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[AAS09-04] 海陸風循環起源双方向重力波による赤道成層圏準二年周期振動(QBO)頑健化: 1. 気象庁客観再解析(JRA-55)データの全赤道域解析
キーワード：準二年周期振動、日周期海陸風循環、気象庁55年長期客観再解析
赤道域下部成層圏で顕著な準二年周期振動（QBO）は波動平均流相互作用理論で基本的に説明されるが，その周期や緯度・高度範囲に見られる頑健性から示唆されるほぼ等振幅な東西双方向の波動の励起機構についてはまだ解明されていない[1]．近年の観測から赤道近傍の地上，特に海岸最長のインドネシア海大陸（IMC）では沿岸日周期（CDC）が最も卓越し[2]，これに伴う海陸風循環は上下伝播内部重力波の重畳で，その水平位相速度は海陸両方向かつ東西両岸で逆向きである（次講演[3]参照）．このCDCは，観測値や前提条件を与えなければ大循環モデルでなかなか正確に再現できないこともQBOと共通している．CDCは洋上の季節内変動（や亜熱帯の台風）と並ぶ（むしろより有力な）熱帯対流雲生成機構であり，またCDCを決める海陸間温度差は海水面変動や陸面状態で変わるので，CDCとQBOとが関係付けられれば，これまで指摘されてきたQBOとエルニーニョ南方振動（ENSO）や地球温暖化との相関も一挙に説明できる．
本研究では，気象庁55年長期客観再解析（JRA-55）[4]の40年分（1981～2020）のデータから赤道域全域の日周期海陸風循環を抽出し，その東西・鉛直成分から東西運動量束発散（鉛直勾配）を算出し，東西平均東西流と比較する．JRA-55のデータ間隔は緯経度1.25°，地上および37等圧面（1000～1 hPa），6時間（00, 06, 12, 18 UTC）で，日周期重力波成分抽出はかなり際どいが，海大陸上の限られた地点・期間ではあるが毎3時間GPSゾンデ観測等と比較し，多少の振幅の目減りや位相のずれはあるもののかなり正しく反映されていることを確認した（後述のように計算時刻が各海岸域の日出没に近いことが幸いしているかもしれない）．各日4回の平均値からの偏差として求めた水平風速日周期成分とその水平発散（負なら直上に上昇流）の全期間平均は，主に海岸域の日周期海陸風循環つまりCDC重力波であることが一目瞭然である（図1a下）．
上記に経度30°のハイパスフィルタ（Kawatani et al.[4]の分類による内部重力波と同じ）をかけて全球的な潮汐波（[3]参照）を取り除き，CDCを含む局地的成分だけを抽出した．この成分に伴う東西運動量鉛直束を，p座標とω速度偏差を各等圧面の全期間東西平均温度から対数気圧座標の高度と鉛直速度に換算し，水平風速東西成分偏差との積を求めて日平均してから東西平均したものに，各等圧面の全期間東西平均密度を掛けて求めた．結果は対流圏内の海岸域に集中し（長期間平均でもはっきり出るので毎日決まった時刻に同じものが出ることを示す），特に島嶼域で海岸の多い海大陸で顕著で（図1a上）, また海向き（日出時の西岸で西向き，東岸で東向き）の波が陸向きよりも強い傾向がある．なお海岸と直交するCDC重力波の水平伝播方向は様々であるが，これらおよびQBOで重要な東西成分は地理的に固定されている．しかし長期間平均すると成層圏内ではQBOの位相で選別される双方向成分が相殺し（後述の平均東西風も同様で）何も見えなくなってしまう．
一方，東西平均東西風速の高度時間分布に現れたQBOは他の直接観測等とよく一致し，上端の半年風速変動も含めJRA-55の成層圏研究への有用性を示す（図1b左）．「カレンダーロック」現象に対応して1985～87, 91～92, 99～2001, 03～04，08～10年の下端西風期間は他よりやや長いことまで含めて， QBOとCDC東西運動量鉛直束（理論的にはシアと同方向な波のみ吸収されて鉛直方向に減少する; [3]参照）の東西平均は極めてよい相関がある．2016年頃（と今回期間外の2020年頃）のQBO「崩壊」[5]の際はCDCの様相も他期間と異なるが，QBOコンポジット（年周期とQBOの最小公倍数の約5年弱）では「崩壊」の有無で（また適当な20年間だけでも）結果は殆ど変わらず，QBOやCDC重力波が極めて頑健であることが確認できる（図1b右）．CDC重力波運動量束発散はQBO東西加速度の約3割で，Kawatani et al.[4]が数値シミュレーションで得た内部重力波の貢献の過半に相当する．
引用文献
[1] Baldwin et al., 2002: Rev. Geophys., 39, 179–229. なお最近新たな総合報告が数件出ている．
[2] Yamanaka et al., 2018: Prog. Earth Planet. Sci., 5, 21.
[3] 山中・荻野, 2023: （当学会の次の講演）.
[4] Kawatani et al., 2010: J. Atmos. Sci., 67, 963–980,
[5] Osprey et al., 2016: Science, 353, 1424–1427 など
本研究では，気象庁55年長期客観再解析（JRA-55）[4]の40年分（1981～2020）のデータから赤道域全域の日周期海陸風循環を抽出し，その東西・鉛直成分から東西運動量束発散（鉛直勾配）を算出し，東西平均東西流と比較する．JRA-55のデータ間隔は緯経度1.25°，地上および37等圧面（1000～1 hPa），6時間（00, 06, 12, 18 UTC）で，日周期重力波成分抽出はかなり際どいが，海大陸上の限られた地点・期間ではあるが毎3時間GPSゾンデ観測等と比較し，多少の振幅の目減りや位相のずれはあるもののかなり正しく反映されていることを確認した（後述のように計算時刻が各海岸域の日出没に近いことが幸いしているかもしれない）．各日4回の平均値からの偏差として求めた水平風速日周期成分とその水平発散（負なら直上に上昇流）の全期間平均は，主に海岸域の日周期海陸風循環つまりCDC重力波であることが一目瞭然である（図1a下）．
上記に経度30°のハイパスフィルタ（Kawatani et al.[4]の分類による内部重力波と同じ）をかけて全球的な潮汐波（[3]参照）を取り除き，CDCを含む局地的成分だけを抽出した．この成分に伴う東西運動量鉛直束を，p座標とω速度偏差を各等圧面の全期間東西平均温度から対数気圧座標の高度と鉛直速度に換算し，水平風速東西成分偏差との積を求めて日平均してから東西平均したものに，各等圧面の全期間東西平均密度を掛けて求めた．結果は対流圏内の海岸域に集中し（長期間平均でもはっきり出るので毎日決まった時刻に同じものが出ることを示す），特に島嶼域で海岸の多い海大陸で顕著で（図1a上）, また海向き（日出時の西岸で西向き，東岸で東向き）の波が陸向きよりも強い傾向がある．なお海岸と直交するCDC重力波の水平伝播方向は様々であるが，これらおよびQBOで重要な東西成分は地理的に固定されている．しかし長期間平均すると成層圏内ではQBOの位相で選別される双方向成分が相殺し（後述の平均東西風も同様で）何も見えなくなってしまう．
一方，東西平均東西風速の高度時間分布に現れたQBOは他の直接観測等とよく一致し，上端の半年風速変動も含めJRA-55の成層圏研究への有用性を示す（図1b左）．「カレンダーロック」現象に対応して1985～87, 91～92, 99～2001, 03～04，08～10年の下端西風期間は他よりやや長いことまで含めて， QBOとCDC東西運動量鉛直束（理論的にはシアと同方向な波のみ吸収されて鉛直方向に減少する; [3]参照）の東西平均は極めてよい相関がある．2016年頃（と今回期間外の2020年頃）のQBO「崩壊」[5]の際はCDCの様相も他期間と異なるが，QBOコンポジット（年周期とQBOの最小公倍数の約5年弱）では「崩壊」の有無で（また適当な20年間だけでも）結果は殆ど変わらず，QBOやCDC重力波が極めて頑健であることが確認できる（図1b右）．CDC重力波運動量束発散はQBO東西加速度の約3割で，Kawatani et al.[4]が数値シミュレーションで得た内部重力波の貢献の過半に相当する．
引用文献
[1] Baldwin et al., 2002: Rev. Geophys., 39, 179–229. なお最近新たな総合報告が数件出ている．
[2] Yamanaka et al., 2018: Prog. Earth Planet. Sci., 5, 21.
[3] 山中・荻野, 2023: （当学会の次の講演）.
[4] Kawatani et al., 2010: J. Atmos. Sci., 67, 963–980,
[5] Osprey et al., 2016: Science, 353, 1424–1427 など