博士 （地 球 環境 科学 ） 初鹿 宏壮

学位論文題名Observational and modeling studies
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caltropopause and its interannual variation．
（熱帯対流圏界面の3次元的な構造とその年々変動についての観測および モデルによ る研究）

学位論文内容の要旨
熱 帯 域 で 対 流 圏 か ら 成 層 圏 に 流 入 し た 大 気 は 子 午面 循 環 にお い て 、 Rosenlofand
Holton (1993)
や Holton et al. (1995)
で 明 瞭に 表された D
ownw
ardCont
rolの原 理に基づき中 高緯度 に運ばれ 、さら に対流圏 に還流し ている。この交換過程は大気の熱パランス を 考 える 上 で重 要なオ ゾンとそ の生成 メカニズ ムに密接 に関係 した水蒸 気等の 微量成分の 分布を 決めるう えで重 要な役割 を果たし ている。成層圏からの吸い上げに関しては衛星 観測に より帯状 平均な がら「大 気のテー プレコーダー」と呼ばれる水蒸気の上方輸送が はっき り確認さ れてい る。圏界 面付近で 得られた水蒸気量の情報をほぼ保ちながら 輸 送 され て いる ことか ら、圏界 面付近 の脱水効 果を調べ る重要 性が示唆 される 。
NewellandGould‑Stewa
rt(1981)は、対 流圏から 入り込 む入り口 を成層圏 の水蒸気量と熱 帯 域 のlOOh
Paの気温 から、冬 期のイ ンドネシ ア上空と 西太平 洋上空、 夏季の インドモンスーン領域に限定し、「成層圏の泉」と定義した。しかし、Dessler(1998)は近年のゾ ン デ デー タ を 解析 し 「 成層 圏 の 泉 」を 不 要 とし た 。 逆に 、 VoemelandOltmans(1999)では、 全域から は入り 込んでお らず、入 り□は限られた領域であろうことを水蒸
気データ と飽和 水蒸気量 から推 定するな ど、成層 圏への入り口の問題は未だ解明されていない。
また Sherwood (2000)は冬 期 イ ンド ネ シ ア上 空の 対流圏 界面付近 が下降流 である ことを示した 。彼は その原因 を水平 寒気移流 の少なさ から積雲上のオーパーシューテイングによる冷 却であ ると仮説 を述べ たが、熱 帯域にお ける西太平洋上の観測地点が少ないた
め 、 水 平 移 流 の 効 果 が 充 分 に 精 度 良 く 表 せ て いる か 疑問 が 残る 。
したがって本研究ではまず、熱帯域の対流圏界面空間パターンの変動について研究した。
圏界面自 体の研 究として はゾン デ観測を 解析した Rei
dandGage(1981，1985，1996)
や
東西平均 場で客 観解析デ ータか ら求めた A
ppenzelleretal.(1996)などがあ り、特に
Hig
hw
oo
dandHoskins(1998)は客観解 析デー タから圏 界面の 空間パタ ーンを再現し、

熱 源を 与 え たド ラ イモデ ルでその 構造を表 してい る。HighwoodandHoskins(1998)に 見ら れ る よう に 、圏界 面はNe
wellandGould‑Stewart(1981)のlOO
hPaにおける 温度分布 と類似 した構造 と年変動をしており、上部対流圏の構造はM
atsuno‑Gillpatternと呼ば れる馬 蹄形の構 造を説明することに成功した。しかし、彼女らが客観解析データで求め た空間 パターン は4
年 平均場 で年々変 動を考慮に入れておらず、シミュレーションはド ライモ デルであ り、また 鉛直に 粗いモデ ルであ った。
客観解 析デー タを用い た年々変 動に関 しては本 研究とは独立にR
andeletal.
(2000)によって 調べら れている 。
本研究 ではまず N
CEP/NCARの 客 観 解析 デ ー 夕（ 1956年 ‑1999年 ）を 用 い 、年 々 変 動を 調 べ た 。 年 々 変 動 の 要 因 と し て 対 流 圏 側 か ら の EN
SOと 成層 圏 側 か らの QBOによる 寄 与 を 示 す 。 また 対 流 圏か ら の E
NSOによ る 効 果を 195
6年 か ら 1
999年の 客 観 解析
デ ータ と 同 時期 の 海面水 温(SST)を 与えた シミュレ ーション から得 られたデ ータを もと に 解 析 し た 。 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン は CCSR/NIE
Sの AG
CMを 用 い、 圏 界 面付 近 の 変動を 詳し く 調 べる た め水平 三角切断 42、鉛直 50層の高解 像度モ デルで、 SST変動 実験の解析を 行なっ た。、
客観解 析デ一 夕を用い た解析で は、圏 界面の高 度（温 度）の変 動は50hPaの風が西風のとき に低く （高く） 、ElNinoの時に高 い（低 い）こと 、南北の 広がり はQBOの方が小さい ことが 示された 。Q
BOに よる変 動はPlumbandBell(1982)の理 論と良く一致して いる 。 ま たENSOに よ り 圏界 面 の 東 西パ タ ー ンが 変 動 する こ と がわ か った。 この2つ の説 明 変 量に よ り 冬期 で は 最大 50％ 以上 、夏 季では最 大30％以 上も圏界 面温度 の年々変 動を説 明できる ことが判 明した 。
ま た、 SST変 動 実 験にお いてもENSOに 関して おなじ変 動パタ ーンを示 した。よ って、
このモ デル実 験結果を 用いて圏界面付近の構造を詳しく調べてみたところ、冬期のインドネシ ア上空 はS
herwood(2000)の推定と 同様、 下降流が存在することがわかった。このモデ ルでは オーパー シューティングは存在せず、他の要因を調べる必要が出てきた。
圏界面 付近で は積雲域 の東方に上昇域（でありさらに冷たい領域）がシフトすることがわかっ た。ま たM
atsuno‑Gillp
atternが作 り出す 東風によ り寒気 移流が積 雲上空の圏
界面付 近に起 こり、さ らに積雲域上空で放射加熱が弱まることで下降流による昇温とパランス してい ることが わかった。熱帯域の→部に高海面水温領域を作り、春分に季節を固定し た水惑 星実験と 、一次元 放射モ デルによ り上記 の結果が さらに 確かめられた。
上部対 流圏で 上昇流の 強い領域 が圏界 面付近で 下降流 が強いと いう構 造を明確に示すこ とが で き た為 、 EN
SOに よる 変 動 へ の応 答 も同時 に調べた 結果、 構造を保 ったま ま
東西に シフト する鉛直 流の年々 変動が 確かめら れた。
また等 温位解 析におい てもインドネシア上空は泉とはいえず、対流圏から成層圏へ積雲対流 の 強い 領 域上で直 接に入り込む のではないこと が示唆された 。
本 研究 は Sh
erwo
od(2000)の 解析を一 部支持 しながら 独自の 空間構造 を示す ことに成功して おり、 圏界面構 造を知る手助けになるのみならず、成層圏変動を対流圏界面の変動から 見積も るために は不可欠 な研究 である。

さらに詳しい解析と詳細な現場や衛星からのデータを用いることにより圏界面の時間
空間 的変 動に よる気 候変 動へ の影 響を 解明 する こと がで きる と期 待さ れる。

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学位論文審査の要旨
主査

教授

山崎孝冶

副査

教授

藤吉康志

副査

助教授

向川

副査

教授

均

岩崎俊樹（東北大学大学院理学研究科）

学位論文題名Observational and modeling studies
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opic
altropopause and its interannual variation．
（熱帯対流圏界面の3次元的な構造とその年々変動についての観測およびモデルによる研究）

熱帯域の対流圏界面は対流圏から成層圏への空気の流入域であり、成層圏の水蒸気や微量気体の変動にとって重要な場所である。圏界面気温や高度が対流活発域の上で馬蹄系の形をとることがHighwoodandHoskins（1998)の最近の研究で明らかにされた。しかし3次元的に詳細な構造はまだ明らかになっていなかった。また成層圏の極端な乾燥を説明するために冬季非常に低温になるインドネシア〜西部熱帯太平洋域からのみ成層圏へ空気が噴き出しているという「成層圏の泉」仮説が信じられてきたが、最近、それに対する反論が提出されている。特に、Sherwood(2000)は長期のゾンデ観測の解析からインドネシア域の圏界面およびその直上では上昇流ではなく下降流であることを示し、さらに下降流のヌカニズムを探るため、熱収支解析を行なった結果、移流と放射ではバランスしていないので積雲対流の氷粒や空気のオーパーシューティングによる 冷 却 が下 降 流 を 引 き起 こ し て い る ので あ ろ う と 推測 し た 。
申請者は熱帯対流圏界面の温度・高度の変動を1956‑ 1999年の客観解析データの解析と圏界面付近で鉛直に高分解能の大気大循環モデル(AGCM)による数値実験で明らかにし、さらにAGCM実験により、客観解析データでは解析が 難し い圏界 面付 近の 構造 及び下 降流 のメ カニ ズムを 明らかにした。
まず、熱帯圏界面温度・高度は対流活動の変動に伴って変動することが期待されるので、デー夕解析によルェルニーニョ・南方振動(ENSO)に伴う圏界面の変動を調べた。圏界面での冬季の気温極小値はェルニーニョの時、高くなり、低温域の馬蹄形は東にシフトし南北幅は狭くなり、より帯状になることがわかった。エルニーニョのときとラニーニヤのときの差は赤道対称な鉄亜鈴型となる。この変動は海面水温を観測値で駆動したAGCM実験でも再現され、AGCMの結果の解析により圏界面付近の構造を調べることの妥当性を確認した 。観 測 デ ー タ に は ENSOによ る変 動だ けで なく、 赤道 成層 圏準 2年 振動(QBO)に 伴う 変動も 検出 され 、こ れは理 論的 に得 られる QBO変 動に伴う子午面循環の変動で説明できる。即ち、QBOが50hPaで西風位相の時は赤道で下降流偏差となり、圏界面高度が下がり気温は上昇する。またこれらの偏差バターンは、東西にほぼ一様である。
次にAGCMによる数値実験の結果を詳細に解析した。海面水温で駆動した
AGCM実験ではインドネシア域の圏界面とその直上で下降流であり、下降流の形状や大きさもSherwood (2000)とほぽ一致する結果となった。この下降流生成メカニズムを探るため、理想化した水惑星の条件で赤道対称な暖水領域を与えた実験を行い、圏界面付近の構造を調べた。暖水域では対流活動が活発となり対流圏上部では上昇流が強いが、圏界面付近で上昇流域は東に傾き、それに伴い低温域も東に傾く。暖水域上層の赤道圏界面付近では東風であり、この東風による寒気移流とパランスするように暖水域の西半分では下降流が生じていると考えられる。さらに長波放射による加熱量が積雲活動が不活発な周辺領域に比べて極端に小さくなっていることも暖水域の西半分での下降流を強めている。この小さな長波放射加熱は積雲対流の高さが高いために生じることを1次元放射計算により示した。当研究の結果はSherwood(2000)の推測とは異なり、オーパーシューティングがなくともインドネシア域の圏界面付近で下降流になることを示した。
これらの結果に基づき、申請者は、対流加熱に応答する圏界面の構造に関する新しい概念モデルを提出した。これによりENSOに伴う圏界面の変動もよく理解できる。また熱帯圏界面を通して成層圏へ輸送される水蒸気や微量気体の振る舞いについても、この成果を基礎として、理解が進むと期待される。
審査員一同は、これらの成果を高く評価し、また研究者として誠実かつ熱心であり、大学院課程における研鑚や取得単位なども併せ申請者が博士（地球環境科学 ）の 学位を 受け るのに 充分 な資格 を有 するものと判定した。