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⽇本気象学会藤原賞受賞記念講演
2022年5⽉19⽇（⽊） 於 気象庁講堂

成層圏-対流圏結合変動の研究
ならびに国際共同研究の推進と⼈材育成
余⽥ 成男
京都⼤学 名誉教授
京都⼤学 国際⾼等教育院
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０．謝辞

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廣⽥ 勇 先⽣
京都⼤学 助教授 (1974~83)
同 教授 (1983~2001)
余⽥ 学歴・職歴
1973.4~77.3 京都⼤学 理学部
1977.4~82.6 同 ⼤学院 理学研究科
1983.3 京都⼤学理学博⼠ 学位取得
1982.7~83.7 学術振興会 奨励研究員
1983.8~87.9 京都⼤学 理学部 助⼿
1987.10~2002.3 同 助教授
2002.4~2020.3 同 ⼤学院
理学研究科 教授
2020.4~ 同 国際⾼等教育院 副院⻑

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Professor James R. Holton(1938‒2004) Univ. of Washington
余⽥ 海外研究歴
1985.10~87.9 ⽇本学術振興会
海外特別研究員
1994.10~95.7 ⽂部省 ⻑期在外研究員
2000.7~.8 京都⼤学教育研究振興財団
研究者派遣（1ヶ⽉）©Yoden 1985?

U. Washington ©Yoden 2019.12.07

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１．はじめに計算科学としての気象⼒学･気候⼒学･地球流体⼒学
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1.1 コンピュータの⾶躍的進歩に基づく新学問
これまで半世紀以上にわたる計算機性能の指数関数的成⻑
1.0E+18E

京→

処理速度 [FLOPS]

1.0E+15P↑
富岳

地球シミュレータ→

1.0E+12T

x103/10年

1.0E+09

G

↑
VP100

1.0E+06M
1.0E+03k
1.0E+00

x102/10年↑IBM704↑
ENIAC

新学問「計算科学」
誕⽣・成⻑の時代

1940 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030

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1.2 数値モデルの階層性❖Hoskins (1983, QJRMS ) 気象学研究の“最適状況”
 観測・理論・数値実験の緊密な連携による学問の発展
観測・データ解析

複雑

進化する
理論概念モデル

階層的な力学モデル群
中間簡単

 数値モデルの階層性

複雑モデル： 定量的予報･予測、詳細情報
中間モデル： 理想化、メカニズム理解
簡単モデル： 定性的記述、新概念提案

予測 vs 理解
階層間バランスが重要
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⽬次
１．はじめに
２．気象⼒学課題の成果から
成層圏-対流圏結合変動、成層圏周極渦の変動と物質混合、
熱帯気象⼒学、予測可能性

３．地球流体⼒学課題の成果から

回転球⾯上の⼆次元乱流、ラグランジュ・カオス

４．気候⼒学課題の成果から

周極渦変動の多年統計、惑星⼤気⼤循環の⾃転軸対称理論、多数モデルアンサンブル予報、古気候再現、太陽プロトン･･･

５．国際共同研究の推進と⼈材育成

WCRP/SPARC、IUGG/IAMAS/ICMA、
21世紀COE_P.(KAGI21)、GCOE-ARS(極端気象)、GSS

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２．気象⼒学課題の成果から
成層圏-対流圏結合変動、成層圏周極渦の変動と物質混合、
熱帯気象⼒学、予測可能性
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2.1 ジェット気流の蛇⾏パターンの多様性
学位論⽂
 Y. (1983a,b) Nonlinear interactions in a two-layer, quasi-

geostrophic, low-order model with topography. P-I,II

平均帯状流変動と傾圧擾乱ライフサイクルの⼆様性 Akahori & Y. (1997)３次元乾燥⼤気モデル中の⾃励的変動「環状モード」⽰数

U+ U+
U−

UーU+

ライフサイクル⽰数

U−

地表摩擦係数依存性：
 ⼤: U+卓越 ⼩: U−卓越11/49

2.2 冬季成層圏の周極渦変動の多様性❖Holton & Mass (1976) 成層圏バシレーションモデル
対流圏から上⽅伝播する惑星波と平均帯状流の⾮線型相互作⽤を記述
 Y. (1987a,b,c) H&M76モデルにおける安定解の多重性

下端波強制⼤で、Cの不安定化･周期解の出現 〜成層圏突然昇温現象
平均帯状流の⾼度分布下端波強制ロスビー波振幅の⾼度分布

周期解：

平均帯状流の時間変化

CCA

A・Cともに安定平衡解

A東⾵

⻄⾵

東⾵

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 H&M76モデルの分岐ダイヤグラム

平均帯状流多重安定解の下端(=対流圏界⾯)での惑星波強制の振幅 HB 依存性
 成層圏突然昇温現象の⼒学的描像の整理① Matsuno (1971)
ロスビー波の急増幅に伴う遷移② Holton & Mass (1976)
⼀定振幅波強制でも存在する
内部周期変動③ Chao (1985)
⼤振幅になると起る解の遷移（急増幅は不要）

1992年度⽇本気象学会賞「簡単化された⾮線型モデルによる⼤気循環形態の研究」

AHB

C13/49

2.3 ⽔平２次元成層圏周極渦の変動と物質混合
 Ishioka & Y. (1994,95,96)
平均帯状流の緯度分布

順圧不安定な冬季周極渦の時間発展

渦位場の時間発展(Ishioka and Y. 1995)

帯状平均渦位の緯度分布14/49

2.4 熱帯気象⼒学：QBOの再現実験・感度実験
 Horinouchi & Y. (1998)
 Y. & Daikai (2022?)
⾚道域平均帯状流変動

⽔惑星モデルによるQBO再現実験
HY98  ⾚道域SST分布に対する依存性(Horinouchi and Y. 1998)
HY98

東⾵Fz, div･F の(I)

SST(lat):
Neale &Hoskins(2001)

帯状波数-振動数
スペクトル@23hPa(II)(Y. and Daikai 2022)

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⼩休⽌： WCRP/SPARC SATIO-TCS World Climate Research Programme (WCRP) 1980~

Stratosphere-Troposphere Processes and their Role in Climate(SPARC) 1992~• Stratospheric And
Tropospheric Influences
On Tropical Convective
Systems (SATIO-TCS)
2016~

http://www-mete.kugi.kyoto-u.ac.jp/SPARC_SATIOTCS/

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 科学研究費
2012-16年度 基盤(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 基盤(A)「熱帯域における成層圏−対流圏⼒学結合過程」

 国際ワークショップ
2015.10.22-24 Int. WS on StratosphereTroposphere Dynamical Coupling in theTropics, @京⼤･理セミナーハウス,
7か国 18名
2017.10.9-14 Joint SPARC Dynamics &Observations WS - QBOi, FISAPS &SATIO-TCS, @京⼤･益川ホール,
13か国 74名
2020.2.21-25 SATIO-TCS joint WS on
Stratosphere-Troposphere DynamicalCoupling in the Tropics, @京⼤･理, 楽友会館,
9か国 57名

201520172020

17/49

2.5 熱帯気象⼒学：⾚道域QBOの対流圏影響
 Yoo & Son (2016)

QBOによる北半球冬季MJOの変調
 Nishimoto & Y. (2017) QBO位相別のOLRコンポジット解析
 Martin et al. (2021, Nature Rev. Earth & Environment )https://rdcu.be/cl9ah

E-QBO

N-QBO

120 references

W-QBO(Nishimoto and Y. 2017)(Martin et al. 2021)

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❖領域モデルによるQBO対流圏影響実験 Held et al. (1993) 放射対流平衡2次元モデルでのQBO的振動
 Y., Bui & Nishimoto (2014), NYB (2016), BNY (2017), YBN(2020): 2次元モデル実験

day 304-305

322-323340-341~-6m/sBBSLBBBB time~-10m/s

SL~-4m/s ~-7m/s~3m/s

BBSLBBx

BYN (2019): 3次元モデル実験
BBSLBBBB⽔平平均⽔平流の鉛直螺旋構造の周期的回転重⼒波の選択的透過と平均流との相互作⽤

SL(NYB 2016)19/49

2.6 熱帯気象⼒学：メソ降⽔系構造・組織化実験
 Otsuka & Y. (2005, 09) NCAR MM5による熱帯域層状構造実験
 Trilaksono et al. (2011, 12) JMA-NHMによるジャカルタ豪⾬実験
VRH(Trilaksono et al. 2011)(Otsuka and Y. 2005)(Trilaksono et al. 2012) 20/49

2.7 予測可能性：天気予報の当たり外れの科学
 Kimoto, Mukougawa & Y. (1992) 予報誤差変動の流れ場依存性
 Mukougawa, Kimoto & Y. (1991)

Lorenz63モデルによる例⽰
 Y. & Nomura (1993) 接線型モデル定式化, 低次順圧モデル例⽰ Yamane & Y. (1997, 98, 2001) 予測可能性変動の流れ場依存性 Yoden (2007) 気象学会125周年 JMSJ Review

Max(Kimoto, Mukougawa and Y. 1992)(Mukougawa, Kimoto and Y. 1991)

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３．地球流体⼒学課題の成果から
回転球⾯上の⼆次元乱流、ラグランジュ・カオス
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(Williams 1978)

3.1 回転球⾯上の２次元乱流
 Williams (1978) ⽊星等の２次元乱流の順圧流体表現（1/16球） 帯状縞構造
 Y. & Yamada (1993) 減衰性 全球計算
低緯度：帯状縞構造、極域：⻄向周極流

 Nozawa & Y. (1997a,b)

強制乱流
帯状縞構造極域⻄向周極流
スペクトルの⾮等⽅性(Y. and Yamada 1993)(Ishioka et al. 2007)23/49

3.2 ラグランジュ・カオス
室内実験流体中のラグランジュ・カオス
 Sugata and Y. (1994)

回転⽔槽中の定常な傾圧不安定波（３次元定常流）におけるカオス的粒⼦運動の数値計算
 Tajima et al.

(1997) 室内実験による実証(Sugata and Y. 1994)(Tajima et al. 1997)

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理想化した成層圏周極渦中のカオス的混合と輸送障壁
 Y.（1999；パリティ）⾼度30km, 地球規模でのカオス的混合

2次元周期変動流中のラグランジュ・カオス
 Mizuta & Y. (2001)

2次元周極渦(Mizuta and Y. 2001)

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25/49

Conveners: Robinson(U. Illinois) and Yoden(Kyoto U.)
January 9-12, 2006, Savanna, Georgia, USA

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４．気候⼒学課題の成果から

成層圏周極渦変動の多年統計、惑星⼤気⼤循環の⾃転軸対称理論･モデル、
CMIP5多数モデルアンサンブル予測データ、
古気候再現での成層圏オゾン光化学過程、太陽プロトンイベント時の10Be輸送混合
27/49

4.1 成層圏周極渦変動の⻑期間積分データの統計
 Y., Taguchi & Naiato (2002) 成層圏極域の季節内変動･年々変動
 Taguchi & Y. (2002a,b)

⼒学コア：千年積分 x パラメタ⾛査
⽉平均気温ヒストグラム
 Hio& Y. (2005)
2002年9⽉初観測の南半球突然昇温現象の特徴
再解析
1979~97年
⼒学コア1000年積分
 Nishizawa & Y. (2005) ⼒学コア：15,200年積分極端気象統計＋α(YTN 2002)(Nishizawa and Y. 2005)

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4.2 惑星⼤気⼤循環の⾃転軸対称理論･数値実験
 Yamamoto & Y. (2013； 2013年気象集誌論⽂賞)

Kashimura & Y. (2015) 惑星⼤気スーパーローテーションの⼒学

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4.3 CMIP5多数モデルアンサンブル予測データ解析❖21世紀地球温暖化に伴うインドシナ域降⽔系の予測

 Jain et al. (2021)

多数モデルアンサンブル評価

旱魃劇甚度❖気候感度実験（4ⅹCO2）

旱魃期間

Chhin, Siev & Y. (2021)
プレモンスーン降⽔年々変動：
観測データとd4PDFデータ
統計解析
 Chhin & Y. (2018),
Chhin, Oeurng & Y. (2020)
CMIP5の最適アンサンブル
メンバーの21世紀旱魃予測()旱魃頻度

 Chhin, Shwe & Y. (2019),

1976-2005 2011-40 2041-70 2071-2100 30/49

4.4 古気候再現における成層圏オゾン光化学の役割
 Noda et al. (2017, 18) JMA-MRI地球システムモデルによる完新世中期および最終氷期最⼤期の古気候再現と成層圏影響
ミランコビッチ・サイクルに基づく⼤気上端での⽇射量変化を仮定

地表気温の気候変化：(完新世中期)−(産業⾰命前)
ALL：
軌道要素＋化学過程
no-CHEM：
軌道要素のみ(PIのオゾン分布)
CHEM：＝ALL ー no-CHEM化学過程の影響

地質学的代⽤データ(proxy)によるモデルの検証
no-CHEM：
軌道要素のみ(産業⾰命前のオゾン分布を仮定)
ALL：
軌道要素＋化学過程
Other models：
CMIP5モデル
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4.5 Miyakeイベント時の10Be輸送混合沈着実験
774/775年発⽣の完新世最⼤規模の太陽プロトンイベント
 Spiegl et al. (2022)a)

ベルリン⾃由⼤学地球システムモデルによる10Be輸送混合沈着実験
太陽起源の⾼エネルギー粒⼦による中層⼤気極域での10Be⽣成と成層圏ーb)
対流圏物質交換、地表沈着（乾・湿、沈）氷床アイス・コアの地質学的試料分析データによるモデル結果の検証

Supplementary animation 1b:
Initialization in Septembera) Mass mixing ratios of 10Be over thecomplete domainb) Mass mixing ratios between 1000
and 50 hPac) Zonal mean of the tropopausepressured) Zonal mean of the 10Be surface fluxc)d)32/49

５．これまでの課題成果のまとめ
気象⼒学･気候⼒学･地球流体⼒学
計算科学、⾮線型科学
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❖新学問「計算科学」誕⽣･成⻑時代 数値モデルの階層性（Hoskins, 1983）

複雑： 定量的予報･予測、詳細情報、デジタルツイン世界X-SSE
中間： 理想化、メカニズム理解
簡単： 定性的記述、新概念提案❖⾮線型科学「成層圏-対流圏結合変動を始めとした研究」
 新概念の探求

安定解の多重性： 複数の天候レジーム、周極渦変動の多様性
カオス： 予測可能性の変動、ラグランジュ・カオス（粒⼦運動）
秩序構造： 回転球⾯2次元乱流からのパターン形成

 ⼤気モデル･地球システムモデルを⽤いた数値実験･データ解析

成層圏-対流圏結合系（成層圏突然昇温現象）
熱帯気象（湿潤対流組織化、⾚道域QBO下⽅影響）古気候（最終氷期最⼤期、完新世中期）、Miyakeイベント

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6．国際共同研究の推進と⼈材育成
WCRP/SPARC，IUGG/IAMAS/ICMA，KAGI21，GCOE-ARS，GSS
35/49

6.1 国際委員会活動
 WCRP/SPARC（Stratosphere-troposphere Processes and their Role in Climate）
科学運営委員会（SSG）委員（1999〜05）
S-T Dynamical Coupling Theme Leader（2005〜15）
SATIO-TCS Theme Leader（2016〜）
 IUGG/IAMAS/ICMA（International Commission on Middle Atmosphere）
委員（2003〜07）； 委員⻑（2007〜11）； 前委員⻑（2011〜15）
 ⽶国気象学会

JAS（Journal of the Atmospheric Sciences）
准編集委員（2001〜2008）； 編集委員（2009〜2011）
36/49

 SPARC関連会議等の主催

2012 Workshop on Stratospheric Sudden Warming

10th SPARC SSG meeting in Kyoto,
18-21 November 20022013 WCRP Regional WS

6th SPARC General Assembly 20182013 KURIMS Symposium

37/49 JSPS-NSF⽇⽶セミナー“Stratosphere-Troposphere Coupling”
WallaceHitchmanMarch 13-17, 2001 in Kyoto
MatsunoKato
Holton Hirota
Plumb Miyahara Tanaka
organized by Bill Randel (NCAR) and
Shigeo Yoden (KU)

気象集誌特集号 80-4B, 2002

38/49

6.2 プロジェクトリーダー
 2003~07年度 21世紀COEプログラム「活地球圏の変動解明」

KAGI21（Kyoto U. Active Geosphere Investigations for 21C.）
拠点リーダー 2009~13年度 G-COE P.「極端気象と適応社会」教育リーダー
 2011~17年度 博⼠課程教育L.P.「グローバル⽣存学⼤学院連携」
⼊進学委員会委員⻑
 2007~09年度 科学技術振興調整費 アジア科学技術協⼒の戦略的推進 「東南アジア地域の気象災害軽減国際共同研究」
 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」
 2018~21年度 ⽇本学術振興会-インドネシア DG-RSTHE ⼆国間交流事業 「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」
39/49

 KAGI21国際夏季・春季スクール 若⼿研究者ネットワーク構築

2004, 05, 06, 07（=京⼤国際シンポジウム）於インドネシア･バンドン⼯科⼤学; 2週間
2009, 11, 13, 15, 18（20 中⽌）於京都⼤学, 琵琶湖畔研修施設; 1週間余
合計 9 回, 22 か国から 306 ⼈の参加者 2009
2004

2005

2011

2015

2013

2018

2007
2006

40/49
40/74

 2007~09年度 科学技術振興調整費

東南亜地域の気象災害軽減国際共同研究

第1回国際ワークショップ（2008.3, 京都）

国際サマースクールでの観測実習

第3回国際ワークショップ（2010; 別府 ⽴命館APU）

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 2015~17年度 ⽇本学術振興会 研究拠点形成事業

South-East Asian School on Tropical Atmospheric ScienceJan. 5-8, 2016, @ITB,Indonesia (65 participants)
Aug. 23-26, 2016, @HUS,
Vietnam (108 participants)
Jul. 24-27, 2017; @NTU,Singapore (32 participants)

1st SEASTAS 2016 @ITB

2nd SEASTAS 2016 @HUS

3rd SEASTAS 2017 @NTU

42/49

 京都⼤学-国⽴臺灣⼤学 ⼤気科学学⽣/若⼿交流プログラム

第1回 2013年7⽉19〜28⽇ 於京⼤
第2回 2014年3⽉4〜12⽇ 於臺⼤
第3回 2014年8⽉29⽇〜9⽉6⽇ 於京⼤ 第4回 2016年3⽉16〜19⽇ 於臺⼤
第5回 2016年11⽉11〜14⽇ 於京⼤ 第6回 2018年12⽉11〜15⽇ 於臺⼤

第６回(2018)於臺⼤

松本総⻑･楊学⻑･余⽥･吳教授

43/49

 京都⼤学-オクラホマ⼤学 ISECInternational Symposium on Earth-Science Challenges
第１回 2009年X⽉YY〜ZZ⽇@KU
第２回 2011年9⽉14〜16⽇@OU
第３回 2013年10⽉3〜5⽇@KU
第４回 2015年9⽉21〜23⽇@OU
第５回 2017年10⽉1〜4⽇@KU

Dr. Yoshi Sasaki 1927-2015
第６回(2018)於臺⼤

44/49

０．謝辞（続き）

45/49

気象学研究室関係者
 同僚

塩⾕ 雅⼈（1987~95；助⼿）
佐藤 薫 （1995~99；助⼿）
内藤 陽⼦（2000~16；助⼿/助教）
⽯岡 圭⼀（2003~20；助教授/准教授） 坂崎 俊貴（2017~20；助教） ⻑期訪問学者・ポスドク研究者（3か⽉~）

Palikone Thalongsengchanh (2005, 07)
Dale R. Durran (2005)
A. Peter Hitchcock (2008, 10)
Bui H. Hai (2012, 15-17)
Kisolel Posanau (2013)
Faiz R. Fajary (2017)
Myintmyint Shwe (2017)
Vinay Kumar (2018) Shipra Jain (2019)
Chhin Rattana(2019)
Tobias Spiegl (2019, 20)
Matt Hitchman (2020)
⽔⽥ 亮 (2002)
庭野 将徳 (2002-05)
北村 祐⼆ (2004-06)
⽇尾 泰⼦ (2005)
⻄澤 誠也 (2005, 07)
中串 孝志 (2007)⼤塚 成徳 (2009-12)
⻄本 絵梨⼦ (2012-17)
納多 哲史 (2014-18)
46/49

気象学研究室卒業⽣
 京都⼤学博⼠（理学）

課程（14名＋6名）

菅⽥ 誠治（1993）
⽯岡 圭⼀（1995）
野沢 徹 （1997）
堀之内 武（1997）
⼭根 省三（1998）
⾚堀 浩司（1999）
⽥⼝ 正和（2001）⽔⽥ 亮 （2002）
⽇尾 泰⼦（2004）
⻄澤 誠也（2005）
⼤塚 成徳（2009）⼭本 博基（2012）
Nurjana Joko Trilaskono（2012）
Rattana Chhin（2019）（佐藤）吉識 宗佳 （2004）（⽯岡）杉本 憲彦 （2005）⿑藤 直彬（2012）
⽇⽐野 研志（2013）齋藤 泉 （2016）
松島 俊樹 （2017） 京都⼤学博⼠（理学）⻄憲敬（2007）

論⽂（主査）（3名）

永⼾ 久喜（2011）

川畑 拓⽮（2014）47/49

 京都⼤学修⼠（理学）（30名＋19名）

菅⽥ 誠治 （1990）
野村 真佐⼦（1991）
⽯岡 圭⼀（1992）
⼭⽥ 慎治 （1992）
野沢 徹（1993）
堀之内 武（1994）
⼭根 省三 （1995）
⾚堀 浩司 （1996）
堀居 堅志（1997）
⼭家 孝司 （1998）
⽔⽥ 亮（1999）
⾼橋 憲義（2000）
杉本 憲彦 （2002）
⻄澤 誠也 （2002）
⽮尾 拓也（2003）
⻑⾕川 実⼦（2004）
⼭下 和也 （2005）
⼤塚 成徳（2006）
仲本 康浩 （2007）
伊藤 耕介 （2008）⼭本 博基（2009）
湯浅 拓也 （2010）
⻄村 和裕 （2011）
櫻井 佳世（2012）
⽵下 愛実 （2012）
野⼝ 峻佑 （2013）
新原 快 （2015）
松葉 史剛 （2017）
⼤海 慎之輔（2018）
畔野 貴弘（2020）（酒井）樋⼝ 阿⾥沙（2006）（⽯岡）森川 聖⼦ （2006） ⽯川 真也 （2007） 増⽥ 敬太（2007）
佐々⽊ 俊輔（2008） 村上 振⼀郎（2008） ⿑藤 直彬（2009）
隅⽥ 勝将 （2010） 原⽥ 昌（2011） 植松 恵司（2012）
斎藤 泉（2013） 松嶋 俊樹 （2014） 増⽥ 慧 （2015）⼭本 直⼈ （2017） 伊藤 翔星 （2018） 井上 将明（2018）永井 政⼀ （2019） 藤⽥ 雅⼈ （2020） 三⽊ 冬⼤（2020）
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ご清聴、有難うございました。
余⽥ 成男

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❖⾮線型科学の内側・周辺
 線型 vs ⾮線型

紙と鉛筆で解く

 コンピュータで「解く」

 カオス

20世紀に⽣まれた科学：
相対論、量⼦論、カオス（複雑系の科学）
 シミュレーション科学

現実物とモデル
精緻モデル  より確かな天気予報・気候予測
 データ科学

http://en.wikipedia.org/wiki/File:
Lorenz_attractor_boxed.svg

線形回帰モデル vs ⾮線型関係？（ビッグデータ）
 コンピュータの⾶躍的発展に基づく学問の新展開

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 複雑な

英 ⼀蝶「群盲撫象図」

現実世界とモデル結果
現象の⾮線型性による

↓
 現象論

現象記述
から始める

https://ja.wikipedia.org/wiki英⼀蝶#/media/File:Blind_monks_examining_an_elephant.jpg 51/49
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