３章：成層圏における物質輸送

1. ３章：成層圏における物質輸送 北半球夏 成層圏における物質輸送では、オゾンにからむ輸送がおおきな問題であろうから、話初めとして、オゾンの分布図から 北半球冬 オゾンの鉛直分布（成層圏で大きな値）、WMO-O3 report, 2007から 全オゾンの全球分布：全オゾンでみると、中高緯度の方が多い、また冬に多いこと

2. 極での全オゾンは春が最大になる。運動が大事（主に、惑星波動によって輸送される）極での全オゾンは春が最大になる。運動が大事（主に、惑星波動によって輸送される） 東西平均した緯度高度図： オゾンホール（南半球） Ozone mixing ratioの南北−高度分布（１月、４月、７月、１０月：ここで１０月は最近の南極域オゾンホールで異なる）、ppmv ある高度でオゾンが無くなっている ＜ーその場の化学過程であろう

3. ３−１：成層圏における運動の様子 対流圏との運動の違いは、成層圏では大気が基本的に安定大気であることであろう (N2= g d (lnθ )/dz が大きい ）-> 波動が卓越する 粒子として元に戻る運動（7pに例） 東西平均した温位構造、Holton et al. (1995, Rev. Geophys.)から、太線が圏界面 西風 東風 西風 より冷たい 全球平均の鉛直温度構造 １月（左）と７月の東西平均した東西風、冬と夏で構造が異なる

4. 赤道域の平均東西風の長周期変動について（波動による運動量輸送が重要）赤道域の平均東西風の長周期変動について（波動による運動量輸送が重要） 西風 赤道域半年振動 東風 赤道 １月の平均東西風 赤道域下部成層圏準２年振動（QBO）

5. 成層圏中の東西に非一様な大気波動： 冬の惑星規模の波動 東西平均の温度の1979年時間変化、突然昇温と呼ばれる 東風になっている 図：１９７９年１月２６日の１０ｍｂのHeight図。北極からみた図である。冬季であることに注意、夏は惑星波動は存在しなくなる １９７９年２月２６日の東西平均風 このような成層圏の中の大気運動に絡めて、物質輸送の問題を考えていくことになる。

6. ５０ｋｍ〜９０ｋｍは中間圏と呼ばれ、温度は高さとともに減少しているが、水はほとんどなく，温度勾配も緩やかなので，基本的には対流は起こっていない５０ｋｍ〜９０ｋｍは中間圏と呼ばれ、温度は高さとともに減少しているが、水はほとんどなく，温度勾配も緩やかなので，基本的には対流は起こっていない しかし、対流圏から重力波が伝わってきて，しかもここで振幅が大きくなり，局所的に不安定が起こっている ー＞　重力波が壊れている中間圏の重力波に伴う温度構造： また、中間圏の重力波(G)が南北循環を生み出している（Plumb, 2002, J. M.S. Japan） 外部重力波のbreakingです（北斎から） こんなimageか？ ー＞１２pの鉛直拡散係数の値 局所的に乾燥断熱減率になって、乾燥対流の起きる条件をみたすことがあるー＞物質の拡散に重要

7. 変位 簡単なモデルで惑星波動にともなう粒子の動きを表現しておこう、Matsuno, 1980, Pageoph 冬の成層圏での定常な惑星波動による移流の効果をみる 南側 北側 高さ、緯度に依存しない平均東西風があるとき、その中に存在する定常な惑星波動の式は、波の振幅の１次のオーダーでは、 ここで、Uは一定の西風、fは一定のコリオリパラメータ、 Nは浮力振動数、Hはスケールハイト、βはコリオリパラメータの緯度変化を示す。また、x, y, z は東西、南北、鉛直座標で、Φ’はGeopotential height、vは南北風を示し、Φ’とは地衡風の関係にある。また東西風は 南北鉛直断面図での流体粒子のトラジェクトリー、上図は振幅の１次のオーダー、下図は次のオーダーまでの計算、ただし、下記のような熱力学の式、 南北に剛体の壁がある場合の１つの解として、 のような波を考える。k, m は東西方向、および鉛直方向の波数。また π/l は南北のスケール。 の項からでてくる、東西平均鉛直流は入っていない。 流体粒子の平均的動きは、ラグランジュ的流れ＝オイラー的東西平均　　＋stokes drift　　　となる、 上の場合、はゼロとなる

8. 成層圏大気では、地球一周の東西平均した量とそれからのずれ（波動）としてよく議論される。成層圏大気では、地球一周の東西平均した量とそれからのずれ（波動）としてよく議論される。 ３−２：物質輸送の１つの表し方 中緯度の惑星波動による（角）運動量の輸送について（ over barは東西平均量、’はそれからのずれの波動） ゆっくりした運動で、重力波はのぞいた運動の場合は右の式になる　ー＞ 変換された（transformed）オイラー平均で惑星波動の振る舞いをみる ( Andrews and McIntyre, 1976, JAS ) 、 子午面循環（残差循環と呼ばれる）を のように定義すると、 熱力学の式で、擾乱の効果が見えないこと（非断熱が鉛直循環に直接からむ形）、運動の方程式において、東西平均風の加速の項が、EP flux (Eliassen-Palm flux)の発散によって表現されることが特徴となる。ここで、 この量は惑星波動の東風運動量を南北と鉛直に運ぶ指標で、psudo-運動量フラックスとも呼ばれる。 この*印のついた子午面循環は、流体の重心の子午面内での平均運動に近似的に等しいことが示されており、物質の移流による輸送に使われている

9. 右辺のforcing termsが評価できれば、南北鉛直の流れが評価できる。 そのような循環を評価した１例、 オイラー平均の子午面循環 eq. 90N 冬半球 eq. 北半球冬 成層圏下層に熱帯から上昇している循環がみえる（Brewer-Dobson循環とよばれる）、上層の方はHeatingのある夏半球が上昇流で冬半球が下降流となっている。

10. 流れ場があって、流体粒子をLagrange的に動かしてー＞南北、鉛直の２次元に投影してみる, Kida, 1983, JMSJ 拡散について： (A) 全体的な移流の他に、拡散（例えば波のtransienceで起こりうる）が起こっている。 核実験後の成層圏の物質分布が上のKidaの数値実験の結果と良く似ている、成層圏の等温位面を流れているかんじ (A) のXXXは初期の場所、(A)は６ヶ月後の分布図、あと１年後づつ

11. Brasseur et al. (1990)では、以下のような式が輸送の式として用いられている。（緯度—鉛直の方向のみの輸送として） 重力波による鉛直拡散とRossby波による水平拡散、上図は東西平均風に働く波動による力の分布 Rossby波によるEP flux 発散 前に議論した残差循環　　　　　　により物質が移流され、さらに拡散が考慮される形 中間圏の鉛直拡散は重力波のbreakingによる運動量の拡散係数が使われている。中間圏で大きな拡散になっている 対応した水平拡散係数 南北拡散は準地衡風近似のとき(Andrews et al., 1987)、ポテンシャル渦度の南北輸送がEP-flux 発散に等しいことで、 のように書かれ、 のような拡散の形として のようにここでは定義されている。

12. 運動の方程式と組み合わせて、物質の輸送の問題が鉛直緯度２次元の範囲で解けることになる運動の方程式と組み合わせて、物質の輸送の問題が鉛直緯度２次元の範囲で解けることになる 結果としての計算されたオゾン分布 ー＞　近年は、１章で説明したような、対流圏を含めた、全球３次元的運動と化学過程を直接解く３次元モデルによる研究に移行

13. ３−３：化学気候モデル モデル結果 例えば、NCARの大気大循環モデルをベースにして、成層圏オゾンを主体とした化学過程をモデルに導入して、化学気候モデルが作成される。 観測結果 Rasch et al., 1995, JGR 大雑把には再現、しかし細かいプロセスまでは表現できていない。 化学反応の例

14. ３DモデルによるCH4分布 これは３次元モデルであるNCAR GCMで再現されたCH4分布図： 観測結果 0.4 0.4 ３次元モデルで、赤道域では鉛直上昇流、中高緯度では下降流（前に述べた循環に対応）および惑星波動による水平混合など、平均的な形はおおよそ再現されている。 ３０度あたりの、低緯度と中・高緯度の境界あたりの構造などがゆるいよう（分解能か？）。

15. N2OとCH4の寿命の長い物質の水平分布図：中／高緯度では成層圏の惑星波動にしたがって運動しているよう。N2OとCH4の寿命の長い物質の水平分布図：中／高緯度では成層圏の惑星波動にしたがって運動しているよう。 これまでの話しをまとめると、成層圏の惑星波動に伴う輸送は、大雑把には下図のようなimageでしょうか Roche et al., 1996, J. Geophy. Res. から、21mb(27km)の高度、CLAES ( cryogenic(低温) limb array etalon spectrometer)衛星観測 Solomon, 1999, Rev. Geophys.

16. 最近の化学気候モデル：オゾンの季節変化の結果最近の化学気候モデル：オゾンの季節変化の結果 Eyring et al., 2006, JGR 最近は多くのモデル結果を持ち寄って、オゾンホール予測に関わって比較検討し問題の抽出をおこなっている。 我々のモデルー＞ モデルによってかなり異なるー＞惑星波動による輸送も異なる

17. 化学気候モデルの赤道域水蒸気シグナル： Eyring et al., 2006, JGR 惑星波動による東風加速により引き起こされ、その強さが北半球冬の方が南半球の冬より強いことにより、赤道域では北半球冬にBrewer –Dobson 循環の上昇流が強くなるー＞強い時、成層圏では低温、しぼられて乾燥化されているよう（cf. Mote et al., 1996, JGR） ＜ー我々のモデル 熱帯域圏界面の温度が低い Roche et al., 1996, J. Geophy. Res. から、21mb(27km)の高度、CLAES ( cryogenic(低温) limb array etalon spectrometer) 水蒸気偏差（ppmv)、青系統が負偏差 ー＞成層圏への輸送

18. 廣岡、森、他 (2004) から １：2002年突然昇温による物質輸送 ３−４：成層圏物質輸送のプロセスをいくつか 突然昇温の現象について；図は南緯６０度、５０hPaの２００２年４月から１０月までの東西に平均した温度の時間変化を示したものである。冬から春への温度変化のなかで（低温からだんだん温度が上がりつつあるとき）、たまに急に温度が上がっている。この様な突然の温度増加現象を成層圏突然昇温と呼んでいる。また極の高温は温度風の関係から東風になる可能性があるので（夏の状況）、１０ｍｂ以下で６０度から極向きに温度が増加して東風が出来るとそれをmajorwarming と呼んでいる。この現象は惑星波動と東西平均風の相互作用でおこっていると言われている。 惑星波動の全球東西波数s＝1の振幅 波数s＝２ MAY JUN JUL AUG SEP OCT

19. 南半球（オゾンホール）の様子（1998-2003年、9月25日のみ）、全オゾン南半球（オゾンホール）の様子（1998-2003年、9月25日のみ）、全オゾン 1998 2000 1999 2001 2002 2003 基本の構造は南極で少なく、オーストラリアの南の方で多いという波数１的パターンが多い。オゾンホールの形は年によりすこしづつ異なっている。2002年はかなり形態が異なっている　ー＞　この年にmajor な突然昇温現象

20. 左図に対応した、南半球の10hPa等圧面高度図（約30kmの高度）。単位はm、等値線間隔は200mの高さの違い。左図に対応した、南半球の10hPa等圧面高度図（約30kmの高度）。単位はm、等値線間隔は200mの高さの違い。 オゾン全量 2002年オゾンホールの急激な変動（9月19-29日） 9月19日 9月25日 9月23日 9月29日 波数１から、２が卓越している オゾン偏差χ’とハイト偏差の近似的な関係

21. ２：中緯度変動の両半球による違い 成層圏のHFの変動から 1hPa 1ppbv 0.45ppbv 上部成層圏はphotochemical生成が卓越 HF、navy->blue->red->brownで準２年おき変化（等値線４月）、矢羽根は残差循環偏差（３月） 10hPa 冬期、42.5度 EPDが強化 熱輸送が増加 HFの1hPaおよび10hPaに於ける北半球（青）と南半球（赤）における時間的変動（1992-2004）、42.5度 10hPaで、北半球の方が増加の程度が高い 北半球の惑星波動は強くなっている、南半球は成層圏では強まっていないよう

22. 上部成層圏の水蒸気変化 ３：成層圏の水蒸気の長期変化Rosenrof et al., GRL, 2001 HALOEによるH2O分布例 より高い高度での変化、8mb（上）, 2mb（下）、月平均の変動 水蒸気の変化、21.5mb, Boulder, CO(40N, 105W)のバルーン観測　HALOEは35-45N, 95-115W　衛星観測 論文では、対流圏から成層圏への輸送の変化が一つの可能性とある

23. 気候モデルによる水蒸気変化：Austin et al., JAS, 2007 化学気候モデルを1960-2005まで走らせる。SST変化などは観測データを利用、また温暖化物質なども増加させるー＞水蒸気の気候変化をしらべる 成層圏の水蒸気が増加、要因としては、CH4の酸化と言っている。 のような反応であろう。cf., Le Texier et al., 1988, QJRMS. CH4の増加は循環の強化のよう 水蒸気の時間変化、青はモデル結果、赤は衛星観測（HALOEによる）の結果、BlackはBoulderでの観測結果である。 77hPaでの上方質量輸送の変化

24. Lagrange的な方法による、Hatsushika and Yamazaki, 2003, JGR ４：インドネシア域の熱帯圏界面近傍の物質輸送 温位350K以下からの粒子から初めて、390K以上にいった粒子の軌跡。　赤系統から青系統で水蒸気の量は減っていく。La Ninaの１月の条件で動かしている。全球に広がるにはtransient運動が重要である。 熱帯の圏界面あたりの水平移流が重要 対流圏から成層圏への粒子の移動の概念図　

25. 西風偏差で高圧偏差の構造 ５：赤道ケルビン波による輸送例 赤道ケルビン波の東西方向の擾乱（線形波動）の運動方程式は南北風 v=0として（コリオリ項が落ちる） 南北方向は地衡風の式はv=0として 波として　のような仮定すると 赤道ケルビン波の水平構造 のような、南北にガウス分布となる構造をもっている。 鉛直方向には、熱力学を考慮すると、等温静止大気のN2＝一定の場合には、 下降変位 ２π／m の形をもち、近似的に下式の関係になる。 ２π／k 等温静止大気でのケルビン波の東西鉛直構造　 東西風に相対的な振動数が小さくなると、鉛直波長は短くなる。 不可逆過程でのケルビン波による物質輸送の例　ー＞

26. Fujiwara and Takahashi, 2001, JGR 熱帯域におけるケルビン波による輸送： 34E, 8月15日のオゾン緯度高度図、Kelvin波のガウス的南北の広がりがみえる。 Kelvin波の下方変位に伴って成層圏から対流圏の方にオゾンが輸送されている。気候学的に（例えば年平均として）どの程度の寄与かは評価の難しさがあり（平均場であまり見えない）、これからの問題である。 オゾンと東西風（影が東向き）の経度／高度断面図　

27. ６：オゾン、エアロゾルの準２年振動について：６：オゾン、エアロゾルの準２年振動について： 東西風の準２年振動 衛星観測によるオゾンの準２年振動、Randel and Wu, 1996, JAS、(a)の点線は(b)のような風にあわせた（西風シアー）QBOの位相、振幅10DU, 4%程度の大きさ オゾンQBOの時間高度図、位相のずれが28kmあたりでおこっている。全体量は下層できまる オゾンQBOの時間緯度図、下がQBO成分のみをとりだしたもの。赤道域と高緯度のQBOは逆位相になっている

28. エアロゾルQBOの振る舞い、上が西風shearのとき（下降流が見える、温度風から, Nov 11,1984）、下が東風shearのときで、上昇流があり(Oct 4,1988)、エアロゾル分布がのびた形になっている。鉛直移流できまっているようである。　Trepte and Hitchman, 1992, Nature ２DモデルでのオゾンQBO anomaly、Jones et al., 1998, JGR、赤系（青系）が+（ー）ozone anomalyに対応。線はQBOがinduceした流線関数、赤道21kmあたりの＋ozoneで下降流