予稿集はこちら - 筑波大学気候学・気象学分野

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(a)
(b)
線形傾圧モデルを用いた北太平洋高気圧の発達要因の解明
* 竹内茜 1 , 大庭雅道 2 , 植田宏昭 1 (1.筑波大院・生命環境, 2.筑波大学陸域環境センター)
1.はじめに
北太平洋東部対流圏下層を中心に存在す
る北太平洋高気圧(以下 NPH) は, 夏季に
最大規模に発達することが知られている.
NPH の発達メカニズムとその要因を理解
することは, 北半球の夏季気候を予測する
上で重要である. 夏季に NPH が発達する
要 因 と し て , Miyasaka and
Nakamura(2005)では, 東西海陸温度コン
トラストの強化に伴う北米大陸西岸の局地
的な海陸風循環の影響を示した. また
Wakabayashi and Kawamura(2004)によ
ると, 北太平洋域で夏季に形成される気圧
場は西方からのテレコネクションパターン
の複合的な効果で説明可能としている.
夏季の気候場の形成に関し,夏季に卓越
する個々に熱源応答に焦点を当てた研究は
数多くなされているが, 季節進行に伴う段
階的な加熱量の変化が NPH に与える影響
について調査したものは少ない.
2.目的
本研究では, 非断熱加熱(Q1)の時間変化
量が NPH の発達にどの程度寄与するかを
調査する.
3.使用データ・モデルと解析方法
使用データは NCEP/NCAR 再解析デー
タ(1958-1997 年)を用いた. Q1 の季節変
化に伴う大気の応答を調べるために, 線形
傾圧モデル(Linear Barocrinic Model:
LBM)を使用した. この大気大循環モデル
は, 非線形性を除去することで,複雑な大気
力学過程に明快な理解・解釈を与える
(Watanabe and Kimoto,2000).なお, 今回
行われた全ての実験において, 加熱強制は
6 月の気候場に与え, モデル内で準定常状
態になる 14 日後の応答を解析に用いた.
4.結果・考察
6 月から 7 月にかけての Q1 増加量(ΔQ1)
を全球に与えたモデル実験の結果, NPH の
気候値はほぼ再現され, ΔQ1 が NPH の季
節進行を説明しうることが確認された. 次
に, NPH 発達と熱源位置との関係を客観的
に調査するため, 格子状の鉛直カラム一様
に 3[K/day]に設定した仮想熱源を個別に与
えた結果, NPH を効果的に発達させる熱源
には位置的な規定があることが明らかにな
った. 以上の結果をふまえて選定した複数
領域についてΔQ1 を個別に与える実験を
行った. いずれの領域のΔQ1 も NPH 発達
に寄与し, NPH 近接領域の熱源は NPH 下
層を中心に, 遠隔領域の熱源は順圧的に
NPH を強化する様子が認められた(図 1).
5.参考文献
Miyasaka, T. and H. Nakamura, 2005: Structure and
formation mechanisms of the Northern hemisphere
summertime subtropical highs. J. Climate, 18,
5046-5065.
Wakabayashi, S. and R. Kawamura, 2004: Extraction of
major teleconection patterns possibly associated with the
anomalous summer climate in Japan. J. Meteor. Soc.
Japan, 82,1577-1588.
Watanabe, M. and M. Kimoto, 2000: Atmosphere-ocean
thermal coupling in the North Atlantic: A positive
feedback. Quart.J.R.Met.Soc., 126, 3343-3369.
図 1.(a)再解析データによる流線関数 7 月気候値[×10 6m 2/s]. 実線は高気圧性偏差, 点線は低気圧性偏差を示す. (b)加熱強制ΔQ1 を全球に
与えたモデル実験結果. 6 月気候値からの流線関数差分を表す. (c)(b)に同じ. ただし加熱強制領域は枠内のみ. (d)(c)に同じ. 陰影は流線
関数差分が(a)16×106[m2/s]以上, (b)2×106[m2/s]以上, (c)(d)0.2×106[m2/s]以上の領域を示す. (c)
(d)

SST に対する大気の非線形な応答が ENSO の遷移の非対称性にもたらす役割
* 大庭 雅道 1 , 植田 宏昭 2
(筑波大学 1 陸域環境研究センター 2 生命環境科学研究科)
1. はじめに
熱帯太平洋上で発生するエルニーニョ・南方振動 (El Niño
and Southern Oscillation; ENSO)は、大気の橋を介して地球上
の他の地域へ大きく影響する。これまでに、ENSO の経年変動
のメカニズムを説明するために、幾つかの振動モデルが考えら
れてきた。西太平洋振動子(Weisberg and Wang 1997)、再充填
振動子(Jin 1997a,b)はその理論モデル中でも特に重要な役割
を果たすと考えられているものであり、これら振動子理論ではそ
の線形的な発達・衰弱・遷移の振る舞いを説明することに成功
している。しかしながら、実際の観測結果では正位相から負位
相への遷移は急速に進むのに対し、負位相から正位相への遷
移は多くのイベントで停滞する傾向があり (Kessler 2002)、従
来の振動子理論だけでは説明が困難であることが知られてい
る(Hasegawa et al. 2006)。しかし、現存する気候モデルなどの
全球大気海洋結合モデルでは ENSO イベントの頻度が高くな
る (AchutaRao and Sperber 2006) ・線形的な振動をする
(Hannachi et al. 2002)など、多くのモデルで修正再充填振動
子 (Jin and An 1999)に代表されるような海洋内部の力学に依
存してしまう傾向が見られる。
ENSO の遷移プロセスの差違に対し、海洋内部の力学的効
果に注目した研究はあるものの(An and Jin 2004)、Hoerling et
al. (1997) や Kang and Kug (2001) で述べられているような大
気の応答やその非対称性に注目した研究は少ない。そこで
SST 偏差に対する大気(非断熱加熱)の非線形的な応答が
ENSO 自身の遷移プロセスにどのような効果がもたらすかを調
べた。
2. データとモデル
感度実験には、MRI-CGCM2.3 を用いた (Yukimoto et al.
2006)。大気の診断解析には、ERA-40, 海洋には SODA を利
用した。
3. 結果
①観測で見られる遷移時の特異性
ENSO を駆動する最も大きな要素として知られている温度躍
層は、成熟期以降の ENSO の衰退・遷移期において、正位相
時には冷水偏差の東方伝播が見られた。一方、負位相時では
暖水偏差の東進が見られず、また、その減衰速度がゆっくりし
ており、正負位相間において温度躍層フィードバックに大きな
非対称性が存在することが解った。また、正位相時における赤
道太平洋の西風偏差は北半球冬において急速に減衰し、海
洋冷水ケルビン波の発生を介して、ENSO の遷移を加速させる
ように働いていた。反対に、負位相時における赤道東風偏差は
引き続く春まで持続することで、負位相から正位相への ENSO
の遷移を妨げていた。さらに、再充填振動子理論で指摘される
ような海洋内部のプロセスは両位相で概ね対称的であり、非対
称性を説明するプロセスは海洋内部ではなく、主に赤道直下
の風偏差との関連が強いことが解った。
②理想化したモデル実験
観測で見られる遷移の特徴をふまえ、GCM を用いた SST 偏
差の強制実験を行った。強制実験には正位相 minus 負位相の
SST とそれとは真逆のものを使用した。同様の空間分布の SST
偏差を与えたのにも関わらず、西太平洋上の赤道風は非対称
的な振る舞いを示し、ENSO の遷移の非対称性に影響を与え
ていることがわかった。
③ハイブリッド線形大気海洋結合モデル
経験的に計算された風の応答モデルを線形 1.5 層逓減重力
海洋モデルに線形結合させたハイブリッド線形大気海洋結合
モデルを構築し、ENSO の SST に対し①線形的な風の応答モ
デルを使用した場合(図 1a)と②非対称な風の応答を使用した
場合(図 1b)の大気海洋結合不安定モードの時間発達を調べ
た。①では線形的な単振動を示したが、②では正位相から負
位相への遷移は急速であるにもかかわらず、負位相から正位
相への遷移時に 2-4 年遅延する傾向が見られる。このことから、
SST 偏差に対する大気の応答の非線形性が ENSO の遷移プロ
セスの非対称性を理解する上でかなり重要であることが確認さ
れた。
図 1: ハイブリッド線形大気海洋結合モデルにおける Nino3.4
index の応答。大気場の応答に(a)線形回帰モデルと(b)片側
線形回帰モデルを使用したもの。
図2: 非対称の遷移プロセスを示した模式図。(上図)エルニー
ニョ時、(下図)ラニーニャ時。
Ohba, M. and H. Ueda 2008: Role of nonlinear atmospheric response to
SST on the asymmetric transition process of ENSO. Journal of Climate
(in press).

CO2 倍増による全球降水抑制効果
* 釜江陽一, 植田宏昭(筑波大学 生命環境科学研究科)
はじめに
温暖化に伴う全球降水量変動の主要因として, 大
気中の水蒸気量の増加が挙げられる. 大気中の水蒸
気量は Clausius-Clapeyron 関係(7~8%/K)に従って
気温上昇とともに大きく増加する(e.g. Vecchi and
Soden 2007). これにより降水量も増加すると予測
されているが, その増加割合は 1~2%/K と小さい.
これは大気循環強度の弱化により説明される. 一方
で, CO2 倍増時において, 一定の気温上昇がなけれ
ば, 降水量は増加しないことが指摘されている
(Allen and Ingram 2002).
大気におけるエネルギーバランスの観点から, 全
球降水量の変化は, その凝結熱加熱の変化に対応す
る放射冷却の変化とバランスすると考えられる. 温
暖化により放射冷却が強化する一方, CO2 は水蒸気
とのオーバーラップ効果により大気放射冷却を弱化
させるため, 降水量を減少させる(杉 2008). つまり,
温暖化に伴う全球降水量の変化には, 温度上昇によ
る降水量増加に加え, CO2 濃度上昇による降水量減
少の効果が内在していると考えることができる.
また, 地表面におけるエネルギー収支の変化も降
水量変化とバランスする(Vecchi and Soden 2007).
凝結による大気加熱の源は地表面からの潜熱の供給
であり, 温暖化時に降水量が増えるためには, 同時
に潜熱加熱が増加することが必要となる.
本研究では, CO2 倍増による全球降水量の増加を
抑制する効果について, 地表面・大気エネルギーバ
ランスの観点から定量的に評価することを目的とす
る.
CO2 倍増平衡実験(2xCO2)
CMIP3 マルチモデルデータセットより, CO2 倍増
平衡実験結果を使用した. CO2 外部強制を瞬間的に
倍増させるために急激な温度上昇が起こり, 海洋混
合層モデルと結合させているため, 20 年程度で定常
状態へ推移する. この遷移期のデータが入手可能な
7 種類のモデルの結果から, CO2 倍増による降水量
とエネルギーフラックスの変化の関係性(Lambert
and Webb 2008)について, 地表面・大気エネルギー
収支を対象に解析を行った.
結果と考察
2xCO2 実験月平均値(季節変動成分を除去)の降水
量(凝結熱加熱)は, 気温上昇に従って徐々に増加し
ていくものの, CO2 を倍増させた直後は負に分布す
る (図 1). 大気における放射冷却にも同じ振幅の減
少が見られ, CO2 倍増による大気放射冷却と降水量
の弱化が互いにバランスしていることがわかる.
降水量および地表面熱収支の変化について, 気温
上昇値に対する線形回帰分析の切片の値から, CO2
倍増による効果を推定すると, 潜熱加熱は降水量と
同程度の負の値となる(表 1). CO2 倍増により強い放
射強制力が働き, 大気および地表面が加熱されるが,
大気における放射冷却は弱化し, 大気下端の正味放
射量(R)の変化は小さい. 一方で, 熱容量の大きい地
表面を加熱するために下向きの正味地表面加熱(=
正味放射量-顕熱加熱-潜熱加熱)が働く. これと
バランスするように潜熱加熱は減少を示している.
つまり, CO2 倍増下において, 地表面エネルギー収
支の変化によって潜熱加熱(蒸発量), さらには凝結
熱加熱(降水量)が抑制されることが説明される.
図 1. 地上気温変化に対する凝結熱加熱(lP), 正味放射量
(R), 顕熱加熱(H), 潜熱加熱(lE), 正味地表面加熱
(R−H−lE)の変化(W/m 2 ). 7 モデルのアンサンブル平均.
slabcntl 実験気候値に対する割合で, 季節変動成分は除
く. 直線は線形回帰.
表 1. 図 1. における線形回帰直線の切片(W/m 2 ). 99%信
頼区間の全モデル間の最大の範囲を示す.
lP R H lE R−H−lE
−2.17
±1.06
1.22
±0.64
−0.47
±0.33
−1.96
±0.79
3.39
±0.96
謝辞:本研究の一部は, 環境省の地球環境研究総合推進費
(S-5-2)の支援により実施された.
参考文献
Allen, M. R., and W. J. Ingram, 2002: Constraints on future changes in
climate and the hydrologic cycle. Nature, 419, 224-232.
Lambert, F. H., and M. J. Webb, 2008: Dependency of global mean
precipitation on surface temperature, Geophys. Res. Lett.,
doi:10.1029/2008GL034838, in press.
杉正人 2008: 全球数値予報モデルの開発とそれを用いた気候予測に関す
る研究 - 2007年度日本気象学会賞受賞記念講演-. 天気, 55,
391-400.
Vecchi, G. A., and B. J. Soden, 2007: Global warming and the
weakening of the tropical circulation. J. Climate, 20, 4316-4340.