Transcript 大気物質輸送
大気海洋物質科学 I 大気物質輸送 序： 主成分の窒素、酸素については、気象学ではよく混ざっ ているとして１つの流体として、輸送に関わる運動（風）を 議論 水蒸気；気象学のメインテーマであろう 化学物質は幾つもあって、また観測結果もいっぱいあっ て、、、ですが： 主に、全球スケールの運動を概観 大気組成 高度 流体粒子や放射性物質が輸送の確認として使われてい る CO2 温暖化物質として重要である、寿命の長いCH4 比較的寿命の長い物質であるCO CH4 最後に大気汚染の代表としてのオゾンを例示する ２章では対流圏の物質輸送の問題をあつかう 10-6(ppmv) ３章では成層圏オゾンに関わる物質輸送 大気微量成分の平均的な高度分布 第２章：対流圏の物質輸送 ２−１：輸送方程式 夏季の海面気圧場(hPa)を示す、高気圧や低 気圧が場として表現 気象の、運動にからむ基礎方程式を述べることにします。 詳しくはHolton の An Introduction to Dynamic Meteorology 等を参照。式だけ書いておきます．連続体近 似として、流体力学の方程式によって流体の運動を議論す る。 基本の式が数個である ー＞大気を連続媒体と見なして場の変化の方程式を作る。 そこでは，大気の運動を表す流体の速度が必要である。こ れは v = v ( x, y, z, t ) と表され、場の関数である。さらに ２つの熱力学量が必要。例えば圧力 p = p ( x, y, z, t ) と密 度 ρ = ρ( x, y, z, t ) が必要である。この５つの量で流体の 状態は完全に決定されると書いてある。そこで例えば温度 T = T ( x, y, z, t )は状態方程式から決まる。 2002年9月 25日の全 オゾン分 布 高度100km程度までは窒素、酸素はよくまざっていて、１つ の密度、圧力であらわす。 ー＞オゾンなどは別にあらわす 大気化学成分の１つであるオゾンなども場の関数と して現すとわかりやすいかも？ 2002年の変動パターン->３章で少し詳しく 方程式： 輸送（運動）にからむ方程式を書いておきます． オゾンなどの化学成分の輸送としては、成分の連続の式が増えていく 連続の方程式（大気全体） (1) div ( v ) 0 t 運動方程式（東西、南北、鉛直方向）は種々の近似をして以下のよう (2) du uv 1 p tan 2v sin Fx dt a x (3) dv u2 1 p tan 2u sin Fy dt a y 2003年9月11日のオゾンホー ル（全オゾンの分布） dw 1 p g Fz dt z 現状の、全球をあつかう大気大循環モデル（GCM）では静力学平衡になっている p g z (4) RT p RT 理想気体（大気）の状態方程式、 R = 287 J / kg / K 熱力学の方程式： cpは定圧比熱 ( = 1004 J / kg / K ) cp T ( p0 ) R / cp 断熱運動では温位が保存される。 変形して-> 水蒸気の式（混合比の保存）は dT dp d' Q dt dt dt p cp dlnT dln p dln d'Q R cp dt dt dt Tdt dq source sink dt (6) (5) ２−２：化学物質輸送 個々の大気中物質（例えばオゾン）の体積混合比 D 0 Dt について 例えば、Muller and Brasseur(1995)から v 0 t 流体粒子に伴って、混合比が保存するように運動している式となる（分子拡散は無視） この式に、化学変化として右辺に生成／消滅の項を付け加えることで、物質循環を議論すればいいであろう。 生成／消滅は化学反応として、ほかで議論されるであろう 大気へのソースとしての、地表からのemissionや地表へのdeposition 輸送問題としての１つの方法： 直接表現できるスケールの運動とそれからのずれの運動が、分離されてよく議論される（例えば、通常のGCMでは、対流 は直接表現されていない）。 ' のような形を仮定して、表現できるスケールの運動とずれに分ける。上式に代入して、表現できるスケールの変 動の式を導くと、 v ' u' ' v' ' ' t x y p のような式が導かれる。この右辺のずれの積の項をどのように評価するか？ が問題ごとに変わる； 一番簡単な例は分子拡散をまねて、乱流による輸送を拡散の形に仮定するものがある。 結果的に、ある場所の物質の変化の式は t advection t edd y t chem istry t オイラー的時間変化 ＝ 輸送の詳細 ＋ 化学過程 輸送をプロセスで分けてみる： 前ページの方法を、全球的な物質輸送の問題に適用すると、以下のようになるであろうか。 （小規模現象の輸送を扱う時は対流まで陽に表現で、乱流による輸送をパラメータで表現） オイラー的、その場所の物質変化＝輸送＋化学過程で 輸送としてはスケールで分けて ー＞ 大循環 ＋ スケール小の対流など ＋ 乱流輸送 大循環による輸送はたとえば、大循環モデル結果の風を用いたり、 ECMWFデータのように、モデルに観測データを同化して求めたものでもいいであろう。 例：我々のところで物質循環に用いている 大気大循環モデルは T42（全球的な波の数） 2.8x2.8度程度の分解能の粗いモデルである。 （ 約250km ） 移動性低気圧などは、まあ分解可能であろう; 数千キロだから直接表現 惑星波動 これもいい １００００km 上記の運動は表現可能 大循環モデルで explicit にもとめるー＞その風でモノが流れる メソ現象は表現が出来ていない T106では100kmの分解能になる メソα現象が表現される 化学気候モデルにはほとんど未使用、ECMWF データのような風を用いた輸送モデルでは、最近T106くらいが使われるようになった Regionalな問題では、領域モデルが使われる 対流輸送 対流時間でおこる ー＞あらいモデルでどのように表現するかという問題 乱流輸送 乱流理論を使いパラメータ表現する 水平輸送 鉛 直 輸 送 ２ー３：大循環の大雑把な様子 大循環のようすを説明するのが大気大 循環論（熱輸送、角運動量輸送、水の 循環を含めて）だろう それぞれがconsistentなように決まる それぞれの保存則があって （エネルギー、角運動量、水） ＜ーすべてはお互いに、例えば速度 場などを通じて関係している。 月平均された地表面気圧と風の概要 ー＞ その中で：赤道域と中高緯度の 運動の振舞いが異なるよう。 赤道域は水平収束的なものが特色の よう 中高緯度は水平的な渦が特色のよう （気象学で詳しく述べられている） 1月平均、 上 層 300hPa の 高度場、 ほぼ地衡 風バランス 東西に平均した子午面循環と擾乱 中 緯 度 高 低 気 圧 の 様 子 熱帯域で上昇流（場所は季節で移動）、３０ 度あたりは下降流なるHadley循環 北半球冬 Hadley 循環やRossby循環（傾圧波動が卓越） Walker循環のように熱帯の東西移流や 中緯度の惑星波動による水平移流など 対流の集合 北半球夏 北半球 温位 南半球 東西に平均した子午面循環 対流、等温位線、流体粒子の流れのSchematic図 水の循環 低緯度の水蒸気が極域方向へ移流される 水対流が重要 ー＞あらいモデルでの表現 降雨、蒸発、水蒸気輸送の緯度変化 全球の降雨のようす、北半球冬 東西に平均した水蒸気の南北高度分布(g/kg) 結果としての、緯度高度温度場の様子 緯度／高度を決めて，東西方向に地球を—周した平均の 図：93年の1月の平均を示す。 実線が温位θを、点線が温度である。 圏界面 p p T( 0 ) / cp 緯度で異なる対流圏の高さ d dz 図から想像できるように、 は成層圏で大き 2 ２と呼ばれる い（より安定）、 N は浮力振動数 g ln z 対流圏／成層圏のSchematic図 ー＞成層圏での輸送については３章で 熱帯域と中高緯度とは力学過程が異なる様相 物理的には温位の方が力学的に断熱で保存則をみ たす点で重要か ー＞ 力学を考えると d /dt 0 断熱運動のとき、 温位面を動きやすい？ とすれば流体は等 図 ー＞中緯度で対流圏と成層圏がcrossしている。 Holton et al. (1995, Rev. Geophys.)から 熱帯対流圏では d が重要であろう Q dt ２−４：手法（オイラーとラグランジュ） 大きなスケールの運動による輸送はたとえば、大循環モ デルを用いた風や、ECMWFデータの風で表現される であろう。 オイラー的な方法では Emanuel and Pierrehumbert,1996, NASA ASI : 315Kと 330Kの等温位面上の水平的流体粒子の動き、初期条 件：3月1日から、10日たったあと。 315K v t の式を直接積分することになる。 例：GCMで再現された６月での水蒸気fluxと降雨（水蒸 気は v で流されている。オイラーの式を解いた結果。た だし、降雨の方は対流のパラメータが導入されている）、 Kawatani and Takahashi, 2003, J. M. S. J. 別の方法：ラベルをつけて空気粒子をながしてみる、 Lagrange的な方法がある。 初期の色 320K 等温位面：成層 圏--＞対流圏に 350 320 傾圧波動にともなう流体粒子の３次元的動きをみてみよう： 木田, 1977, J. M. S. J. （水過程は入っていない） ３０日後 １０日後 200mb 60 20 １０日後 ２００mb高度の、様々な緯度にモノをおいた例： 全体的には下降している（重心の運動） ２０日後 オイラー平均子午面循環 また４５-６０度あたりのは南北に大きく広がっている、 これは傾圧波動による移流のせいである。だいたい 等温位面をうごいている、 どこから来たかを求める：backward trajectory 下図は、ある期間のCOの濃度分布、右図はどこから きたかの起源の場所を決めるため、粒子の動きを Lagrange的に時間をさかのぼって、 高度別 Blake et al., 1999, JGR CO 〜9.2km 〜4.2km 〜1.5km COが多い Aircraftによる観測、96年、8月ー10月の観測、PEMTropics A １０日前まで；高度ごとにはいろいろな所から来てい る、中層はアフリカから ２−５：モデル中の対流による輸送について 対流は細かいスケールでおこっている。その対流は水の みでなく、微量成分の鉛直輸送で非常に重要である。 Mと定義する。 Mass flux を 質量flux だから M≡ -ω／g〜ρw Yanai et al. (1973) これを２つにわける（雲によるものと周りの平均） ˜ M Mc M 図は２次元の対流が表現可能なモデルによる、DMS （硫化ジメチル、(CH3)2S）の鉛直分布を示す。中層の多 いところは対流により輸送されていることを示す。Wang and Prinn, 1998, JGR Mc は積雲によるMass flux である。 ˜ M はまわり（環 境）のMass fluxである。 風を変えている はエントレインメント率、 ˜ ( ) はデトレインメント率として、 M 0 p c c ˜ ˜ ) Mc Mc (c t p p 一方、水平分解能のあらいモデルでは対流の効 果をパラメータとして扱っている。 平均的な物質変動が普通のGCMでは表現できない雲対 流によるMass fluxによる移流に依存する すなわち、平均的な流れによるものに加えて、 問題は雲対流のMass fluxを如何にきめるかであるが（対 流のパラメータ化とからむ）、 −＞例えばArakawa and Schubert(1974)など ' ' t p １つのパラメータ例： の右辺を評価することになる。 −＞パラメータを用いたCO, O 輸送の例は後で ２−６：輸送の確認 東西輸送の時間スケール 3x107m/20m/s =1.5x106s=17日程度 東西輸送： 上層の西風により物質が東に流されてい る様子、7月平均、38Nにおける 222Rn 東西平均の東西風の様子 （e-folding timeは5.5日）分布、ソースは ＜ー南北の温度差による温度風の関係で 土壌 JJA（夏）平均の、東西風の緯度高度図 Jacob and Prather, 1990, Tellus、気象場は GISS-GCMが使われている 夏のアメリカ西大陸上dry convection が大 事と書いてある JJA、200hPaでの東西風分布 ー＞観測されたある場所の鉛直分布などで 確認される 南北両半球の交換について 850hPa 1月平均 地表面気圧と対応した流れ 1月に東西一様な仮想的物質を分布させ、赤道域に南北勾配を 与え、その後、流れによってどのように物質分布が変動するかを みたもの、１月内の変化、Taguchi, 1993, JMSJ その後、6月 と12 月でどんなふうに変化するかをみ たもの、勾配の大きいところが移動し、半球交換時 間は１年と評価されている。 南北輸送と鉛直輸送 Muller and Brasseur, 1995, JGR 鉛直輸送の確認：鉛直拡散と対流輸送（パラメータ 化は別方法）の効果が入っている。 大規模場による輸送（ECMWFデータから）および水 平拡散 ー＞ 南北輸送の確認 Kr８５（寿命15年）の 表面での緯度分布（dashが大西洋 観測、実線がモデル結果（30W））：北半球が多く、南半 球はすくない 夏の大陸上のRadon222（半減期3.2日）の鉛直 分布