2021 Fiscal Year Annual Research Report
階層的数値モデルによる金星大気重力波の励起、伝播、散逸過程の解明
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19H01971
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
杉本 憲彦 慶應義塾大学, 法学部(日吉), 教授 (10402538)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高木 征弘 京都産業大学, 理学部, 教授 (00323494)
安藤 紘基 京都産業大学, 理学部, 助教 (00706335)
野口 克行 奈良女子大学, 自然科学系, 助教 (20397839)
黒田 剛史 東北大学, 理学研究科, 助教 (40613394)
宮本 佳明 慶應義塾大学, 環境情報学部(藤沢), 准教授 (90612185)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 大気重力波 / 金星 / パラメタリゼーション / データ同化 / 観測システムシミュレーション実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大気重力波は、運動量やエネルギーを輸送、再分配し、惑星大気において重要な働きを担う。本課題では、階層的な数値モデルを用いて、金星大気の重力波の諸過程を包括的に解明することが目標である。2021年度は昨年度に実施したT639L260(1920×960×260格子点)超高解像度の数値実験の結果の解析と論文化を中心に研究を進めた。特に、熱潮汐波によって形成されたスーパーローテーションの加速・減速域から、自発的な重力波放射が起こっていることを世界で初めて発見した。そして、地球のジェット出口で生じる自発的放射と同様のメカニズムが金星の大気でも適用可能なことを示すことに成功した。この重力波は鉛直に運動量を再分配することで、スーパーローテーションの構造に重要な働きをもたらすことが示唆された。
さらに昨年度に構築した簡易版の雲物理過程を導入した金星大気大循環モデルを用いて、雲層下部の赤道ケルビン波と雲量の変動について調べた。その結果、赤道ケルビン波に起因する温度擾乱によって、雲の濃淡が形成される可能性を示唆する結果を得た。
赤道ケルビン波は雲層上端にもその存在が示唆されており、スーパーローテーションの風速変動に関わると考えられている。一方で、我々の金星大気大循環モデルでは、この波をこれまで再現できていない。昨年度に実施した、データ同化技術を用いた赤道ケルビン波の観測システムシミュレーション実験に関して、より現実的な疑似観測データを用いて、赤道ケルビン波のスーパーローテーションに関するインパクト調査を行った。その結果、励起された赤道ケルビン波によって、観測されるスーパーローテーションの風速変動を十分に説明可能なインパクトを持つことが定量的にも示された。
これらの成果は金星大気中での大気重力波の重要性を強く示唆しており、本研究課題の推進によって得られた主要な研究実績である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
2021年度までに、金星大気大循環モデルを用いた予備実験で１本、超高解像度実験で1本、またモデルの物理過程の開発とその解析で2本、電波掩蔽観測とモデルの結果比較で1本、観測の提案で1本、また世界唯一の金星大気データ同化システムを用いた、実観測のデータ同化で1本、観測システムシミュレーション実験で3本、の計10本の査読付き論文を出版することができた。
特に、金星大気における惑星規模の重力波である熱潮汐波や赤道ケルビン波のみならず、それらの相互作用で生じた小規模な大気重力波も、雲層内部のスーパーローテーション構造の維持、運動量や熱の再分配に重要な働きをもたらすことを明らかにした点で、本研究課題の目標を大きく達成したと言える。
また、雲層下部においても、新たな雲物理過程を開発、導入したことで、赤道ケルビン波が雲量変動に影響を与えることが示された。雲層は太陽光の吸収率の変動を通して金星大気のエネルギー収支に重要な寄与をもたらすため、今後は金星大気のエネルギー収支の調査への展開が期待できる。
今年度に論文化したT639L260(1920×960×260格子点)での世界最高解像度の数値実験では、低緯度の熱潮汐波のみならず、中緯度の傾圧不安定や高緯度の順圧不安定からも、細かいスケールの自発的な大気重力波の放射が再現されている。
また、金星大気の実観測のデータ同化および観測システムシミュレーション実験を行えるのは、世界で我々のグループが唯一である。この長所を最大限に生かし、熱潮汐波や赤道ケルビン波の重要性を指摘する研究成果をあげており、これらの点からも研究を順調に遂行できていると考えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
金星探査機「あかつき」および「Venus Express」の電波掩蔽観測のよって近年に明らかにされた雲層下部の温度構造を、我々の金星大気大循環モデルは整合的に再現することがわかっている。このため、次年度はこの成因について解析を行ったものを論文化する。また、この電波掩蔽観測による安定度分布を雲層上部でも模擬した設定へと金星大気大循環モデルの改良を行うことで、熱潮汐波やケルビン波の再現性の向上を目指す。先行研究では、ケルビン波とロスビー波のカップリングによる不安定が示唆されており、この不安定に着目した解析を行う計画である。さらに近年、金星大気大循環モデルで再現されるスーパーローテーションが水平粘性に大きく依存することが示唆されているため、この大きさに関する感度実験及び解像度を変化させた数値実験を行い、スペクトル解析によって最適な水平粘性の大きさを検討する。雲層下部でのケルビン波と雲の変動に関しては、鉛直流が変動に寄与することも示唆されており、異なる金星大気大循環モデルと雲物理過程を用いて、この可能性についても調査を行う。
データ同化では、あかつきの風速を同化し、熱潮汐波の再現性の向上を目指す。熱潮汐波はスーパーローテーションの構造にも大きな影響をもたらすことが示唆されているため、その運動量輸送に着目した解析も行う。また、データ同化技術を用いた観測システムシミュレーション実験では、熱潮汐波の再現性の向上を目指し、中間赤外カメラ観測を想定した温度データの同化テストを行う。あかつき観測では、熱潮汐波の位相が我々の金星大気大循環モデルよりずれていることが示唆されているため、疑似観測は我々の金星大気大循環モデルの熱潮汐波の温度データをずらして作成する。現実的な緯度、経度、時間間隔で観測条件を変化させ、どの程度の観測があれば、データ同化によって熱潮汐波の位相が改善可能かを調査する。
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