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日本惑星科学会誌 Vol. 27, No. 4, 2018

一番星へ行こう！
日本の金星探査機の挑戦 その36
～ AFES-Venusによる数値計算とデータ同化～樫村 博基 ，杉本 憲彦 ，高木 征弘 ，安藤 紘基 ，今村 剛 ，
56,718
松田 佳久 ，榎本 剛 ，大淵 済 ，はしもと じょーじ ，
910
11
石渡 正樹 ，中島 健介 ，高橋 芳幸 ，林 祥介
12334（要旨）金星大気の全球的な流れを計算する数値モデル「AFES-Venus」とそれを用いた数値実験・データ同化について紹介する．AFES-Venus は，金星大気の惑星規模筋状構造や周極低温域，大気安定度の地方時依存性などの再現に成功している．AFES-Venus では，高度 55 km 付近に低安定度層を導入したことと，空間解像度を高めたことによって，傾圧不安定の発達が計算されるようになった．数値実験により，傾圧不安定の発達が，金星大気の現実的な風速・温度場の再現にとって重要であることが分かってきた．また我々は，AFES-Venus を用いたデータ同化システムも開発しており，「あかつき」による観測を反映した現実的かつ時空間的に偏りのない金星大気のデータセットの創出や，個々の観測の重要度評価による観測計画立案への貢献も目指している．

1. はじめにによって，現実的な金星大気循環を再現することに成功している．さらに，「地球シミュレータ」を用いた金星探査機「あかつき」は，2015 年 12 月の金星周回高解像度計算によって，数百キロメートル規模の構造軌道への投入以降，多くの観測データをもたらしておが表現されるようになり，あかつきが撮影した金星のり，金星気象学の発展に貢献している．一方，我々は詳細な雲模様との比較が可能となってきた．近年には，あかつきの金星到着以前から，金星大気の全球的な流観測データを用いて数値モデルによる計算を修正するれを計算する数値モデル「AFES-Venus」を開発し，数データ同化の手法を金星大気で初めて適用することに値シミュレーションによって金星気象の謎に挑み続け成功しており，今後より現実的な金星大気のデータセてきた．AFES-Venus は，雲や化学，地表面過程を省ットを生み出すことを目指している．本記事では，略し，放射による加熱冷却を簡単化した力学モデルでAFES-Venus について解説するとともに，これまでにありながら，これまでの観測で示唆されてきた高度得られた成果の一部を紹介する．

55 km 付近の大気の静的安定度が低い層（低安定度層）を導入し，従来よりも高い解像度で計算すること
1. 神戸大学 大学院理学研究科/惑星科学研究センター
2. 慶應義塾大学 日吉物理学教室
3. 京都産業大学 理学部
4. 東京大学 大学院新領域創成科学研究科
5. 東京学芸大学 教育学部
6. 京都大学 防災研究所
7. 海洋研究開発機構 アプリケーションラボ
8. 岡山大学 大学院自然科学研究科
9. 北海道大学 大学院理学研究院
10. 九州大学 大学院理学研究院
hiroki@gfd-dennou.org■2018遊星人Vol27-4.indd314

2. AFES-Venus
大気大循環モデル（GCM : General CirculationModel）とは，全球の大気の状態や運動を計算するための数値モデルである．大気大循環モデルは，大気の運動と熱力学，状態方程式を計算する「力学コア」と放射伝達や凝結過程などを近似的に計算する「物理過程（と気象分野では呼ばれている）」から構成される．
AFES （Atmospheric GCM For the Earth Simu-

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mstrmfunc.nc@mstrmfunc,Z=0:8E4

一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その36 ～AFES-Venusによる数値計算とデータ同化～／樫村 他

U & mstrmfunc

6080(degrees_north)

80
7060

[m s−1]0latitude
latitude3012060(degrees_north)
−60

−30

−80

−608080

これに対して，我々は，スーパーローテーションの生成に関しては一旦棚上げし，理想化した高速東西風を初期値として与えることにした．このような設定で時間発展計算をおこなうと，大気の状態は数金星日程度（1 金星日は 117 地球日）で準平衡状態になる．図 1 は4040

準平衡状態で得られた平均東西風分布と平均子午面循環を示している．東西風分布は，これまでの観測と整00−4010合的な結果が得られている．一方，子午面循環はこれまで想像されていたような赤道から極まで延びる循環/Users/hiroki/local/bin/gpv 2018−10−240(×104 m)

16723. 主要な成果

3lator）は，ベクトル型の大型計算機である地球シミュ

4ではなく，逆循環を含む複雑な形をしている．我々は，

5

図1： AFES-Venusで再現された平均東西風（濃淡）と平均子午面
mstrmfunc.nc@mstrmfunc,Z=0:8E4–1–1
循環（等値線）0 ．等値線間隔は4504080120[kg m s ]であり，実線は時計回り，破線は反時計回りの循環を表す．北（南）半球で破（実）線で表される逆循環は，傾圧不安定によるものだと考えられる．本計算の解像度は水平格子間隔約0.75° ×0.75°，鉛直格子間隔約1 kmである．

/Users/hiroki/local/bin/gpv 2018−10−248latitude−20200(km)ローテーションの生成を目的とすることが多かった．
1204030

気象学最大の謎とされている．これまでの金星大気大循環モデルを用いた研究は，静止状態からのスーパー

20400

U & mstrmfunc

heightheight50315

このようなシミュレーション結果を解析し，数値実験をおこなうことで，様々な成果をあげてきた．以下，その一部を紹介する．

heightレータに最適化された，地球大気用の大気大循環モデ
ルであり，同機において非常に高い空間解像度の計算が可能となっている [1, 2]．

3.1

傾圧不安定

我々は，AFES の力学コアに観測に基づく太陽放射

AFES-Venus による数値シミュレーションは，金星加熱とニュートン冷却で近似した放射冷却の物理過程

大気中でも傾圧不安定が生じうることを示した [3]．

を加え，諸定数を金星の値に変更し，AFES-Venus を

傾圧不安定は，南北温度差に起因する大規模な流体の開発した．ニュートン冷却とは，ある基準温度場から不安定現象であり，温帯低気圧と移動性高気圧の生成の差に比例する形で，温度場に強制を与える近似であメカニズムとして，地球の中高緯度の気象において支る．本モデルの特徴のひとつは，ニュートン冷却の基配的な現象である．我々は，これまで線形安定性解析

準温度場に観測で示唆されている高度 55 km 付近の大で示唆されていた金星大気の低安定度層付近の傾圧不気安定度が中立に近い低安定度層を導入したことであ安定が，非線形数値シミュレーションでも実際に生じる．

ることを示した．さらに，発達した傾圧不安定に伴うまた，従来よりも高い解像度で計算が出来ることも角運動量や熱の輸送は，東西風分布や子午面循環の形

本モデルの特徴である．とりわけ地球シミュレータ上成に大きく寄与していることを示した．また，これまでは，金星大気の全球シミュレーションとしては世界でに観測で報告されてきた雲層上端のロスビー波的な最高レベルの空間解像度（水平約 0.75°× 0.75°間隔，鉛構造は，傾圧不安定に伴うものである可能性が高いこ直約 1 km 間隔）による計算を実現している．その上，とも報告している [4]．パラメータ感度実験の結果から，高解像度でのパラメータ感度実験を実施することも可

傾圧不安定の発生には低安定度層の存在と水平解像度能であり，再現された諸現象のメカニズム解明に役立の高さが重要であることが分かった．すなわち，高度っている．

55 km 付近に低安定度層を導入した場合には傾圧不安

金星では，大気全体が自転軸周りを高速で回転して定が発生したが，低安定度層を導入せず一定の安定度おり，その速さは高度 60 km 付近で，自転の約 60 倍とした場合や低安定度層の安定度を高めた場合には傾にも達する．このような高速東西風は「スーパーロー

圧不安定は生じなかった．さらに，低安定度層を導入テーション」と呼ばれ，その生成メカニズムは，金星していても，水平解像度が約 6°× 6°以下になると，傾■2018遊星人Vol27-4.indd

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圧不安定が現れなくなることも確認された [5]．この
約 6°× 6°の水平解像度というのは，これまでの金星大気シミュレーション研究では一般的なものであった．
つまり，低安定度層を導入（あるいはより高度な放射計算によって再現）すると同時に，ある程度の高い水平解像度（約 3°× 3°以上）で計算することが，金星大気シミュレーションにおいて重要であることを本研究は示している．詳しくは文献 [3, 4, 5] を参照されたい．

3.2

周極低温域の再現

1970 年代の金星探査ミッション以降，金星極域の上空 65 km 付近では，極がその周囲よりも高温になり，極の周りを低温の領域が取り囲んでいるという不思議な気温分布「周極低温域（cold collar）」が知られていた[6]．しかし，どのようにしてこのような気温分布が生

図2： AFES-Venusで再現された周極低温域．高度68 km付近の気温を示している．外側の円は緯度30°，内側の破線円は緯度60°を示す．本計算の解像度は水平格子間隔約3° ×3°，鉛直格子間隔約2 kmである．

じ，維持されているのか，そのメカニズムは現在まで未解明であった．そこで，AFES-Venus による金星大る（明るいほど下層雲が薄く，暗いほど分厚い）と考え気シミュレーションの結果を調べてみると，図 2 のよられている．図 3a において顕著な特徴は，南北両半うに周極低温域が再現されていることが分かった [7]．

球におおよそ対称に位置する，高緯度から低緯度にか一方，太陽加熱の日周期変化成分を取り除き，東西一けて斜めに延びる巨大な明るい筋状の構造である．幅様な太陽加熱を与えた数値実験では，周極低温域が現数百 km で長さ約 7000 km 以上の細い筋が幾本か並んれなかった．日周期変化成分の有無が異なる 2 つの実でいる．このような構造は，あかつき IR2 カメラが初

験結果を解析したところ，太陽加熱の日周期変化が励めて捉えたものであり，我々は「惑星規模筋状構造」起する重力波（熱潮汐波）が，極上空の下降流を強め，と呼んでいる．

断熱圧縮によって極の大気を暖めていることが分かっ

AFES-Venus の高解像度シミュレーションは，惑星た．波が駆動する下降流と，それによって生じる昇温規模筋状構造を再現することにも成功している [10]．

現象は，地球大気でも成層圏の突然昇温として知られ上述のような細い構造を表現するためには，非常に高ている．本研究は，金星大気中でも類似のメカニズム

い水平解像度が要求されるが，我々は地球シミュレーが大規模かつ恒常的に働いていることによって，極域タを用いることで，水平解像度が約 0.75°× 0.75°のシの温度が上がり，その周辺が相対的に低温となる周極ミュレーションを実現することができた．そこで計算低温域という温度構造が形成されていることを示唆しされた鉛直流には，IR2 カメラが捉えた筋状構造と類ている．詳しくは文献 [7] を参照されたい．

似の構造が現れていた．図 3b は計算された鉛直流の3.3

惑星規模筋状構造

高度 60 km における分布である．白色で示された下降流の領域が筋状構造を成している．IR2 カメラが捉え

図 3a は，あかつきの IR2 カメラ [8, 9] が捉えた金星ている物理量とは異なるものの（雲過程はまだ AFES-夜面の波長 2.26 μm の赤外線画像である．この波長はVenus には導入されていない），下降流によって下層CO2 大気の赤外線吸収の窓領域にあたる．高度 30 km

雲（モード 3 の雲粒）の濃度が下がることは十分に考え付近の高温大気から射出されるこの波長の赤外線は，られるため，両者は整合的だと言える．

CO2 大気を透過する一方，高度 49 km から 57 km にか

その後我々は数値実験を実施し，太陽加熱の日周期けて存在する「モード 3」と呼ばれている直径数 μm の変化成分の有無と低安定度層の有無が，惑星規模筋状雲粒からなる下層雲によって吸収される．すなわち，構造に与える影響を調べた．結果，太陽加熱の日周期

図 3a の明暗は下層雲の厚さを影絵の形で反映してい成分を取り除き，東西一様加熱とした設定でも，変わ■2018遊星人Vol27-4.indd316

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図3：（a）あかつきIR2カメラが波長2.26 μmで捉えた金星夜面画像（UTC 2016年3月25日7時33分に撮像）．画像中の金星ディスク中心は経度246.0°，緯度–9.1°であり，金星あかつき間の距離は約10万kmである．画像はエッジ強調処理を施しており，金星ディスクに沿って切り抜いている．明暗模様は，下層雲の濃淡（明るいほど雲が薄い）を表すと考えられている．（b）AFES-Venus
で計算された高度60 kmの鉛直風分布の一例．画像（a）と同じ視点になるよう描画している．強い下降流を白色で示している．
本計算の解像度は水平格子間隔約0.75°×0.75°，鉛直格子間隔約1 kmである．

らず筋状構造は現れた．南北対称性も保持されていた．

時依存性が見いだされた．一方，日の出頃の大気安定すなわち，惑星規模筋状構造の形成およびその南北対度の鉛直構造は，高度 65 km から 85 km において波長称性の維持に関して，熱潮汐波は顕著な影響を与えな10 km から 15 km の波的な構造であった．これらの結いことが分かった．一方，低安定度層を取り除いた実果は，金星大気の雲頂（約 70 km）より上空では，鉛直験では，筋状構造は現れなかった．解析の結果，低安

波長 10 km から 15 km の半日潮の熱潮汐波が卓越し定度層の有無に関わらず，高度 65 km 付近には東西波ていることを示唆している．AFES-Venus ではこのよ

数 1 の赤道ロスビー波が生じるが，低安定度層がある

うな大気安定度の地方時依存性や鉛直構造も再現され場合には，傾圧不安定によって高緯度に東西風ジェッている．一方，AFES-Venus では雲頂高度より上空でトが形成され，赤道ロスビー波の位相が南北に傾けらは平均東西風が高度ともに急速に減速している．上記れることが示唆された．南北に傾いた赤道ロスビー波の半日潮とこの風速分布は，重力波の分散関係式におには，水平風擾乱の収束域が筋状に形成される．それいて整合的であることから，金星大気中でも雲頂上空によって，筋状の下降流域が生み出されると考えられでは平均東西風が急減速していることが示唆される

る．さらに，高度 55 km 付近には赤道ケルビン波が存[11]．

在しており，上層の赤道ロスビー波とシアー不安定にまた，AFES-Venus で計算された雲層付近の熱潮汐よって結合している．この赤道ケルビン波との結合が，波を解析した結果，その構造は緯度と高度に複雑に依惑星規模筋状構造の南北対称性を保っていることが分存していることが分かった．雲頂高度の低緯度では東かった．詳しくは文献 [10] を参照されたい．

西波数 2 の半日潮が卓越して，太陽直下点付近の東西3.4

熱潮汐波–1風を 10 m s 程度減速している．中高緯度では東西波数 1 の一日潮が卓越し，昼半球から極を越えて夜半球–1–1

金星大気中では雲層付近の太陽光吸収により熱潮汐に向かう 20 m s から 30 m s もの南北風を伴う夜昼波が強く励起され，大気大循環に重要な役割を持つと間対流を形成している．これは，同高度の平均子午面考えられている．あかつきの電波掩蔽観測により，高循環の南北風よりも 10 倍程度大きい．半日潮と一日度 75 km から 80 km 付近の赤道域では，日の出頃と日潮はともに高度 60 km 付近で励起され，上下に鉛直伝の入り頃に大気安定度が極大となる東西波数 2 の地方播しているが，一日潮は高度 50 km から 70 km にかけ■2018遊星人Vol27-4.indd317

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日本惑星科学会誌 Vol. 27, No. 4, 2018て位相が鉛直にそろっている．このため，一日潮が形同化しない計算を並行して実施しておき，同化した計成する夜昼間対流は強く深いものとなっている．さら算結果と比較することで，個々の観測値が同化後のデに，この夜昼間対流の上昇流域の形は，紫外線観測でータセットにどれほどの影響を与えたかを評価するも見られる暗い領域の形とよく似ている．すなわち，紫のである．これにより，個々の観測の重要度を網羅的外線吸収物質は夜昼間対流によって上方輸送されておに調査することが可能になる．金星大気を理解する上り，金星大気中の物質輸送において熱潮汐波が重要なでどのような観測が有効かを知ることによって，あか役割を担っている可能性が示された [12]．

つきの今後の観測や将来の金星探査の計画立案に貢献

古典的理論 [13] によれば，自転の遅い金星では，速することが出来る．

いスーパーローテーションと遅い夜昼間対流の共存した状態と，遅いスーパーローテーションと速い夜昼間4. おわりに対流の共存した状態が，どちらも実現可能であると考えられる．AFES-Venus で見つかった大気スーパーロ

以上の他に我々は，シミュレートされた金星大気中ーテーション中に埋め込まれた夜昼間対流の存在は，における極渦の鉛直構造 [17] や運動エネルギーの波数気象力学の観点からも非常に興味深い．

依存性，短周期擾乱，平均子午面循環の構造なども解

3.5

データ同化

析している．また，当初棚上げしていた，静止状態からのスーパーローテーションの生成についても実験を我々は，AFES-Venus を用いたデータ同化システムはじめている．さらに，金星大気中の放射伝達計算やの開発も進めている．データ同化とは，観測データを硫酸蒸気の生成・輸送・凝結過程を AFES-Venus に用いて数値モデルによる計算を修正することで，より導入し，より高度な物理過程を含む現実的な金星大気現実的かつ時空間的に偏りのないデータセットを生みシミュレーションを実施する計画も進行中である．あ出す手法である．あかつきの貴重な観測データを同化

かつきの観測データを用いた本格的なデータ同化やすることができれば，観測を反映した大気内部の運動EFSO にも着手している．AFES-Venus によるデータに関する情報が得られ，金星気象学の発展に寄与でき同化システムの基盤が整い，あかつきの観測データがる．そこで我々は，AFES-Venus に局所アンサンブル蓄積してきた今，データ同化を軸として，観測データカルマンフィルターを用いたデータ同化システムを構解析とモデル開発の相互連携による両者の融合を実現

築した [14]．これを検証するために，熱潮汐波を含むすべき段階に来ている．我々 AFES-Venus チームは，数値シミュレーションの出力データを間引いて疑似観あかつきの観測とより密接に連携し，金星大気モデル測データとし，東西一様な太陽加熱を与える（熱潮汐の精緻化をはかることで，金星大気の謎に挑んでいき波が励起されない）設定の AFES-Venus と同化させるたいと考えている．

データ同化実験を行った．また，欧州の金星探査機「Venus Express」の観測データ [15] を用いた同様の実謝 辞験も行った．その結果，両実験ともに（疑似）観測デー
タに含まれる熱潮汐波が，東西一様加熱設定の AFES-

本研究は，地球シミュレータ利用課題『AFES を用

Venus のなかで正しく再現されることが示された．こいた地球型惑星の大気大循環シミュレーション』及びれにより，開発したデータ同化システムが期待通りに『AFES を用いた金星・火星大気の高解像度大循環シ動作していることが確認され，金星探査機の観測デーミュレーション』と文部科学省ポスト「京」萌芽的課題

タを利用したデータ同化が金星大気の流れを調べるの3「太陽系外惑星（第二の地球）の誕生と太陽系内惑星に有用であることも示された．

環境変動の解明」の一環として実施しました．AFES-

また我々は，データ同化システムにおける，観測値Venus の高解像度計算には，海洋研究開発機構の支援個々の重要度を自動的に評価する手法（EFSO : En-のもと地球シミュレータを使用しました．惑星規模筋

semble Forecast Sensitivity to Observations）[16] を実状構造に関する研究は佐藤毅彦氏（宇宙航空研究開発

装することにも成功している．この方法は，観測値を機構 ; 総合研究大学院大学），佐藤隆雄氏（北海道情報■2018遊星人Vol27-4.indd318

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一番星へ行こう！日本の金星探査機の挑戦 その36 ～AFES-Venusによる数値計算とデータ同化～／樫村 他319大学）と共同で実施しました．熱潮汐波に関する研究はあかつき電波掩蔽観測チームと共同でおこないました．データ同化システムの構築及び実験は山崎哲氏（海洋研究開発機構），神山徹氏（産業技術総合研究所）と共同で実施しました．図の作成には地球流体電脳ライブラリを用いました．最後に，金星探査機あかつきに関わる全ての方に感謝申し上げます．

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[16] 山崎哲 ほか, 2018, 平成29年度「異常気象と長期変動」研究集会報告, 45.
[17] Ando, H. et al., 2017, J. Geophys. Res.-Planets 7,1687.

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