情報・システム研究機構シンポジウム2013

南極大型大気レーダー（PANSY)による高解像大気物理学の新展開佐藤薫

東京大学大学院理学系研究科

Thanks toPANSY & KANTO research groups and my students

高解像度時代に推進する大気物理学
実大気

高分解能

観測
地上観測
衛星観測
過去の観測データ

大量データ

高分解能

仮想大気

数値

理想実験
現実的実験

モデル

データ
セントリック

科学

新理論

大気現象の階層構造の理解
気象・気候予測の高精度化

南極昭和基地大型大気レーダー

PANSYレーダー
高度1〜500kmの３次元風速、プラズマパラメータを高精度高分解能で観測
風速：高度分解能75m,時間分解能1分,精度0.1 m/s,鉛直風も計測可

システム

パルスドップラーレーダー
アクティブフェイズドアレイ方式

中心周波数 47MHｚ
アンテナ

1045本の直交八木アンテナによる直径約160mの円形アレイ 相当、約18,000m2

送信機

個々の八木アンテナ直下に送受信モジュール
送信ピーク電力 約520kW 最大デューティ比５％受信機

デジタル受信機によるマルチチャンネルシステム55
系統⇒各種の干渉計・イメージング観測

周辺装置

E層FAI観測用24アンテナ

なぜ南極大気研究が大事なのか• 地球気候の中での極域の役割– 大気大循環の終着点であり出発点• 極域固有の現象– オーロラ（宇宙空間からのエネルギー流入）– 極域固有の雲：極成層圏雲・極中間圏雲– オゾンホール– ブリザード（極低気圧、カタバ風）

カタバ風

極低気圧

人間活動の顕著な影響
極成層圏雲
高度約20kmの冬の低温域
オゾン破壊を加速する⇒オゾンホール発生要因の一つ

オゾンホール

極中間圏雲

オーロラ

高度約85kmの夏の低温域
産業革命以前は存在しなかった？

高度100km以上に出現100万MW以上の真空放電

Aurora

PMC

PSC

海面気圧

地上気温

エルニーニョ発生時の北半球高緯度域の地表応答

現実大気

High-top model (top～80㎞)

Low-top model (top～30㎞)
Cagnazzo and Manzini (J. Climate, 2009)ロスビー波、重力波が駆動する大気大循環80㎞

中間圏重力波

50㎞
成層圏
30㎞

10㎞

G: Gravity waves

P: Planetary waves
ロスビー波

対流圏

S: Synoptic waves
ロスビー波

Plumb (JMSJ, 2002), Okamoto et al (J. Geophys. Res., 2011)

World avoided model
オゾンホールのレベル

現在の全球平均NASA/Paul Newman, et. al.; Goddard Space Flight Center Scientific Visualization Studioオゾンホール消滅時期の再現における重力波の南北伝播の重要性
KANTOモデル

標準的な気候モデルにはオゾンホール消滅期が 約20日遅れるバイアスがあった⇒重力波が60Sに集まる効果をパラメタライズすると解消
McLandress et al. (JAS,2012)

オゾンホール面積

面積

高度

重力波伝播経路

月
Sato et al. (GRL, 2009)

国際宇宙科学研究所:重力波研究チーム
Gravity Waves for Global Climate Prediction andWeather Forecasting Applications1月

7月

衛星観測（気球観測）

気候モデル
上3つ：重力波パラメ
タリゼーション
下2つ：重力波解像
Geller et al. (J. Climate, 2013)

お手本はMUレーダー(京都大学生存圏研究所)
475本ｘ１MW

重い(>50kg)

消費電力が大きい(230kW)
AB級アンプの採用（滋賀県信楽町）

京都大学生存圏研究所提供

PANSY レーダー
(南極昭和基地)

1045本ｘ500kW

最適化設計
軽くて丈夫!
(12kg)

かなり省エネ(75kW)
E級アンプの採用

第VIII期：PANSYレーダーの建設と調整
52次隊(堤他 夏隊4＋２名、越冬隊2名)
成果：1000本のアンテナ設置、3群による初期観測（2011/３/30)
53次隊（佐藤亨他 夏隊６＋１名、越冬隊2名）
成果：アンテナ移設、新１２群の設置と本格観測開始(2012/4/30～)
54次隊（冨川他 夏隊５名、越冬隊３名）
成果： １４群の設置と26群観測調整（輸送の問題。ヘリ、氷上）
５５次隊（藤田他 夏隊4名、越冬隊2名）
目標： 21群の設置と47群観測調整（予定）
５6次隊
目標: 8群＋FAIの設置と55群観測調整（予定）
５７次隊
53次隊以降、１２群観測は目標： 55群キャンペーン観測システム調整期間以外は継続的に行っている

PANSYシステム構築

12群観測は連続
全群観測はキャンペーンPANSYレーダーの現状
南極最大の大型大気レーダーとして観測中

18

中間圏夏のエコー

中間圏冬のエコー

対流圏と成層圏のエコー

Sato et al. (JASTP, 2013)

対流圏顕著現象の成因と物理-地形の役割- Nomoto et al. (submitted to MWR)

• 鉛直風の再現が難しい• 地形（カタバ風）が影響している可能性大

事例解析の積み重ね
モデルの理想実験による物理の解明

PANSY 観測
2013年4月

対流圏界面の科学
ECMWF

高度(km)

PV@315K

低緯度空気の流入
澁谷修士論文(2014)
日

Sato et al (JASTP, 2013)

Mihalikova et al. (ANGEO, 2013)

多重圏界面の成因：圏界面漏斗＋重力波国際共同観測の実施
国内・国際シンポ等で議論・調整

ポスドク
スウェーデンから

二国間交流
H24,25
オーストラリア

共同研究
アメリカ

世界のレーダー同時観測＆現実全大気の高解像
シミュレーション

NiCTWDS

京大
RISH

日本の大型大気レーダー観測網

PANSY Data Analysis Center (Oct. 2013 ～)(under Data-centric Research Commons Project, ROIS)
ROIS
U. Tokyo

Domestic
Community
Kyoto U.
Hokkaido U., Tohoku U.,
ECU, Shinshu U., Nagoya
U., Kyushu U., Ryukyu U.,
MRI, NIES, JAMSTEC,JAXA, NICTInternational
Community

National Institute ofPolar Research

PANSY Data
Analysis Center

Domestic
collaborative
research
Visiting Scientist

SCARInternational
collaborative
research

Steering Committee~10 members

Meetings,
Symposia

SCOSTEPCOSPAR
WCRP

Extend domestic/international
collaborative research
To be extended

RadarOperation

Data Analysis・
Delivery

Assimilation
Numerical model

Technical development
Internat’l campaign

Data delivery
Operation

Real-time data

Syowa St.

High resolution modeling
Original data

Novel technique