中層大気大循環及び波の階層構造の3次元的描像とその季節内変動～年々変動の解明

2022 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22H00169
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 佐藤 薫 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 教授 (90251496)
• 研究分担者: 木下 武也 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(大気海洋相互作用研究プログラム), 研究員 (20648638) ; 渡辺 真吾 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), センター長代理 (50371745) ; 高麗 正史 東京大学, 大学院理学系研究科(理学部), 助教 (80733550)
• 研究期間 (年度): 2022-04-01 – 2027-03-31
• キーワード: 中層大気 / 大気大循環 / 重力波 / ロスビー波 / 乱流

研究実績の概要

昭和基地に設置された南極大型大気レーダーPANSYレーダーを軸とする国際協同大型大気レーダー観測網で捉えた、全中性大気重力波変動の高解像大気大循環モデル再現データを用いて鉛直波数スペクトルの研究を行い、その形状には、平均風の鉛直シアーによる鉛直波数およびエネルギーの変化も重要であることを解明した。PANSYレーダー観測で捉えた大気重力波を対象に領域モデルを用いた再現実験を行い、観測データとの比較によって、運動量フラックスや鉛直風擾乱の再現に関するモデルの解像度依存性を調べた。全中性大気の約20年の再解析データを作成し、事例解析にとどまっていた赤道域中間圏・下部熱圏の季節内振動の統計解析を行った。卓越時期、中高緯度への広がりを突き止め、振動の駆動には2次重力波や重力波水平伝播の重要性を示唆する結果を得た。PANSYレーダーの多機能性を生かした特殊観測により、ケルビン・ヘルムホルツ渦の構造を検出し、これが非線形性の高い大気重力波や低気圧に伴うシアー不安定によることを突き止めた。さらに、南極周辺域で時折見られる下部対流圏まで到達するような強い対流圏界面の折れ込み現象の発生機構を数値実験に基づき理論考察した。南極大陸斜面の強い放射冷却が主要な要素であることが解明された。
高解像JAGUARを用いた再現実験を実施し、2019年2月に生じた成層圏突然昇温の前後に見られた極渦の変形・分裂にともなう大気重力波の分布や性質の変化に関して3次元可視化ならびにレイ・トレーシング解析を行った論文を発表し、プレスリリースを行った。
昨年度に完成させた3次元ラグランジュ流理論における定在波のストークスコレクションの理論的意味を確認し、これを基に成層圏大循環の浅い循環の3次元構造の解析を行った。

現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

定在波のストークスコレクションの分離方法について問題があることがわかったため、繰越を行ったが、問題が解決され整合的な解析を進めることができた。他の課題についても計画以上に順調に進展しており、論文も11編出版することができた。

今後の研究の推進方策

研究代表者がPIを務める、国際共同キャンペーン観測・データ同化システム開発および長期再解析データ創出・重力波解像大循環モデルによる再現実験からなる国際共同プロジェクトICSOM(Interhemispheric Coupling Study by Observations and Modelling)の論文を仕上げ出版する。ICSOMの国際共同観測を実施した7つの期間についての重力波解像大気大循環モデルを用いたシミュレーションを実施し、それを基に、北半球冬季成層圏突然昇温および極渦強化現象に伴う夏半球との結合における重力波の役割を定量的に解明する。また、データ同化により作成した20年近い長期再解析データを用いて解析を進め、南半球成層圏に起点を持つ南北両半球結合の理解を深める。超高解像モデルを用いた昭和基地上空の地形性重力波の再現実験を行い、これに伴い現れる非線形性の高い現象を明らかにしその力学を解明する。構築した3次元理論を用いて各種データを解析し、下部成層圏におけるラグランジュ流の3次元構造を明らかにする。

研究成果

• [雑誌論文] Kelvin‐Helmholtz Billows in the Troposphere and Lower Stratosphere Detected by the PANSY Radar at Syowa Station in the Antarctic (2023)
  • 著者名/発表者名: Minamihara Yuichi、Sato Kaoru、Tsutsumi Masaki
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 128 ページ: e2022JD036866
  • DOI: 10.1029/2022JD036866
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] 大型ゴム気球を使用した高高度ラジオゾンデ観測で捉えた高度30㎞以上の大気擾乱について (2023)
  • 著者名/発表者名: 木下 武也、荻野 慎也、鈴木 順子、城岡 竜一
  • 雑誌名: 月刊海洋 巻: 55 ページ: 158～171
  • DOI: 10.15083/0002007327
  • オープンアクセス
• [雑誌論文] LODEWAVE (Long-Duration Balloon Experiment of Gravity WAVE over Antarctica) (2023)
  • 著者名/発表者名: 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
  • 雑誌名: Journal of Evolving Space Activities 巻: 1 ページ: 14
  • DOI: 10.57350/jesa.14
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Gravity Wave Morphology During the 2018 Sudden Stratospheric Warming Simulated by a Whole Neutral Atmosphere General Circulation Model (2022)
  • 著者名/発表者名: Watanabe S.、Koshin D.、Noguchi S.、Sato K.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 ページ: e2022JD036718
  • DOI: 10.1029/2022JD036718
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Characteristics of the Intraseasonal Oscillation in the Equatorial Mesosphere and Lower Thermosphere Region Revealed by Satellite Observation and Global Analysis by the JAGUAR Data Assimilation System (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshin D.、Kohma M.、Sato K.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 ページ: e2022JD036816
  • DOI: 10.1029/2022JD036816
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reduced error and uncertainty in analysis and forecasting in the Southern Hemisphere through assimilation of <scp>PANSY</scp> radar observations from Syowa Station: A midlatitude extreme cyclone case (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato Kazutoshi、Inoue Jun、Yamazaki Akira、Tomikawa Yoshihiro、Sato Kaoru
  • 雑誌名: Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 巻: 148 ページ: 3115～3130
  • DOI: 10.1002/qj.4347
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Contribution of Gravity Waves to Universal Vertical Wavenumber (?<i>m</i>^?3) Spectra Revealed by a Gravity‐Wave‐Permitting General Circulation Model (2022)
  • 著者名/発表者名: Okui Haruka、Sato Kaoru、Watanabe Shingo
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 127 ページ: e2021JD036222
  • DOI: 10.1029/2021JD036222
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mesospheric ionization during substorm growth phase (2022)
  • 著者名/発表者名: Murase, K., R. Kataoka, T. Nishiyama, K. Nishimura, T. Hashimoto, Y. Tanaka, A. Kadokura, Y. Tomikawa, M. Tsutsumi, Y. Ogawa, H. Uchida, K. Sato 他15名
  • 雑誌名: Journal of Space Weather and Space Climate 巻: 12 ページ: 18
  • DOI: 10.1051/swsc/2022012
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Dynamical Analysis of Tropopause Folding Events in the Coastal Region of Antarctica (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohma Masashi、Mizukoshi Masatoshi、Sato Kaoru
  • 雑誌名: Journal of Climate 巻: 35 ページ: 4687～4700
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-21-0858.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Observed and Modeled Mountain Waves from the Surface to the Mesosphere near the Drake Passage (2022)
  • 著者名/発表者名: Kruse Christopher G.、Alexander M. Joan、Hoffmann Lars、van Niekerk Annelize、Polichtchouk Inna、Bacmeister Julio T.、Holt Laura、Plougonven Riwal、??cha Petr、Wright Corwin、Sato Kaoru、Shibuya Ryosuke、Gisinger Sonja、Ern Manfred、Meyer Catrin I.、Stein Olaf
  • 雑誌名: Journal of the Atmospheric Sciences 巻: 79 ページ: 909～932
  • DOI: 10.1175/JAS-D-21-0252.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [学会発表] 様々な大気波動に伴う物質輸送の診断方法の考察 (2023)
  • 著者名/発表者名: 木下武也，佐藤薫，高麗正史
  • 学会等名: 九州大学応用力学研究所共同利用研究集会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 奥井晴香，Corwin J. Wright，Neil P. Hindley，Emily J. Lear, 佐藤薫
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] 昭和基地上空で観測された地形性重力波の再現実験：対流圏・下部成層圏の重力波伝播・砕波 (2023)
  • 著者名/発表者名: 高麗正史，佐藤薫，David C. Fritts，Thomas C. Lund
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] PANSYレーダーで捉えた南極域における強い気圧の尾根に伴う大気重力波の力学特性の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 青石賢太，高麗正史，佐藤薫
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] 再解析データEMARSを用いた火星大気大循環力学の研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 阿隅杏珠，佐藤薫，高麗正史，林祥介
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] 冬季南半球成層圏昇温を起点とする南北両半球結合の解析 (2023)
  • 著者名/発表者名: 小新大，佐藤薫，高麗正史
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] 全中性大気を対象とする長期の再解析データを用いた数日周期ノーマルモードのクライマトロジーの研究 (2023)
  • 著者名/発表者名: 関戸大登，奥井晴香，佐藤薫
  • 学会等名: 2022年度PANSY研究集会
• [学会発表] Interhemispheric Coupling Study by Observations and Modelling (ICSOM) (2023)
  • 著者名/発表者名: Sato, K. et al.
  • 学会等名: QBO workshop
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 奥井晴香，佐藤薫
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度春季大会
• [学会発表] Toward New Vertical Wind Science from Global Circulation to Turbulence (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato, K.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
  • 国際学会
• [学会発表] Toward New Vertical Wind Science from Global Circulation to Turbulence (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato. K.
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
• [学会発表] Gravity waves and Rossby waves during the stratospheric sudden warming in the Southern Hemisphere in 2019 (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato, K., Y. Minamihara, and S. Watanabe
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 奥井晴香，佐藤薫，渡辺真吾
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
• [学会発表] Dynamical analysis of tropopause folding events in the coastal region of Antarctica (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohma, M., M. Mizukoshi, and K. Sato
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
  • 国際学会
• [学会発表] Application of deep learning to estimate atmospheric gravity wave parameters in reanalysis datasets (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka, D., S. Watanabe, K. Sato, S. Kawazoe, W. Yu and S. Easterbrook
  • 学会等名: 日本地球惑星科学連合2022年連合大会
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] 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)
  • 著者名/発表者名: 奥井晴香，佐藤薫，渡辺真吾
  • 学会等名: MTI研究集会
• [学会発表] PANSYレーダーで観測された南極対流圏/下部成層圏を貫く南風卓越時に見られる擾乱の力学的解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 青石賢太，高麗正史，佐藤薫
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] 3次元残差平均流の新理論と中上部成層圏におけるBrewer-Dobson 循環への適用 (2022)
  • 著者名/発表者名: 佐藤薫，木下武也，松下優樹，高麗正史
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] 南半球冬季成層圏昇温に伴う南北・上下結合の解析 (2022)
  • 著者名/発表者名: 小新大，佐藤薫，高麗正史
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] 再解析データEMARSを用いた火星大気大循環力学の研究 (2022)
  • 著者名/発表者名: 阿隅杏珠，佐藤薫，高麗正史，林祥介
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] 2018年2月成層圏突然昇温時の重力波の振る舞い <第2報> (2022)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 真吾，小新 大，野口 峻佑，佐藤 薫
  • 学会等名: 日本気象学会2022年度秋季大会
• [学会発表] Application of Deep Learning to Estimate Atmospheric Gravity Wave Parameters in Reanalysis Datasets (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsuoka, D., S. Watanabe, K. Sato, S. Kawazoe, W. Yu, and S. Easterbrook
  • 学会等名: 2022 SPARC Gravity Wave Symposium
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Contribution of gravity waves to the universal vertical wavenumber(m-3) spectra revealed by a gravity-wave permitting general circulation model (2022)
  • 著者名/発表者名: Okui, H., K. Sato, and S. Watanabe
  • 学会等名: EGU General Assembly 2022
  • 国際学会
• [学会発表] Turbulent Kinetic Energy Dissipation Rates Around the Polar Vortex in the UTLS Region in the Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohma, M., and K. Sato
  • 学会等名: AOGS 19th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Roles of Gravity Waves in Preconditioning of a Stratospheric Sudden Warming (2022)
  • 著者名/発表者名: Okui, H., K. Sato, and S. Watanabe
  • 学会等名: SPARC 2022 General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Estimation of turbulent energy dissipation rates by a VHF radar in the Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohma, M., K. Sato, K. Nishimura, and M. Tsutsumi
  • 学会等名: SPARC 2022 General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Characteristics of the intraseasonal oscillation in the equatorial mesosphere and lower thermosphere region revealed by satellite observation and global analysis by the JAGUAR data assimilation system (2022)
  • 著者名/発表者名: Koshin, D., M. Kohma, and K. Sato
  • 学会等名: SPARC 2022 General Assembly
  • 国際学会
• [学会発表] Seasonarity of turbulent energy dissipation rates over Syowa Station, Antarctic (2022)
  • 著者名/発表者名: Kohma, M., and K. Sato
  • 学会等名: The 13th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] Global Atmospheric System Probed by Close Observations of Antarctic Atmosphere (2022)
  • 著者名/発表者名: Sato, K., M. Tsutsumi, T. Nakamura, T. Sato, A. Saito, Y. Tomikawa, K. Nishimura, M. Kohma, T. Hashimoto, M. K. Ejiri, T. T. Tsuda, T. Nishiyama, M. Abo, T. D. Kawahara, A. Mizuno, T. Nagahama, H. Suzuki, R. Kataoka and Y. Tanaka
  • 学会等名: The 13th Symposium on Polar Science
  • 国際学会
• [学会発表] On the disturbance activity above 30 km altitude around Western Pacific captured byradiosonde observations with large balloons (2022)
  • 著者名/発表者名: Kinoshita, T., S.-Y. Ogino, J. Suzuki, and R. Shirooka
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2022
  • 国際学会