Three-Dimensional Characteristics of Atmospheric Gravity Waves Using Advanced Balloon and Radar Observations in the Antarctic Region

• Project/Area Number: 21H01160
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
• Research Institution: National Institute of Polar Research
• Principal Investigator: 冨川 喜弘 国立極地研究所, 先端研究推進系, 准教授 (20435499)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 齋藤 芳隆 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 准教授 (50300702) ; 佐藤 薫 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90251496)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000); Fiscal Year 2023: ¥2,210,000 (Direct Cost: ¥1,700,000、Indirect Cost: ¥510,000); Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000); Fiscal Year 2021: ¥13,390,000 (Direct Cost: ¥10,300,000、Indirect Cost: ¥3,090,000)
• Keywords: 重力波 / スーパープレッシャー気球 / 南極 / PANSYレーダー / 大型大気レーダー / 運動量フラックス

Outline of Research at the Start

大気重力波は、子午面（南北・鉛直）方向の大循環を駆動し、気候・気象の予測に大きな影響を与えます。しかし、その全体像をとらえることは最新の観測・モデルのいずれでも難しく、特に重力波の影響が大きい南極では観測が不足しています。本研究では、重力波の全体像をとらえることが可能なスーパープレッシャー気球観測および大型大気レーダー観測を南極で行い、それらを組み合わせ、重力波の役割を明らかにします。

Outline of Annual Research Achievements

近年、対流圏・下部成層圏内を長期（>1か月）にわたって浮遊可能なスーパープレッシャー（SP）気球の開発が各国で進められており、特に大気重力波の観測に威力を発揮している。大気重力波は、現在の気候モデルの主要な不確定要素の1つであり、その平均的描像だけでなく、振幅や運動量フラックスの確率密度分布を観測することが求められている。SP気球を用いた観測では、大気重力波の広範な周期帯（約5分～十数時間）全域においてそれらの物理量を得ることができる。本研究では、南極昭和基地でのSP気球観測を実施し昭和基地に設置されている大型大気レーダーPANSYの観測と組み合わせ、大気重力波による運動量輸送の3次元的描像を明らかにする。
研究代表者らが南極地域観測隊第63次夏隊で2022年1月～2月に実施した3回のSP気球観測とPANSYレーダーによる同時観測データを解析した結果、南極上空下部成層圏で近慣性周期重力波の同じ波束を捉えていたことがわかった。最新の大気再解析ERA5との比較を行ったところ、大気再解析は昭和基地上空では近慣性周期重力波を定性的に表現できていたものの、下流側では背景場の浮力振動数の増大に伴って重力波の鉛直波長が短くなったために表現できなくなっていたことを明らかにした。
研究代表者らが南極地域観測隊第65次夏に参加し、2024年1月～2月に改良型スーパープレッシャー気球を昭和基地から2機放球した。飛翔期間はいずれも3日弱にとどまり、目標としていた10日には届かなかったが、63次と同様の近慣性周期重力波を捉えることに成功した。

Research Progress Status

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和5年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Journal Article] 南極域における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測 (LODEWAVE：LOng-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica): 第1回キャンペーン観測の報告 (2024)
  • Author(s): 冨川喜弘、斎藤芳隆、村田功、佐藤薫、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人、加保貴奈
  • Journal Title: 宇宙航空研究開発機構研究開発報告: 大気球研究報告 Volume: JAXA-RR-23-003 Pages: 23-36
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 南極上空成層圏飛翔時の気球のイリジウム衛星測位の時間変動の調査 (2024)
  • Author(s): 松尾理己人, 加保貴奈, 斎藤芳隆, 山谷昌大, 冨川喜弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 123 Pages: 69-71
  • Open Access
• [Journal Article] スーパープレッシャー気球は南極の空を飛ぶ (2023)
  • Author(s): 冨川喜弘
  • Journal Title: 天気 Volume: 70 Pages: 502-504
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] イリジウム衛星測位情報の時間変動を用いた気球の位置推定の検討 (2023)
  • Author(s): 加保貴奈, 戸田遥汰, 斎藤芳隆, 山谷昌大, 冨川喜弘
  • Journal Title: 大気球シンポジウム: 2023年度 Volume: isas23-sbs-038 Pages: 1-4
  • Open Access
• [Journal Article] LODEWAVE (Long-Duration Balloon Experiment of Gravity WAVE over Antarctica) (2023)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, and L. Yoshida
  • Journal Title: Journal of Evolving Space Activities Volume: 1 Issue: 0 Pages: n/a
  • DOI: 10.57350/jesa.14
  • NAID: 120006839097
  • ISSN: 2758-1802
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] LODEWAVE実験にむけたスーパープレッシャー気球の開発(II) (2023)
  • Author(s): 斎藤芳隆, 冨川喜弘, 村田功, 秋田大輔, 中篠恭一, 松尾卓摩, 橋本紘幸, 松嶋清穂
  • Journal Title: 宇宙航空研究開発機構研究開発報告:大気球研究報告 Volume: JAXA-RR-22-008 Pages: 25-35
  • URL: http://id.nii.ac.jp/1696/00049110/
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 成層圏・中間圏の大気化学の諸問題 (2023)
  • Author(s): 江口菜穂, 山下陽介, 秋吉英治, 酒井哲, 長濱智生, 冨川喜弘, 中島英彰, 杉田考史, 坂崎貴俊, 斉藤拓也, 水野亮
  • Journal Title: 大気化学研究 Volume: 48
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] 気球実験におけるイリジウム測位誤差の高度・場所依存性の評価 (2023)
  • Author(s): 鈴木貴登, 加保貴奈, 斎藤芳隆, 山谷昌大, 冨川喜弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 122 Pages: 34-39
• [Journal Article] Communication Experiment of Iridium Satellite and Super Pressure Balloon over Antarctica (2022)
  • Author(s): Kaho, T., Y. Saito, and Y. Tomikawa
  • Journal Title: 2022 Asia-Pacific Microwave Conference (APMC) Volume: 2022 Pages: 677-679
  • DOI: 10.23919/apmc55665.2022.9999755
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 南極における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測計画(LODEWAVE)の第1回キャンペーン観測の結果 (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、加保貴奈、吉田理人
  • Journal Title: 大気球シンポジウム: 2022年度 Volume: isas22-sbs-033 Pages: 1-4
  • Open Access
• [Journal Article] 南極における気球とイリジウム衛星間の通信データの分析 (2022)
  • Author(s): 加保貴奈、鈴木貴登、斎藤芳隆、冨川喜弘
  • Journal Title: 大気球シンポジウム: 2022年度 Volume: isas22-sbs-029 Pages: 1-4
  • Open Access
• [Journal Article] イリジウム衛星を用いた南極上空スーパープレッシャー気球の測位誤差の実験評価 (2022)
  • Author(s): 加保貴奈、鈴木貴登、斎藤芳隆、冨川喜弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 122 Pages: 1-6
• [Journal Article] イリジウム衛星ショートバースト通信を用いた南極上空の通信実験 (2022)
  • Author(s): 加保貴奈、斎藤芳隆、冨川喜弘
  • Journal Title: 信学技報 Volume: 122 Pages: 34-39
• [Journal Article] 南極における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測計画(LODEWAVE)の現況2 (2021)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Journal Title: 大気球シンポジウム: 2021年度 Volume: -
  • NAID: 120007169788
  • Open Access
• [Presentation] スーパープレッシャー気球とPANSYレーダーによる慣性重力波の同時観測 (2024)
  • Author(s): 冨川喜弘, 斎藤芳隆, 村田功, 高麗正史, 佐藤薫
  • Organizer: 2023年度PANSY研究集会
• [Presentation] 南極上空成層圏飛翔時の気球のイリジウム衛星測位の時間変動の調査 (2024)
  • Author(s): 松尾理己人, 加保貴奈, 斎藤芳隆, 山谷昌大, 冨川喜弘
  • Organizer: 衛星通信研究会
• [Presentation] LODEWAVE Phase II (Long-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2023)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, T. Kaho, and L. Yoshida
  • Organizer: The 14th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LODEWAVE (LOng-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2023)
  • Author(s): 冨川喜弘, 佐藤薫, 斎藤芳隆, 村田功, 平沢尚彦, 高麗正史, 中篠恭一, 秋田大輔, 松尾卓摩, 藤原正智, 加保貴奈, 吉田理人
  • Organizer: 第67回宇宙科学技術連合講演会
• [Presentation] イリジウム衛星測位情報の時間変動を用いた気球の位置推定の検討 (2023)
  • Author(s): 加保貴奈, 戸田遥汰, 斎藤芳隆, 山谷昌大, 冨川喜弘
  • Organizer: 2023年度大気球シンポジウム
• [Presentation] First Campaign Results of LODEWAVE (LOng-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2023)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, T. Kaho, and L. Yoshida
  • Organizer: ISAR-7
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] First Campaign Results of LODEWAVE (2023)
  • Author(s): 冨川喜弘, 佐藤薫, 斎藤芳隆, 村田功, 平沢尚彦, 高麗正史, 中篠恭一, 秋田大輔, 松尾卓摩, 藤原正智, 加保貴奈, 吉田理人
  • Organizer: 2022年度PANSY研究集会
• [Presentation] First Campaign Results of LODEWAVE (LOng-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2022)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, T. Kaho, and L. Yoshida
  • Organizer: The 13th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] LODEWAVE (LOng-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2022)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, T. Kaho, and L. Yoshida
  • Organizer: 5th International ANGWIN Workshop
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary results of LODEWAVE (2022)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, T. Kaho, and L. Yoshida
  • Organizer: COSPAR2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 南極における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測計画（LODEWAVE）の第1回キャンペーン観測の結果 (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘, 佐藤薫, 斎藤芳隆, 村田功, 平沢尚彦, 高麗正史, 中篠恭一, 秋田大輔, 松尾卓摩, 藤原正智, 加保貴奈, 吉田理人
  • Organizer: 大気球シンポジウム：2022年度
• [Presentation] 南極域における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測（LODEWAVE） (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘, 佐藤薫, 斎藤芳隆, 村田功, 平沢尚彦, 高麗正史, 中篠恭一, 秋田大輔, 松尾卓摩, 藤原正智, 加保貴奈, 吉田理人
  • Organizer: 宇宙空間からの地球超高層大気観測に関する研究会
  • Invited
• [Presentation] Preliminary results of LODEWAVE (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Organizer: JpGU2022
• [Presentation] LODEWAVE (Long-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2022)
  • Author(s): Tomikawa, Y, K. Sato, Y. Saito, I. Murata, N. Hirasawa, M. Kohma, K. Nakashino, D. Akita, T. Matsuo, M. Fujiwara, L. Yoshida
  • Organizer: 33rd International Symposium on Space Technology and Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Preliminary results of LODEWAVE (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Organizer: 2021年度PANSY研究集会
• [Presentation] 南極における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測計画（LODEWAVE）の現況 (2022)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Organizer: 第22回宇宙科学シンポジウム
• [Presentation] 南極における大気重力波のスーパープレッシャー気球観測計画（LODEWAVE）の現況2 (2021)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Organizer: 令和3年度大気球シンポジウム
• [Presentation] 63 次の特殊ゾンデ観測およびスーパープレッシャー気球観測 (2021)
  • Author(s): 冨川喜弘
  • Organizer: 南極エアロゾル研究会
• [Presentation] LODEWAVE (Long-Duration balloon Experiment of gravity WAVE over Antarctica) (2021)
  • Author(s): 冨川喜弘、佐藤薫、斎藤芳隆、村田功、平沢尚彦、高麗正史、中篠恭一、秋田大輔、松尾卓摩、藤原正智、吉田理人
  • Organizer: JpGU2021
• [Remarks] 大型大気レーダーを中心とした観測展開から探る地球循環変動
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/antarctic/science-plan10/juuten06.html
• [Remarks] スーパープレッシャー気球による観測
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/antarctic/jare/topics62-63.html
• [Remarks] 南極上部対流圏・下部成層圏における先進的気球観測
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/antarctic/science-plan9/ippan-glaciology02.html
• [Remarks] 大型大気レーダーを中心とした観測展開から探る大気大循環変動
  • URL: https://www.nipr.ac.jp/antarctic/science-plan10/juuten06.html
• [Remarks] スーパープレッシャー気球による大気重力波観測
  • URL: https://nipr-blog.nipr.ac.jp/jare/20220207post-216.html
• [Remarks] スーパープレッシャー気球、昭和基地から打ち上げ
  • URL: https://nipr-blog.nipr.ac.jp/jare/20220113post-201.html