2023 Fiscal Year Annual Research Report
近年の北極域海氷減少が引き起こす熱圏・電離圏変動の解明
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21H01150
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
三好 勉信 九州大学, 理学研究院, 教授 (20243884)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
品川 裕之 九州大学, 国際宇宙惑星環境研究センター, 博士研究員 (00262915)
藤原 均 成蹊大学, 理工学部, 教授 (50298741)
陣 英克 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 主任研究員 (60466240)
垰 千尋 国立研究開発法人情報通信研究機構, 電磁波研究所電磁波伝搬研究センター, 主任研究員 (80552562)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 超高層大気変動 / 大気上下結合 / 数値シミュレーション / 宇宙天気 / 大気波動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年の北極域の海氷減少が，成層圏循環の変化を経由して超高層大気（熱圏・電離圏）に影響を及ぼしているという仮説を実証するための解析を実行した。海氷が減少している2000年代以降は成層圏突然昇温が数多く発生したのに対して，比較的海氷の多い1990年代には成層圏突然昇温はほとんど発生していないことから，成層圏突然昇温とそれに伴う熱圏・電離圏変動に焦点を当てて解析を行った。成層圏突然昇温に伴い，短周期のプラネタリー波(6日波など)の発生が顕著であり，熱圏・電離圏でも同時期に約6日周期の変動が顕著にみられることがわかった。成層圏突然昇温に伴う，プラネタリー波の上方伝播や電離圏への影響に関する物理機構について明らかにした。さらに，北半球での成層圏突然昇温が，南半球へ及ぼす影響についての解析を実施した。成層圏突然昇温発生に伴い，南半球高緯度域では中間圏上部で気温上昇，熱圏下部での気温低下することが明らかとなった。この温度変化は，南半球から北半球へと向かう子午面循環の強度が成層圏突然昇温の影響により変化することが原因であることがわかった。
数値モデル（大気圏ー電離圏結合モデルや全中性大気大循環モデル）による1990-2020年の31年間についての計算結果の解析を実施した。統計解析の結果，海氷減少に起因すると考えられる大気大循環の長期変動は，成層圏のみならず中間圏上部から熱圏にまで広く及んでいることが明らかとなった。温度の長期変動は，子午面循環の変動と強く関係していることが明らかとなった。
下層大気変動が熱圏・電離圏変動に及ぼす例の一つとして，トンガ噴火に伴う対流圏での大気波動の励起，熱圏への鉛直伝播，電離圏への影響について，数値シミュレーションにより調べた。このことから，プラネタリー波だけではなく対流圏変動に伴う大気重力波変動により熱圏・電離圏が激しく影響を受けることが定量的に示された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
対流圏から熱圏・電離圏までを含む大気圏―電離圏結合モデル(GAIA)や全中性大気大循環モデルによる，1990年から2020年までの数値シミュレーション結果を基に，成層圏突然昇温が熱圏・電離圏変動に及ぼす影響についての解析を実施した。特に，成層圏突然昇温に関連しての移動性プラネタリー波(6日波など)の増幅や熱圏への伝播，電離圏への影響についての詳細な解析を解析した。結果を解析することで，熱圏変動がどのような物理過程を経て電離圏に影響するかについて評価することが可能となった。北半球での大気大循環変動が南半球の大気大循環変動に及ぼす影響についての解析も実施した。その結果，北半球で発生した成層圏突然昇温の影響がどのような物理過程を経て南半球の大気大循環に影響するかについて，大気波動の活動度変動や子午面循環変動などに注目しながら解析を実施した。特に，2010年代以降に発生した成層圏突然昇温時の循環変動について調べることができた。さらに解析期間を増やしてより詳細な影響を定量的に見積もることが可能な状況である。
1990から2020年における気象再解析データを用いた数値シミュレーションを実行していたが，本年度は1959年から1989年までの気象再解析データを入手し，この期間における海氷変動や対流圏・成層圏での大気大循環変動に関する予備的な解析を行った。これらの結果を踏まえて，さらに長期間の海氷減少と超高層大気への影響の見積もりが可能となるめどが立った。。
このように，成層圏突然昇温時の熱圏・電離圏での変化の様子や海氷減少に伴う成層圏から熱圏における大気循環の年々変動に関して，査読付き論文として成果を公表するとともに，国際会議および関連する国内学会で発表ができたことは，研究成果の発表促進の観点からも意義は大きい。このようにおおむね順調に進展していると考えられる。
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| Strategy for Future Research Activity |
近年の北極域の海氷減少が下層大気の循環変動を介して，大気波動の活動度変化と熱圏・電離圏変動を引き起こしているという仮説の検証を引き続き実施する。今までは，1990年から2020年までの観測結果に基づいた数値シミュレーション結果の解析を実施した。しかし，この期間には，海氷減少以外の年々変動要因（エルニーニョ，成層圏準2年振動，熱帯モンスーン変動，内部変動に伴うブロッキング現象など）を排除することができなかった。そのため，長期間の平均をとるなどの統計解析をする必要があった。そこで，本年度は海氷減少の影響をより明確にするために，北極域の海氷以外の条件を同じに設定した理想的な数値シミュレーションを実施する（海氷分布以外の下部境界条件や初期条件を同じに設定する）。具体的には，1980年から1990年にかけての平均的な北極域海氷分布を与えた数値シミュレーションと2010年から2020年にかけての北極域海氷分布を与えた数値シミュレーションを実施する。この数値シミュレーション結果を解析することで，より明確に北極域海氷減少の影響を抽出できると考えている。解析手法については，今までと同じで，成層圏突然昇温頻度の違い，移動性プラネタリー波の活動度変動，大気波動活動度変動による子午面循環変動，熱圏―電離圏相互作用過程による電離圏変動などをキーワードに解析を実施する予定である。
成層圏突然昇温時の電離圏変動については，地上観測より得られた全電子数やイオノゾンデなどのデータとの比較を通じて6日周期をはじめとする短周期変動に注目して解析を進めていく予定である。さらに，北半球での成層圏突然昇温が南半球に及ぼす影響に関しては，気象衛星ひまわりによる夜光雲（極中間圏雲）の発生頻度データの解析により温度変動を明らかにする予定である。これらの観測データの比較を通じて，数値シミュレーション結果の検証を実施する。
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