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
I. 大気レーダーとラジオゾンデデータを用いた大気乱流特性の研究
(Kohma et al., 2019; 2020; 2021)

研究のねらい

大気のエネルギーの流れの終着点は乱流によるエネルギーの散逸である。この乱流エネルギー散逸により平均場に与えられる加熱は特に中間圏で重要だと考えられている。計測Gにより大型大気レーダーデータから乱流スペクトルの抽出方法が確立できた。これを、PANSYレーダー長期観測データに適用し、精度の高い乱流エネルギー消散率ε（ほぼ乱流強度と考えてよい）を推定して、南極域では初となる対流圏・成層圏、中間圏の各高度領域でのεの季節特性や季節内振動を明らかにする。また、先行研究で行われているラジオゾンデ観測による温度データを用いた方法と比較し、ラジオゾンデ観測による推定法の問題点を洗い出す。

実施方法・実施内容・成果

PANSYレーダー及びラジオゾンデの長期観測データから、それぞれ、対流圏・成層圏のεを推定し、比較を行った。レーダー観測データによる推定には、本チームの計測グループにより新たに開発された、アンテナの分散配置を考慮したアルゴリズムを適用し、乱流による速度分散成分を抽出した。また、ラジオゾンデ観測データに基づく推定には、先行研究と比べ2桁大きなサンプル数（数1000回）を用いた。その結果、レーダー・ラジオゾンデのどちらの推定においても、高度1.5～20kmにおいて、εは5x10-5～1.5x10-3m2s-3の値の幅を持つことが示された。中央値の高度依存性を調べると、成層圏で2つの推定結果はよく一致するのに対し、対流圏ではラジオゾンデの推定値のほうが大きかった（図12左）。最近なされた直接数値計算を用いた研究によれば、Thorpe法は、乱流層が厚いほどεを過大評価することがわかっている。本研究においても、ラジオゾンデによる推定値には、同様の過大評価傾向が見られることが確かめられた。得られたεは、成層圏において冬季から春季にかけて増大する様子がみられた（図12右）。これは、乱流発生源として有力な大気重力波の振幅の季節変化とよく対応している。
PANSYレーダーでは、極域中間圏冬季エコー (PMWE) が3～10月に受信されεの推定が可能である。PMWEの出現は電子密度（太陽天頂角）と乱流強度に依存するため、一定の太陽天頂角の条件の下でのεの季節変化を調べた。その結果、5～8月においてεが最大となり、秋季・春季に小さくなることが明らかとなった。これは、重力波活動の季節変化と一致しており、重力波の砕波がこの高度における乱流生成の主因であることを示唆している。
さらに、2019年に発生した南半球成層圏突然昇温時のεの時間変化を調べた。突然昇温発生後のεは、昇温発生前と比べて、また同じ期間の突然昇温が発生していない年と比べて、有意に小さくなっている。次に、突然昇温発生後にεが低下した原因を考察した。中間圏の乱流生成の主要因は大気重力波の砕波であると考えられている。成層圏の昇温に伴い重力波の鉛直伝播特性が変調されたことが、εの低下をもたらした可能性がある。重力波の伝播阻害条件を表す「臨界円」に基づく重力波伝播特性の診断手法を考案し、今回の事例に適用した。その結果、背景風速場は突然昇温発生後に重力波が伝播しにくい条件となっていたことが分かった。

成果の位置づけや類似研究との比較

本研究項目は当初計画に入っていなかった。2018年度発足の計測Gのテーマ4の成果を活用した新しい乱流科学の研究であり、これによって、本チームで扱う大気階層構造の最小スケールを数十kmから数mに下げることができた。自由大気中の乱流パラメータ推定は、1980年代から大気レーダー観測や航空機を用いたキャンペーン観測により行われてきた。しかし、それらが網羅する時空間領域は限られていた。そこで、全世界で定期観測が行われているラジオゾンデデータが着目されたが、手法の妥当性や経験的に与えるパラメータが含まれ精度に問題があった。レーダー観測によるε推定値はその検証が可能な重要な情報と位置付けられる。