熱帯域における

成層圏-対流圏力学結合過程

余田 成男

（京都大学大学院理学研究科）

第３７０回生存圏シンポジウム 津田敏隆先生紫綬褒章受章記念シンポジウム「先進リモートセンシングが拓く大気科学」2018年3月11日 於 京都大学 宇治おうばくプラザ

１．はじめに

２０１７年秋の褒章「紫綬褒章」受章津田敏隆 京都大学名誉教授

大気物理学研究功績

受章理由

大気物理学の分野において、電波・光を利用した各種の大気計測装置 （レーダー、ＲＡＳＳ、ライダー等） を開発し、国内およびインドネシア等で先駆的なフィールド観測を成し遂げ、大気波動による大気大循環の駆動に関する研究で多大な成果を上げるとともに、斬新なＧＰＳ電波掩蔽データを用いて大気重力波および電離層擾乱の全球分布を世界で初めて明らかにするなど、顕著な功績を上げた。

http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/emu/

マスタープラン２０１４・２０１７重点大型研究計画/文科省ロードマップ２０１４

http://www.rish.kyoto-u.ac.jp/emu/index.html

赤道ＭＵレーダーが挑戦する新たなサイエンス

２．熱帯域における成層圏-対流圏力学結合過程

2012-16年度科学研究費 基盤研究（Ｓ）「成層圏-対流圏結合系における極端気象変動の現在・過去・未来」

2017-19年度科学研究費 基盤研究（Ａ）「熱帯域における成層圏-対流圏力学結合過程」

成層圏熱帯域ＱＢＯを中心とした成層圏-対流圏結合過程の模式図（Haynes, 2016; 私信を元に和訳）

熱帯域における

成層圏-対流圏力学結合過程

余田 成男

（京都大学大学院理学研究科）

１．はじめに — 学術的背景

熱帯域の気象変動

気象衛星画像

赤外線画像（IR)2004年12月10～14日

温帯域

低気圧、前線、・・・

渦位（ＰＶ）保存則と平衡力学「準地衡風平衡」

熱帯域

台風、スーパークラウドクラスター

積雲対流の組織化

2017-19年度科学研究費 基盤研究（Ａ） 「熱帯域における成層圏-対流圏力学結合過程」

成層圏熱帯域ＱＢＯを中心とした成層圏-対流圏結合過程の模式図

Haynes (2016; 私信)を元に和訳、内容追加

ルート1 :Holton-Tan 関係＋ 北極域環状変動

ルート2 :上下結合

ルート3 :亜熱帯ジェットを介した結合

ルート１: Holton-Tan 関係 ＋ 北極域環状変動

Holton and Tan (1980, JAS ; 1982, JMSJ )成層圏熱帯域準二年周期変動（ＱＢＯ）の遠隔影響

低高

高

成層圏熱帯域東西風のＱＢＯ

https://acd-ext.gsfc.nasa.gov/Data_services/met/qbo/qbo.html

[西風ＱＢＯ期] － [東風ＱＢＯ期]

10hPaジオポテンシャル高度差（１月～３月）

ルート１: Holton-Tan 関係 ＋ 北極域環状変動

Naito and Yoden (2005, SOLA )[西風QBO期] － [東風QBO期] １２・１・２月 差の統計的有意性

１

３

（＋ルート３）

温度

東西風

ルート２： 熱帯域上下結合

成層圏ＱＢＯと熱帯域湿潤対流の統計的関係：東風ＱＢＯ期 より活発で背の高い対流Collimore, et al. (1998, GRL), Huesmann & Hitchman (2001, JGR )Collimore, et al. (2003, J. Clim.)Claud and Terray (2007, J. Clim.), Huang et al. (2012, Clim.Dyn.)Hu et al. (2012, J.Clim.), Liess and Geller (2012, JGR )

成層圏ＱＢＯの熱帯低気圧への影響：西風ＱＢＯ期 より活発Gray (1984, MWR )Camargo and Sobel (2010, J. Clim.) 相関の１０年規模変動

Whitney and Hobgood (1997, J.Clim.) Ho et al. (2009, GRL), Fadnavis et al. (2013, Int.J.Clim.)

成層圏ＱＢＯのMadden Julian Oscillation (ＭＪＯ)への影響：東風ＱＢＯ期 より活発 （北半球冬季）Yoo and Son (2016, GRL), Son et al. (2017, J.Clim.) Nishimoto and Yoden (2017, JAS )

for neutral ENSO years

東風QBO期 中立QBO期 西風QBO期

Nishimoto and Yoden (2017, JAS )外向き長波放射量（ＯＬＲ）偏差のＭＪＯコンポジット・ホフメラー図 １２・１・２月

＠赤道帯

２．ＳＰＡＲＣ ＳＡＴＩＯ－ＴＣＳ

World Climate Research Programme (WCRP)Stratosphere-Troposphere Processes and their Role in Climate(SPARC)

New activity starting in October 2016 :“SATIO-TCS” Stratospheric And Tropospheric Influences On

Tropical Convective SystemsActivity leaders:Marvin A. Geller (Stony Brook U., USA)Peter H. Haynes (U. Cambridge, UK)Shigeo Yoden (Kyoto U., Japan)

http://www.sparc-climate.org/activities/emerging-activities/#c1880

International Workshop onStratosphere-Troposphere Dynamical Couplingin the Tropics

– 2015年10月22-24日、京大・理 セミナーハウス

– 7か国から18人の研究者； 企画立案会議

Tsuda et al. (2000, JGR ) A Global Morphology of Gravity Wave Activity in the Stratosphere Revealed by the GPS Occultation Data (GPS/MET)GPS/MET experiment data (April 1995–February 1997; 4500 profiles) global distribution of potential energy by atmospheric gravity waves

during Northern Hemisphere winter (November–February)

Joint SPARC Dynamics & Observations WorkshopQBOi, FISAPS & SATIO-TCS

October 9 (Mon) – 14 (Sat), 2017Kyoto University, Kyoto, Japan

http://www-mete.kugi.kyoto-u.ac.jp/SPARCjws2017/index.html

於 京都大学 益川ホール

１３か国から７４名の参加

５９ 口頭発表１８ ポスター

moist convection

diurnal variations

tropical cyclone MJO monsoon ENSO climate

change

multi-scale interactions of moist convection in the troposphere

diurnal cycle forcing

seasonal cycle forcing

Stratospheric influence on multi-scale interactions of moist convection in the tropical troposphere

societal impacts

gusty windflash flood flood drought bio-

diversityeconomical

activities

solar energyinput

SSW

cooling trendsubtropical jet variations ?

solar cycle

QBOInfluence ofstratospheric

variationsseasonal

cycle

３．ＱＢＯ的振動に関する理想化数値実験

最近、私のグループでやっている研究：２次元最簡略化モデルを用いた成層圏-対流圏結合系での湿潤対流の組織化、ＱＢＯ的変動と同期した自己変調

Yoden, S., H.-H. Bui, and E. Nishimoto (2014, SOLA)Nishimoto, E., S. Yoden, and H.-H. Bui (2016, J. Atmos. Sci.)Bui, H.-H., E. Nishimoto, and S. Yoden (2017, J. Atmos. Sci.)

Advanced Research Weather Research and Forecasting (ARW) v.3.4640 km, Nx=128, ∆x=5 km

Initial warm bubble 3 km

60 km

3 K

SST=27oC

Reyleigh damping layer5 km

Initial condition: u(x,z,t=0) = 5m/sT(x,z,t=0) = T(z)_climatologyq(x,z,t=0) = q(z)_climatology

Periodic boundary condition in x (con

trol

cas

e) 4

0 km

, 200

leve

ls

Ztop

c.f., Held et al. (1993)２次元湿潤対流の放射対流平衡

太陽放射の日変化・季節変化なし

コリオリ効果なし

成層圏-対流圏をつなぐＱＢＯ的振動

振動状態の出現自体は、モデル・実験設定にあまり依存しない

対流圏にも顕著な周期的変動

周期、振幅分布は、モデル・実験設定に依存する

Yoden, S., H.-H. Bui, and E. Nishimoto (2014, SOLA)

ＱＢＯ的変動と同期した湿潤対流の強弱

帯状平均量

東西風

温度偏差

氷雲

水雲

降水量

１周期

ＱＢＯ的変動の位相に依存した湿潤対流・降水パターン

５分間降水量のホフメラー図（２日間）

帯状平均東西風 U(z) （２日間毎の平均）

dU(z)/dzが地表付近で大のとき SL型 ～ 多雨

day 304-305 322-323 340-341 358-359 378-379

BB SL BB BB SL x

tim

e ~3m/s

~-6m/s~-10m/s

~-4m/s ~7m/s

~-4m/s

~7m/s

~8m/s

バックビルディング型（BB） スコールライン型（SL）

z

2km switching

どのようにして成層圏-対流圏をつなぐＱＢＯ的振動が起きているかNishimoto, E., S. Yoden, and H.-H. Bui (2016, J. Atmos. Sci.)

対流圏では、上方伝播重力波、 下方伝播重力波、 傾いた湿潤対流

が水平運動量の鉛直輸送を担う

帯状平均東西風 U(z,t) に依存した運動量フラックス

帯状平均東西風と相互作用： フラックスの収束による平均流加速

ＱＢＯ的振動を励起・維持

多降水量（＞99%）の降水システムの鉛直断面コンポジット図

どのような要素が成層圏-対流圏をつなぐＱＢＯ的振動を支配しているかBui, H.-H., E. Nishimoto, and S. Yoden (2017, J. Atmos. Sci.)仮想強制実験：下端境界付近で帯状平均東西風のみナッジング

パラメータ走査実験：上端高度依存性

…

Z1Z2

• Control: no nudging • Nudge -1_2

(Z1=-1km, Z2= 2km)• ::::::::• Nudge 13_16

(Z1=11km, Z2= 14km)

もうひとつ別の階層のモデルを用いた理想化数値実験：全球 ３次元 海洋惑星 モデル

ＱＢＯ的振動Horinouchi, T., and S. Yoden (1998, J. Atmos. Sci.)Daikai, S., S. Noda, and S. Yoden (2018, SOLA to be subm’d)

帯状平均東西風U(z,t) 海面温度分布に敏感に依存

海面温度分布(c.f. Neale and Hoskins, 2000)

HY(1998)

熱帯域における多階層連結変動

現象の空間的時間的な階層性

地球の大きさ

1m 1km 1000km

Houze(200X)

Tsuda(2009)

４．おわりに — 幅広い波及効果

数値予報モデルの分解能

計算機資源は有限

地球の大きさ

1m 1km 1000km

領域天気予報モデル

全球気候モデル

パラメタリゼーション：

モデルで分解できない現象の影響を取り込む

全球天気予報モデル

数値予報モデルの分解能

計算機資源は有限

地球の大きさ

1m 1km 1000km

全球気候モデル

全球天気予報モデル

数値天気予報が外れる訳 ①

モデルが不完全

気候モデルによる将来予測の不確実性の重要要因

これらのパラメタリゼーションが現実大気を正しく表現していない

多階層の連結変動がよく理解できていない

2828Tsuda(2009)

３．国際プロジェクトの年月

2003-07年度 京都大学21世紀COEプログラム「活地球圏の変動解明」（KAGI21）

2007-09年度 科学技術振興調整費「東南アジア地域の気象災害軽減国際共同研究」

2009-13年度 グローバルCOEプログラム「極端気象と適応社会の生存科学」

2011-17年度 博士課程教育リーディングプログラム「グローバル生存大学院連携プログラム」

2015-17年度 日本学術振興会 研究拠点形成事業「海洋大陸における気候変動下の極端気象に関する国際共同研究」

2018-20年度 日本学術振興会 インドネシアとの共同研究「海洋大陸における気候変動下の極端気象に関する基礎学術研究とその社会的応用」

2016年10月- WCRP/SPARC activity SATIO-TCS

京都大学 大学院理学研究科地球惑星科学専攻

地球熱学研究施設

地磁気世界資料解析センター

生存圏研究所

防災研究所

拠点リーダー： 余田 成男

文部科学省 ２１世紀ＣＯＥプログラム

申請分野： 数学、物理学、地球科学２００３－７年度

活地球圏の変動解明：アジア･オセアニアから世界への発信

Kyoto Univ. Active Geosphere Investigations(KAGI 21)

『 水 ･ 熱フロー 』

活地球圏における物質とエネルギーの循環過程の鍵

プログラムを貫く科学的テーマ

研究班の構成 総括班

重点科学事業Ｊ１‐Ｊ３ と共通基盤事業Ｋ１‐Ｋ２を統括

国際シンポジウム ・ 国際教育プログラムの実施

J1： 宙-空-海-陸系

における水･ 熱フロー

J2： リソスフェア

における水･ 熱フロー

J3： 固体圏-流体圏変動

の時間カップリング

Ｋ２:

情報統合化と

数値モデリング

Ｋ1:

先端計測法開発と

海外研究教育拠点

『 水 ･ 熱フロー 』

活地球圏における物質とエネルギーの循環過程の鍵

プログラムを貫く科学的テーマ

研究班の構成 総括班

重点科学事業Ｊ１‐Ｊ３ と共通基盤事業Ｋ１‐Ｋ２を統括

国際シンポジウム ・ 国際教育プログラムの実施

J1： 宙-空-海-陸系

における水･ 熱フロー

J2： リソスフェア

における水･ 熱フロー

J3： 固体圏-流体圏変動

の時間カップリング

J1： 宙-空-海-陸系

における水･ 熱フロー

Ｋ1:

先端計測法開発と

海外研究教育拠点

Ｋ２:

情報統合化と

数値モデリング

インドネシアを中核とした国際協同観測網 赤道共役点観測信楽ＭＵ観測所アデレイド大（豪）

電離層分反射（MF)レーダー 、日豪イ共同ポンチアナ（西カリマンタン）(1995～、2002更新）

赤道大気レーダーを中心に総合観測所（西スマトラ、2002～)

★

★

★

流星レーダージャカルタ(1992～)

赤道太平洋帯観測インド、豪、ハワイ、南米クリスマス島、ガラパゴス

サブテーマ１GPS掩蔽法を用いた地球大気圏モニター技術開発

① 航空機からのダウンルッキングGPS掩蔽観測技術の開発

② LEO衛星によるGPS掩蔽観測の国際共同研究の推進

③ GPS掩蔽観測データの解析とデータ同化システムの開発

サブテーマ２衛星重力ミッションの基礎技術開発

① 衛星の軌道決定精度向上のための基礎技術開発

② 衛星間測位の高精度化に関する基礎技術開発

③ 衛星搭載型高感度加速度計の開発

④ 将来の衛星観測ミッションに関する技術評価と物理設計

衛星観測

Inaugurated in June 2001 Location: Koto Tabang, West Sumatra, Indonesia (0.20S, 100.32E) Antenna field (110m in diameter), 100 kW x 560 Yagi antennas

Equatorial Atmosphere Radar (EAR)

August 23, 2003

ＫＡＧＩ２１活動の写真より

KAGI21 International Summer/Spring Schools (ISSs) 2004~07: ITB Bandung, 2 週間ｘ４回

2009, 11, 13, 15, 18: 琵琶湖畔研修施設・京大, ~10日間ｘ５回

総計 ２２ か国から ３０６ 人の院生・若手研究者

July 11-26, 2004; 50 participants from 13 countries

July 22, 2004

KAGI21 International Summer/Spring Schools (ISSs) 2004~07 @ITB; 2009,11,13,15,18 @KU, Lake Biwa In total, 306 students from 22 countries

poster sessioncomputer exercise LAPAN

classroomTangkuban Parahu volcano

京都大学－オクラホマ大学シンポジウム２００９，１３，１７： 於 京大

２０１１，１５： 於 オクラホマ大学

42Tsuda(2009)

津田様：紫綬褒章受章おめでとうございます。これからもよろしくお願い致します。

皆様：ご清聴ありがとうございました。