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
E. 3次元ラグランジュ流理論の構築と成層圏大循環の3次元構造の解明
(Kinoshita et al., 2020; Sato et al., 2022)

研究のねらい

成層圏の物質循環（ラグランジュ平均流）であるブリューワー・ドブソン循環は、波によるドリフト効果（ストークスドリフト）も含むため、単なる時間平均の流れ（オイラー平均流）とは異なる構造を持つ。東西平均ラグランジュ平均流は、1970年代終わりに提案された変形オイラー平均 (Transformed Eulerian-Mean: TEM) 系における残差平均流でよく近似されることがわかっており緯度高度断面の構造は研究されてきたが、経度方向を含む3次元構造の研究は理論が確立されていないため、いまだに不明な点が多い。本研究では、より正しく力学的な物質輸送を評価することを目的に、地衡風現象（ロスビー波を含む）を正確に記述できる準地衡流系において新たな3次元残差流の式の導出を目指した。

実施方法・実施内容・成果

TEM方程式系の3次元への拡張は、定在波（位相が地面に固定されて動かない波）のストークスドリフトとは何か、それをいかに表現するかが問題であった。伝播性の波については、式の導出はすでに本チームの木下と佐藤により行われていた (Kinoshita and Sato, 2013) 。伝統的に、基本場として東西平均東西風を与え、そこからのずれを波成分として扱うことが多いため、本研究では、まずこれにならって式を導出した (Kinoshita et al.,2019) 。しかし、基準緯度からの距離が式に含まれる問題があり、全球解析には不向きであった。
そこで、基本場の取り方を静止大気と大胆に発想した（図8）。こうすることで、上記問題を可決しただけでなく、水平方向の運動方程式の形から、波による渦位フラックスとバランスするように惑星渦位移流をもたらすのがラグランジュ平均流、との明確な解釈を与えることができた。また、この式は北半球冬季の成層圏極渦のように、気候学的な中心が極点に位置しないような現象を取り扱うことも可能である。
冬季北半球上部成層圏の循環の水平構造を図8に示す。極向きの流れは東シベリア付近で強く、そこでは下降流も強いが、北アメリカでは東西平均の循環とは逆の赤道向きの流れであり、成層圏循環には、大きな経度依存性が存在する事が明らかになった (Sato et al., 2022)。

成果の位置づけや類似研究との比較

本研究は、これまで困難とされてきた３次元ラグランジュ循環の理論式の導出に成功したものであり、大きな学術的価値を持つ。