、嵐の進路、雲量の変化も観測されています。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 ]
気象学が数週間程度の短期的な気象現象を重視するのに対し、気候学はそうした現象の頻度と傾向を研究します。気候学は、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的な平均気象パターンの変化を研究します。気候学者は、局地的、地域的、あるいは地球規模の気候の性質と、気候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。気候学は過去を考察し、将来の気候変動を予測するのに役立ちます。
気候学的に関心のある現象には、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面（特に植生、土地利用、地形）との相互作用、そして大気の化学的および物理的組成が含まれる。
比較的難しい予測方法である類似法は、今後発生する事象によって模倣されると予想される過去の気象事象を記憶しておく必要がある。この方法が難しいのは、将来の事象に完全に類似するものがほとんど存在しないためである。[ 28 ] この種の予測をパターン認識と呼ぶ人もいるが、これは衛星画像が陸上の降水率とどのように関連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域の降雨量を推定するのに役立つ方法であり、[ 29 ]また、将来の降水量と分布を予測するのにも役立つ。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つ。[ 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数を使用することである。[ 31 ]
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