2021 Fiscal Year Annual Research Report
Study of the mechanism of interhemispheric coupling in the middle atmosphere using a high-resolution general circulation model
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21J20798
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
奥井 晴香 東京大学, 理学系研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2021-04-28 – 2024-03-31
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| Keywords | 中層大気 / 大気力学 / 大気重力波 / 成層圏突然昇温 / 大気大循環モデル / プラネタリー波 / スペクトル解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高解像度ハイトップ大気大循環モデルを用いて、特に大気重力波（以下、重力波）の役割に注目しながら中層大気の力学変動および遠隔結合過程の解析を行っている。中層大気では、大気波動による運動量の再分配によって放射で決まる構造とは大きく異なる循環・温度場が形成・維持されている。重力波は特に中間圏の循環の駆動において中心的な役割を果たす。しかし、時空間スケールが小さい波であるため、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ている。重力波そのものを解析できる全球一様なデータセットは非常に少なく、このために重力波の中層大気力学における役割には未解明な点が多くある。
本研究で用いるJapanese Atmospheric General Circulation Model for Upper Atmosphere Research（JAGUAR）は、重力波を陽に扱う全球モデルで、地表から下部熱圏までの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。このモデルをデータ同化システムJAGUAR-DAS（Koshin et al., 2020, 2022）で作成された再解析データで初期値化し、北半球冬季の再現実験を実施した。この結果を、近年発表された3次元残差循環の理論（e.g., Kinoshita et al., 2019）なども用いながら解析している。
当該年度には、成層圏突然昇温に対する冬季成層圏・中間圏の応答メカニズムを調べ、重力波によるプラネタリー波の発生が上部中間圏の昇温をもたらすことを示し、論文として発表した（Okui et al., 2021）。また、重力波の鉛直波数スペクトルを全球で調べ、レーダー・衛星観測との整合性を確認するとともに、東西風ジェット下部の鉛直シアーが重力波の飽和に与える影響を明らかにした。
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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
論文1篇の出版（Okui et al., 2021）と学会発表を予定通り実施した。当該年度に計画していた研究の進捗については以下の通りである。
①スペクトル解析による重力波の特徴の全球分布の調査：モデルはレーダーおよびラジオゾンデ観測で確認されている鉛直波数スペクトルの特徴をよく再現していることが分かった。波長および運動量フラックスの分布が衛星観測で調べられたものと整合的であることも確認した。加えて、中層大気のジェット下部の強い鉛直シアーが重力波の鉛直波数スペクトルを急峻にし、重力波の飽和を抑制することが示された。本結果は当該年度に学会発表を行ったほか、論文としてまとめ、翌2022年度に出版された（Okui et al., 2022）。
②成層圏突然昇温に対する夏半球の応答：JAGUAR-DAS再解析データを用いた気候値からの偏差の解析を行った。その結果、夏半球の応答には大きな事例依存性があることが分かった。そのため、南北半球間の結合過程について統一的なメカニズムを提案するには至らなかった。これについては、当該年度に実験の計画・準備を進めた複数年の高解像度再現実験結果を用いて、次年度以降事例解析を積み重ね、事例間の違いを含めてメカニズムを明らかにすることを目指す。
以上のように、研究を進めるなかで明らかになった現象の性質による軽微な計画変更はあるものの、おおむね順調に進展している。
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| Strategy for Future Research Activity |
現在実験が完了している6年分を含め、国際観測・モデリングプロジェクトInterhemispheric Coupling Study by Observations and Modelling（ICSOM; Sato et al., 2023）の対象期間にあたる7年分の高解像度大気大循環モデルJAGUARを用いた北半球冬季の再現実験を実施し、結果を解析する。特に夏の南半球の変動について、重力波の役割やプラネタリー波や潮汐波などほかの波との相互作用に注目した解析を行う。
また、2022年度に英国・Bath大学に滞在して実施したモデル内重力波の衛星観測との定量的比較の研究について論文を出版する（Okui et al., submitted to JGR）。また、同じく2022年度に行った、成層圏突然昇温前に成層圏および中間圏で極渦が突然昇温の起こりやすい構造に調節される現象（preconditioning）に対する重力波の寄与を調べた研究成果を論文として発表する。
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