地球環境研究，Vol.21（2019）

理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴
吉

﨑 正 憲＊
髙 咲 良 規＊＊
伊 賀 晋 一＊＊＊佐 藤 正 樹＊＊＊＊高 野 かれん＊＊＊＊＊
小宮山 祐 矢＊＊＊＊＊＊
酒 井 絵 梨＊＊＊＊＊＊宮 田
学＊＊＊＊＊＊＊
森 田 将 矢＊＊＊＊＊＊＊
森 泉 慎 一＊＊キーワード：対流圏，気温減率，NICAM，JRA-55
気温減率をもち地表面温度も約15℃となり，もっともら

１．はじめにしい地表温度を得ることができた．

大気の構造を見るとき，気温の鉛直分布と気温減率は

ここで対流圏の形成・維持には，対流の存在が重要

重要な情報である．気温 T（K），高度 z（m）から，であり，対流の実体は降水現象であり積乱雲である．

気温減率 Γ は，

Γ ＝－

dT
dz

（１）

と定義される．
気温減率の違い等から，地球大気は，対流圏，成層圏，中間圏，熱圏と大別される．温帯域（中緯度帯）では，地上から対流圏界面（高度約12km）までを対流圏，
対流圏界面から成層圏界面（高度約50km）までを成層
圏，成層圏界面から中間圏界面（高度約80km）までを
中間圏，熱圏はそれ以上の高さとなる．このような地球
大気の四圏構造のうち対流圏と成層圏について，温帯域に関して，Manabe and Stricker（1964）によってCO２,
H２O, O３の温室効果気体の鉛直分布の観測値を用いて放射計算することで明らかにした（第１図）．CO２とH２Oだけの温室効果気体を持つ放射平衡の計算からは，対流圏の構造は再現されたが成層圏は再現されなかった．これにO３ の観測データを加えることによりはじめて成層圏は再現された．しかし，放射過程だけの再現結果からは，対流圏は異常に不安定な気温分布（超断熱という）1となり，地表温度は約50℃となった．そこで，彼らは対－1流圏の臨界気温減率6.5℃ km を導入し，超断熱な気温分布になると対流によって臨界気温分布になると仮定した（放射対流平衡）．こうして，対流圏は6.5℃ km－1 の第１図

温帯域における放射平衡および放射対流平衡である気温の鉛直分布（原図：Manabe andStricker 1964；小倉 1999より引用）．

立正大学地球環境科学部
立正大学大学院地球環境科学研究科＊＊＊
一般財団法人・高度情報科学技術研究機構＊＊＊＊
東京大学大気海洋研究所・海洋研究開発機構＊＊＊＊＊
日本気象協会＊＊＊＊＊＊
SETソフトウェア＊＊＊＊＊＊＊
立正大学地球環境科学部卒業生
＊

＊＊

1

理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）

ところが，実際には計算機資源の不足等から，解像を行う．またこれらの比較をもとに，（２）対流圏の気温

大きくしなくて積乱雲を陽に表現しない様々な積雲の分布が水平方向に同じようなものか，（３）対流圏の気パラメタリゼーションが使われてきた．Manabe and温の鉛直分布ははたして一定として良いか，について議

Strickerの考えを引き継ぐ湿潤対流調節スキームのほか論をする．

に，Arakawa and Shubert（1974）では雲の集団効果を

対流圏界面は気温減率が2℃ km－1 またはそれ以下にプリュームとして取り入れている．異なる積雲パラメタ

なる高度と定義し，対流圏界面から地上までの間を「対リゼーションを用いるとそれぞれの結果があり，その良流圏」とする．NICAMは極域の扱いが単純すぎるため，

否を判断するのは難しい．

またJRA-55の南極域は山岳があるために対流圏下層の積乱雲は通常，発達期，成熟期，減衰期の１時間ほ

気温分布は不確定となるので，主な研究対象は熱帯域か

どの寿命を持つが，適当な強さの鉛直シアがあると寿ら亜寒帯域までとする．また地上～大気境界層（高々約

命が数時間と長くなる特性がある（例えば，吉﨑・加800hPaの高さ）の間では地表面からの影響が大きいこ

藤 2007）．それらを表現するために，水物質として，水とから，この高度から対流圏界面までの自由大気は「対蒸気のほかに雲水，雲氷，雨，雪，あられなどの雲物理流圏内」として区別する．

量を導入する必要がある．このために全球雲解像モデル，
例えば，非静力学正20面体格子大気モデル（NICAM，
Satoh et al. 2008）などの利用が必要となる．
温帯域の対流圏の気温構造の形成に関して，雲がない
場合の気温分布は乾燥断熱減率（9.8℃ km－1 ）ないしはそれより小さい値を持ち，雲ができる場合には湿潤断熱－1２．NICAMによる理想化された水惑星実験の結果を用いた解析
２．１

モデルの概要と解析方法

NICAMは，放射・力学・雲物理・乱流等の全物理過減率（温帯域下層では約4℃ km ）に近い値を持つこ程を含む大気モデルである（Satoh et al. 2008）．伊賀ほとが予想される．したがって，雲の有無を長期間考慮すか（2010）が用いたNICAMは，水平解像は約14km（東－1

れば，約6.5℃ km の中間的な値になるのは納得できる．

西方向には2560個，南北方向に1280個のグリッド数），

実際，1976年に採択された米国標準大気の対流圏の気温

鉛直解像として最下層は35mで高度が高くなるにつれス－1

減率はほぼ6.5℃ km であり，気象学のさまざまな教科

トレッチした54層のモデルである．本研究で用いる大気書（例えば，Wallace and Hobbs 1977, 小倉 1999）や国モデルの結果は水惑星大気モデルの結果である．そこで

際民間航空機機関（ICAO）ではそのような値を採用しは，太陽は緯度変化しないが赤道上を動くものとして日ている．

変化はある．また大気は海洋からの運動量，熱，水蒸気

しかし，地球大気は温帯域だけでない．熱帯域のよの乱流による影響は受けるが，海洋の海面水温（SST）

うに対流活動が活発な領域もあれば，乾燥域，亜寒帯には影響しないものとして，SSTは東西方向に一様で南域，極域のような対流活動が不活発な領域もある．ほか

北方向に赤道に関して対称な分布である（第２図）．しにも海陸分布や山岳分布などの地表面状態は様々である

たがって，太陽放射の緯度依存性はあるが，ここで再現

し，じょう乱に伴う高・低気圧域における違いもある．

される対流圏の大気大循環は主にSSTの南北傾度によっこうした環境の違いが気温減率にどのような影響を与えて駆動されたものである．ここでは，赤道域では高温のるか，また対流圏の平均気温減率をほぼ一定値として良ためHadley循環があり，また中緯度帯では傾圧性が強いか，気象学において「気温減率」は基本的な量である

く傾圧不安定波が発生するような場となっている．一方，にも関わらず，そうした疑問に対してきちんと答えてい60度から極域まではSSTを273K（＝０℃）と固定して１）ないように思われる ．
本稿では，緯度方向に20度毎に分け，時間平均・東
西平均の全球の対流圏の気温の鉛直分布，その標準

大気運動は小さくなるようにしてある．こうして，モデ
ルを初期時間からランさせて十分安定したところで，60
日間３時間ごとのデータを作成した．

偏差と最大値・最小値，気温減率を求める．そこで，

緯度－90度（南緯90度，南極点）から緯度90度（北緯（１）NICAMによる理想化された水惑星実験から得ら

90度，北極点）までを20度ごとに分け（第３図），領域れる結果（Satoh et al. 2008, 伊賀ほか 2010）と気象庁

毎に60日間東西・時間平均とその標準偏差・最大値・最55年長期再解析（JRA-55）の解析値（原田ほか 2014,

小値のデータを作成した．

Kobayashi et al. 2015, Harada et al. 2016）との比較を
2

地球環境研究，Vol.21（2019）

第２図2

NICAMによる水惑星実験で用いられる海面水温（SST）の南北分布．

第４図

NICAMによる水惑星実験の東西と60日間平均した気温の鉛直分布．カラー線は下のカラー
ボックスの色に対応する．細い３本の実直線は，１km当たりの6.0℃，6.5℃，7.0℃の傾度線である．左の縦軸は高度（m）を示す．右の縦軸の気圧（hPa）は，温帯域の代表的な気温分
布をもとに計算したものであり，第４図から第６図までリファレンスとして使う．

２．３

気温の標準偏差および最大値・最小値

第 ５ 図 は， 熱 帯 域， 乾 燥 域， 温 帯 域， 亜 寒 帯 域 の3
第３図

領域の仕分け．ここでは，緯度「－10度〜10度」は熱帯域，
緯度「－30度〜－10度」と「10度〜30度」は乾燥域、「－50度〜－30度」と「30度〜50度」は温帯域、「－70度～－50度」と「50度〜70度」は亜寒帯域、「－90度〜－70度」と「70度〜90度」は極域と呼ぶ．

NICAMで表現された気温の標準偏差と最大値・最小値の鉛直分布である．標準偏差の変動幅は，熱帯域ほど小さく乾燥域・温帯域・亜寒帯域と大きくなっていた．それに対して，気温の最大値・最小値の変動幅は，熱帯域は小さいが（地上付近で±10℃程度）温帯域では乾燥域・亜寒帯域に比べてわずかに大きかった（地上付近で±30℃程度）．温帯域での変動をもたらす擾乱として傾圧不安定波が考えられる．温帯域の変動は，動画１から

２．
２

気温の鉛直分布

第４図は，NICAMで計算された気温の鉛直分布の東じょう乱は緯度30度から60度までの範囲で西から東に形を変えながら移動していた．

西平均値を60日間にわたって平均したものである．対流
圏内の気温は6.5℃ km－1 前後の傾きを持ち，高さととも

２．４

気温減率

に下がっていた．両半球の乾燥域，温帯域，亜寒帯域の第６図は，熱帯域，乾燥域，温帯域，亜寒帯域におけ

気温分布は地上温度が変わるが，それぞれ高さ方向にはるNICAMで表現された気温減率の鉛直分布である．気同じような鉛直傾度であった．これは，対流圏内の気温

温減率は対流圏下部では1～5℃ km－1 と小さく上部では構造は乾燥域や亜寒帯域のような対流活動が不活発な領

7～8℃ km－1 と大きかった．また対流圏の気温減率の平域でも熱帯域や温帯域の対流活動が活発な領域とほとん

均値は6.5℃ km－1 程度であったが，対流圏内における平ど変わらないということである．

均値は6.5℃ km－1 より小さかった．
3

理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）

5
第５図

NICAMによる水惑星実験の東西と60日間平均した（ａ）熱帯域（赤），（ｂ）乾燥域（紫），（ｃ）温帯域（緑），（ｄ）亜寒帯域（黄）の気温の標準偏差と最大値・最小値の鉛直分布．右側の◁は対流圏界面の平均高度を表す．

6
第６図

4

NICAMによる水惑星実験の東西と60日間平均した熱帯域（赤），乾燥域（紫），温帯域（緑），亜寒帯域（黄）における気温減率の鉛直分布．右側の◁は域毎の対流圏界面の平均高度を表す．

地球環境研究，Vol.21（2019）

３．JRA-55を用いた解析
３．
１

解析期間と領域

ャル高度と温度のデータから計算した．
３．２

気温の鉛直分布JRA-55とは，過去の観測データに対して４次元変分

2009－2013年５年平均の１月，４月，７月，10月の気法を含む気象庁数値予報データ同化システムを適用し温の鉛直分布を第７図に示す。対流圏内では，全般的に作成された全球長期再解析データである（Kobayashi et

季節変化に伴い全層の気温は変わっていた．6.5℃ km－1

al. 2015）．JRA-55におけるデータ同化は１日４回実施さ前後で気温は高度とともに下がっており，その様子は季れ，等圧面プロダクトの空間解像度は，水平方向は1.25°，

節にも地域にも依っていなかった．これは，対流圏内の鉛直方向は1000hPa面から１hPa面まで37層（水蒸気関

気温構造は乾燥域や亜寒帯域のような対流活動が不活発

連データは27層）である．2009年から2013年までの５年な領域でも熱帯域や温帯域の対流活動が活発な領域でも間のデータを用い，第３図のように20度ごとに分け，領ほとんど変わらないということで，第４図と変わらない

域毎に東西・月平均とその標準偏差・最大値・最小値の結果であった．

データを作成した．気温減率は，気圧面のジオポテンシ

7
第７図

JRA-55の2009－2013年５年間平均の（ａ）１月，（ｂ）４月，（ｃ）７月，（ｄ）10月の気温の鉛直分布．
カラー線は下のカラーボックスの色に対応する．細い３本の実直線は，１km当たりの6.0℃，6.5℃，7.0℃の傾度線である．左の縦軸は気圧（hPa）を示す．右の縦軸の高度（m）は，温帯域の代表的な気温分布をもとに計算したものであり，第７図から第10図までリファレンスとして使う．
5

理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）

３．
３

気温の標準偏差および最大値・最小値

またじょう乱の南北方向の変動では，渦の変動が南北30

第８図は，2009－2013年５年平均の１月における熱帯度から60度までの範囲に見られ，乾燥域や亜寒帯域まで域，北半球の乾燥域，温帯域，亜寒帯域の気温の標準偏影響を与えていた．そのため，乾燥域と亜寒帯域の変動

差と最大値・最小値の鉛直分布である．NICAMの結果

幅も温帯域と同じような大きさになったと考えられる．
第９図は，2009－2013年５年平均の７月の場合である．

と同様であり，標準偏差の変動幅は，熱帯域ほど小さく
乾燥域・温帯域・亜寒帯域と大きくなっていた．また第８図とは季節が異なるので，特に地表付近の気温は高気温の最大値・最小値の変動幅は，熱帯域は小さいが緯度ほど高かった．気温の標準偏差の変動幅は１月と同（地上付近で±10℃程度），温帯域では乾燥域・亜寒帯域様であったが，気温の最大値・最小値の変動幅のうち温に比べてわずかに大きかった（地上付近で±30℃程度）．

帯域は±20℃程度と第７図（ｃ）に比べて小さかった．

温帯域での変動をもたらす擾乱は傾圧不安定波と考えら

これは，第８図の冬季は傾圧不安定波が活発であったのれる．

に対して第９図の夏季は不活発であったためと考えられ

動画２では，水平風が作る渦は北半球の東西方向に極る．

東域と北米東部から大西洋にかけてしばしば見られた．

1月

1月

8
第８図

6

JRA-55の2009－2013年５年間平均の１月における（ａ）熱帯域と，北半球の（ｂ）乾燥域，（ｃ）温帯域，（ｄ）亜寒帯域における気温の標準偏差と最大値・最小値の鉛直分布．右側の◁は対流圏界面の平均高度を表す．

地球環境研究，Vol.21（2019）

7月

7月

9
1
第９図

３．
４

第８図と同じ．ただし７月の場合．

気温減率

気温減率に関しては第７図からも読み取れたが，気温の高度差分を計算することにより，気温減率を直接評価

４．経度平均場に関するNICAMによる理想化された水惑星実験とJRA-55との対応

することができる．第10図は，2009－2013年５年平均の「気温減率」という物理量で眺めると，NICAMによる

１月，４月，７月，10月，年平均における熱帯域，北半モデル結果とJRA-55の解析値ともほとんど6.5℃ km－1

球の乾燥域，温帯域，亜寒帯域の気温減率の鉛直分布であった．さらに両者の場について詳しく見るために，である．対流圏内の気温減率の分布は変動していて，下双方の時間・東西平均の地上気温の南北分布と温度，東－1

部の値は3℃ km あたりと小さく，上部の値は7～8℃－1

西風ｕ，南北風ｖ，NICAMの場合は鉛直流ｗ，JRA-55

km と大きかった．この傾向は季節にも地域にも依らの場合は鉛直ｐ速度の南北－高度分布を調べた（第11ず，こうした特性は普遍的なものといえる．また地上図）．JRA-55の場合は2009年から2013年までの時間平均から対流圏界面までの対流圏の平均的な気温減率はほである．これから，ほぼ同じような分布であるのが見て－1

ぼ6.5℃ km であったが，対流圏内の気温減率は6.5℃－1km よりも小さかった．

取れた．またNICAMの地上気温はほとんどSSTの値に対応すると考えられる．
気温に関して，両者とも赤道域から温帯域にかけての傾圧場が再現された．しかし細かく見れば違いがあり，例7理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）

10
第10図

JRA-55の2009－2013年５年間平均の１月，４月，７月，10月および年平均に関する（ａ）熱帯域，北半球の（ｂ）乾燥域，（ｃ）温帯域，（ｄ）亜寒帯域における気温減率の鉛直分布．カラー線は（ａ）図左上のカラーボックスの色に対応する．破線は6.5℃ km－1を示す．右側の◁は域毎の対流圏界面の平均ジオポ
テンシャル高度を表す．

第11図 （a）JRA-55の2013年2月20日から4月20日までの間の時間と東西平均した（上図）温度（K；実線），東，南北風（m s－1；ベクトルの水平成分），鉛直ｐ速度（Pa s－1；ベクトルの鉛直成分）
西風（m s－1；カラー）の南北－ジオポテンシャル高度分布図と（下図）1000hPaにおける気温の南北分布．（ｂ）は（ａ）と同じ．
ただし，NICAMによる水惑星実験の結果で，上図は鉛直流w（m s－1；ベクトルの鉛直成分）と下図は高さ35mにおける気温である．
811地球環境研究，Vol.21（2019）

えば，赤道域の成層圏の極小値に着目すると，NICAM

は，降水量の大きさに比べて両者の温度差は小さく観測は190K以下であったのに対してJRA-55は200Kぐらいでされるのが普通である（例えば，吉﨑 1999）．その理由あった．またJRA-55では極付近の地上気温は南極大陸

として，大気は安定成層をしているため，降水による温の存在のために南北差は大きかった．

度変化は水平方向に中立波動という形で広がってゆくた

東西風に関して，両者とも30～40度付近の緯度で対流めと考えられる．

圏上層には西風ジェットがあり，全般的には対応は良

対流圏のほとんどの運動は安定成層と地球の自転にかった．しかし，NICAMの西風ジェットの強さの極大

よって支配される．地球の自転が効かないほど短時間で値は，JRA-55と比べてかなり大きかった．

小規模な降水の場合は，線型論では鉛直モード毎に異な子午面循環に関して，NICAMではハドレー循環とる水平速度を持つ重力波が熱源によって励起され周りにフェレル循環しか見られなかったのに対して，JRA-55

伝搬してゆく（例えば，Bretherton and Smolarkiewicz

では両半球にハドレー循環，フェレル循環，極循環の三1989, Nicholls et al. 1991）．そして，熱源の影響をうけ

つのセル構造があった．これは，大気大循環を駆動する

た周りの場は熱源の場と同じような成層になってゆく．

ためにNICAMの水惑星実験ではSSTの南北分布を与えコリオリ力が一定と近似できる中程度の時間・空間ス

たが，緯度60度より高緯度側ではSSTの傾度がゼロとしケールでは，熱源は慣性重力波と地衡風を励起して周りたために，実質この領域では大気を駆動する力が弱かっの場を調節する．さらに，大規模な時間・空間スケールたためと考えられる．

になると，慣性重力波とロスビー波を励起して同じよう

以上のように，用いたNICAMの境界値の設定を実際に調節が起こる．このように，ローカルに励起される熱より単純化していたために，JRA-55の解析データと比源の影響は長時間かけて広く水平に広がってゆく．これ

べて異なる点が見られた．しかし，高緯度帯を除くと，が，対流圏内の気温分布が水平方向にほぼ同じである要

対流圏内の気温分布および気温減率をみれば，両者とも因であると考えられる．

同じ傾向を示していたことから，十分比較には耐えうるものと判断した．

（２）鉛直方向の気温減率が対流圏下部では小さく上部
では大きい理由とそのインパクト５．議論

これからは，温位（ θ ）を使い，大気安定度 N を用いて議論する．N の二乗は， N ＝2

これまで，JRA-55の解析とNICAMによる水惑星実験

g dθ
と表現され
Θ dz

の結果から，対流圏内の気温の鉛直分布，標準偏差と最る．ここで，g は重力加速度の大きさ，θ は温位であり大値・最小値，気温減率について調べた．両者とも，南θ ＝ Θ＋θ（ z ）＋θ'（ x, y, z, t ）と書くことができる．Θ

北方向には気温減率の鉛直分布はほとんど同じであるこは対流圏全領域の平均（＝定数），θ の上付きバーは高と，そして高さ方向にはその値は一定値ではなく対流圏さの関数，θ' は Θ および θ の上付きバーからのずれを表下部では小さく上部では大きいことが明らかになった．

す．対流圏の厚さを10km，中緯度帯における対流圏内

こうした特徴は対流圏内では普遍的な特徴であったと考の温位差を30K，代表的な温位Θを300Kとすると，N はえられる．そこで，「南北方向に気温減率の鉛直分布が10－4 s－2となり，中緯度帯の代表的な N の値は10－2 s－1

ほとんど同じである理由」と「鉛直方向の気温減率は対となる．

流圏下部では小さく上部では大きい理由とそのインパクト」について議論する．

2

対流圏下部で気温減率の値が小さいことは非常に強い安定成層であることを意味し，その場合の N の値は大きい．逆に，対流圏上部で気温減率の値が大きい（ただし（１）南北方向に気温減率の鉛直分布がほとんど同じで

乾燥断熱減率までは達しない）ことは中立成層に近いある理由（弱い）安定成層であることを意味し，N の値は小さい．

静穏な状態で水平領域のあるところに対流が生じて降

ただし，ここではすべてN は正値である．鉛直方向に気水が発生することを考える．降水があるところでは熱が温減率が変化することは対流圏内におけるN が鉛直方向発生して，鉛直方向の気温分布は大きな影響を受ける．

に変動することであり，そういう状態が全球規模で見らでは，その周りの水平方向にはどのような影響を与えるれるというのである．

のだろうか．実際には降水域とそのまわりの非降水域で対流圏内でN の分布が鉛直変化する要因として，一つ9理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）に高度について雲（積乱雲）の存在頻度の違いが考えら

圏下部では小さく上部では大きい値を持っていた．こうれる．雲が多く存在する領域では気温減率は湿潤断熱

した特性は普遍的であった．南北方向に気温減率の鉛直減率に近い値をとり，N は大きい値となりやすい．一方，

分布がほとんど同じであったのは，地球大気が安定成層雲が少ない領域では気温減率は乾燥断熱減率近くまで大しているからであり，たとえローカルに降水が生じてもきくなり，N は０に近づく．飛行機に乗って窓から見えその情報は中立波動によって水平方向に広く伝えられるる風景を思い出せば，下層には雲が多くあるのに対してためと考えられる．また対流圏内の気温減率が鉛直方向

上層には雲が少ないという経験があるだろう．高さ方向に対流圏下部では小さく上部では大きいのは，一つに雲の雲の存在の違いが長期間持続すると，対流圏下部ではの鉛直方向の存在頻度の違いによるものと考えられる．

N は大きく対流圏上部では N は小さくなるということは十分考えられる．
対流圏内での気温減率の高さ方向の変動のインパクト

注１）気温減率について，木村（2017）の議論がある．

を考えてみる．インパクトが大きい例として，理想化された水惑星実験の中で赤道域に発現する大規模雲群（降引用文献水系）の話題がある（Yoshizaki 2016）．東西方向に一Arakawa, A. and W. H. Schubert, 1974：Interaction of a

様なSSTの場合，ハドレー循環が卓越する赤道域では，

cumulus cloud ensemble with the large-scale environment,

速度約15m s－1 で東進する大規模雲群がしばしば発現す
る．その東進のメカニズムをpositive-only wave CISKという熱源を用いた線型論を調べると，対流圏の N が一定の場合には卓越する大規模雲群はほぼ停滞するのに対して，対流圏下部ではN が大きく上部ではN が小さい場合

Part 1. J. Atmos. Sci ., 31, 674-701.
Bretherton, C. and P. K. Smolarkiewicz 1989, Gravity waves,compensating subsidence and detrainment aroundcumulus clouds. J. Atmos. Sci ., 46, 740-759.
原田やよい・古林慎哉・大田行哉・海老田綾貴・守谷昌己・
小野田浩克・大野木和敏・釜堀弘隆・小林ちあき・遠藤には大規模雲群は東進するのが見られた．理論計算では，

洋和, 2014：気象庁55年長期再解析（JRA-55）．天気，61，

対流圏の N の値を一定とすることが多い．しかしながら，

269-275．

上記のように N が一定の場合と N が高さの関数である場
合では結果が違うことがあるので，注意が必要である．
N が高さの関数であるのが主に降水現象によると考え
ると，降水過程をきちんと解像する必要がある．それにHarada, Y., H. Kamahori, C. Kobayashi, H. Endo, S.
Kobayashi, Y. Ota, H. Onoda, K. Onogi, K. Miyaoka, and K.
Takahashi, 2016：The JRA-55 reanalysis：representation of
atmospheric circulation and climate variability, J. Meteor.

Soc. Japan , 94, 269-302, doi：10.2151/jmsj.2016-015.

対して，雲を解像できない粗い水平解像の大循環モデル

伊賀晋一，吉﨑正憲，佐藤正樹，那須野智恵，富田浩文，安では，降水の存在は湿度と気温と収束との関係で決めざ

永数明, 2010：NICAM新コードを用いた全球水惑星実験.

るを得ない．現在気候時はJRA-55のような再解析デー

日本気象学会春季大会講演予稿集, 97, 76.

タをもとに対流のパラメタリゼーションスキームを定式化することができる．しかし，例えば，地球温暖化時の気候研究では，現在気候時の対流のパラメタリゼーショ
ンスキームをそのまま使う訳にはゆかない．そうした場
合，NICAMのような全球雲解像モデルを併用するのは一つの打開策となると考えられる．

木村龍治，2017：対流圏の気温減率がなぜ6.5K/kmなのか―エネルギー収支からの考察―

天気，64，147-156．

Kobayashi, S., Y. Ota, Y. Harada, A. Ebita, M. Moriya, H.
Onoda, K. Onogi, H. Kamahori, C. Kobayashi, H. Endo, K.
Miyaoka, and K. Takahashi , 2015：The JRA-55 reanalysis：
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Manabe, S., and R. F. Strickler, 1964：Thermal equilibrium

６．結論
JRA-55の再解析データとNICAMによる水惑星実験の数値結果を用いて，時間・東西平均した対流圏における
南北別の気温の鉛直分布，その標準偏差・最大値・最小値，および気温減率について調べた．対流圏内の気温減

of the atmosphere with a convective adjustment. J. Amos.

Sci ., 21, 361-385.
Nicholls M. E., R. A. Pielke, and W. R. Cotton, 1991：Thermallyforced gravity waves in an atmosphere at rest. J. Atmos.

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小倉義光，1999：一般気象学. 東京大学出版会, pp 314.
Satoh, M., T. Matsuno, H. Tomita, H. Miura, T. Nasuno, and率に関して南北方向にはほとんど同じであったのに対し

S. Iga, 2008：Nonhydrostatic Icosahedral Atmosphericて，高さ方向に関して気温減率は一定値ではなく，対流

Model（NICAM）for global cloud resolving simulations. J.

10地球環境研究，Vol.21（2019）

参考動画

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吉㟢正憲, 1999：メソ対流系（Ⅱ）天気, 46, 833-841.
吉㟢正憲・加藤輝之, 2007：豪雨・豪雪の気象学

動画１：http://rissho-es.jp/yoshizaki/publication/anim_
caseB_p36_p5640_uv36_480.gif
NICAMで60日間計算された高さ36mにおける気圧

朝倉書店,

187pp.

（カラー，hPa）と水平風（ベクトル），高さ5640mにおける気圧（実線，hPa）の水平分布．なお，

Yoshizaki, M., 2016：Comparison of models having positive-

本動画には地図が入っているが，じょう乱の動き

only wave CISK with the NICAM outputs about

をみるためのリファレンスのためである．また動

eastward propagation of super clusters in the equatorial

画２と比べてじょう乱の動きが異なって見えるの

region. Part 1. Approach from a full model. Bull. Geo-

Environmental Sci ., 18, 1-15.

は，主に時間・空間の解像の違いのためである．
動画２：http://rissho-es.jp/yoshizaki/publication/anim_

http://ris-geo.jp/wp/wp-content/uploads/2016/04/201_

JRA_p1000_p500_uv1000_20130221_20130420.gif

ronbun_YOSHIZAKI.pdf

JRA-55の2013年２月21日から４月20日までの気圧
1000hPaのジオポテンシャル高度（カラー，m）と水平風（ベクトル），気圧500hPaにおけるジオポテ
ンシャル高度（実線，m）の水平分布．

11

理想化されたaqua-planetにおけるNICAMの結果とJRA-55のデータにより解析した対流圏における気温の鉛直分布と気温減率の特徴（吉﨑・髙咲・伊賀・佐藤・高野・小宮山・酒井・宮田・森田・森泉）

Characteristic features of vertical profiles of temperature andlapse rate in the troposphere using data of
aqua-planet NICAM results and JRA-55 analysis
YOSHIZAKI Masanori＊ , TAKASAKI Yoshinori＊＊ , IGA Shinichi＊＊＊
SATOH Masaki＊＊＊＊ , TAKANO Karen＊＊＊＊＊ , KOMIYAMA Yuya＊＊＊＊＊＊ , SAKAI Eri＊＊＊＊＊＊MIYATA Manabu＊＊＊＊＊＊＊ , MORITA Masaya＊＊＊＊＊＊＊ , MORIIZUMI Shinichi＊＊Faculty of Geo-environmental Science, Rissho University
Graduate School of Geo-environmental Science, Rissho University＊＊＊
Research Organization for Information Science and Technology＊＊＊＊
Atmosphere and Ocean Research Institute, University of Tokyo,
Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology＊＊＊＊＊
Japan Meteorological Association＊＊＊＊＊＊SET Software＊＊＊＊＊＊＊
Graduate, Rissho University＊＊＊

Abstract:
The vertical profiles of temperature and lapse rate in the troposphere are studied in the latitudinal direction withtime and zonal mean data of NICAM aqua-planet results and five-year averaged JRA-55 analysis. It is found that（１）
latitudinal variations of the vertical profiles of temperature are small, but（２）vertical variations are large; small（large）in the lower（higher）layer of troposphere. Physical reasoning of（１）small horizontal variations of lapse
rates and（２）large vertical variation and its impact is discussed. It is suggested that horizontal propagation ofneutral waves appeared in the atmosphere is responsible for the problem（１）．
Key words: troposphere，lapse rate，NICAM，JRA-55

12