水惑星で SST の緯度経度と全球平均を変えたら大循環はどうなるの?

• はじめに
• モデルと数値実験
• 結果の概観
• 考察 1: ハドレー循環の感度
• 考察 2: ジェットの感度
• 考察 3: 擾乱の感度
• まとめ
• 温暖化するとどうなるか?
• 参考文献

• ハドレー循環, 対流圏中緯度ジェット, 擾乱(波動)に注目
• これで十分か ?

• 純粋な知的興味
• 温暖化研究につながるか?

• 積雲パラメタリゼーションは Arakawa-Schubert
• 放射スキームは中島映至モデル (CCSR/NIES AGCM)
• 緯度方向に 64 点, 経度方向には 128 点, スペクトル空間ではそのうちの 1/3 の情報を捨てている(エリアシング対策)
• 最下層(フラックス面)は σ=0.990 (z=70 m), 最上端は σ=0.01 (z=30 km).

• 地表は全て海面, その温度分布は南北対称な固定分布を与える.
• 日射は陽に与えない. 地表面からの圏熱, 潜熱, 赤外放射で循環が駆動される.
• オゾンなし
• CO2 は現在の濃度
• パラメータ実験数は 9; SST の全球平均 T0 と赤道と極との間の SST の差 ΔT を変化させる.
• 計算モデル時間は各 SST 分布につき 2520 日 (7 年). 後半 1800 日 (5 年)を解析

• データ出力間隔は 1 日
• SX5 をほとんど占有して計算
• 鉛直層数を 20 とするのは対流圏界面付近の構造をきちんと表現したいため
• オゾン層がないのでハドレー循環の到達領域を定義するのが困難だった. 本研究では質量流線関数の値から適当に決めた.

• 最近 Hoskins らは「水惑星標準実験」なるものを提唱している. (Neals and Hoskins, 2001). そこでの温度分布は直線的で本研究とは異なる. Hoskins らの主な 目的はモデル比較実験, とくに積雲パラメタリゼーションのチェッ クのためらしい (Held and Suarez (1994) は乾燥大気だった).

• T0 = 255 実験では表面は仮想的な「凍らない水」に覆われているとしている. 表面が氷の場合は圏熱, 潜熱のフラックスが水の場合と大きく異な る可能性がある.

• ハドレー循環の強度は赤道付近の SST 緯度勾配に敏感, 結果を解釈する際に注意が必要 (佐藤正樹氏談).

• T0, ΔT に対するハドレー循環強度(質量流線関数の大きさ)の感度は 単純ではない.
• 質量流線関数には流れが強くなった効果と子午面循環の領域が広がった効果 が表れる.

• ハドレー循環の高さと幅は
  • T0 , ΔT に比例して大きくなる.
  • 熱帯の SST が同じ場合, だいたい同じ大きさ.

• 温度風の関係と T0 に対する圏界面高度の感度から理解できそうである.
• 地表気温の ΔT が SST の ΔT の比例しているか?

• T0 および ΔT 依存性がよく判別できる.

• T0=295 K 実験ではピークが 2 つ現れる. 不自然であるが原因はよくわからない.

• 15N-15S での緯度経度時間平均降水量とハドレー循環強度との関係.
  • 特徴的な関係はみられない.

• 成層を Γ, 鉛直速度を w, 加熱率を Q, 質量流線関数, H をハドレー 循環の厚さ, L, ハドレー循環の幅, P をハドレー循環全体での凝結加熱 量とする.
  

  Γw=Q, Ψ=wL, QLH=P

  より, Ψ=P/ΓH と見積もられる.

  したがって熱帯の SST が同じ場合, 循環強度は凝結加熱量 (すなわち降 水量) P に比例すると予想される. 計算結果はそれと整合的.

• Ts に比例して降水量は増える.
• ハドレー循環の強度にも依存する.

• 加熱/冷却項 Q の実体は熱帯では潜熱解放, 亜熱帯では放射冷却.
• 降水量 P が水蒸気収束によって決まると考えると鉛直流を決められない.
• ハドレー循環の強度を調べるには亜熱帯での熱力学バランスを 考えなくてはならない.

• Ψmax: 流線関数(水平時間平均)の最大値
• Qt : 亜熱帯(下降域)での正味の加熱率
• A : 亜熱帯(下降域)の面積
• S : 安定度(乾燥静的エネルギーの鉛直勾配) の亜熱帯(下降域)での平均値

• それぞれの T0 について ΔT を増加させると S, A は増加する.
  S と A の Ψ に対する寄与は逆 (Ψ∝A/S) なので, 両者の効果はキャンセルする.
• Ψmax の ΔT 依存性は Qt の ΔT 依存性で説明されるようだ.

• 放射冷却する特徴的温度は, 水蒸気の光学的厚さ(τ)が 1 程度となる高 度での温度

灰色大気放射モデルに本研究の計算結果から得られる水蒸気分布を与えて計算 される τ=1 の高度は,

• T0=255 K 実験 [青] では ΔT によらず 地表
• T0=275 K 実験 [緑] では ΔT を増加させると若干地表から離れる.
• T0=295 K 実験 [赤] では ΔT を増加させると大きく変化する.

• T0=295 K 実験
• T0=275 K 実験の ΔT=60, 90 K の場合

• 角運動量保存的な南北移流によって見積もられる東西風に温度風の 関係を適用して得られる南北温度差と, 地表の南北温度差との比較によって決まる.

• 流線関数がある値となった場所で定義

• 縦軸は質量流線関数の最大値が位置する緯度. これより低緯度側を上昇域とする.

• 循環強度は下降域の幅に比例. よって循環が強いほど上昇域は狭くなる, という表現が正しい?

• T0 が大きくなるにつれて安定度は大きくなる

• 低緯度(熱帯+亜熱帯)では等圧面に沿って水平にほぼ一様.
• ハドレー循環の水平流によるものと想像される.

• 熱帯では鉛直にほぼ一様.
• ハドレー循環の上昇流によるものと想像される.

• 上段: 大気の正味の加熱量
• 中断: 地面から大気へ輸送される正味の熱 (顕熱 + 潜熱 + 放射)
• 下段: OLR

地面から大気への熱輸送の亜熱帯ピークは, ハドレー循環のリターンフローに ともなう潜熱・顕熱輸送が大きいことを反映している.

OLR が熱帯で小さく, 亜熱帯で大きいのは, 熱帯の OLR は背の高い雲からの 放射, 亜熱帯では地面からの放射を見ているため. ただし観測よりもコントラ ストが強調されている ( Peixort and Oort, 1991, 図6.14)

• T0 が大きくなると潜熱の寄与が大きくなる, とくに T0=295 K 実験で顕著.

• 低緯度では正味赤道向きに熱輸送する.

• T0, ΔT に比例して擾乱による輸送が大きくなる.

単位質量あたりの擾乱成分の運動エネルギーの時間経度平均図

• 最大発達波数の表現は Eady モデルと Charney モデルで異なる.
• T0, ΔT を大きくすると,
  • Eady モデルでは最大発達波数は低波数側へ
  • Charney モデルでは ?

• T0 が大きいほど, ΔT が大きいほど N は大きい.

• T0 が大きくなると地表付近の鉛直シアーは増加

v の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

u の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

T の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

z の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

q の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

uv の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

Tv の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

zv の東西波数スペクトル
(各等圧面でのスペクトルの鉛直積分)

• T0, ΔT 依存性ははっきしない

u, v の相関係数

T, v の相関係数

T, v の相関係数

z, v の相関係数

• GFD な人も積極的に取り組む価値はある