“マッデン・ジュリアン振動” の「引き金」を特定

世界の天候に影響する巨大雲群発生の鍵は赤道上空の大気波動

世界の天候に影響する巨大雲群発生の鍵は赤道上空の大気波動

2021-10-13 海洋研究開発機構,お茶の水女子大学,東京大学

1. 発表のポイント

◆熱帯インド洋で発生する巨大な雲群“マッデン・ジュリアン振動”（MJO）について、これまで未解明であった発生メカニズムを、観測データ解析とシミュレーションにより特定した。
◆MJOの雲群は、数日周期で赤道上空を伝わる大気波動「混合ロスビー重力波」の対流圏上層における増幅をきっかけとして生じていることが分かった。
◆MJOは日本の天候に影響を及ぼしている現象であり、今回の成果により発生時期が正確に特定可能になれば、数週間先の日本の天候予測の改善につながると期待できる。

2. 概要

国立研究開発法人海洋研究開発機構（理事長　松永　是、以下「JAMSTEC」という。）地球環境部門環境変動予測研究センターの高須賀大輔ポストドクトラル研究員、お茶の水女子大学の神山翼助教、東京大学の三浦裕亮准教授、末松環特任研究員は、熱帯域で巨大な積乱雲群として観測されるマッデン・ジュリアン振動 (MJO) が熱帯インド洋でどのように発生するかを解析などした結果、高度約10kmの上空を伝わる大気中の“波”（周期的な大気変動）の増幅がMJO発生の引き金であることを初めて突き止めました。

MJOは、熱帯域の日々の天気を大きく左右するほか、世界規模で異常気象をもたらす要因となるエルニーニョ現象の発生や終息、日本を含む中緯度域に来襲する熱帯低気圧の発生にも関係するため、我々の生活とも無縁ではありません。MJOの発生メカニズムを解明することで、MJOとそれに関連した上記の現象の予測精度向上が期待される一方、MJOの発生を特徴付ける雲群の形成は水蒸気・気温・風の変動が複雑に関係し合って実現されるものであり、それらのプロセスをときほぐした明快な理解には至っていませんでした。

本研究では、MJOを現場観測した際に得られたデータの解析や、熱帯大気の運動を計算するシミュレーションを通じ、特に風の変動に着目することで、MJOの発生を説明する全く新しい見方を提案しました。具体的には、MJO発生前に熱帯インド洋のはるか上空で観測される数日周期の大気波動「混合ロスビー重力波 (※1)」が、インド洋西部上空で増幅することをきっかけに大気の下方にまで伝わり、その結果、地面付近に風の変動が促されてインド洋でのMJOの雲群を発生させることを初めて明らかにしました。また、このプロセスの引き金である「インド洋西部上空での混合ロスビー重力波の増幅」は、年間を通してインド洋上に存在する大気循環（ウォーカー循環）の影響を受けて引き起こされることも示しました。

MJO自体は積乱雲を主役とする約1〜2ヶ月周期の現象であるため、その解釈の際には積乱雲ができ始める大気下層の数十日単位の変動が注目されがちでしたが、本成果はその定説を覆し、「はるか上空におけるMJOの周期とは異なる変動」にこそMJOを発生させる種があることを初めて示すものです。この知見は、MJOの発生タイミングの予測に活用できるほか、天気予報や気候予測に使われているシミュレーションの再現性の評価や改善に有用であると期待されます。

本成果は、米国地球物理学連合が発行する専門誌「Geophysical Research Letters」に10月13日付け（日本時間）で掲載される予定です。また本研究は、日本学術振興会科学研究費補助金（20J00605, 20H05728, 19K23460, 20K14554, 16H04048, 20B202, 20H05729, 21K13991) の助成を受けて実施されました。

タイトル：: MJO Initiation Triggered by Amplification of Upper-tropospheric Dry Mixed Rossby–gravity Waves
著者：: 高須賀大輔¹、神山翼²、三浦裕亮³、末松環⁴
所属：: 1. 海洋研究開発機構、2. お茶の水女子大学、3. 東京大学大学院理学系研究科、4. 東京大学大気海洋研究所

3. 背景

マッデン・ジュリアン振動 (MJO) は熱帯域における顕著な気象現象の１つです。MJOは、主にインド洋で水平方向に数千kmにもわたる巨大な積乱雲群として現れたのち、その雲群が約5m/sという自転車並みの遅さで、太平洋上に向かって数十日かけて移動する現象として観測されます（図1）。MJOの雲群は熱帯域に多量の雨を降らせ、その通り道にあたる国々に時として豪雨災害をもたらします。また、MJOの巨大な雲群の維持とつり合うように熱帯域全体にわたって大気の流れが変化することで、世界規模で異常気象を引き起こすエルニーニョ現象の発生や終息に影響したり、中緯度域にも来襲する熱帯低気圧の発生の促進につながったりするなど、熱帯域以外の気象・気候も大きく揺らぎます。日本もその例外ではなく、過去にはMJOが遠因となって異常高温や大雪がもたらされたことがありました。

このように、ひとたびMJOが発生するとそれに伴う気象変化は世界各地に及ぶことから、MJOがいつ・どのような状況を経てインド洋で発生するかを精緻に理解し、その知見をMJOの発生予測に活かすことは大変重要です。この認識のもと、MJOの発見からちょうど50年を迎えた今年に至るまで、多くの研究者がMJOの発生メカニズムの解明に挑んできました。

解明に向けた先行研究の中には、MJOが水蒸気を源とする積乱雲で構成されていることに着目し、MJOの発生前にインド洋で水蒸気が蓄積するプロセスを調べたものが多くあります。この水蒸気蓄積には、MJOに対応する時間スケール (1ヶ月程度) での海からの蒸発や大気中下層の運動による水蒸気の輸送が一役買っていると指摘されています。

一方で、燃料があってもいつそれに火がつくかは別問題であるのと同じように、蓄積した水蒸気のおかげでインド洋がMJOの発生に適した環境になったとしても、最終的に何がいつMJO発生の引き金を引くかは決して自明ではありません。引き金の候補には、例えば上空の気温の変動や地面付近の風の収束（風によって空気が集まること）に伴う上昇流の生成があり、その過程まで含めて解明する必要があります。しかし、そうした気温や風の変動は1日〜数日単位でも観測されるものであり、必ずしもMJOに対応する時間スケールに沿って起きるとは限らないという複雑さがあります。このようにさまざまな変動が互いに絡み合っていることが、MJO発生の決定的な引き金の特定を難しくしています。

熱帯域では「赤道波」という赤道上空を東西方向に伝わる大気の“波”によって、数日単位の風や気温の変動がもたらされることが多くあります。池に石を投げ入れると水面に波が立つように、大気に雲ができるなどの“刺激”が加わると、そこから周期的な運動が周りに伝わるというものです。一部の研究では、この赤道波の一種である「混合ロスビー重力波(※1)」と呼ばれる波がMJOの発生前にインド洋上空で顕著に観測されると報告されています。しかし、ここで観測される「混合ロスビー重力波」ははるか上空（高度約10km）で活発で、MJOの雲群が形成され始める大気下層からは遠く離れているため、MJO発生とは一見無関係にも思える現象であり、それがどのようにMJO発生を導くかは不明かつ着眼されていない問題でした。

そこで私たちは、この隠れた問題を解決し、MJO発生の新たな見方を提示するべく、MJOを現場観測した際に得られたデータ等の解析と、熱帯の大気運動のエッセンスを計算するシミュレーションの構築と実施に着手しました。なお、本研究で用いた観測データの一部は、MJOのメカニズム解明を目指して2011年にJAMSTEC主導で実施された国際観測プロジェクト “CINDY2011” (※2) で得られたもので、現在も多くの研究者が活用しています。

4. 成果

まず、CINDY2011期間中のMJO事例の発生前後にインド洋でどのように風が変動していたかを調べるために、インド洋中部のモルディブ諸島南端部に位置するガン島（図1）の上空約10kmと約1kmの南北風の周波数解析を行いました（図2a）。MJO発生前の11月上旬には、高度約10kmで周期4〜6日の南北風の顕著な変動が観測されており、MJO発生に至る過程で混合ロスビー重力波がインド洋のはるか上空を伝播していたことを示しています。また、高度約10kmの混合ロスビー重力波に伴う運動エネルギーは、MJO発生の約10日前から特にインド洋西部に蓄積していました（図2b）。これらの状況は、インド洋上空を伝播していた混合ロスビー重力波がインド洋西部で増幅したのちMJO発生に至るという時系列を意味します。さらに、MJO発生時以降は、今度は高度約1kmで周期7〜8日の混合ロスビー重力波が活発化していました（図2a）。

以上の観測事実から「インド洋のはるか上空を伝播する混合ロスビー重力波は、その増幅を通じて最終的に地面付近の風に影響を及ぼすことでMJO発生に繋がる」という仮説が立ちます。この仮説を検証するため、続いて熱帯の大気運動を計算するモデルを構築し、そのシミュレーションによってインド洋を伝播する混合ロスビー重力波が経験するプロセスを明らかにした上で、そのプロセスと実際のMJOの発生過程を比較しました。

シミュレーションで計算された、インド洋の混合ロスビー重力波に伴う赤道域での南北風の時間変化が図3aです。初めにインド洋のはるか上空に与えられた混合ロスビー重力波は、次々に新たな波を励起しながら西に伝播していますが、その速度が次第に遅くなる過程で増幅するタイミングがあることがわかります（図3aの緑枠内）。さらにその後、地面付近に南北風の変動が励起され、その変動の塊が東に伝わる様子も見て取れます（図3aの青矢印）。これらの特徴はCINDY2011期間中のMJO事例の発生前後のプロセス（図3b）と見事に対応しており、実際、最終的に地面付近に励起されて東に伝わる南北風変動の塊は、MJOの雲群の発生を駆動していました（図4）。以上の結果は、インド洋のはるか上空を伝播する混合ロスビー重力波を契機としてMJOを発生させる物理メカニズムがあることを裏付けるものです。

このMJO発生メカニズムの引き金である「インド洋西部のはるか上空での混合ロスビー重力波の増幅」は、年間を通して熱帯域に存在する「ウォーカー循環」（東西方向の大気の流れ）との相互作用によって引き起こされていました。混合ロスビー重力波には、ウォーカー循環に伴う風が西向きに強すぎず、収束する領域で増幅するという性質があります。ウォーカー循環はアフリカ大陸東側で”壁”にぶつかるかのように下降しており、インド洋西部上空は、その下降流に吸い込まれる形で東風がだんだん弱まりながら収束する領域となっているため、増幅の条件が必然的に満たされていました（図5a,b）。こうして増幅された波が大気下方まで伝わった結果が「地面付近の風の変動の励起」であり、MJO発生の決め手になることが、波のレイトレーシング解析 (※3) によって実証されました（図5a）。

5. 今後の展望

本研究は、数十日単位の変動であるMJOの発生に対して、その時間スケールとは全く異なるはるか上空の2つの変動（数日周期の混合ロスビー重力波と年間を通して存在するウォーカー循環）の相互作用が重要である可能性を初めて力学的に示したものであり、MJOに近い時間スケールで、MJOの雲群の形成に必要な大気中下層の水蒸気変動に着目してきた多くの先行研究に基づく定説を覆すものです。本研究の成果に基づけば、インド洋のはるか上空の数日周期の混合ロスビー重力波の動向を監視することが、MJOの雲群の発生タイミングの予測に有用であると考えられ、MJOに付随して生じる気象場の変化の予測の改善にもつながることが期待されます。また、天気予報や気候予測に用いられている数値モデルにおいて、MJOが正しいプロセスで表現されているかを評価する際の新たな視点にもなります。

本研究では、混合ロスビー重力波がMJO発生に強く関与することが理論的に妥当であり、それがCINDY2011期間中のMJO事例に対しては当てはまることを示しました。一方で、そのメカニズムが他のMJO事例の発生まで含めてどの程度説明するかという普遍性や、そもそも混合ロスビー重力波が選択的に顕著になる理由については明らかにできていません。こうした課題の解決には、今回使用した観測データ以外も使った統計的な解析や、インド洋西部におけるさらなる現場観測の蓄積が重要であると考えられます。また、MJOを再現できる精緻な数値モデルによるシミュレーションも、限られた観測データを補完したり、現実的な状況のもとで仮説を検証したりする手段として積極的に活用していく予定です。

※1　混合ロスビー重力波：赤道域の大気・海洋中を西向きに伝播する波動の1つで、典型的には3〜5日周期で流れや圧力の場に変動をもたらす。赤道付近を中心に回転するような循環を示すため、赤道をまたぐ南北風の変動が強く、その南北風が吹き込む先で収束することが特徴である。また、個々の波は西向きに伝播するが、波の集まり全体は東向きに伝わるという性質を持つ（図2の青矢印はこの性質に対応する）。

※2　CINDY2011：インド洋におけるMJOの振る舞いを観測的に明らかにするためにJAMSTECが発案し、日本やアメリカを中心に世界10カ国以上の研究機関が参加することになった大規模国際観測プロジェクト “Cooperative Indian Ocean experiment on intraseasonal variability in the Year 2011” の略称。2011年10月から2012年1月の約4ヶ月が集中観測期間として設定され、船舶上や島で雨や風、海洋の状況を観測した。

※3　レイトレーシング解析：波のエネルギーがどのような経路で伝わるかを、波長と群速度（波のエネルギーが伝わる速度）の時間変化の方程式を数値的に解くことで調べる解析。

図1 マッデン・ジュリアン振動 (MJO) を捉えた衛星画像（2006年12月29日の画像: Miura et al. [2007, Science] に示された要領で作成）。もともとインド洋西部で発生したMJOに伴う巨大な雲群がインド洋東部からインドネシアに差し掛かっており、この後、太平洋に向かって東に進んでいく。画像左端の赤道付近にある緑色の星印は、本研究で用いた現場観測データの取得地（ガン島）を示す。

図2 (a) ガン島（南緯0.7°, 東経73.2°）で観測された南北風変動の周期の時間変化。陰影は高度約10km、マゼンタ色の線は高度約1kmにおける結果を示す。11月17日にMJOが発生したが、それ以前の11月5日〜12日にかけて高度約10kmで周期4〜6日の変動が強い（赤矢印の範囲）。一方、MJO発生以降は高度約1kmで周期6〜8日の変動が強まっている。(b) 赤道域で平均した高度約10kmにおける混合ロスビー重力波の運動エネルギー（黒線）とその時間変化率（陰影）、および降水域（水色線；0.8mm/hrの強度）の時間・東西方向の変化。MJO発生前からインド洋西部上空で混合ロスビー重力波の運動エネルギーが増加・蓄積したのち、MJOの雲群に伴う降水が発達して東に進み始めている。

図3 赤道域で平均した混合ロスビー重力波に伴う南北風変動の時間・東西方向の変化。陰影ははるか上空、黒線は地面付近における南北風を示しており、黒線の破線は負の値（北風）に対応する。(a)がシミュレーション、(b)がCINDY期間中のMJOの発生前後に対する結果である。シミュレーションでは、はるか上空の南北風変動（混合ロスビー重力波）の西向きの伝播が徐々に遅くなる（南北風に沿う傾きが大きくなる；マゼンタ色の線を参照）なかで、南北風の振幅が増大するタイミングが見られ（緑枠内）、その後に地面付近の南北風変動の塊が東に伝わっている（青矢印）。これらの特徴はCINDY期間中のMJOの発生前後によく表れている。

図4 MJOが発生した11月17日から29日にかけて2日ごとに示した降水域（紫線；1.0mm/hrの強度）と地面付近（高度2km付近まで）における混合ロスビー重力波に伴う水平風（矢印）と南北風速（陰影）の分布。11月17日に黒枠で囲まれた領域で、北風と対応した降水域Aの出現がMJOの雲群の発生と対応する。その後、南北風変動の大きな領域は徐々に東に伝わり、それに従って降水域全体も東に移動している。例えば、21日にかけては東経75°付近まで南風→北風→南風の順に発達しており、それに従うように降水域B→C→Dが東向きに形成されている。25日から29日にかけての降水域E→F→Gの東側への形成も、より東側で順次強くなる南風と北風が吹き込むタイミングと対応している。

図5 (a) MJO発生前にあたる11月3日〜8日の期間で平均した、ウォーカー循環に伴う東西風の収束による混合ロスビー重力波の運動エネルギーの増幅率（陰影）と、波のエネルギー伝播に伴う運動エネルギーの時間変化率（黒線）の東西鉛直断面図（いずれも赤道域で平均した量）。11月10日から開始したレイトレーシング解析の結果も水色線で示しており、複数の線は解析の初期条件として与える波長と位置の見積もり誤差を考慮した複数の場合に対応する。混合ロスビー重力波はインド洋西部上空で特に増幅しており、それを起点に大気下方の東側に伝わるエネルギーの流れが存在していることがわかる。(b) 本研究で明らかにした新たなMJO発生メカニズムをまとめた模式図（時系列は①から④の順）。色矢印で示した上昇流と下降流、はるか上空の東風は年間を通して存在するウォーカー循環に伴うもの。