%表題   アフリカ波動
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%履歴   91/04/19 中島 健介 / 林 祥介
%       91/04/26 中島 健介 / 林 祥介
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ハリケーンの発生の予報という実際的な必要もあって, 
3〜6 日周期の偏東風領域(ITCZ)域の波動擾乱
には古くから関心がもたれていた.
アフリカ波動は, 偏東風波動\footnotemark[1]
  \footnotetext[1]{偏東風波動は, たぶん, もともとは
                   カリブ海の擾乱についての名前であろう
                   (未確認).}
としてくくられる ITCZ 領域での周期 3〜6日, 波長 2000〜5000km 
をもつ波動のうちの, アフリカ東岸〜大西洋にかけて見られるもの名称である.
GATE 領域は, アフリカ波動の発生領域と考えられているアフリカ大陸と
ハリケーン発生領域であるカリブ海との中間に位置し(図1), 
偏東風波動の維持機構を観測する上で適当な領域である.
\vspace{100mm}
\begin{quote}
\begin{description}
    \item [図1] アフリカ波動
\end{description}
\end{quote}



\newpage
\Zsection{GATE での見え方}

  図2 はアフリカ波動の GATE 領域での見え方を示したものである
  (Riehl 1979).
  \vspace{5mm}
  
  図3, 4 はGATE期間(8/31 〜 9/4)の 700mb の風, および衛星による
  赤外雲写真である
  (GATE report No.17, 
   International Science and Management Group 1975a).
  雲活動と波動との対応関係とが見てとれる.
  \vspace{100mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図2] GATEで観測された偏東風波動 ( Riehl 1979 ). 
  \end{description}
  \end{quote}
 
  \newpage
  \vspace*{210mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図3] 流線図で見たアフリカ波動 ( GATE Reprot No.17 ). \\
      (a)8月31日 (b)9月1日 (c)9月2日.
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  \vspace*{160mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図3] 流線図で見たアフリカ波動 (続き)
        ( GATE Reprot No.17 ). \\
        (d)9月3日 (e)9月4日.
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  \vspace*{210mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図4] 赤外雲画像で見たアフリカ波動 ( GATE Reprot No.17 ). \\
      (a)8月31日 (b)9月1日 (c)9月2日. 
  \end{description}
  \end{quote}
  
  \vspace*{160mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図4] 赤外雲画像で見たアフリカ波動 (続き)
        ( GATE Reprot No.17 ). \\
        (d)9月3日 (e)9月4日
  \end{description}
  \end{quote}
  
  
\newpage
\Zsection{アフリカ波動の強度分布}
  
  \vspace*{200mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図5a] 風の時系列スペクトル解析 ( Burpee 1972 ). 
             スペクトル解析に用いられた観測点 \\
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}

  \vspace*{140mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図5b] 風の時系列スペクトル解析 ( Burpee 1972 ). 
              各地点でのパワースペクトル.  
              ダカールでの $v$ の解析図中700mb周期3〜4日のピークが
              アフリカ波動に対応する. 
              同図中150mb周期5日のピークは積雲対流に対応していると
              考えられる. 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}

  図5はアフリカ波動関係領域各地点(図5a)でのパワースペクトルを示した
  ものである(Burpee 1972).
  周期は 4〜5 日であることがわかる.
  \vspace{5mm}
  
  図6は相関時間のおくれをプロットしたものであり(Burpee 1972), 
  擾乱の西進を明瞭に示している.
  \vspace*{80mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図6] 南北風の2点相関に見られるアフリカ波動の西進
           ( Burpee 1972 ). 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  図7はアフリカ波動の強度の季節変化を示すもので(Burpee 1972), 
  (北半球の)夏に活動が活発である.
  \vspace*{80mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図7] アフリカ波動の季節変化 ( Burpee 1972  ). 
           5日程度の周期のスペクトルが夏に強い. 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  
\newpage
\Zsection{GATE での観測〜空間構造}
  
  図8はアフリカ波動の空間構造をコンポジット手法によって
  もとめるために用いたカテゴリー付けの例である
  (Reed {\it et al.} 1977).
  アフリカ大陸から大西洋上に擾乱が進むにつれて構造が変わるので
  (歪んでしまうので),
  その構造の変化をうまく吸収するために主観的な処理を導入する.
  まず, データに 3〜4 日周期帯でのバンドパスフィルターをかけ, 
  アフリカ波動に関する信号を取りだす.
  700mb での渦の中心, 北風の中心, 南風の中心を主観的に決めて
  擾乱の中心緯度線を決めその上での位相(カテゴリー)を定義する.
  中心緯度を中心に切り出してきた経度方向に短冊状のカテゴリー帯を
  それぞれ重ねあわせ平均(コンポジット)する.
  \vspace*{140mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図8a] アフリカ波動に伴う水平風の解析過程 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).\\
           第1段階 : 3〜4日周期のband-passフィルターをかける. \\
    \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  \vspace*{150mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図8b] アフリカ波動に伴う水平風の解析過程 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).\\
            第2段階 : (a)の渦度をたよりに主観的に phase line 
            をエイヤッと引きカテゴリーを定義する. 
            最後に同じカテゴリーの部分を合成する. 
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  図9はコンポジットされた水平風である(Reed {\it et al.} 1977).
  地表風では風の収束が見られる.
  700mb, 緯度 $+5^o$付近に東風ジェットが見られる.
  これは, アフリカ〜東大西洋域に特徴的なジェット構造である.
  850mb においてはかわゆい渦が顕著に見らる.
  200mb でも東風であるがトラフの付近で南北に発散する流れが
  顕著に見られる.
  \vspace*{180mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図9] 図8 の過程を経て得られた水平風の合成図 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).\\
          (a) 地上 (b) 850mb (c) 700mb (d) 200mb.
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  \newpage
  図10はコンポジットされた水平風の擾乱部分(カテゴリー平均からのずれ)
  である(Reed {\it et al.} 1977).
  地上には渦度の中心が南北2箇所に在るように見える
  (カテゴリー4, $-1^o$, および カテゴリー3, $+8^o$).
  南側の渦は積雲活動をともなっているが, 
  北側の渦の中心では積雲活動ははっきりしない.
  850mb および 700mb には渦が見える.
  700mb の渦は北東〜南西へ傾いている.
  200mb では, トラフにおいて発散, リッジにおいて収束している
  のが見られる.
  \vspace*{180mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図10] 図8 の過程を経て得られた水平風の擾乱部分
           (category方向平均からの差)の合成図 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).
            (a)地上 (b)850mb (c)700mb (d)200mb.
  \end{description}
  \end{quote}
  
  \newpage
  図11はコンポジットされた渦度である.
  地表では図10の渦に対応した渦度の中心が見られる.
  700 mb では東西平均しても低気圧性回転が残る.
  上層 200mb では渦度の構造はあまり見られない.
  \vspace*{150mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図11] 図8 の過程を経て得られた渦度の合成図 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).
          図9, 10 に比べて南北方向の範囲が
          狭くなっていることに注意せよ. \\
            (a)地上 (b)850mb (c)700mb (d)200mb. 
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  図12はコンポジットされた発散場の擾乱部分
  (カテゴリー平均からの偏差)である.
  地上〜850mb
  ではトラフ(カテゴリー4)の西側で収束, 東側で発散が見られる.
  700mb ではこの関係は逆転し, 西側で発散, 東側で収束が見られる.
  200mb では, 700mb で見られた発散がより強まっている.
  図には示されていないが
  収束がもっとも大きな高度は 900mb である.
  \vspace*{150mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図12] 図8 の過程を経て得られた発散場の合成図 
          ( Reed {\it et al.} 1977 ).\\
          (a) 地上 (b) 850mb (c) 700mb (d) 200mb.
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  \newpage
  図13はコンポジットされた 850mb と 300mb とでの, 
  上昇流, 温度, 相対湿度の擾乱部分(カテゴリー平均からの偏差)である.
  上昇流は 850mb のトラフの西側(前面)で顕著である.
  温度の偏差は, 熱帯の通例にもれず非常に小さいが, 
  850mb ではトラフのところでどちらかというと低く, 
  300mb ではトラフのところでどちらかというと高い.
  相対湿度は, 
  850mb ではトラフの前面で乾燥しているが, これはサハラ沙漠からの
  渇いた空気が回り込んでくるためである.
  南風領域(カテゴリー6)では海からの湿った空気が入り込むために
  湿っている.
  湿度の変動は緯度$+4$付近でのみ顕著であることに注意.
  上層 300mb ではトラフ西側で湿っており, 雲が存在している.
  \vspace{120mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図13] 図8 の過程を経て得られた 
                (a)850mb (b)300mb の鉛直流.\\
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). 
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  \vspace*{180mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図13] (続き)図8 の過程を経て得られた 
                (c)850mb (d)300mb の温度, 
                (e)850mb (f)300mb の相対湿度 
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). 
  \end{description}
  \end{quote}

  \newpage
  図14はコンポジットされた降水量および衛星からの観測による雲量の
  水平分布である.
  活発な雲の領域がトラフ前面に存在し, 降水量が対応している.
  \vspace*{160mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図14] 図8 の過程を経て得られた 
                (a)活発な雲の雲量, 
                (b)降水量.\\
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). 
  \end{description}
  \end{quote}


  \newpage
  図15はコンポジットされた緯度0における, 
  南北風, 東西風, 渦度, 発散の東西-鉛直断面である.
  南北風の偏差は上層と下層とでは逆位相である.
  鉛直方向東向きに位相が傾いていることに注意されたい.
  東西風の偏差は下層で $u'v'>0$ となるようになっている.
  渦度場には 700mb にピークが存在し, 
  発散場には下層で収束, 上層で発散が見られる.
  \vspace{160mm}

  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図15] latitude 0 における東西-鉛直断面図
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). \\
            (a)南北風の偏差 (b)東西風の偏差 (c)渦度 (d)発散.
  \end{description}
  \end{quote}


  \newpage
  図16はコンポジットされた緯度0における, 
  上昇流, 温度, 相対湿度の東西-鉛直断面である.
  上昇流は下層で顕著に見られる.
  温度の偏差はトラフの下層でところで低く上層であったかい.
  相対湿度はトラフ後面でコンターが曲っており
  500mb で湿っているが, 
  それが一般的に特記すべき特徴であるかどうかは知らない.
  \vspace{180mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図16] latitude 0 における東西-鉛直断面図
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). \\
            (a)上昇流 (b)温度の偏差 (c)相対湿度. 
  \end{description}
  \end{quote}
  
  \newpage
  図17は陸地, 海上をわけてコンポシットした上昇流の分布である.
  陸地領域(15$^o$Wより東側)と海上領域(15$^o$Wより西側)とでは
  上昇流の構造が異なっていることに注意されたい.
  \vspace{160mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図17] 海陸による東西-鉛直断面構造の違い
              ( Reed {\it et al.} 1977 ). \\
            (a)地上が陸地(西経15$\ ^{\circ}$以東)での上昇流の偏差.\\ 
            (b)地上が陸地(西経15$\ ^{\circ}$以西)での上昇流の偏差.
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  以上のプロットは Reed {\it et al.} (1977) によるものであり, 
  GATE 海上特別観測領域のみならずアフリカ波動域のすべてのデータを用いて
  解析されたものであったが, Thompson {\it et al.} (1979) は海上の
  特別観測領域のみのデータを用いて同様の解析をおこなった.
  GATE 海上特別観測域は南北方向にあまり広がりがないので
  鉛直-東西断面の図のみを作っているが, 
  その結果は Reed {\it et al.} とはあまりかわらない.
  
  
\newpage
\Zsection{熱収支, 水収支}
  
  図18は Norquist {\it et al.} (1977) による熱収支の結果である.
  $K_{E}$ は $A_{E}$ の2倍になっているが, $K_{Z}$ および $A_{Z}$
  に比べて一桁小さい.
  擾乱運動エネルギーの生成には
  傾圧過程, 順圧過程ともに寄与している.
  海上と陸上とでわけると, 陸上では傾圧過程が, 海上では順圧過程が
  寄与している.
  \begin{eqnarray}
    \frac{K_E}{C_E+C_K} & \sim & \frac{0.24\times 10^5}{0.096}
                        \ \sim \ 2.5\times 10^5
  \end{eqnarray}
  であるので, 約 2.9 日で $K_E$ が倍になることになる.
  \vspace*{140mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図18] アフリカ波動の 4 ボックスモデルによる
            エネルギーの流れの記述
            ( Norquist {\it et al.} 1977 ).
            上段は海陸をへだてなく解析した場合, 
            中段は陸上のデータのみ用いて解析した場合, 
            下段は海上のデータのみ用いて解析した場合である. 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  図19は $C_K$, $C_E$ および $C_A$ の南北-高さ断面である
  (Norquist {\it et al.} 1977).
  $C_K$ はトラフの経度高度700mb付近にはっきりした中心を
  もっている.
  $C_E$の分布は複雑であまり系統だっているような雰囲気はない.
  $C_A$の分布は, サハラ南部での$T$勾配の大きな領域での
  傾圧過程によるエネルギーの発生に対応している.
  \vspace*{100mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
      \item [図19] アフリカ波動の各種エネルギー変換量の緯度鉛直分布
            ( Norquist {\it et al.} 1977 ).
               単位は $10^{-5}\mbox{m}^2\mbox{s}^{-3}$ である. 
            (a)平均運動エネルギーから渦運動エネルギーへの変換項
               $\displaystyle{ 
                  C_K = - \overline{u'v'} \PD{}{\bar{u}}{y} }$. 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace*{90mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図19] 
            (b)有効位置エネルギーから渦運動エネルギーへの変換項
               $\displaystyle{ 
                  C_E = - \frac{R}{p} \overline{\omega'T'} } $. 
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace*{100mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item [図19] 
            (c)平均帯状位置エネルギーから渦有効位置エネルギーへの変換項
               $\displaystyle{ 
                  C_A = - \frac{g}{\bar{\sigma}} \overline{v'T'} 
                            \PD{}{\bar{T}}{y} }$. 
  \end{description}
  \end{quote}
  
  
  \newpage
  \Zsection{理論}
  
  線形論には Mass (1979), Kwon (1989) などがある.
  Mass (1979) は順圧不安定が本質的であり
  傾圧不安定はどうでもよいと主張したが, 
  最近,  Kwon (1989) は傾圧不安定も同程度に重要であるという計算
  をおこなっている.
  線形論の範囲では積雲加熱は不安定にとって
  不可決の要素ではない(Kwon 1989).
  Kwon (1989) の計算によれば
  積雲を入れても入れなくても波動の成長率はあまりかわらない.
  しかし, その場合でも, 波の構造(鉛直構造)は大きく変形する.
  \vspace{5mm}
  
  Mak and Kwon (1990) はさらに非線形発展を計算し, 
  西に進に従いハリケーンとして成長することを示した.
  
  
\Zsection{最近の動き}
  
  80年代中盤にはいって, モデルチェックの必要からGATEデータの再解析
  というのが行なわれてきており, 
  予報実験がおこなわれている(Reed {\it et al.} 1987).
  

\newpage
\Zsection{アフリカ波動のまとめ}
  
  これまでに得られたアフリカ波動についての描像を
  図式的にまとめると次のようになる:
  \vspace{110mm}
  \begin{quote}
  \begin{description}
    \item[図20] アフリカ波動まとめ
  \end{description}
  \end{quote}
  \vspace{5mm}
  
  北側のサハラには暖かくて乾燥した空気があり, 
  南側の大西洋(ギニア湾)には冷たくて湿った空気がある.
  この傾圧性により東向きのシアーが存在し,
  700mb の高度で東風ジェットが吹いている.
  上層でも東風が吹いているがこれはチベット高気圧につながるものであり,
  下層の東風ジェットとは起源を異にしている.
  偏東風波動にともなう渦の中心は 700mb 
  のジェットよりも若干南側にある.
  渦の前面(西側)ではサハラからの暖かく乾燥した北風が,
  渦の後面(東側)で大西洋からの冷たく湿った南風が吹き込んでおり,
  この結果渦(トラフ)を中心として東西に乾燥湿潤のコントラストが見られる.
  700mb より下層のトラフの前面では収束が, 
  上層 250mb ではこれに対応する発散が見られる.
  渦の前面のこの位置に強い上昇流域があり, 
  積雲対流の活発な位置に対応している.
  下降流はトラフの後面のごく下層にのみ存在している.
  下層の渦の中心(トラフ)で温度が相対的に低く,
  対応する上層では相対的に温度が高い.
 