A Study on the Interhemispheric Coupling of the Middle Atmosphere Using a High-resolution General Circulation Model

• Project/Area Number: 22KJ0587
• Project/Area Number (Other): 21J20798 (2021-2022)
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Multi-year Fund (2023); Single-year Grants (2021-2022)
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 17020:Atmospheric and hydrospheric sciences-related
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 奥井 晴香 (2021, 2023) 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Research Fellow: 奥井 晴香 (2022) 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
• Project Period (FY): 2023-03-08 – 2024-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥2,200,000 (Direct Cost: ¥2,200,000); Fiscal Year 2023: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2022: ¥700,000 (Direct Cost: ¥700,000); Fiscal Year 2021: ¥800,000 (Direct Cost: ¥800,000)
• Keywords: 中層大気 / 大気重力波 / 大気力学 / 大気大循環モデル / プラネタリー波 / テレコネクション / 衛星観測 / 成層圏突然昇温 / スペクトル解析

Outline of Research at the Start

地球の中性大気全体にあたる地表から下部熱圏までを含み、小さな時空間スケールを持つ大気重力波をも解像できる大気大循環モデルを用いて、複数年の北半球冬季の再現実験を実施する。この結果を用いて、大気波動と平均流、および波動間の相互作用の定量的解析を行う。これにより、全球の中層大気の力学現象を、各波の寄与や3次元的構造、変動の時間スケール、事例依存性を含めて明らかにする。また、南極大型大気レーダーPANSY等のレーダーネットワークデータや、衛星データを活用し、モデル実験の結果を検証することで、モデルの再現性向上を目指す。中層大気全域における大気重力波の振る舞いと役割についても定量的に調べる。

Outline of Annual Research Achievements

地表から下部熱圏までの中性大気のうち対流圏より上の中層大気では、大気波動による運動量の再分配が放射で決まる構造とは大きく異なる循環・温度場を形成・維持している。大気重力波（以下、重力波）は特に中間圏の大循環の駆動において中心的な役割を果たす。しかし、重力波の時空間スケールは小さく、多くの気候モデルでは重力波による運動量輸送はパラメタリゼーションによって表現される。重力波そのものを解析できる全球のデータセットは限られるため、重力波の中層大気力学における役割は十分に明らかではない。
そこで本研究では、重力波を陽に扱う大気大循環モデルJapanese Atmospheric General Circulation Model for Upper Atmosphere Research（JAGUAR）を用いる。高解像度版JAGUARは、全中性大気を含むモデルとしては世界トップレベルの解像度を持つ。このモデルを用いて、同じく全中性大気を含むデータ同化システムJAGUAR-DASで作成された再解析データを初期値とする、7年の北半球冬季の再現実験を実施した。衛星観測を用いてモデル内重力波の再現性を検証したうえで、実験結果を用いて重力波が中層大気の全球的な遠隔結合に果たす役割を調べた。
最終年度には、冬季極域成層圏と夏季極域上部中間圏の気温偏差が正の相関を持つ「南北半球間結合」のメカニズムの解明を行った。従来の南北半球間結合の研究が用いていた全球モデルでは重力波の大部分がサブグリッドスケールの現象であったが、本研究では重力波そのものを解析対象として、重力波から全球規模現象までのスケール間相互作用を定量的に調べた。その結果、重力波と約2日周期を持つ惑星規模の大気波動である準2日波が次々と相互作用することで、気温や風の偏差が夏極上部中間圏へ伝わる様子が明らかとなった。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of Bath(英国)
• [Int'l Joint Research] University of Bath(英国)
• [Journal Article] Roles of Gravity Waves in Preconditioning of a Stratospheric Sudden Warming (2024)
  • Author(s): Okui, H., Koshin, D., Watanabe, S., & Sato, K.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: －
  • DOI: 10.22541/essoar.171535751.18240483/v1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Comparison of Stratospheric Gravity Waves in a High‐Resolution General Circulation Model With 3‐D Satellite Observations (2023)
  • Author(s): Okui H., Wright, C. J., Hindley, N. P., Lear E. J., Sato K.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 128 Issue: 13
  • DOI: 10.1029/2023jd038795
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Interhemispheric Coupling Study by Observations and Modelling (ICSOM): Concept, Campaigns, and Initial Results (2023)
  • Author(s): Sato, K., Y. Tomikawa, M. Kohma, R. Yasui, D. Koshin, H. Okui, S. Watanabe, K. Miyazaki, M. Tsutsumi, D. Murphy, C. Meek, Y. Tian, M. Ern, G. Baumgarten, J. L. Chau, X. Chu, R. Collins, P. J. Espy, H. Hashiguchi, A. J. Kavanagh, R. Latteck, F. Lubken, M. Milla, S. Nozawa, Y. Ogawa et al.
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 128 Issue: 11
  • DOI: 10.1029/2022jd038249
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Contribution of Gravity Waves to Universal Vertical Wavenumber (?<i>m</i>^?3) Spectra Revealed by a Gravity‐Wave‐Permitting General Circulation Model (2022)
  • Author(s): Okui Haruka、Sato Kaoru、Watanabe Shingo
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 127 Issue: 10
  • DOI: 10.1029/2021jd036222
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Formation of a Mesospheric Inversion Layer and the Subsequent Elevated Stratopause Associated With the Major Stratospheric Sudden Warming in 2018/19 (2021)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Journal Title: Journal of Geophysical Research: Atmospheres Volume: 126 Issue: 18
  • DOI: 10.1029/2021jd034681
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 高解像度大気大循環モデルを用いた中層大気の遠隔結合における重力波の役割の研究 (2024)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 2023年度南極昭和基地大型大気レーダー計画（PANSY）研究集会
• [Presentation] A comparison of stratospheric gravity waves in a high-resolution general circulation model with 3-D satellite observations (2023)
  • Author(s): Okui, H., Wright, C. J., Hindley, N. P., & Sato, K.
  • Organizer: EGU General Assembly 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A comparison of stratospheric gravity waves in a high-resolution general circulation model with 3-D satellite observations (2023)
  • Author(s): Okui, H., Wright, C. J., Hindley, N. P., Lear, E. J., & Sato, K.
  • Organizer: AOGS2023 20th Annual Meeting
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] A Study on Roles of Gravity Waves in Interhemispheric Coupling Using a High-Resolution General Circulation Model (2023)
  • Author(s): Okui, H., Sato, K., & Watanabe, S.
  • Organizer: AGU Fall Meeting 2023
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルと3次元衛星観測における重力波の特徴の全球分布の比較研究 (2023)
  • Author(s): 奥井晴香, Corwin Wright, Neil Hindley, 佐藤薫
  • Organizer: 日本気象学会2023年度春季大会
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルを用いた南北半球間結合における重力波の役割の研究 (2023)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 日本気象学会2023年度秋季大会
• [Presentation] Contribution of gravity waves to the universal vertical wavenumber (m^-3) spectra revealed by a gravity-wave permitting general circulation model (2022)
  • Author(s): Okui, H., Sato, K., & Watanabe, S.
  • Organizer: SPARC Gravity Wave Symposium 2022
• [Presentation] Contribution of gravity waves to the universal vertical wavenumber (m^-3) spectra revealed by a gravity-wave permitting general circulation model (2022)
  • Author(s): Okui, H., Sato, K., & Watanabe, S.
  • Organizer: EGU General Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Roles of Gravity Waves in Preconditioning of a Stratospheric Sudden Warming (2022)
  • Author(s): Okui, H., Sato, K., & Watanabe, S.
  • Organizer: SPARC General Assembly 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全大気長期解析値を用いた北半球冬季クライマトロジーと成層圏突然昇温時における渦位構造と惑星規模波の解析 (2022)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫
  • Organizer: 日本気象学会2022年度春季大会
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルを用いた普遍鉛直波数(~m^(-3))スペクトルに対する重力波の寄与の検証 (2022)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 日本地球惑星科学連合 (JpGU) 2022年大会
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルを用いた普遍鉛直波数(~m^(-3))スペクトルに対する重力波の寄与の検証 (2022)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: MTI研究集会
  • Invited
• [Presentation] Formation of a mesospheric inversion layer and the subsequent elevated stratopause associated with the major stratospheric sudden warming in 2018/19 (2022)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Organizer: STP-15
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルを用いた普遍鉛直波数スペクトルに対する重力波の寄与の検証 (2022)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 2021年度PANSY研究集会
• [Presentation] Formation of a mesospheric inversion layer and the subsequent elevated stratopause associated with the major stratospheric sudden warming in 2018/19 (2022)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Organizer: SPARC Gravity Wave Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Contribution of gravity waves to the universal vertical wavenumber (m-3) spectra revealed by a gravity-wave permitting general circulation model (2022)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Shingo Watanabe
  • Organizer: SPARC Gravity Wave Symposium 2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Formation of the double stratopause and elevated stratopause associated with the major stratospheric sudden warming in 2018/19 (2021)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Organizer: EGU General Assembly 2021 (vEGU2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波解像モデルを用いた中層大気重力波のスペクトル解析 (2021)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 日本気象学会2021年度春季大会
• [Presentation] Formation of the Double Stratopause and Elevated Stratopause Associated with the Major Stratospheric Sudden Warming in 2018/19 (2021)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Organizer: 18th Annual Meeting Asia Oceania Geosciences Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波解像大気大循環モデルを用いた成層圏突然昇温時の中層大気力学変動の研究 (2021)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 小新大, 渡辺真吾
  • Organizer: 日本流体力学会2021年度年会
• [Presentation] Contribution of gravity waves to the universal vertical wavenumber (m^(-3)) spectra revealed by a gravity-wave permitting general circulation model (2021)
  • Author(s): Haruka Okui, Kaoru Sato, Dai Koshin, Shingo Watanabe
  • Organizer: The 12th Symposium on Polar Science
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 重力波解像モデルを用いた中層大気重力波の鉛直波数スペクトルへの寄与の検証 (2021)
  • Author(s): 奥井晴香, 佐藤薫, 渡辺真吾
  • Organizer: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [Remarks] 佐藤薫研究室 | 東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻 大気海洋科学講座 大気物理学分野
  • URL: https://www-aos.eps.s.u-tokyo.ac.jp/~sato-lab/
• [Remarks] 奥井晴香 | 東京大学 大学院理学系研究科 地球惑星科学専攻
  • URL: https://www-aos.eps.s.u-tokyo.ac.jp/~okui/
• [Remarks] 奥井晴香 (Haruka Okui) - researchmap
  • URL: https://researchmap.jp/haruka_okui