%題名 地球概説  子午面構造  温度場
%履歴 90/07/15 保坂征宏
%     90/08/03 保坂征宏      
%     90/08/08 保坂征宏      
%     90/08/18 保坂征宏      
%     90/09/04 保坂征宏
%     92/07/27 林祥介
%\Dchapter{地球大気の子午面構造}
\documentstyle[a4j,12pt,ascmac,twoside,dennou,Depspic]{jarticle}
\Dtitle{地球現象論: 地球大気の子午面構造}
     \Dauthor{地球流体電脳倶楽部}
     \Ddate[96/08/02]{1996 年 8 月 2 日}
     \Dpath{/riron/genshou/earth/sigomen}

\begin{document}

%      \pagenumbering{roman}
      \maketitle
      \tableofcontents      
%      \clearpage
%      \pagenumbering{arabic}
\begin{abstract}
    ここでは, 時間については適当な平均をとり, 
    空間については帯状平均した, 
    高度 0km$\sim$約90km の
    子午面断面における以下の図を示す. 
    さらに, それらから読み取れる情報を挙げる. 
    
    \begin{itemize}
      \item 温度場
      \item 東西風
      \item 子午面循環
      \item 放射場（加熱率の場）
    \end{itemize}

\end{abstract}

%==================================================================
\newpage

\section{温度構造}

    図1 は, 
    観測のデータをもとに作成した 1月と 4月の温度の子午面分布図である. 
    緯度は $80^{\circ}\mbox{S} \sim 80^{\circ}\mbox{N}$, 
    高度は地表から約90kmまで
    が示してある. 

\vspace{5mm}
   
    温度構造について図から
    読み取れる情報を, 低い高度から順々に記す. 
   
\vspace{5mm}
   
   ● 対流圏
     
   \begin{itemize}  

     \item 季節によらず, 次のような特徴を持つ. 
           高さ方向には, ほぼどこでも 6.5K/km の鉛直温度勾配を持つ. 
           南北方向には, ほぼ南北対称である. 
           低緯度の方が高温であり, 
           南北温度差は 40K 程度である\footnotemark[1]. 
           
           \footnotetext[1]{
             どの緯度でも対流圏がある高度, 
             つまり 0$\sim$8km くらいまでに限る. }
           
     \item 対流圏界面は, 低緯度ほど高く, 高緯度ほど低い. 

   \end{itemize}
 
   ● 対流圏界面から高度 約45km まで
     
   \begin{itemize}
     \item 高さ方向に見ると, 上ほど高温になっている. 
           
     \item 鉛直温度勾配は対流圏と違い, 一定ではない. 
           日射量の多い緯度ほど温度勾配は大きくなっている. 
           そのため, 南北方向に見た場合, 
           温度分布のパターンは高さによって異なる. 
           対流圏界面から高度 25km 程度までは, 
           対流圏界面高度が高い低緯度で温度極小である. 
           その上方の, 高度 約30km 以上では, 
           日射量の多い緯度で温度が高く, 
           南北温度勾配は上にいくほど大きい. 
   \end{itemize}
   
   ● 高度 約45km 以上 （高度 80km まで）
   
   \begin{itemize}
     \item 高さ方向には, 上ほど低温になっている. 
           
     \item 鉛直温度勾配は, 
           高度 45km 以下とは逆に, 
           日射量の多い緯度ほど小さ（絶対値ではおおき）い. 
           そのため, 
           高度 45$\sim$60km くらいでは
           日射量の大きい緯度の方が高温だが, 
           高度 60km 程度で南北温度差はほぼなくなり, 
           それ以上の高度では, 日射量の大きい緯度ほど低温になっている. 
           
   \end{itemize}

    
 \newpage
 
%   図とキャプション始まり


   \begin{center}
   \Depsf[100mm]{fig-prohibited/sigomen-1.ps}
   \end{center}
   \begin{description}
     \item 
     図1 大気の温度の１月と４月の緯度高度分布. 
     作成に用いたデータは
     \begin{itemize}
       \item 30mb でのベルリン自由大学の観測データ
       \item 30mb より高いところは, 衛星データ
       \item 50mb より低いところは, Oortの観測データ\footnotemark[1]
     \end{itemize}
     である. 
      （Barnett and Corney, 1985）
     
   \end{description}
   
     \footnotetext[1]{
     NOAA Professional Paper 14 にある. 
     ソンデ, 地上観測による 約10mb までのものである. }
   
%====================================================================
\newpage

\section{東西風}

    図2, 図3 は
    衛星観測等をもとに作成した
    １月と４月の東西風 $U$ の子午面分布である. 
    緯度はともに
     $80^{\circ}\mbox{S} \sim 80^{\circ}\mbox{N}$ , 
    高度はそれぞれ約 $10 \sim 90$km と
     0$\sim$40km を示している. 
    
    \vspace{5mm}
    ここでは, $U$ について上の図から読み取れる情報を, 
    低い高度から順々に挙げる. 

\vspace{5mm}
   
     ● 高度 20km 以下
       
       \begin{itemize}    
          \item  一部を除きほぼ全域で西風である. 
                 西風は緯度 $40^{\circ}$ の対流圏界面付近で
                 極大になっており, 
                 その値は
                  $20 \sim 40 \mbox{m} / \mbox{s} $ 
                 程度である. 
                 時間的には, 冬に最大になる. 
           
           \item 東風になるのは, 
                 低緯度および極域の, 比較的高度の低い領域だけである. 
           
        \end{itemize}   
           
     ● 高度 20$\sim$100km 
     
        \begin{itemize}
        
           \item 夏は全域東風, 冬は全域西風である. 
                 春と秋についてはこれだけでは何ともいえない. 
           
           \item 夏の場合, 東風は中緯度の高度 50$\sim$65km において
                 最大値をとり,
                 その風速は 60 m/s  を越える. 
           
           \item 冬の場合, 西風は中緯度の高度 約 65km において
                 最大値をとり, 
                 その風速は 60 m/s を越える. 
         \end{itemize}
 
%   図とキャプション始まり

\newpage
    
    \begin{center}
    \Depsf[120mm]{fig-prohibited/sigomen-2.ps}
    \end{center} 
    \begin{description}
 
     \item 
     図2 \ 大気の東西風の1月と4月の緯度高度分布（その1）. 
     作成に用いたデータは, 図1 と同じである. （Barnett and Corney,1985）

\vspace{5mm}
     30mbでの geopotential height $\Phi$ (ベルリン自由大学による)
     をリファレンスにして, 
     温度場から得られる密度を上下に積分することにより, 
     geopotential height の場が得られる. 
     図2 は, 
     地衡風バランスがなりたつと仮定して, 
     地衡風バランスの式, 
     \begin{displaymath}
       u(P_2)-u(P_1) = \frac{1}{f} \DP{}{y}(\Phi_2 - \Phi_1)
     \end{displaymath}
     を用いて得られた. 
   
     \vspace{2mm}
     
     高度 60km 以下では誤差は 2, 3m/s であるが, 
     高度 60km 以上では重力波, 潮汐のために地衡風バランスが
     あまりなりたたないので
     誤差はより大きくなる（Barnett {\em etal.}による）. 
     
     \vspace{2mm}
     
     なお, 緯度 $16^{\circ}$ 以下の領域は, 
     コリオリパラメタ $f$ が小さいので
     誤差が大きいために
     図から除かれている. 
     
   \end{description}
        
% 図とキャプション終り

  \begin{center}
  \Depsf[140mm]{fig-prohibited/sigomen-3.ps}
  \end{center}  
% 図とキャプション始まり

  \begin{description}
 
    \item 
    図3 \ 大気の東西風の1月と4月の緯度高度分布（その2）. 
   作成に用いたデータは,  
   1979-86の8年間の 1000$\sim$1mb の
   geopotential heightのデータ\footnotemark[1]
   である. 
   ただし, 
   1000$\sim$100mb は NMC の予報モデルによる第1推定場に観測値を
   最善挿入して得られたものである. 
   また 70$\sim$1mb はNMCの1セクションである CAC 
   がゾンデのデータを解析したものである. 
   （Randel, 1987）
   
  \end{description}
   
   \footnotetext[1]{
   グリッドは, 
   1000,850,700,500,400,300,150,100,70,50,30,10,5,2,1,0.4mb で,  
   1200 GMT における毎日のデータである. 
%   ただし, この解析において, 衛星のデータも使われていて, 
%   8年間の間に衛星の交換等, 測定方法に変化があったため, 
%   INTERANNUALな比較には注意が必要である, 
%   とデータセットにかなり長くくどいコメントがある.
   }
    
% 図とキャプション終り
    
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\section{子午面循環}

    図4 は
    １２月から２月と, ３月から５月の
    経度方向に平均した質量流束の図である. 
    緯度は $90^{\circ}\mbox{S} \sim 90^{\circ}\mbox{N}$, 
    高度は 約0km から 約30km まで示してある\footnotemark[1]. 
    
      \footnotetext[1]{
         子午面内の循環（南北風, 上昇下降流）は東西風に比べて小さい. 
         したがって, 特に, 
         密度の小さい上層（高度 30km 以上）については, 
         観測データを元にした満足のいく図はないのが現状である. 
         （数値モデルによる計算結果は少なくない.） 
        }
        
    \vspace{5mm}
    図からわかることを列挙する. 
    
    \begin{itemize}
      \item 低緯度（$\sim 30^{\circ} $）には直接循環が, 
            中緯度（$ 30^{\circ} \sim 60^{\circ}$）
            にはそれと逆向きの Cell が, 
            高緯度（$ 30^{\circ} \sim$ ）にはさらに逆向きの Cell が
            できているように見える. 
            
      \item 中高緯度の Cell は, 季節によらず南北ほぼ対称である. 
    
      \item 低緯度における直接循環は, 
            春と秋においては南北対称で, 
            北半球, 南半球に各１つの Cell になっている. 
            夏と冬には, 冬半球の Cell は大きくかつ強く, 
            夏半球の方は小さくて弱い Cell になっていて, 
            冬半球の Cell だけしかないように見ることもできる. 
    
    \end{itemize}
    
% 図とキャプション始まり

\newpage

 
  \begin{center}
  \Depsf[150mm]{fig-prohibited/sigomen-4.ps}
  \end{center}
  
  \begin{description}
    \item 
    図4 \ 大気の子午面質量流束（左は１２月から２月, 
    下は３月から５月）. 
    ラジオゾンデ等の観測データを元に作成されている. 
    （Newell,{\em etal.}, 1972） 
   
   \end{description}
   
%======================================================================
\newpage

\section{放射場}

    図５, ６は加熱率の子午面分布である\footnotemark[1]. 
    図５は 1月と4月 について, 
    緯度 $90^{\circ}\mbox{S} \sim 90^{\circ}\mbox{N}$, 
    高度 $20 \sim 60$km まで示してある. 
    図6は $12\sim2$ 月と $3\sim5$ 月 について
    緯度 $90^{\circ}\mbox{S} \sim 90^{\circ}\mbox{N}$, 
    高度 $20 \sim 60$km まで示してある. 

    \footnotetext[1]{
      もともと
      加熱率を計算するモデルに経度依存性がないので, 
      経度平均はしてもしなくても同じである. }

\vspace{5mm}
   これらは, 
   大気への放射の入射量, 
   温度分布, 
   雲および吸収物質( $\mbox{O}_{3}$ , C$\mbox{O}_{2}$ ,
    $\mbox{H}_{2}$O )の分布並びに吸収・放射特性を与えて, 
   放射伝達方程式を解いて求めた. 
   
\vspace{5mm}
    加熱率について読み取れる情報を挙げる. 

\vspace{5mm}
    ● 対流圏

    \begin{itemize}
    
     \item 冬の高緯度などを除き, ほぼ全域で冷えている. 
           特に低緯度で冷え方が強く, 最大 -2K/day ほどである. 
           
    \end{itemize}
    
    ● 高度 15km以上
     
     \begin{itemize}
       \item 低緯度で暖められ, 高緯度で冷えている. 
       \item 暖められている領域は, やや夏半球側によっている. 
       \item 加熱率の正のピークは低緯度の高度 約50km で,
             2K/day 程度である. 
             負のピークは, 冬の極域高度 約60km で, 
             -8K/day 程度である. 
    \end{itemize}
           
           


\begin{center}
\Depsf[135mm]{fig-prohibited/sigomen-5.ps}
\end{center}
  
  \begin{description}
    \item 
    図5 \ 大気の加熱率の1月と4月の緯度高度分布（その1）. 
    全球観測した Nimbus7 の LIMSデータ(1978年11月$\sim$1979年5月)
    を使った. 
    放射, 温度場, 吸収物質
    ( $\mbox{H}_{2}$O , $\mbox{O}_{3}$ , C$\mbox{O}_{2}$ ,
     N$\mbox{O}_{2}$) 
    の組成等を衛星のデータにより与え, 
    光学的性質は適当に与えている. 
    （Kiehl {\em etal.}, 1986）
   
   \end{description}
   
\newpage
\begin{center}
\Depsf[140mm]{fig-prohibited/sigomen-6.ps}
\end{center}

  \begin{description}
    \item 
    図6 \ 大気の加熱率の $12 \sim 2$ 月 $3 \sim 5$ 月
    との緯度高度分布（その2）\footnotemark[1].
       \footnotetext[1]{他の図と南北が逆であることに注意.}
    太陽放射については, 年変化, 波長別強度分布を考慮して与えている. 
    アルベドは, Sellers(1965) による\footnotemark[2].
       \footnotetext[2]{東西一様である.}
    温度分布は観測に基づいて与えている. 
    雲は, 観測に基づき高さ毎に3層にわけて東西一様に与えている. 
    光学的特性は, 高さ, 波長帯毎に与えている. 
    $\mbox{H}_{2}$O ,  $\mbox{O}_{3}$ ,  C$\mbox{O}_{2}$ 
    については, 観測に即した分布, 
    吸収帯を重視した光学的特性を与えている. 
    （Newell, 1974） 
   
 \end{description}

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\newpage

%firstname,*.*.,年:題名.雑誌名.,vol(太字(\bf)),ページ-ペ−ジ.

\section{参考文献}

\begin{description}

       \item Barnett J.J. and M.Corney, 1985 :
             Middle Atmosphere Reference Model 
             Derived from Satellite Data \ \footnotemark[1]. 
             
             \footnotetext[1]{
                これは, \\
                  ICSU, 1985:
                  Middle Atmosphere Program 
                  HANDBOOK FOR MAP Volume 16. 
                  ICSC,
                  318pp. \\
                に収められている. }
             
       \item Kiehl,J.T.,S.Solomon, 1986 :
             On the Radiative Balance of the Stratosphere.
             {\em J.Atmos.Sci.},
             {\bf 43},
             1525-1534.
             
       \item Newell R.E.,etal., 1972 :
             The General Circulation 
             of the Tropical Atmosphere \ Volume1.
             MIT Press,
             258pp.

       \item Randel,W.J.,1987 :
             Global Atmospheric Circulation Statistics, 
             1000 - 1 mb \ \ \footnotemark[2]. 
             NCAR, 
             245pp.
       
                 \footnotetext[2]{
                     NCAR の technical note である.
                     NCAR/TN-295$_+$STR.}
       
       \item 岸保勘三郎, 田中正之, 時岡達志, 1981 :
             大気科学講座4 大気大循環. 
             東京大学出版会, 
             256pp.
             
       \item 松野太郎, 島崎達生, 1981 : 
             大気科学講座3 成層圏と中間圏の大気. 
             東京大学出版会, 
             279pp.

\end{description}

%======================================================================

\vspace{2em}

%===================================================================

{\Large \bf 謝辞}
\vspace{1em}

本稿は 1989 年から 1993 年に東京大学地球惑星物理学科で行なわれていた,
流体理論セミナーでのセミナーノートがもとになっている.
原作版は保坂征宏による「地球現象論」 (90/9/4) であり,
林祥介によって地球流体電脳倶楽部版「地球現象論」
として書き直された.
構成とデバッグに協力してくれたセミナー参加者のすべてにも
感謝しなければならない.

\end{document}








   



  
   










