成層圏赤道準２年周期振動（ＱＢＯ）の崩壊イベントの再現に成功

＜研究の背景＞

よりよい天気予報の姿として、現在提供されているものに比べて、１）ずっと精度よく当たること、２）ずっと手前から予報ができること、３）今までにない新しい何かを予報できること、さまざまな利用者のニーズが存在するとともに、さまざまな研究開発の取り組みが存在します。その基礎にあるのは気象学であり、海洋や生態系や太陽や火山、さらには人間活動との相互作用を含めた地球システム科学です。ＪＡＭＳＴＥＣはもちろん天気予報の専門機関ではありませんが、これらの科学分野を牽引する研究開発機関として、海から始まる革新的な観測研究および予測研究を通じて、さまざまな現象やそれらを包含するシステムの基礎的・統合的理解とその予測に挑戦しています。

気象・気候モデルを用いてある地域の天候を、数週間あるいは季節や年のスケールで前もって予測するためには、その地域の普段の天候を支配する、早く変化して長期予測が困難な気象システム（例：日本付近の高・低気圧は数日程度の周期で目まぐるしく変化）だけでなく、ゆっくりと変化し、なおかつ長期変化が比較的予測しやすい気象・気候変動現象をまとめてシームレスに予測することによって、それら「ゆっくりシステム」に内在する予測可能性を「早いシステム」に供給できるとよい、という考え方があります。この「ゆっくりシステム」の代表はエルニーニョ現象やインド洋ダイポールモード現象に代表される、大気－海洋結合変動現象です。本研究の対象であるＱＢＯは、地球大気で最長の周期をもつ、「究極のゆっくりシステム」であることが知られており、その周期は平均すると約２８ヵ月に及びます。周期には変動が含まれますが、おおよそ１周期分、つまり約２年もの間、赤道下部成層圏の東西風の状態が大雑把に予見できます。そのような状態が、観測が開始されてから６０年間以上も絶えず続いてきたことから、季節予測の改良という観点での研究がいろいろと進められてきました。例えばＱＢＯに伴う東西風や温度の変動が、欧州や日本付近の冬季の天候に影響を与え得るという研究例や、熱帯で生じる季節内振動の代表であるマッデン・ジュリアン振動の強弱にも影響を与え得るという研究例があり、他にもさまざまな経路を通じて各地の天候と影響を及ぼし合っていることが示唆され始めています。ごく近年になって一部の気象機関等では、大気－海洋結合モデルに成層圏を含めてＱＢＯと一緒に予測することによって、季節予報を改良しようという取組みを始めました。「季節や年スケールでの予測精度を向上させる重要な要素である」と注目されてきたＱＢＯですが、２０１５／２０１６年の冬季に下降していた西風が突然崩壊して途中に東風が現れるという、誰も予想し得なかった現象が生じました（図１）。

そこで本研究チームでは、ＱＢＯを含む成層圏研究に実績のある国産の高解像度気候モデルＪＡＧＵＡＲ注２）を用いてＱＢＯ崩壊イベントの再現実験を行いました。

＜研究成果＞

本研究では「地球シミュレータ」の能力を最大限活用して、高解像度気候モデルＪＡＧＵＡＲを２７実験同時に動かすことにより、２０１６年１月４日から２月１日まで１週間おきに計５回、１実験あたり連続４０日間分の再現実験を実施し、ＱＢＯ崩壊イベントの生じる過程を調べました。図２に、赤道下部成層圏における、ＱＢＯの東西風の時間変化を示します。黒線で示された観測値とともに、１月４日および２月１日から少しずつ条件を変えて行った再現実験の結果を、計２７本の赤色および水色の線のひとつひとつとして、１週間おきに示しています。ＱＢＯ崩壊イベントが生じた３０－６０ｈＰａの範囲では、それらどれもが黒線で示された観測値とよく一致していることが分かります。この結果は、世界中の気象機関等がイベントを予見できなかったことと対照的であり、一方で、より精緻なモデルを用いていれば、少なくとも１ヵ月以上遡って予見できた可能性があるということを示唆しています。

さらに複数の再現実験結果を統計的に分析した結果、崩壊の直接の原因の特定に成功しました。図３に示すように、北半球亜熱帯成層圏の東西風の構造によって屈折しながら伝わった大気波動（ロスビー波注３））が、ＱＢＯを含む赤道成層圏の厚さ数ｋｍ程度の狭い高度範囲に集中して作用したことを明らかにしました。この結果は、もしも将来、何らかの原因が重なって２０１５／２０１６年と同様の東西風の構造が生じたなら、同様のＱＢＯ崩壊イベントが生じる可能性があることや、もっと遡って、２０１５年の秋～冬にかけて、その構造を発達させた原因を特定することがＱＢＯ崩壊イベントの全容を解明するうえで重要であることを示唆します。

＜今後の展望＞

本研究では高解像度気候モデルＪＡＧＵＡＲを用いた再現実験を行うことによって、２０１５／２０１６年の冬季に生じた観測史上初のＱＢＯ崩壊イベントの再現に世界で初めて成功するとともに、その直接の原因の特定に成功しました。今後は、本研究で成功した４０日間よりも前に遡って再現実験を行うことにより、季節予報の時間スケール（３ヶ月程度）でＱＢＯ崩壊イベントの再現が可能であるか、またエルニーニョ現象や地球温暖化の寄与がどれくらいあったのか、イベントの全容の解明に向けた研究を進める計画です。同時にＪＡＭＳＴＥＣ独自の取組みとして、海洋ならびに成層圏を含む大気の観測研究計画や「地球シミュレータ」を含む計算・情報ファシリティとの強力な連携のもとで、成層圏も含んだシームレスな海洋結合・全球雲解像予測モデルの開発を目指します。

国際的には、本研究の成果は、ベルモントフォーラムＣＲＡ（国際共同研究）「気候予測可能性と地域間連関：全球でみられるテレコネクションとその役割および階層的大気モデル群による再現」や、世界気候研究計画「成層圏・対流圏過程とその気候への影響」で行われているＱＢＯｉと呼ばれる活動に大きなインパクトをもたらすことにより、今回の研究チームも参画しているそれらの研究プログラムを通じて、「ＱＢＯが世界各地の天候に影響を与えるメカニズムの解明」といった基礎科学研究の発展や、世界中の気象機関等における季節予報の改良を力強く後押しすることが期待されます。さらに、地球温暖化が進行するなかで生じた観測史上初のＱＢＯ崩壊イベントの直接の原因を特定したという観点から、気候変動に関する政府間パネル（ＩＰＣＣ）の科学的知見の集約にも貢献します。

＜参考図＞

＜用語解説＞

注１）赤道下部成層圏

対流圏と成層圏の境界（対流圏界面）の高度は緯度によって異なるが、赤道周辺では約１６ｋｍよりも上が成層圏に相当する。赤道周辺の成層圏を便宜的に上部・下部に区分した際の下部成層圏の高度は約１６－３０ｋｍである。ＱＢＯは約１８－３０ｋｍで生じている。

注２）ＪＡＧＵＡＲ（Ｊａｐａｎｅｓｅ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｌ　ｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅｌ　ｆｏｒ　Ｕｐｐｅｒ　Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ）

中層・上層大気の研究のために開発された高解像度全球気候モデル。

注３）ロスビー波

西風の中を相対的に西向きに伝播する惑星規模の波動あるいは渦。回転する惑星の大気や海洋の中に見られる。ここで見られているものは、海面・陸面の温度差や大規模な地形の高低差等に起因して発生し、対流圏から成層圏まで伝わってきたもの。

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