研究領域「計測技術と高度情報処理の融合によるインテリジェント計測・解析手法の開発と応用」
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
H. PANSYレーダーによる対流圏・成層圏連続観測データによる大気重力波の季節特性、間欠性の研究
(Minamihara et al., 2018；2020)
研究のねらい
PANSYレーダーは、フルシステム観測が開始された2015年10月1日から1年間は、標準観測モードによるノンストップ観測が行われ、きわめて良好な対流圏・成層圏データが取得された。本研究はこのデータを用いて、大気重力波の力学パラメータの季節変化や、重力波パラメタリゼーションに重要な間欠性を明らかにするのが狙いであった。
実施方法・実施内容・成果
中緯度の大型大気レーダーによるキャンペーン観測や、高解像大気大循環モデルによる数値実験によって、近慣性周期を持つ大気重力波の卓越が示されてきた。慣性周期は重力波が理論的に取りうる最長の周期である。慣性周期は緯度によって異なり、極域では約12時間と短いために、長期連続の高解像観測が必要であり、極域での近慣性重力波の卓越の有無やその季節特性は未解明であった。
近慣性重力波の卓越を確認するとともに、季節変化を調べた。背景風が強くなる冬季にはそのピークは鋭くはなくなるものの、どの季節でも卓越することが見いだされた。この1年間ノンストップ観測というのは、どの緯度におけるレーダーにおいても前例のない画期的な観測であり、省エネ化に成功したPANSYレーダーならではの観測データである。したがって、この結果は、極域に限らず世界で初めての成果である。さらに、PANSYレーダーでは水平風だけでなく、鉛直風も同時に観測できることから、1地点観測ではあるが、水平波長や水平位相速度などすべての波のパラメータが推定できる。全データを使って推定したところ、中低緯度では見られない、エネルギー下向き伝播の重力波の存在が冬季に確認できた。そして、対流圏起源の上向きエネルギー伝播重力波とは明らかに異なる力学特性を持つことも明確に示すことができた。
次に重力波の間欠性の研究を行った。重力波は時空間方向に不均一な分布をしており、間欠性の高い現象であることが知られている。重力波に伴う運動量フラックスの時間平均値が等しくても、間欠性が高いと、重力波砕波の高度領域が広がり（小さな運動量フラックスを持つ重力波はより高高度で、大きな運動量フラックスを持つ重力波は低高度で砕波する）、平均場に与える重力波強制の分布が変わってくる。したがって、間欠性は、成層圏や中間圏の物質循環の構造に大きく影響するため、注目されているが、数値モデルシミュレーションに基づく推定や、ある高度・季節に限定された観測による推定があるのみで、様々な高度領域や季節による依存性を確認するための、観測データによる解析が待たれていた。
しかし、間欠性を調べるには大量なデータが必要である。本研究では、特にノンストップで観測が行われた1年間（2015年10月～2016年9月）のデータを用いて、南極対流圏・下部成層圏の重力波の運動量フラックスの間欠性の時間・高度依存性を調べた。PANSYレーダー観測では、高度1.5kmから約22kmにおける鉛直ビームと天頂角10°の東西南北方向の4ビームによる視線速度が得られる。時間・鉛直分解能はそれぞれ200秒、150mと極めて高い。重力波のとる周波数の帯域は広く、理論的に（流れに乗ってみたときに）慣性周波数𝑓（昭和基地では、周期で約13時間）から浮力周波数（成層圏では、周期で約5分）である。PANSYレーダーの高分解能な長期連続のデータを用いれば、この広い周波数帯に存在する重力波のほぼ全てを調べることができる。東西運動量、南北運動量それぞれの鉛直フラックス 
以下運動量フラックスと呼ぶ) は鉛直対称な2ビームの視線速度の分散からVincent and Reid (1983) の方法により精度よく推定できる。
PANSYレーダーで観測された重力波の絶対運動量フラックス 
と鉛直風バリアンス 
の間欠性の時間高度断面を図11に示す。両成分共に成層圏よりも対流圏で間欠性がより高いことがわかる。対流圏では、
は12～1月に間欠的が高い季節変化がみられるが、
̅の間欠性は季節変化が不明瞭である。 ̅は4月と8月に間欠性が高いが、これは強い気圧の尾根イベントに対応していた。この時は、成層圏でも間欠性が高くなっていることがわかる。
と（右）鉛直風バリアンス のGini係数の時間高度断面図。Gini係数は、値が1に近いほど間欠性が高く、0に近いほど低い（ほぼ一定）ことを意味する。黒点は、5日ごとの対流圏界面高度を示す(Minamihara et al., 2020)
成果の位置づけや類似研究との比較
他の緯度帯と同様、極域でも下部成層圏での近慣性重力波が卓越することが明らかとなった。その卓越がどの季節でも見られることは、他の緯度帯の観測研究でも示されておらず、PANSYの長期観測データならではの成果である。また、近慣性重力波は、理論的に位相が水平に寝た構造をしているため運動量輸送は大きくないと考えられていたが、振幅が極めて大きいため、運動量輸送は短周期成分をしのぐことが明らかとなったのは意外かつ重要な結果であった。先に述べたようにPANSY観測データによる中間圏の重力波スペクトル解析結果とも整合する。これらの事実は、重力波パラメタリゼーションには長周期重力波の精緻化が必要であることを示している。また、間欠性の観測的研究は、フランスのグループの冬季～春季にかけてのスーパープレッシャー気球による高度19kmのデータに基づくものが唯一だった。本研究により、昭和基地1地点ではあるものの間欠性の季節・高度特性を示せたことは意義深い。RAである南原は日本地球惑星科学連合の学生優秀発表賞を受賞した。