等温位/等密度座標に基づく大気/海洋大循環の解析

2015 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 15H02129
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 岩崎 俊樹 東北大学, 理学研究科, 教授 (80302074)
• 研究分担者: 小林 ちあき 気象庁気象研究所, 気候研究部, 主任研究官 (20354459) ; 山崎 哲 国立研究開発法人海洋研究開発機構, アプリケーションラボ, 研究員 (20633887) ; 宮崎 和幸 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球表層物質循環研究分野, 主任研究員 (30435838) ; 相木 秀則 国立研究開発法人海洋研究開発機構, アプリケーションラボ, 主任研究員 (60358752) ; 高谷 康太郎 京都産業大学, 理学部, 准教授 (60392966) ; 須賀 利雄 東北大学, 理学研究科, 教授 (70211977)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2020-03-31
• キーワード: 等温位面/等密度面の加重付平均 / 波動平均流相互作用 / 寒気流出 / コールドサージ / 大気微量成分輸送 / サブダクション

研究実績の概要

5年間の研究計画を詳細に検討した。特に、平均流と擾乱の相互作用について、大気/海洋、対流圏/成層圏、中高緯度/低緯度など、異なるカテゴリーに属する現象を、統一的な視点で整理する方法を議論した。中心的な課題は、等圧面上の平均と等温位面(大気)/等密度面(海洋)における加重付平均の関係である。
（１）再解析データJRA55を利用して、北極域の特定温位(代表的な値は280K)以下の寒気の蓄積と放出の関係について調べた。蓄積の時間スケールは20日程度であるが、放出の時間スケールは数日と短く、コールドサージの特徴を表している。
（２）気象庁の再解析データJRA55について、Brewer-Dobson 循環の様子を調べた。とくに、観測データを同化した場合（準2年振動(QBO)有）と、同化しない場合（QBO無、観測された海面水温を境界条件とする大気大循環モデルの単純な積分）の比較から、QBOがB-D 循環を強化することを確認した。
（３）等温位面上の加重付時間平均量に基づき、Eliassen-Palm フラックスを3次元化した。ただし、表現には任意性が残る。中緯度において、南北風の気候値の力学的なバランスは定常波動による気圧傾度力が支配的だが、非定常波動の影響も無視できない。
（４）大気輸送のトレーサーとして利用できる一酸化炭素の大気中濃度３次元分布と地表面排出量についての再解析を行い、2005-2014年の10年間についてデータを作成しweb上で公開した。
（５）Argoデータに基づく格子化海洋データセットに等密度面解析を適用して、冬季混合層から海洋内部への海水沈み込み量の 2005年～2012年の年々変動を明らかにした。変動の振幅は平均値の40％に及んだ。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

全体として計画は順調に進捗している。大気は圧縮性が大きく、海洋は密度が塩分濃度に依存する。このため、両者の数理的な表現は大きく異なる。しかし、波と平均流の相互作用という視点に立てば、共通の解釈が成り立つ。対流圏/成層圏は圏界面で隔てられているが、ハードな境界があるわけではない。安定度や風速のシアなどで特徴づけられ、数理的にも共通で連続的に扱いが容易である。中高緯度は低緯度と連続的であるものの、準地衡風近似が仮定されるため、擾乱のエネルギーの表現は低緯度とは異なる。準地衡風近似を使わなければ、平均流と擾乱の分離が難しい。統一的な理解のためにはさらに整理が必要である。
（１）寒気流出解析の今後の課題は、地球温暖化の評価である。寒気質量および寒気容量の経年変化は、北半球の温暖化シグナルを明瞭に示している。今後、系統的に調べる予定である。
（２）Brewer-Dobson 循環の強度の経年変化傾向は、気象庁の再解析JRA55とヨーロッパ中期予報センターの再解析ERA-Interimでは異なる。これは、重要な課題で真実を明らかにする必要がある。
（３）波動平均流相互作用の3次元表示については、Eliassen-Palm フラックスと波活動度フラックスからのアプローチで、表現が異なる。この相違の意味を検討する必要がある。
（４）独自のデータを利用した解析に向けて北半球と中高緯度間の物質輸送に関連する文献を調査している。同時に、適切な輸送解析フレームワークに関する考察を進めているところである。
（５）サブダクション率の年々変動との比較のため、海洋内部の渦位場を、低渦位偏差の鉛直積分値（低渦位強度）により定量化する手法を開発している。予備的な解析により、この手法が、沈み込み域からの低渦位水の追跡に有効であることが示されている。

今後の研究の推進方策

本研究の重要な目標の一つは、等温位面(大気)/等密度面(海洋)上の加重付東西OR時間平均に基づく、波動平均流相互作用の定式を体系的に進めること、および、現実大気の平均循環と波動の解析スキームを開発することである。特に、2016年度は、等温位/等密度加重時間平均に基づく3次元化が大きな課題である。
（１）寒気流出解析では、中高緯度と低緯度の相互作用を調べる。当然ながら、低緯度は高緯度からの寒気流出の直接の影響を受ける。それに加えて、低緯度から伝播する波動が寒気流出を起こす総観状況を引き起こす可能性もある。中高緯度と低緯度の双方向の相互作用は、大規模な気候システムに大きな影響を与えている。また、アメリカ東海岸の寒気流出の特徴を調べ、東アジアの寒気流出と比較する。
（２）JRA55と、ERA Interim で、Brewer-Dobson循環の経年変化が異なる理由を考察する。波動‐平均流相互作用の3次元表現を利用して、Brewer-Dobson循環の3次元構造の形成・維持機構を調べる。
（３）波動―平均流相互作用について、等圧面平均と等温位/等密度平均(MIM）との比較を継続する。波活動度フラックスやEliassen-Palm フラックスなど３次元表現を比較し、定式化の統一を図る。実際の大気の解析に適用し、その有効性を確かめる。
（４）独自に作成した一酸化炭素の再解析データを解析し、北半球と中高緯度間の物質輸送経路を系統的に調査する。輸送解析結果は各種衛星観測やNASA主導の航空機観測によるデータが示す変動と比較しその妥当性を検討する。
（５）個々のArgoフロートデータから、等密度面座標を用いた格子化データセットを作成し、冬季混合層から永年密度躍層への沈み込みと渦位場の変動を記述し、前年度までに行った既存の格子化データセットによる結果と比較する。

研究成果

• [雑誌論文] Brewer‐Dobson circulation diagnosed from JRA‐55 (2016)
  • 著者名/発表者名: Kobayash, C., and T. Iwasaki
  • 雑誌名: J. Geophys. Res. Atmos 巻: 121 ページ: 1494-1510
  • DOI: 10.1002/2015JD023476
  • 査読あり
• [雑誌論文] Inter-annual zonal shift of the formation region of the lighter variety of the North Pacific Central Mode Water (2016)
  • 著者名/発表者名: Kawakami, Y., S. Sugimoto, and T. Suga
  • 雑誌名: J. Oceanogr 巻: 72 ページ: 225-234
  • DOI: 10.1007/s10872-015-0325-1
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Charge and discharge of polar cold air mass in northern hemispheric winter (2015)
  • 著者名/発表者名: Kanno, Y., M. R. Abdillah, and T. Iwasaki
  • 雑誌名: Geophys. Res. Lett 巻: 42 ページ: 7187-7193
  • DOI: 10.1002/2015GL065626
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] A tropospheric chemistry reanalysis for the years 2005–2012 based on an assimilation of OMI, MLS, TES, and MOPITT satellite data (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K., Eskes, H. J., and Sudo, K
  • 雑誌名: Atmos. Chem. Phys. 巻: 15 ページ: 8315-8348
  • DOI: 10.5194/acp-15-8315-2015
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] A divergence-form wave-induced pressure inherent in the extension of the Eliassen-Palm theory to a three-dimensional framework for all waves at all latitudes (2015)
  • 著者名/発表者名: Aiki, H., K. Takaya, and R. J. Greatbatch
  • 雑誌名: Journal of the Atmospheric Sciences 巻: 72 ページ: 2822-2849
  • DOI: 10.1175/JAS-D-14-0172.1
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Decadal variability of Subtropical Mode Water subduction and its impact on biogeochemistry (2015)
  • 著者名/発表者名: Oka, E., B. Qiu, Y. Takatani, K. Enyo, D. Sasano, N. Kosugi, M. Ishii, T. Nakano, and T. Suga
  • 雑誌名: Journal of Oceanography 巻: 71 ページ: 389-400
  • DOI: 10.1007/s10872-015-0300-x
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Interannual variation of annual subduction rate in the North Pacific estimated from a gridded Argo product (2015)
  • 著者名/発表者名: Toyama, K., A. Iwasaki, and T. Suga
  • 雑誌名: Journal of Physical Oceanography 巻: 45 ページ: 2276-2293
  • DOI: 10.1175/JPO-D-14-0223.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Oceanic fronts andjets around Japan: a review. (2015)
  • 著者名/発表者名: Kida, S., H. Mitsudera, S. Aoki, X. Guo, S. Ito, F. Kobashi, N. KomoriA. Kubokawa, T. Miyama, R. Morie, H. Nakamura, T. Nakamura, H. Nakano, H.Nishigaki, M. Nonaka, H. Sasaki, Y.N. Sasaki, T. Suga, S. Sugimoto, B.Taguchi, K. Takaya, T. Tozuka, H. Tsujino, N. Usui,
  • 雑誌名: Journal of Oceanography 巻: 71 ページ: 469-497
  • DOI: 10.1007/s10872-015-0283-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Local SST impacts on the summertime ascarene High variability (2015)
  • 著者名/発表者名: Morioka, Y., K.Takaya, S. K. Behera, and Y. Masumoto
  • 雑誌名: J. Climate 巻: 28 ページ: 678-694
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-14-00133.1
  • 査読あり / 国際共著
• [学会発表] 中緯度惑星波と赤道波によるエネルギーフラックスの全球シームレス解析に向けて(II) (2016)
  • 著者名/発表者名: 相木秀則
  • 学会等名: 日本海洋学会2016年度春季大会
  • 発表場所: 東京大学本郷キャンパス（東京）
  • 年月日: 2016-03-16 – 2016-03-16
• [学会発表] 2010年夏のロシア・ヨーロッパブロッキングの持続メカニズム研究 (2016)
  • 著者名/発表者名: 山崎哲・伊藤久徳・直江寛明
  • 学会等名: 第17回地球流体力学研究集会「地球流体における波動と対流現象の力学」
  • 発表場所: 九州大学応用力学研究所（福岡県春日市）
  • 年月日: 2016-03-01 – 2016-03-01
• [学会発表] Cross-mean flow spreading of North Pacific Central Mode Water: Property transport by mesoscale eddies (2016)
  • 著者名/発表者名: Suga, T., K. Nakashima, Y. Murai
  • 学会等名: 2016 Ocean Science Meeting
  • 発表場所: ニューオリンズ（アメリカ）
  • 年月日: 2016-02-23 – 2016-02-23
  • 国際学会
• [学会発表] TEM方程式系におけるロスビー波と重力波のフラックスの差異に関しての考察 (2016)
  • 著者名/発表者名: 高谷康太郎
  • 学会等名: 「波と平均流との相互作用」研究会
  • 発表場所: 東北大学大学院理学研究科（仙台市）
  • 年月日: 2016-02-16 – 2016-02-16
• [学会発表] Isentropic Analysis of Polar Cold Air Mass Streams in the Northern Hemispheric Winter Monsoon (2016)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, T., Y. Kanno, M. R. Abdillah
  • 学会等名: American Meteorological Society annual meeting
  • 発表場所: New Orleans, USA
  • 年月日: 2016-01-13 – 2016-01-13
  • 国際学会
• [学会発表] Charge and discharge of polar cold air mass in Northern Hemispheric winter (2016)
  • 著者名/発表者名: Kanno, Y., M. R. Abdillah, T. Iwasaki
  • 学会等名: American Meteorological Society annual meeting
  • 発表場所: New Orleans, USA
  • 年月日: 2016-01-13 – 2016-01-13
  • 国際学会
• [学会発表] The region around the Kuroshio Extension as a ventilator of the North Pacific pycnocline: a review (2016)
  • 著者名/発表者名: Suga, T.
  • 学会等名: CLIVAR/JAMSTEC Workshop on the Kuroshio Current and Extension system: Theory, Observations, and Ocean Modelling
  • 発表場所: 海洋研究開発機構（横浜市）
  • 年月日: 2016-01-12 – 2016-01-12
  • 招待講演
• [学会発表] A tropospheric chemistry reanalysis for the years 2005-2014 based on an assimilation of AURA OMI, MLS, TES and MOPITT satellite data (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K, H. Eskes, and K. Sudo
  • 学会等名: AGU fall meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-12-15 – 2015-12-15
  • 招待講演
• [学会発表] Long-term trend of polar cold air mass below a designated potential temperature in Northern and Southern hemisphere winters with 7 different reanalysis datasets (2015)
  • 著者名/発表者名: Kanno, Y., M. R. Abdillah, T. Iwasaki
  • 学会等名: American Geophysical Union Fall meeting
  • 発表場所: San Francisco, USA
  • 年月日: 2015-12-14 – 2015-12-14
  • 国際学会
• [学会発表] A tropospheric chemistry reanalysis for the years 2005-2014 based on an assimilation of AURA OMI, MLS, TES and MOPITT satellite data (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K
  • 学会等名: UC Berkeley BASC Seminar
  • 発表場所: Berkeley, USA
  • 年月日: 2015-11-18 – 2015-11-18
  • 招待講演
• [学会発表] Waves and eddies and the globalocean: advances in the understanding of energy cycle (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Aiki
  • 学会等名: Founding symposium for the institute for space-earth environmental research
  • 発表場所: Nagoya University Nagoya, Japan
  • 年月日: 2015-11-05 – 2015-11-05
• [学会発表] 全ての緯度帯の波を対象としたEliassen-Palm理論とビリアルの定理 (2015)
  • 著者名/発表者名: 相木秀則
  • 学会等名: 日本気象学会2015年度秋季大会
  • 発表場所: 京都テルサ（京都市）
  • 年月日: 2015-10-29 – 2015-10-29
• [学会発表] Isentropic Analysis of Polar Cold Air Mass Streams in the Northern Hemispheric Winter Monsoon (2015)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, T., Y. Kanno, T. Shoji
  • 学会等名: 1st Asian Conference on Meteorology
  • 発表場所: 京都大学吉田キャンパス（京都市）
  • 年月日: 2015-10-27 – 2015-10-27
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation of CCMI and ACCMIP ensemble simulations using atmospheric chemical reanalysis (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K, K. Bowman, and H. Eskes
  • 学会等名: IGAC/SPARC CCMI workshop 2015
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 2015-10-08 – 2015-10-08
  • 国際学会
• [学会発表] OH inter-hemispheric ratio and inter-annual variations in CCMs (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K, and P. Patra
  • 学会等名: IGAC/SPARC CCMI workshop 2015
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 2015-10-08 – 2015-10-08
  • 国際学会
• [学会発表] 新潟の降雪分布と対流圏上層の偏西風変動の関係 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎哲・本田明治・川瀬宏明
  • 学会等名: 雪氷研究大会（2015・松本）
  • 発表場所: 信州大学理学部（長野県松本市）
  • 年月日: 2015-09-15 – 2015-09-15
• [学会発表] Cross-mean flow spreading of North Pacific Central Mode Water: Property transport by mesoscale eddies (2015)
  • 著者名/発表者名: Suga, T.
  • 学会等名: A combined GO-SHIP/Argo/ IOCCP conference on physical and biogeochemical measurements of the water column (GAIC 2015)
  • 発表場所: ゴールウェイ（アイルランド）
  • 年月日: 2015-09-15 – 2015-09-15
  • 国際学会
• [学会発表] 大気大循環場から見る新潟の里雪と山雪 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎哲・本田明治・川瀬宏明
  • 学会等名: 雪氷研究大会（2015・松本）気象水文分科会
  • 発表場所: 信州大学理学部（長野県松本市）
  • 年月日: 2015-09-14 – 2015-09-14
  • 招待講演
• [学会発表] A tropospheric chemistry reanalysis for the years 2005-2014 based on an assimilation of AURA OMI, MLS, TES and MOPITT satellite data (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K.
  • 学会等名: Wageningen University Meteorology and Air Quality Group seminar
  • 発表場所: Wageningen, the Netherlands
  • 年月日: 2015-09-10 – 2015-09-10
  • 招待講演
• [学会発表] A tropospheric chemistry reanalysis for the years 2005-2014 based on an assimilation of AURA OMI, MLS, TES and MOPITT satellite data (2015)
  • 著者名/発表者名: Miyazaki, K.
  • 学会等名: OMI Science Team Meeting nr. 19 (2015)
  • 発表場所: KNMI, Utrecht, the Netherlands
  • 年月日: 2015-09-02 – 2015-09-02
• [学会発表] 北西太平洋ブロッキングと関東・北日本太平洋側での降水・降雪 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎哲・本田明治・吉田聡
  • 学会等名: 南岸低気圧とそれに伴う気象・雪氷災害に関する研究会
  • 発表場所: 気象庁気象研究所講堂（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-08-10 – 2015-08-10
• [学会発表] Unusual winter snowfall in Japan associated with western Pacific blocking (2015)
  • 著者名/発表者名: Yamazaki, A., A. Honda and S. Yoshida
  • 学会等名: The 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics
  • 発表場所: プラハ（チェコ）
  • 年月日: 2015-07-01 – 2015-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Isentropic expression of Eliassen-Palm flux (2015)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, T., Y. Kanno
  • 学会等名: International Union of Geodesy and Geophysics
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2015-06-29 – 2015-06-29
  • 国際学会
• [学会発表] Interannual zonal displacement of the formation region of the North Pacific Central Mode Water (2015)
  • 著者名/発表者名: Kawakami, Y., S. Sugimoto, T. Suga
  • 学会等名: The 26th General Assembly of the International Union of Geodesy and Geophysics (IUGG 2015)
  • 発表場所: プラハ（チェコ）
  • 年月日: 2015-06-27 – 2015-06-27
  • 国際学会
• [学会発表] Long-term trend of polar cold air mass below a designated potential temperature in winter hemispheres (2015)
  • 著者名/発表者名: Kanno, Y., T. Iwasaki
  • 学会等名: International Union of Geodesy and Geophysics
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2015-06-26 – 2015-06-26
  • 国際学会
• [学会発表] Isentropic analysis of polar cold air mass streams in the northern hemispheric winter monsoon (2015)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, T., Y. Kanno
  • 学会等名: International Union of Geodesy and Geophysics
  • 発表場所: Prague, Czech Republic
  • 年月日: 2015-06-25 – 2015-06-25
  • 国際学会
• [学会発表] Why the bolus velocity deserved to survive and how we use it: a 3D EP theory for all waves at all latitudes as given by the impulse-boluspseudomomentum (2015)
  • 著者名/発表者名: H. Aiki
  • 学会等名: 20th conference on atmospheric and oceanic fluid dynamics
  • 発表場所: Minneapolis, USA
  • 年月日: 2015-06-16 – 2015-06-16
• [学会発表] 位相依存性のないエネルギー変換の定式化の提案 (2015)
  • 著者名/発表者名: 高谷康太郎
  • 学会等名: 「波と平均流との相互作用」研究会
  • 発表場所: 東北大学大学院理学研究科（仙台市）
  • 年月日: 2015-06-10 – 2015-06-10
• [学会発表] 北西太平洋ブロッキングと関東・北日本東部での異常降水・降雪 (2015)
  • 著者名/発表者名: 山崎哲・本田明治・吉田聡
  • 学会等名: 第２回メソ気象セミナー
  • 発表場所: 鹿児島県文化センター（鹿児島県鹿児島市）
  • 年月日: 2015-06-06 – 2015-06-06
• [学会発表] 全ての緯度帯の波を対象としたEliassen-Palm理論と渦度力学 (2015)
  • 著者名/発表者名: 相木秀則
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合連合大会2015年大会
  • 発表場所: 幕張メッセ国際会議場（千葉市）
  • 年月日: 2015-05-27 – 2015-05-27
• [学会発表] 全ての緯度帯の波を対象としたEliassen-Palm理論と渦度力学 (2015)
  • 著者名/発表者名: 相木秀則
  • 学会等名: 日本気象学会2015年度春季大会
  • 発表場所: つくば国際会議場(茨城県・つくば市)
  • 年月日: 2015-05-23 – 2015-05-23
• [図書] Cold-air outbreaks over East Asia associated with blocking highs:Mechanisms and their interaction with the polar stratosphere. Chap. 4-21,“Dynamics and Predictability of Large-Scale High-Impact Weather and Climate Events” edited by Jianping Li, Richard Swinbank, Hans Volkert and Richard Grotjahn, ICDM （気象力学国際委員会）books. (2016)
  • 著者名/発表者名: Hisashi Nakamura, Kazuaki Nishii, Lin Wang, Yvan J. Orsolini, and Koutarou Takaya.
  • 総ページ数: 356pp
  • 出版者: CAMBRIDGE UNIVERSITY PRESS
• [備考] •波と平均流の相互作用に関する研究会
  • URL: http://wind.gp.tohoku.ac.jp/MIM_project/index.html