研究課題
「大型大気レーダー国際共同観測データと高解像大気大循環モデルの融合による大気階層構造の解明」

研究期間：2016年10月～2022年3月
研究代表者：佐藤 薫（東京大学大学院理学系研究科 教授）

テーマ3. 大気階層構造と南極大気固有現象の物理的解明
A. 中層大気階層構造と南北両半球結合の新しいメカニズムの提唱
(Sato et al., 2018; Yasui et al., 2018; Yasui et al., 2021)

研究のねらい

北極冬季には、しばしば成層圏突然昇温 (SSW) が発生するが、気温偏差応答が南半球上部中間圏まで伝播する南北半球間結合が起こることが最近発見された。先行研究により、重力波が駆動する中間圏大循環の変化によるとのシナリオが提唱されている。しかし、このシナリオでは北極から南極に至る全ての緯度での重力波が変調される必要があり、そのような観測的証拠はまだない。SSWに伴い赤道を越えて南半球低緯度成層圏まで低温偏差が形成されることや、SSW時に夏半球中間圏で準2日波が発達して夏半球上部中間圏に昇温をもたらすことも指摘されており、このシナリオは完全ではない可能性がある。本研究では、全中層大気の運動量収支を明らかにした後、SSW発生時にそれがどのように変化するかを調べ、南北半球間結合のメカニズムを見直すことにした。

実施方法・実施内容・成果

低解像だが下部熱圏までをカバーする九州大学の全大気モデルGAIA (Ground-to-Topside Model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy) の約12年分の実験データを九州大学三好勉信准教授に提供いただき、対流圏から下部熱圏までの運動量収支解析を行った。まず、波活動度フラックスの解析を行ったところ、中間圏において季節を問わず準2日波と呼ばれるロスビー波が発生していた。中緯度に渦位が極大を持つ特徴的かつ定常的な力学的不安定が発生源であることが確認できた。低解像度モデルでも再現される大規模な重力波が存在し、シアー不安定によって発生していることがわかった。このロスビー波、重力波の発生源である不安定の形成は、パラメタリゼーションで表現されている対流圏起源の重力波強制によるものと突き止められた。中間圏での重力波発生は極めて新しい知見であり、かつそのメカニズムを解明したことは特筆に値する (Sato et al., 2018; Yasui et al., 2018) 。
次にSSWイベントに着目した統計解析（コンポジット解析）を行った。SSWに伴う赤道域に伸びた低温偏差が中層大気でのハドレー循環を強化していること、これによって南半球中間圏の東風の鉛直シアーが強化されていることを突き止めた。強化された鉛直シアーは準2日波や重力波の発生を強め、それが上空に伝播して中層大気大循環を変調していることが分かった（図4）。こうして、南半球成層圏を通した南北半球が結合される新たなメカニズムを示すことができた (Yasui et al., 2021) 。

成果の位置づけや類似研究との比較

先行研究で提案された南北両半球結合のシナリオでは、中間圏で起こるロスビー波の発生や重力波の発生は考慮していなかったが、本研究はそれらの効果を明確にし、新たな南北両半球結合シナリオを提案したことになる。得られた知見は中層大気中の重力波発生も重力波パラメタリゼーションの精緻化に必要であることを示す重要な知見である。