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
B. 重力波も含む全中性大気の再現実験による成層圏突然昇温に伴なう大気階層構造の大規模変動解明
(Okui et al., 2021)

研究のねらい

SSW発生時には、成層圏界面急上昇現象など、成層圏から下部熱圏に至る全中層大気高度域で大規模な変動が起こることが知られている。しかしながら、通常の気候モデルでは再現できない重力波がかかわっていると考えられ、そのメカニズムの解明は十分になされていなかった。本研究では、高解像GCMを用いて、重力波の役割を含めた結合過程を明らかにする。

実施方法・実施内容・成果

JAGUAR-DASで求めた全中性大気推定値を、高解像JAGUARに初期値として与え、2019年1月のSSWイベントの再現実験を行い、重力波も含む大気階層構造を丸ごと捉えることのできる高解像グリッドデータを作成した。初期値は現実大気に近いが、フリーランの間に徐々に現実からずれていく。そこで、4日ごとに期間を区切り、複数の再現実験をつないで解析することにした。つなぎ目の連続性は担保されないため、運動量収支解析は連続する4日ごとに行った。1月1日のSSWのオンセットに先立ち、12月28日に上部中間圏に大規模な気温逆転層MILが生じていること、SSWに伴いその後下降した成層圏界面が消失し、1月10日に高度約80kmにジャンプするES現象が再現されていることを確認した（図5）。
まず、MIL形成の数日前には、中緯度の上部成層圏・中間圏に渦位極大が存在し、不安定となっていた。この不安定を解消するように発生した惑星規模ロスビー波がもたらすラグランジュ流に伴う下降流により、断熱的に気温が上昇し、気温逆転層が形成されていたことが分かった。この不安定は下層から伝播してきた重力波作用により生じていたことも明らかとなった。
次にES現象の形成メカニズムを調べた。重力波と惑星規模ロスビー波がともに極域上部中間圏・下部熱圏で同程度の強さの西向きの強制を与えていることがわかり、これら両方の波が極域で下降流を駆動し高度80kmのESと表現される温度極大をもたらしたことが分かった。成層圏平均風は東風で対流圏起源の惑星規模ロスビー波は伝播できない構造であったことから、ESを形成したロスビー波は中間圏で発生したものと考えられた。
MIL、ESの水平構造も調べたが、上記メカニズムと整合的な特徴を持っていることも確認できた。
また、同じデータを用いて、スパースな国際協同レーダー観測網で捉えた重力波変動の全球構造の解析も行った。SSWオンセットの直前には北極域で重力波振幅が短期間弱まる様子が観測されたが、この変動は北緯20度まで広がっていたことが明らかとなった。南極域ではSSWオンセット後に重力波振幅が徐々に弱くなる様子が観測されており、これもモデルで再現されていたが、季節変化との区別がつかないことも分かった。今後SSWのシグナルを捉えるためには、SSWの多数の再現実験を行う必要がある。この研究成果は論文化の予定である。

成果の位置づけや類似研究との比較

中間圏・下部熱圏も含む中層大気全体に広がる大規模現象は、重力波のもたらす強制がかかわるため、これまでの低解像GCMを用いた研究では十分な解明が難しかった。また、初期値に必要な全中層大気の現実大気のグリッドデータも限られており、高解像GCMでの現実大気の再現も行われていなかった。本研究で行った再現実験は世界最先端であり、本研究費により購入した大型計算機サーバーを駆使して行った大気階層構造を丸ごと捉える研究は新規性が高い。RAの奥井は日本気象学会松野賞を受賞した。