Silviase/jgov_v1.4_full_ann huggingface dataset:
“Water vapor tendency associated with MJO represented in global reanalysis products”

「大気海洋結合のある浅水方程式系において導出された遅い東進モードと MJO」

32）安永数明：日本気象学会2014年度春季大会（2014）

「MJO における風の回転成分による水蒸気輸送の効果」

33) C. Takahashi and R. Shirooka: AOGS2014, Sapporo, Japan, 2014

“Synoptic-scale disturbances over the North Pacific with the MJO in boreal winter”

34) N. Sato, M. Nonaka, Y. Sasai, H. Sasaki, and R. Shirooka: AOGS2014, Sapporo, 2014

"The SST front maintained by early-summer westerly wind in the Kuroshio/Kuroshio Extension region"

35) K. Yasunaga: AOGS2014, Sapporo, Japan, 2014

“Dry Air Advection by Transient Eddies within an MJO”

36）佐藤尚毅、野中正見、笹井義一、佐々木英治、城岡竜一：日本気象学会2014年度秋季大会(2014)

「梅雨期の強い西風によって維持される黒潮続流域の水温勾配」

37）安永数明：日本気象学会2014年度秋季大会（2014）

「MJOの発達期・衰退期における水平風による水蒸気輸送の効果」

38）高橋千陽、城岡竜一：日本気象学会2014年度秋季大会（2014）「北半球冬季の熱帯季節内降水の将来変化と遠隔影響」

39) S. Yokoi: 2014 AGU Fall Meeting, San Francisco, USA, 2014

“Multi-reanalysis comparison of variability in Analysis Increment of Column-integrated Water Vapor associated with Madden-Julian Oscillation”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）「国民との科学・技術対話」の実施

1）教員向け公開講座「夏季教員セミナー」（主催：多摩六都科学館、2012年7月26日、多摩六都科学館、観客約20名）で講演

2) 教員免許状更新講習（2012年8月23日、參加者29名）にて成果紹介

3）一般公開講座「天気図で学ぶ天気予報と気象学」（主催：東京学芸大学、2012年10月11日、東京学芸大学、観客約20名）にて成果紹介

4）一般公開講座「天気図で学ぶ天気予報と気象学」（主催：東京学芸大学、2013年10月10日、東京学芸大学、観客約20名）にて成果紹介

5）東京都高等学校文化祭自然科学部門中央大会（主催：東京都、2013年11月24日、東京都立多摩科学技術高等学校、観客約200名）で講演

6）小金井市立緑中学校における特別授業「熱帯の海と温帯低気圧」（2014年2月13日、聴講者約240名）
7）第2回気象サイエンスカフェ北陸in富山「台風の故郷、熱帯気象へようこそ」（2014年3月1日）

8）一般公開講座「天気図で学ぶ天気予報と気象学」（主催：東京学芸大学、2014年6月23日、東京学芸大学、観客約20名）にて成果紹介

9）一般公開講座「数値シミュレーションに挑戦」（主催：東京学芸大学、2014年6月30日、東京学芸大学、観客約20名）にて講演

10) 教員免許状更新講習（2014年8月21日、參加者32名）にて成果紹介

11）日本技術士会富山県支部第22回講演会「頻発する大雨災害 自然変動か？温暖化に伴う気候変動か？」（主催：日本技術士会富山県支部、2014年11月15日）にて講演

12）東京都高等学校文化祭自然科学部門中央大会（主催：東京都、2014年11月23日、東京都立多摩科学技術高等学校、観客約200名）で講演

## （５）マスコミ等への公表・報道等

特に記載すべき事項はない。

## (6) その他

特に記載すべき事項はない。

### 8 \. 引用文献

1) S. Yokoi, and Y. N. Takayabu: J. Meteor. Soc. Japan, 87, 525–538 (2009)

“Multi-model projection of global warming impact on tropical cyclone genesis frequency over the Western North Pacific”

3）横井覚、吉村純：日本に近づく台風の変化、公益社団法人日本気象学会地球環境問題委員会編、91-92（2014）

「地球温暖化－そのメカニズムと不確実性－」
# (5) 対流圏－成層圏循環場とアジア気候の将来変化に関する研究

独立行政法人 海洋研究開発機構

基幹研究領域 統合的気候変動予測研究分野 河谷芳雄

<研究協力者>

国土交通省 気象庁 気象研究所 気候研究部 第一研究室 野田彰

平成24～26年度累計予算額：7,396千円（うち、平成26年度予算額：3,000千円）

予算額は、間接経費を含む。

## [要旨]

60年分の東西風観測データを用いて成層圏赤道準2年振動（QBO）振幅の経年変化を調べたところ、高度70hPaのQBO振幅がこの60年間で30%以上減少していることを発見した。更にQBOを再現しているCMIP5モデル全てが地球温暖化に伴ってQBOが弱まり、赤道上昇流が強まっていた。温暖化を伴わない実験ではこれらの変化は見られず、QBOと赤道上昇流の変化は地球温暖化が原因であることを裏付けた。本研究により地球温暖化の新たなシグナルが、成層圏のQBOという現象に既に現れていることを発見するとともに、大気微量成分を全球に運ぶ極めて重要なBDCの強化を観測データから世界で初めて立証し、気候モデル予測の正当性を示した。

最新のMLS観測データを用いて、赤道域上部成層圈で時間と共に下方伝播する水蒸気偏差の存在を発見し、上部対流圈から下部成層圈にかけては上方伝播する成分が卓越することを示した。次に気候モデル実験及びCMIP5モデルを用いてそのメカニズムの解明を試みた。上部成層圈に関しては、QBOが引き起こす2次的な鉛直循環と、メタンの酸化によって上部成層圈で水蒸気が作られる効果の掛け合わせによって説明できた。一方下部成層圈に関しては、対流圈界面まで下りてきたQBOが、その場所で温度偏差を作ることによって引き起こされており、下部成層圈における水蒸気の年々変動と、対流圈界面付近でのQBO振幅との間に高い相関があることを明らかにした。

CMIP5モデルについて成層圏をフルカバーするハイトップモデルとフルカバーしないロートップモデルに分類し、対流圏一成層圏の東西風の再現性を調べた。年々変動成分についてはハイトップモデルの再現性の方が良く、その中でもQBOを再現しているモデルが更に良好なことが判明した。更に波動と平均場の相互作用において、波動の増幅と減衰の効果を陽に取り扱うことを可能にする新たな解析手法の導出に成功した。その結果、負の渦拡散が東西風ジェットの形成や対流圏中・上層の傾圧帯形成に及ぼす効果を初めて定量的に見積もる事が出来た。

[キーワード]

地球温暖化、赤道准2年振動、成層圈大規模循環、成層圈水蒸気、新解析手法
### 1. はじめに

本サブテーマでは、観測データ、気候モデル実験、及びCMIP5モデルの20世紀再現実験と将来予測実験のデータ解析を組み合わせて、対流圏一成層圏循環場に関する研究を行った。対流圏と比べて成層圏では経度方向の変化が比較的小さく、大規模循環で構成されている成層圏全体の構造や温暖化時のレスポンスを調べる必要がある。本サブテーマでは（1）地球温暖化時のQBOとBD循環の変化、（2）気候変動に重要な役割を果たす成層圏水蒸気の年々変動の解明、（3）成層圏を含む・含まないモデルでの東西風の年々変動の再現性、（4）力学場・放射場の変化と対応した対流圏一成層圏大規模循環場の特徴を記述可能な方程式系の導出とデータ解析への適用、について研究を遂行した。

## (1) 地球温暖化時のQBOと成層圏大規模循環の変化

赤道準2年振動（QBO）は対流圈－成層圈結合を引き起こし、広範囲の力学・化学過程に影響を及ぼす為、気候変動を考える上で重要な気象現象の1つである。QBOは成層圈を含まない低解像度気候モデルではQBOを再現されず、CMIP3ではQBOを再現しているモデルは無かったため、AR4では温暖化に伴うQBO変化に対する記述は無かった。成層圈では、赤道域で上昇し、そこから南北両半球に広がり、高緯度では下降する、ブリューワー・ドブソン循環（BD循環）と呼ばれる大規模な循環が存在する。BD循環は人体に有害な紫外線を防ぐオゾンや、気候変動と関係する水蒸気などの大気微量成分を全球的に運ぶ働きがあり、極めて重要な地球規模の循環である。現在、世界中の主要な気候モデルのほぼ全てが、地球温暖化に伴ってBD循環が強まることを予測している。地球温暖化は既に始まっており、実際にBD循環が近年強まっているかどうかを各種観測データ解析から検証する試みが行われてきた。しかしながら、BD循環に伴う赤道域上昇流は0.3 mm s⁻¹程度と非常に弱く、現在の観測技術ではその直接観測は不可能である。従ってBD循環が強まっている事を明示する観測データは無く、気候モデルの予測が正しいかどうかは十分に検証されていない状況が続いてきた。

QBOとBD循環に伴う赤道域上昇流は密接に関連し合っている。BD循環に伴う赤道域上昇流は、QBOが上から下に下りるのを妨げる働きをする。現在気候では、QBOは赤道上昇流に対抗しながら、高度約18kmに位置する対流圈界面付近まで下りている。しかしながら地球温暖化に伴って赤道域上昇流が強まると、QBOが対流圈界面付近まで十分に下りる事が出来なくなり、結果として高度19km付近のQBOは弱くなる。この地球温暖化に伴うQBOの変化は、最新の気候モデル研究で得られた知見である（Kawatani et al. 2011 $ ^{1} $ ）,2012 $ ^{2} $ ）。これによって、東西風の観測データを用いて高度19kmにおけるQBO強度の変化を解析する事で、赤道域上昇流の長期変化を考察する事が可能になった。

## (2) 成層圈水蒸気の年々変動特性の解明

成層圈水蒸気は全球の放射強制力に寄与し、気候変動に重要な役割を果たしている。成層圈水蒸気量の変化が地表面温度の変化と対応していることを指摘する研究（Solomon et al. 2010, Science $ ^{3} $ ）もある。水蒸気はBD循環に沿って成層圈の幅広い範囲に運ばれる。対流圈から成層圈に運ばれる水蒸気の入口は、BD循環の出発点に相当する熱帯域対流圈界面にある。成層圈へ運ばれる水蒸気量は、対流圈界面の温度を関数とした飽和水蒸気圧に従って決まるため、熱帯圈界面
の温度変動は、成層圏水蒸気の変動に深く関わっている。10年程度前までは、成層圏水蒸気を高精度且つ長期間計測できる観測機器は無く、成層圏の水蒸気変動に関しては未知な部分が多く残されている。

## (3) 成層圏を含む・含まないモデルでの東西風の年々変動の再現性

CMIP3では成層圏をフルカバーするハイトップモデル（モデル上端高度が50－60km以上）が無く、全てのモデルがロートップモデルに属していたのに対して、CMIP5では、少なくとも11研究機関14モデルがハイトップモデルとして参加している。成層圏を含む・含まないが顕著に現れる物理量として東西風が考えられる。

## (4) 対流圈－成層圈大規模循環場の特徴を記述可能な方程式系の導出

対流圈－成層圈大規模循環において平均場と波動（渦）の相互作用を記述する方式として、変換オイラー平均（TEM）が広く用いられてきた。しかし、この方式は、減衰も成長もしない（中立性）波動が暗黙裡に仮定されていることが明らかになり、実際の大規模循環場への適用には更なる拡張が必要とされる。

## 2 ．研究開発目的

## (1) 地球温暖化時のQBOと成層圏大規模循環の変化

Kawatani et al. (2011) $ ^{1)} $ の気候モデル実験で示された、地球温暖化に伴う下部成層圏QBO振幅の弱化が、現実大気に実際に現れているのかどうか、長年蓄積された観測データを用いて検証する。CMIP5では成層圏まで解像する気候モデルが登場したので、最初にCMIP5でQBOを再現しているモデルを抽出し、そのモデルを用いて同様な解析を行う。

## (2) 成層圈水蒸気の年々変動特性の解明

2004年6月に打ち上げられたAura MLS衛星によって、これまでにない精度で成層圏水蒸気を測ることができるようになった。そこでMLSと気候モデルを組み合わせて、成層圏水蒸気の年々変動の実態とそのメカニズムを明らかにすることに取り組む。

## (3) 成層圏を含む・含まないモデルでの東西風の年々変動の再現性

対流圈－成層圈の東西風の平均構造及び年々変動成分の再現性に対して、成層圈が果たす役割を調べる。さらにQBOの影響も調査する。

## (4) 対流圈－成層圈大規模循環場の特徴を記述可能な方程式系の導出

従来の法では考慮されていなかった摩擦抵抗力・非断熱加熱と不安定・減衰波の効果を取り入れて一般化された方式（GTEM）を導く。

### 3. 研究開発方法

## (1) 地球温暖化時のQBOと成層圏大規模循環の変化

ベルリン自由大学（FUB）が提供している1953年から2012年までの月平均東西風データを用いる。
データはKanton（3°S，172°W）、Gan（1°S，73°E）、Singapore（1°S，104°E）の赤道近傍3点の月平均東西風から作成され、1953年1月から現在までのデータが揃っており、QBO研究で最も利用されている観測データである。本研究では更にIntegrated Global Radiosonde Archive（IGRA）で提供されているゾンデで観測された東西風データを利用した。IGRAには数多くの観測点データが含まれているが、多くの地点でデータサンプルが散在しており、連続的なデータは取られていない。10°S-10°Nの範囲に存在する220点全ての地点観測データを調べたところ、70hPaにおけるQBO振幅の長期トレンドを解析可能な観測地点はSingapore以外に、Chuuk（7°N，152°E）、Koror（7°N，135°E）、Majuro（7°N，171°E）、Ponape（7°N，158°E）、Penang（5°N，100°E）の5点存在した。CMIP5についはMPI-ESM-MR，HadGEM2-CC，MIROC-ESM-CHEM，MIROC-ESMの4種類のモデルがQBOの再現に成功していた。これらのhistorical及びrcp45実験の出力データを解析し、温暖化に伴うQBOの変化を調べた。得られたQBO変化が温暖化に伴うものかどうか更に検証する為、温暖化の影響が無い（例：CO₂濃度が一定）preindustrial control run（piControl run）のデータも合わせて解析する。

## (2) 成層圈水蒸気の年々変動特性の解明

2004年8月から2014年1月までの約10年分のMLS水蒸気データを解析する。データは月平均及び帯状平均したものを用いる。最初にスペクトル解析を行い、各高度で水蒸気変動の卓越する周期を調べる。次にMIROC-AGCM気候モデルによる実験を行う。解像度はT106L72で、積分期間は30年間とする。成層圈水蒸気の年々変動に対する、メタン酸化の効果を調べるため、メタン酸化パラメタリゼーションを取り入れた実験と外した実験を行う。次にCMIP5モデルを用いて、成層圈水蒸気の年々変動の再現性を調査し、メカニズムの解明に迫る。

## (3) 成層圏を含む・含まないモデルでの東西風の年々変動の再現性

CMIP5モデルを、成層圏をフルカバーするハイトップモデルと、フルカバーしないロートップモデルに分類する。対流圏－成層圏の東西風の平均構造及び年々変動成分を調べ、ハイトップ、ロートップモデルで差がみられるかどうかを調査する。さらにハイトップの中から、QBOを再現しているモデルを抽出し、QBOの再現性の影響を調べる。

## (4) 対流圈－成層圈大規模循環場の特徴を記述可能な方程式系の導出

中立波に基づいて定式化された3次元TEM法（Noda, 2010） $ ^{4)} $ に対して、摩擦抵抗力・非断熱加熱と不安定・減衰波の効果を取り入れて拡張したGTEM法を開発する。このGTEM法の有効性と新奇性を確認するために高解像度大気モデルによる気候シミュレーションを行い、出力データを用いてGTEM法による解析を行う。

## 4 ．結果及び考察

## (1) 地球温暖化時のQBOと成層圏大規模循環の変化

図(5)-1に、観測データから計算されたQBO振幅の時間－高度断面図と、70hPa(高度約19km)におけるQBOの強さの時間変化を示す。QBOの強さは70hPaで統計的有意な負のトレンドが見られる。この60年間に3割以上減少している事が新たに発見された。図(5)-2はChuuk、Koror、Majuro、Ponape、
Penang、SingaporeにおけるQBO振幅の時間変化を示す。全ての地点でQBO振幅の弱化傾向がみられる。

次に同じ解析手法を用いてQBOの再現に成功しているCMIP5気候モデルデータを用いて、QBOと赤道域上昇流の長期変化を解析した。ここでは1900年から2100年までのデータを用いた結果を示す。1900年から2005年までは、観測データに基づいた温室効果ガスなどのデータを気候モデルに入れて計算し、2006年以降は温室効果ガス濃度の排出シナリオを与えて計算している。QBOを再現する事に成功しているドイツ、イギリス、日本の気候モデル（日本のモデルは2種類）による、高度19kmにおけるQBO強度と赤道域上昇流の変化を図(5)-3に示す。これら全てのモデルで20世紀から21世紀にかけてQBOが弱まり、赤道上昇流が強まっている。また、図(5)-4に温暖化を伴わない気候モデル実験データ結果を示す。QBOと赤道上昇流に有意な変化は見られず、QBOと赤道上昇流の変化は地球温暖化が原因である事が裏付けられた。

本結果は観測データを用いて、地球温暖化のシグナルが成層圏QBOという現象の変化として現れている事を示すとともに、今まで気候モデルで予測されていたBD循環の強化を、観測データから初めて立証した成果である。温暖化ガス増加による地球温暖化のシグナルは、成層圏では気温の低下として現れる事は周知である（IPCC評価報告書でも既に報告されている）が、QBOの弱化・BD循環の強化といった形でも既に現れていることが明らかになった。

図(5)-1（左）成層圈QBO振幅の時間－高度断面図。右のプロファイルは振幅のトレンドを示す。赤線が1953年－2012年、青線が1976年－2012年。有意なトレンドは黒丸で示している。70hPaで有意な負のトレンドが見られる。（右）70hPaにおけるQBO振幅の時間変化。
図(5)-2 Chuuk, Koror, Majuro, Ponape, Penang, Singaporeの高度70hPaにおけるQBO振幅の時間変化。全ての地点でQBO振幅が弱まっている事が分かる。

赤道上昇流の強さ

図(5)-3 高度約19kmにおける（左）QBOと（右）赤道域上昇流の変化。(a,b)が観測データ、(c,d)がドイツ、(e,f)がイギリス、(g,h)が日本の気候モデルによる計算結果。縦軸の値が大きいほど、（左）QBOに伴う西風・東風の風速、（右）上昇流が大きい事を意味する。20世紀から21世紀にかけてQBOは弱まり、赤道域上昇流は強まる様子が見られる。
mean tropical upwelling

図(5)-4 図(5)-3と同様。ただし温暖化を伴わないコントロール実験。

## (2) 成層圈水蒸気の年々変動特性の解明

スペクトル解析から成層圈水蒸気の年々変動成分は、下部成層圈から上部成層圈に掛けてQBO成分が卓越することが分かった。従ってQBOの位相を基準としたコンポジット解析を行った。図(5)-5に成層圈水蒸気の年々変動成分の時間－高度断面図を示す。赤道域上部成層圈では時間と共に下方伝播する水蒸気偏差の存在が発見された。一方で赤道域上部対流圈から下部成層圈にかけては、上方伝播する成分が卓越している。次に得られた現象について、MIROC-AGCM（東京大学、国立環境研究所、独立行政法人海洋研究開発機構で開発されてきた大気気候モデル）実験及びCMIP5に参加した世界の気候モデルを用いてそのメカニズムの解明を試みた。上部成層圈では成層圈水蒸気過程をきちんと取り込んだモデルのみ、観測と同様な水蒸気年々変動成分が得られることが判明した。上部成層圈の年々変動成分に関しては、上部成層圈の赤道準2年振動（QBO）が引き起こす2次的な鉛直循環と、メタンの酸化によって上部成層圈で水蒸気が作られる効果の掛け合わせによって説明できることが分かった。図(5)-6は4種類のCMIP5モデルで再現された成層圈水蒸気の年々変動成分の時間－高度断面図。各図の右のグラフは、衛星観測（黒）とモデルの長期平均された水蒸気の鉛直プロファイルを示す。上部成層圈で下方伝播する年々変動の再現性は、水蒸気の平均鉛直プロファイルに依存しており、時間平均水蒸気量の鉛直プロファイルが現実的であるモデルは年々変動成分が大きく、鉛直勾配を過小評価しているモデルは、年々変動成分も過小評価していることが分かる。

一方、下部成層圏の年々変動成分に関しては、対流圏界面まで下りてきたQBOが、その場所で温度偏差を作ることによって引き起こされていた。すなわちQBO振幅に伴う対流圏界面の温度偏差が暖かく（冷たく）なる時に、より多くの（少ない）水蒸気量が成層圏へと運ばれ、下部成層圏における水蒸気の年々変動と、対流圏界面付近でのQBO振幅との間に高い相関があることが明らかになった。図(5)-7に各気候モデルの高度100hPaにおける温度と水蒸気、及び高度70hPaにおける水
蒸気の年艶変動成分の時間変化を示す。QBOに伴う高度100hPaの温度変動が大きいモデルほど、100hPaの水蒸気変動が大きく、それが下部成層圈70hPaの水蒸気変動を決定していることが分かる。

Kawatani and Hamilton (2013) $ ^{5)} $ では、下部成層圈最下層のQBO振幅が、過去数十年にわたって弱まっている事を世界で初めて発見したが、本研究により、温暖化に伴うQBO変化が、具体的に他の現象に与える影響を示すことができた。すなわち、温暖化に伴って成層圈最下層のQBO振幅が弱まることで、QBOを介した対流圈－成層圈結合も弱まり、対流圈から成層圈へ上方伝播する水蒸気変動を弱めることになる。成果はKawatani et al. (2014) $ ^{6)} $ として発表した。

図(5)-5 成層圏水蒸気の年々変動成分の時間－高度断面図。東西風で見たQBOの位相が高度30hPaで西風から東風に変わる月を基準にコンポジットを施した。青（赤）色は水蒸気が多い箇所を示す。

図(5)-6 4種類のCMIP5モデルで再現された成層圈水蒸気の年々変動成分の時間－高度断面図。各図の右のグラフは、衛星観測（黒）とモデルの長期平均された水蒸気の鉛直プロファイルを示す。
MIROC-AGCM MPI-ESM-MR HadGEM2-CC MIROC-ESM-CHEM MIROC-ESM

図(5)-7 各気候モデルの100hPaにおける(a)温度、(b)水蒸気、(c)70hPaにおける水蒸気の年々変動成分の時間変化。

## (3) 成層圏を含む・含まないモデルでの東西風の年々変動の再現性

図(5)-8に1月における帯状平均東西風と年々変動成分の緯度－高度断面図を示す。比較の為の観測データとしてERA-Iの再解析データを用いた。ロートップモデルでは、北半球の極夜ジェットの変動をかなり過小評価している。またERA-Iでみられる北緯60-70度の大きな年々変動成分が、対流圏まで十分に下りてきていない様子が分かる。一方ハイトップモデルでは極ジェットの変動の再現性が改善されている。更にQBOを再現しているハイトップモデルでは、赤道域成層圏に加えて北半球高緯度10hPa付近の年々変動成分の再現性がかなり良くなっている。一方で長期平均した東西風の構造には有意な差は見られなかった。モデル上端より物理過程の影響が大きいと考えられる（cf. Manzini et al. 2014 $ ^{7} $ ）。

図(5)-9に高度50hPaの1月における東西風と年々変動成分のアジア域水平マップを示す。赤道域の変動の再現性の優劣は、QBOを含むハイトップモデル、QBOを含まないハイトップモデル、ロートップモデル、と位置づけられる。また高緯度域の変動も同様に位置づけられる。帯状平均場のみならず、日本域北側での年々変動成分も、成層圏が入る事で現実的になることが分かった。これらの結果から、成層圏の有無は、東西風の基本場には影響を与えない、もしくは異なる物理過程を用いている影響の方が強く出て見られない、ということが考えられる。一方で年々変動成分については、成層圏の有無が決定的であり、年々変動の大きさを考察するには成層圏を入れる事が必要不可欠であると言える。
(a) ERA-I

(b) Low-top models (9)

(c) High-top models (9)

(d) QBO models (4)

図(5)-8 1月における帯状平均東西風（色）と年々変動成分（コンター）の緯度－高度断面図。(a)ERA-I、(b)ロートップモデル、(c)QBOを再現していないハイトップモデル、(d)QBOを再現しているハイトップモデル。

(a) ERA-I

(b) Low-top models (9)

(c) High-top models (9)

(d) QBO models (4)

図(5)-9 高度50hPaの1月における東西風（色）と年々変動成分（コンター）のアジア域水平マップ。（a）ERA-I、（b）ロートップモデル、（c）QBOを再現していないハイトップモデル、（d）QBOを再現しているハイトップモデル。
## (4) 対流圈－成層圈大規模循環場の特徴を記述可能な方程式系の導出

従来の変換Euler 法では考慮されていなかった摩擦抵抗力・非断熱加熱と不安定・減衰波の効果をとりいれて一般化されたGTEMを導出した(Noda, 2014) $ ^{8)} $ 。GTEM のエッセンスは、Boussinesq 流体について、WKB 近似の非中立波（周波数・波数が複素数）を仮定すると、渦運動量輸送を表す Reynolds ストレステンソルと熱（温位）渦輸送フラックスベクトルが

$$ \begin{aligned}Reynolds ストレスの水平成分 =( 反対称渦拡散テンソルによる拡散 )+( 対称渦拡散テンソル \\ による拡散 )+(Eliassen-Palm フラックス )+( 渦摩擦フラックス )\end{aligned} $$

$$ \begin{aligned} 熱渦輸送フラックス &=( 反対称渦拡散テンソルによる拡散 )+( 対称渦拡散テンソルによる拡散 )\\&\quad+( 渦非断熱加熱フラックス )\end{aligned} $$

の形で得られ、渦拡散テンソル、Eliassen-Palm(EP)フラックス(テンソル)、浮力フラックスが、周波数・波数を陽に含まずに、速度、温位の擾乱の共分散量と摩擦抵抗力・非断熱加熱擾乱のHilbert変換渦フラックス、及び、基本場の傾きの関数として代数的に求まることにある。従来のTEMでは、渦拡散テンソルの反対称部分のみを考慮し、対称部分を無視又はEPフラックスとしてEに繰り込まれていた。

平均基本場の運動方程式、熱力学方程式において、渦拡散テンソルの発散は、渦輸送速度ベクトルとしての効果を持つ。GTEM法の特性を最も顕著に示す例として、理論的な傾圧不安定波に適用し手得られた渦輸送速度ベクトルと、ラグランジュ的な平均速度ベクトルを図(5)-10に示す。中立波を仮定した従来のTEMでは、渦輸送速度ベクトルとラグランジュ的な平均速度ベクトルはほぼ一致するが、不安定性が強いと、速度ベクトル場が発散的になり、かつ、向きが逆になることがわかる。

図(5)-10 傾圧不安定波により励起される東西平均子午面流。左）GTEM法、右）ラグランジュ的平均（Uryu，1979）。子午面流の大きさはほぼ同じだが、向きが逆転しているのが分かる。

次に、実際のデータ解析への応用例を示す。気候モデルMIROCの大気部分（T106、72層）を用いた長期気候積分の1年分について、通常の変数に加え摩擦抵抗力と加熱項を含む毎時間データを出力し、ここでは1月のデータについて、GTEM法の静力学近似の解析結果を示す。図(5)-11に図(5)-10に対応する対称渦拡散テンソルの発散ベクトル場と特徴的平均周波数の実数部と虚数部の比を示す。虚数部の符号は対称渦拡散テンソルの固有値の符号と一致する。負の渦拡散の領域は平均基本場の傾度を強めるような渦フラックスが生じている事を意味する。極夜ジェットの
局側や傾圧不安定帯では、負の渦拡散が生じている。そこでは、図(5)-10の不安定波の場合とは逆に、速度場の収束が見られる。

図(5)-11 GTEM法に基づく1月の平均子午面循環：対称渦拡散テンソルの発散による移流速度と特徴的周波数の実数部と虚数部の比(太線は零等値線)

## 5 ．本研究により得られた成果

## （1） 科学的意義

BD循環の変化はオゾンの全球的な輸送とも深く関わっている。オゾンは大気中の酸素分子が太陽紫外線によって酸素原子に光解離され、生成した酸素原子が周りの酸素分子と化学反応を起こすことによって生成される。従ってオゾンは太陽紫外線の強い低緯度成層圏で主に生成される。生成されたオゾンはBD循環の流れに沿って中高緯度へ運ばれる。つまり赤道域のオゾン量を減らし、中高緯度のオゾン量を増やす方向に働く。地球温暖化に伴いBD循環が強化されると、より多くのオゾンが熱帯から中高緯度へ運ばれる為、オゾンホールが回復する方向に働きかける（ただし、オゾンホールの形成には、BD循環の強度以外に、オゾン破壊物質やオゾンの化学的な消滅量を規定する成層圏の気温の変化、また極渦の強さや成層圏突然昇温等の大気の内部変動とも深く関連する為、BD循環だけでは決定されないことに注意）。これまで行われてきたオゾン層将来予測モデルを使った研究により、将来のオゾン破壊物質の減少に加えて、温室効果ガス増加によるBD循環の強化と成層圏寒冷化に応じて、将来のオゾン層回復の時期が変わることが指摘されている。BD循環の変化に関する新しい知見は、このようなオゾン層回復時期・程度に関する知見に定量的な示唆を与えて修正する可能性があると考えられる。

観測データを用いて地球温暖化のシグナルがQBOという現象に現れている事を示すと共に、今まで気候モデルで予測されていたBD循環の強化について、観測データから世界で初めて立証した成果である。本研究成果によって、例えば、世界的に注目されているオゾンホールについて、オゾンは主に赤道域成層圏で多く生成され、BD循環の流れに沿って南北両半球へ運ばれるので、BD循環の強化は、より多くのオゾンが赤道域から中高緯度へ運ばれる事になり、オゾンホールが回復する方向に働きかける可能性を論理的に示している。

大きな放射強制力を持つ故に、気候変動に重要な役割を果たす成層圏水蒸気の年々変動につい
て、その実態を示しメカニズムの解明をしたことや、中高緯度で成層圏から対流圏まで伸びる東西風の年々変動の再現性には成層圏を含む必要を示した科学的意義は大きい。また、新たなGTEM解析法により、現実的な波動と平均場の相互作用について、理論的に予想された負の渦拡散の効果を初めて定量的に取り扱うことが出来るようになったことの科学的意義も大きい。

## （２）環境政策への貢献

## ＜行政が既に活用した成果＞

特に記載すべき事項はない。

## ＜行政が活用することが見込まれる成果＞

地球温暖化による成層圈循環の応答を初めて観測から実証した。更に温暖化影響の正確な把握には成層圈現象を正しく表現できる気候モデルの利用が必要不可欠なことを示した。これはオゾンホール回復のための政策にも重要である。

## 6 ．国際共同研究等の状況

Scott Osprey博士(英国オックスフォード大学)、Neal Butchart博士（英国ハドレーセンター）、Kevin Hamilton教授（米国ハワイ大学）が主責任者として進められている、気候モデルQBO国際比較プロジェクト(QBOi)に主要メンバーとして参画し、共同研究を進めている。本研究で行った地球温暖化時のQBO変化に関する成果ではこのプロジェクトをリードしている。

成層圈再解析比較国際プロジェクト (S-RIP) のQBO部門（英国オックスフォード大学のLesly Grey 教授及びJames Anstey博士がLeads）にcontributorsとして参画。本研究で得られた温暖化に伴うQBO振幅及び成層圈BD循環の変化について、各再解析データを評価している。

## 7 ．研究成果の発表状況 ※【別添】H26年度研究等成果報告書作成要領 参照

## （1） 誌上発表

## <論文（査読あり）>

1) Y. KAWATANI and K. HAMILTON: Nature, 497, 478–481, (2013)

“Weakened stratospheric Quasibiennial Oscillation driven by increased tropical mean upwelling”

2) Y. KAWATANI, J. N. LEE and K. HAMILTON: J. Atmos. Sci., 71, 4072-4985, (2014)

“Interannual variations of stratospheric water vapor in MLS observations and climate model simulations”

3) A. NODA: J. Meteorol. Soc. Jpn, 92, 411-431, (2014)

“Generalized transformed Eulerian mean (GTEM) description for Boussinesq fluids”

## <査読付論文に準ずる成果発表>

1）河谷芳雄：パリティ、丸善、vol.29、No.04、44-48（2014）

“クローズアップ「成層圏に地球温暖化シグナルを発見！」”
## くその他誌上発表（査読なし）>

特に記載すべき事項はない。

## （2） 口頭発表（学会等）

※発表済みのもの又は確実に発表する予定のものにとどめること。発表年順（古→新）に並べること。

1）野田彰：日本気象学会2012年度春季大会（2012）

「非中立波動に基づいて一般化されたTEM（GTEM）-不安定Eady波への応用-」

2）河谷芳雄、Kevin Hamilton：第4回熱帯気象研究集会（2012）

「種々のデータに現れた赤道準2年振動の変化」

3）河谷芳雄、Kevin Hamilton：日本気象学会2012年度秋季大会（2012）

「種々のデータに現れた赤道準2年振動の変化」

4）河谷芳雄、Kevin Hamilton：研究集会「週間及び1か月予報における顕著現象の予測可能性」(2012)

「種々のデータに現れた赤道準2年振動の変化」

5）河谷芳雄、Kevin Hamilton：2地球流体における流れのスケール間相互作用の力学（2012）「赤道準2年振動の変化と赤道域上昇流」

6）河谷芳雄、Kevin Hamilton：九州大学大気流体セミナー（2012）

「ゾンデ観測とCMIP5モデルに現れた赤道準2年振動の長期トレンド」

7) Y. Kawatani and K. Hamilton: International Workshop on CMIP5 Model Intercomparisons for Future Projections of Precipitation and Climate in Asia, Tsukuba, Japan, 2013

“Quasi Biennial Oscillation and tropical mean upwelling changes in observation and CMIP5 models”

8）河谷芳雄：日本気象学会2013年度春季大会（2013）

「複数のゾンデ観測及びCMIP5モデルに現れた赤道準2年振動の長期トレンド」

9）河谷芳雄，Kevin Hamilton：地球惑星科学连合2013年度连合大会（2013）

「赤道準2年振動と赤道域上昇流の長期トレンド」

10）河谷芳雄：九州大学理学部地球惑星科学教室談話会（2013）「成層圈で新たに発見された地球温暖化シグナル」

12) Y. Kawatani and K. Hamilton: SPARC General Assembly, Queenstown, New Zealand (2014) "Weakening stratospheric quasi-biennial oscillation and trends in tropical mean upwelling"

13) Y. Kawatani, Jae N. Lee. and K. Hamilton: PANSY meeting, Tokyo, Japan, (2014) "Interannual variations of stratospheric water vapor in MLS observations and climate model simulations"

14）河谷芳雄，Kevin Hamilton，Jae N. Lee：地球惑星连合大会2014（2014）
「衛星観測と気候モデルを用いた成層圏水蒸気の年々変動」

15) Y. Kawatani, Jae N. Lee. and K. Hamilton: AOGS2014, Sapporo, Japan (2014)

“Interannual Variations of Stratospheric Water Vapor in Microwave Limb Sounding Observations and Climate Model Simulations”

16）河谷芳雄，Kevin Hamilton，Jae N. Lee：热带気象研究会（2014）

「Interannual Variations of Stratospheric Water Vapor in Microwave Limb Sounding Observations and Climate Model Simulations」

## 17 ）野田彰：日本気象学会2014年度秋季大会（2014）

「波に誘起された渦拡散テンソルとStokes ドリフトの関係」

18) A. Noda and Y. Kawatani: AGU Fall Meeting, San Francisco, U.S.A., 2014

"Relationship between wave-induced diffusion tensor and Stokes drift for Unstable Waves"

19) Y. Kawatani: QBO modeling and Reanalysis workshop, Victoria, Canada, (2015) "The QBO amplitude in radiosonde observations and seven reanalysis data"

20) Y. Kawatani: Third International Workshop on “Studies on future climate projection of the Asian region utilizing the CMIP5 multi-model ensemble data”, Tokyo, Japan, (2015) “Seasonal and interannual variations of middle atmospheric water vapor in MLS observations and climate model simulations”

## （3） 出願特許

特に記載すべき事項はない。

## （４）「国民との科学・技術対話」の実施

1）（独）海洋研究開発機構施設一般公開のサイエンスカフェ（主催：海洋研究開発機構、2013年10月12日、海洋研究開発機構横浜研究所、聴講者約100名）「雲より高い場所で地球温暖化のシグナルが見つかった！」を講演

## （５）マスコミ等への公表・報道等

1）成果の記者発表（2013年5月22日掲載、於文部科学省記者クラブ、「地球温暖化に伴う赤道準2年振動の弱化傾向を発見－地球規模の流れの変化を立証する新たな観測的知見－」）

2）毎日新聞（2013年6月7日掲載、朝刊16面、「赤道上空、東西の風弱まる」

3）産経新聞（2013年6月3日掲載、朝刊17面「温暖化で赤道上空の成層圏東西風弱まる」）

4）朝日新聞（2013年5月23日掲載、朝刊37面「温暖化でオゾンホール縮小か海洋研究開発機構が解析」）

5）日刊工業新聞（2013年5月23日掲載、朝刊19面、「赤道域の東西風 60年で3分の1 海洋機構」）

6）電気新聞（2013年5月23日掲載、朝刊1面、「地球温暖化の原因 赤道から南北へ 成層圈 風強まる 海洋研とハワイ大が立証」）

7）日経産業新聞（2013年5月23日掲載、朝刊11面、「成層圏空気の流れ変化 海洋機構など温
暖化響く」）

8）東奥日報新聞（2013年5月23日掲載、朝刊23面、「温暖化で東西風弱まる 赤道上空の成層圈極方向には強化 日本研究チーム 「オゾン層予測に有効」）

9）科学新聞（2013年5月31日掲載、朝刊4面、「温暖化が成層圏の流れ強化　－海洋機構がシミュレーション解析－　オゾンホール縮小に寄与？」）

10）共同通信（2013年5月23日配信、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

11）時事通信（2013年5月23日配信、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖化で上昇流強く－気象に影響か・海洋機構など」）

12）東京新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる 赤道上空」）

13）北海道新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

14）東奥新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圈、温暖化で東西の風弱まる 赤道上空」）

15）中日新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圈、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

16）京都新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

17）西日本新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

18）中国新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

19）愛媛新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

20）新潟日報web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる 赤道上空」）

21）下野新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圈、温暖化で東西の風弱まる 赤道上空」）

22）神戸新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圈、温暖化で東西の風弱まる 赤道上空」）

23）山陰中央新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

24）長崎新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

25）大分合同新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

26）日本海新聞web版（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

27）Yahoo!ニュース（2013年5月23日掲載、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖化で上昇流強く－気

28）infoseekニュース（2013年5月23日掲載、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖化で上昇流強く－気象に影響か・海洋機構など」）

29）世界日報（2013年5月23日掲載、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖化で上昇流強＜－気象に影響か・海洋機構などがネイチャー誌に発表」）

30）ウォール・ストリート・ジャーナル（2013年5月23日掲載、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖

化で上昇流強く-気象に影響か・海洋機構など」)

31）exciteニュース（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

32）サーチナ（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

33）マイナビニュース（2013年5月23日掲載、「成層圏の「赤道準2年振動」は過去数10年弱まり続けている - JAMSTECなど」）

34）ジョルダンニュース！（2013年5月23日掲載、「赤道高空の東西風弱まる＝温暖化で上昇流強

35）WEBジャーナルOPTRONICS（2013年5月23日掲載、「海洋研、地球温暖化に伴う赤道準2年振動の弱化傾向を発見」）
36）MY J:COM（2013年5月23日掲載、「成層圏、温暖化で東西の風弱まる赤道上空」）

37）MSN産経ニュース（2013年6月3日掲載、「温暖化で赤道上空の成層圏東西風弱まる」）

38) Science Daily（2013年5月22日掲載、「Tropical Upper Atmosphere’Fingerprint’of Global Warming」）

39) PHYS ORG (2013年5月22日 揭載、「Tropical Upper Atmosphere' Fingerprint' of Global Warming])

40) ScienceNewsline（2013年5月22日掲載、「Tropical Upper Atmosphere’Fingerprint’of Global Warming」）

41）TGDAILY（2013年5月22日揭載、「Tropical Upper Atmosphere' Fingerprint' of Global Warming」）

42）EurekAlert（2013年5月22日揭載、「Tropical Upper Atmosphere'Fingerprint' of Global Warming」）

43) Alternative Fuse (2013年5月22日揭載、「Tropical Upper Atmosphere' Fingerprint' of Global Warming」)

44）TERRA DAILY（2013年5月24日掲載、「Tropical Upper Atmosphere' Fingerprint' of Global Warming」）

45) Summit Country Voice (2013年5月25日 揭載、「Study tracks greenhouse gas fingerprint in tropical atmosphere」)

46) Futra Sciences (2013年5月27日掲載、「Le changement climatique laisse son empreinte dans la stratosphere」)

## (6) その他

7. (1) に記載した、

A. Noda: J. Meteor. Soc. Japan, 92, 411-431, (2014)

“Generalized transformed Eulerian mean (GTEM) description for Boussinesq fluids”が2014年気象集誌論文賞(JMSJ award)を受賞した。

### 8 \. 引用文献

1) Kawatani, Y., K. Hamilton and S. Watanabe, 2011: The Quasi-biennial oscillation in a double CO $ _{2} $ climate, J. Atmos. Sci., 68, 265-283.

2) Kawatani, Y., K. Hamilton and A. Noda, 2012: The effects of changes in sea surface temperature and CO $ _{2} $ concentration on the quasi-biennial oscillation, J. Atmos. Sci., 69, 1734–1749.

3) Solomon S., K. H. Rosenlof, R. W. Portmann, J. S. Daniel, S. M. Davis, T. J. Sanford and G-K Plattner, 2010: Contributions of stratospheric water vapor to decadal changes in the rate of global warming, Science, 327, 1219-1223.

4) Noda, A., 2010: A general three-dimensional transformed Eulerian mean formulation, SOLA, 6, 85-88.

5) Kawatani, Y. and K. Hamilton, 2013: Weakened stratospheric Quasibiennial Oscillation driven by increased tropical mean upwelling, Nature, 497, 478–481, doi:10.1038/nature12140.
6) Kawatani, Y., J. N. Lee and K. Hamilton, 2014: Interannual variations of stratospheric water vapor in MLS observations and climate model simulations, J. Atmos. Sci., 71, 4072-4085.

7) Manzini, E., A. Yu. Karpechko, J. Anstey, M. P. Baldwin, R. X. Black, C. Cagnazzo, N. Calvo, A. Charlton-Perez, B. Christiansen, Paolo Davini, E. Gerber, M. Giorgetta, L. Gray, S. C. Hardiman, Y.-Y. Lee, D. R. Marsh, B. A. McDaniel, A. Purich, A. A. Scaife, D. Shindell, S.-W. Son, S. Watanabe, G. Zappa, 2014: Northern winter climate change: Assessment of uncertainty in CMIP5 projections related to stratosphere-troposphere coupling, J. Geophys. Res. Atmos. 119, 7979–7998.

8) Noda, A., 2014: Generalized transformed Eulerian mean (GTEM) description for Boussinesq fluids, J. Meteor. Soc. Japan, 92, 411-431.