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A Tutorial on the Stratospheric Dynamics
余田 成男(京大・理)
2004 年 9 月 14 日
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講演資料: [pdf], [ps]
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タイトルぺージ
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教科書, など
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大気の進化
- N2 はおそらく有機物からの寄与が大きかったと考えられる
- C, N はおそらく CO, NH3 のような形で最初脱ガスしたと考えられる
- 水に溶けた CO2 は水中の岩石に固着(炭酸塩)する.
その結果 CO2 は海洋に溶け続ける.
CO2 の溶解度はそこそこなので, CO2 濃度が上がり過ぎると溶けられなくなる.
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酸素,オゾンの進化と地球上の生命
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標準的な大気中の化学成分濃度の鉛直分布
- Ar, O2 のように寿命の長い化学種は混合比一定
--> よく混合している
- 80 km くらいまでを指して turbosphre という
- 絵は global mean なのか? 昔は中緯度の平均を引くことが多かったが....
参考文献を見ないと良くわからない
- Ar の混合比が少なくなるのは, 光解離するからではなく, 重力分離するため.
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オゾン層の役割
- オゾンによる紫外線吸収によって鉛直温度が決まる
- オゾンがなければ成層圏がなかっただろう
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対流圏,成層圏の遷移領域
- ここが圏界面というようにきっぱりと切れるものではない
- 絵では温度と物質では対流圏界面の高度が異なる
- 「遷移領域」という言い方を使う
--> 強い積乱雲が成層圏まで貫入するというイメージは崩壊した
- 「遷移領域」の「ニョロニョロ」は何を意味しているのか?
--> 速い水平輸送を意味する
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気候学的季節変動 (子午面平均温度場)
- 子午面断面図
- ハッチの領域は 210 Kよりも温度の低い領域
- 白夜の極が高温となる
- 北極の冬と南極の冬では 20 km 高度の温度が約 20 K 異なる
--> 放射では説明できない. 力学的な影響
- 赤道の温度は 1 年周期. 太陽が 2 回頭の上を通過するのに
--> 放射では説明できない. 力学的な影響
北半球は陸が多く, 南半球は海洋
ロスビー波の励起元
本日は最終的には上記の原因を語る
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気候学的季節変動 (子午面平均東西風)
- polar night jet (90 m/s). オゾンホールの原因
- 対流圏界面がつながっていない理由はよくわからない. 定義の問題?
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極渦とプラネタリー波: ロスビー波の復習
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ロスビー波とは
- ポテンシャル渦度の保存則によって支配される波
- 流れマルチメディアを見るのが簡単. 回転が波の運動を拘束
http://www.nagare.or.jp/mm/99/ishioka/
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ロスビー波の伝搬
- 基本場: ポテンシャル渦度が単調増加
- 擾乱: 南北方向の波型の擾乱
- 擾乱は西進する
- 成層圏の描像は。。。。
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極渦とプラネタリー波: プラネタリー波の復習
- 波数 1, 2 の波を超長波と呼んでいた(現在は使わない)
- Charney and Drazin (1961): 成層圏的な見方
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ジオポテンシャルハイトの季節平均
- 波形で鉛直方向に伝わりうるのは, U-Cp > 0
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極渦とプラネタリー波: 波と平均流の相互作用
- 60s-70s: 波と平均流の相互作用
- ほとんどが線形, 弱非線型解析
- 渦 --> 波数 1, 2 の波 --> 渦
- 80s: 砕波は波数 1, 2, 3 では記述できない.
- McIntyre が 70 年代後半には「波」, 80 年代に「渦」と言い出す. 混乱が生じたこともあった.
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より非線形な状況: 砕波するプラネタリー波
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サーフゾーンにおけるプラネタリー波の混合
- ラグランジュ粒子をまいて計算. 30 日後のスナップ
- 良く混ざると PV は一様化. 混合域の端は PV の勾配がきつくなり粒子が混ざれなくなる.
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中緯度ベータ面準地衡流方程式系 (1)
- これからの話は参考資料を参照
- 平均場は地衝流平衡, 静水圧平衡
- 座標は対数圧力座標を用いる
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中緯度ベータ面準地衡流方程式系 (2)
- 擾乱は小さいものとして式を作る
- 時間微分は地衝流で
- この段階で QG 世界は閉じる --> これを基に平均場と擾乱に分ける
- 変形することでポテンシャル渦度の式(QG-PV)
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中緯度ベータ面準地衡流方程式系 (3)
- QG-PV の式を書き直したもの
- 1960s の天気予報モデルの基礎
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オイラー平均方程式系 (1)
- 平均の作り方: 360 度平均
- 地衝流: 平均されたもの
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オイラー平均方程式系 (2)
- フラックスの収束で運動が励起
- 温度と風は独立に変化できない.
- 60s--70s はこのシステムでものを見ることが主流であった
- オイラー平均で行うと, 冬の成層圏で大きな逆循環が生じる.
直観的と反する
- u_a は y-運動方程式から解析的に求める
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オイラー平均方程式系 (3)
- 波成分で見た場合
- 波を記述
- 右辺に 2 次の項をまとめてある
- 式を閉じるためには 2 次の擾乱項を決める機構が必要 --> Closure
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オイラー平均方程式系 (4)
- dq/dy を実効的ベータと呼ぶ
- PV の勾配があることがロスビー波の成因
- βが滑らかでも右辺第 2, 3 項によって
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変形オイラー平均方程式系 (1)
- 速度の定義を変更して方程式系を書き換える
- おつりが見掛け上なくなる
- 連続の式 = 0 の形式を取れる
- 運動方程式で波を生成する項が divF で書き表せる
- Charney-Drazin の非加速定理(波があるだけでは加速しない)は便利.
それを最大限活用したい.
見通しの良い式を作る. curl を付け足しても良い
- ラグランジュ的見方(GLM)とも対応関係にある.
ある条件(v^† w^† が等しい)だとラグランジュ的速度とみなせる.
--> TEM がラグランジュ的見方に使われる理由
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変形オイラー平均方程式系 (2)
- E-P フラックス
- さらに変形することで残差循環を 1 本の式で表現できる
- 上昇下降が対等ではなく, 下降流が強い: ダウンワードコントロール
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線形化した準地平流近似による波の力学
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例:成層圏突然昇温
- 物事の理解に TEM を利用している
- dA/dt > 0 (観測)
--> divF < 0 (wave activity の式)
--> dU/dt < 0 (運動方程式)
--> V > 0 (運動方程式)
--> 循環が生じる(連続の式)
--> 下向きの循環が強い: ダウンワードコントロール
- 非線形項は落としても良いくらい小さいのかは疑問がある
- QG な世界なら大振幅の式自体は問題なく変形できる
- 非加速定理を証明するならば小振幅でなければならない
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平均子午面循環に励起される波
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気候学的季節変動 (E-P フラックスとその発散)
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気候学的季節変動 (残差平均子午面循環)
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気候学的季節変動 (メタン混合比の子午面断面)
- 勾配を見ると, 勾配がきつくなり, 緩やかになり, またきつくなる
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気候学的季節変動 (子午面平均温度場)
- 南北の温度差は, 下降流の強弱で理解している
- そもそもは divF の違い
- 波のアクティビティが北半球と南半球では異なる
- 上に向かう波の活動度の原因は
- ストームトラックの偏在
- 山岳の有無
- ストームトラックの偏在
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平均子午面循環の模式図
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気候学的季節変動 (各物理量の子午面平均緯度時間断面)
- planetaly 波の活動度が南極, 北極で異なる
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速い輸送と遅い輸送
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速い準水平混合に関する数値実験
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おしまい
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トレーサ実験
- 中間圏のレオビー循環が見える
- 南極で下がり, 北極で上昇
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参考文献
- Andrews, D.G., Holton, J.R., Leovy, C.B., 1987:
Middle Atmosphere Dynamics.
Academic Press, 489pp.
- Brasseur, G.P., Orlando, J.J., Tyndall, G.S., (Eds.), 1999:
Atmospheric Chemistry and Global Change.
Oxford University Press, 654pp.
- Wayne, R.P., 2000:
Chemistry of Atmospheres (Third Edition).
Oxford University Press, 775pp.
- Goody, R., 1995:
Principles of atmospheric physics and chemistry.
Oxford University Press, 324pp.
- Randel, W.J., Newman, P.A., 1998:
The stratosphere in the Southern Hemisphere.
In Meteorology of the Southern Hemisphere
edited by D. J. Karoly and D. G. Vincent.
Meteor Monographs, 27, 243--282.
- Rossby, C.G., 1939:
Relation between variations in the intensity of the zonal circulation
of the atmosphere and the displacements of the semi-permanent centers
of action.
J. Marine Res., 2, 38--55.
- Ishioka, K., Yamada, M., Hayashi, Y-Y., Yoden, S., 1998:
回転球面上の減衰性2次元乱流からのパターン形成.
ながれマルチメディア, http://www.nagare.or.jp/mm/99/ishioka/
- Charney, J.G., Drazin, P.G., 1961:
Propagation of planetary-scale disturbances from the lower into
the upper atmosphere. J. Geophys. Res., 66, 83--109.
- Holton, J.R., 1975: On the influence of boundary layer friction
on mixed Rossby-gravity waves. Tellus, 27, 107--115.
- Andrews, D.G., McIntyre, M.E., 1978:
Generalized Eliassen-Palm and Charney-Drazin theorems
for waves on axisymmetric mean flows in comoressible atmosphere.
J. Atmos. Sci.,35, 175--185.
- McIntyre, M.E., Palmer, T.N., 1983:
Breaking planetary weves in the stratophere.
Nature, 305, 593--600.
- Juckes, M.N., McIntyre, M.E., 1987:
A high-resolution one-layer model of breaking planetary waves
in the stratosphere.
Nature, 328, 590--596.
- Shepherd, T.G., 2002:
Issues in stratosphere-troposphere coupling.
J. Meteor. Soc. Japan, 80, 769--792.
- Plumb, R. A., 2002:
Stratospheric transport.
J. Meteor. Soc. Japan, 80, 793--809.
- Mizuta, R. Yoden, S., 2001:
成層圏極渦を想定した準周期流におけるカオス的混合と輸送障壁.
ながれマルチメディア, http://www.nagare.or.jp/mm/2001/mizuta/
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SUGIYAMA Ko-ichiro
2004-09-22
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