Transcript 応用編 - 東京大学 大気海洋研究所 気候システム研究系

気候力学II（2007年度後期）
担当教員 木本昌秀（東京大学気候ｼｽﾃﾑ研究ｾﾝﾀｰ）
[email protected]
http://www.ccsr.u-tokyo.ac.jp/~kimoto/
2007年10月4日（木）～2008年1月31日（木）
現在わかっている休講日：11/1、12/6、12/13、12/20
講義ノート（ｐｐｔ）は上記web siteで取得可
＃但し、前日に準備すると思われるのであまり早々と印刷しない方が身の為
Official Syllabus
主として中高緯度で観測される気候変動の実態と、それに関与する様々な時
空間スケールを持つ現象の間の相互作用について議論する。具体的に採り
上げる現象は、北大西洋振動や北太平洋の10年規模変動に伴う中緯度での
大気海洋相互作用とストームトラックの役割、ENSOの遠隔影響に伴う北太平
洋水温偏差の形成における大気海洋相互作用、北太平洋10年規模変動にお
ける海洋波動や海洋前線帯の役割、南北半球の環状モード変動におけるス
トームトラックや惑星波変動の役割などである．
目次
1. 基礎編
i. 大気長周期変動、ＰＮＡ，ＮＡＯなど
ii. 基本的解析手法等
iii. 若干の気象力学
a.
b.
c.
d.
e.
f.
準地衡方程式系
不安定問題
定常ロスビー波
強制プラネタリー波
擾乱の集団的振る舞い、平均流との相互作用
線型応答問題
2. 応用編
i. 中立モード理論
ii. ＳＥＬＦ
iii. 中緯度大気海洋相互作用
Least-damped (or quasi-neutral) mode of
3-D basic states
中立モード理論
Linear modes of climatological basic states
 
2
t


 J  ,   f  F
2
  c  a
  a
2
t




 J  c ,   a  J  a ,   c  f  Fa
2
2
Lx  f
L  UV
T
U  u 1 , u 2 , u 3 ,  ,
u-vectors
Σ   1 ,  2 ,  3 ,  ,
singular values
V   v 1 , v 2 , v 3 ,  ,
v-vectors
1
xL f 
v
i
u
i
T
i
,f 
i
∴ Singular mode with
the smallest  will have
the longest persistence
３次元基本場の最小減衰モード
応用例：北極振動の力学
The Arctic Oscillation
u a 35 N   u a 55 N  &




55 N

35 N
u
*
v
*
 d
a
3-month running mean
 
2

t
Linear operators
2
   c  a
 
2
X   ,  , T , ln Ps 
t
*

 J  ,   f  F
a

 J  c, 
2
a
  J 
*
X  Xc  Xa  Xc  Xa
  : zonal mean,  * : wave,   c : climatolog y,   a : anomaly
1. Planetary
*
L
wave model
 X c  X a*
 F
*
 X a , X c* 
zonal-wave coupling term
2. Zonal response model


X a t  L  X c  X a  F X a , X c  f
*
*
stationary
wave feedback
3. Zonal flow w/ eddy feedback
X a t  L  F X a  X a  f

,  c  f  0
2
a
Zonal-eddy coupling and a neutral mode theory for the
Arctic Oscillation
M. Kimoto1, F.-F. Jin2, M. Watanabe1, and N. Yasutomi1
(Geophys. Res. Lett., 28, 737-740, 2001)
Neutral Modes
dx
 Ax  f  0
dt
A U ΣV
x
v
i
T
Observation
AO 500hPa Height
T
u f
i
i
2L Linear Balance Model
1st Singular Mode
400hPa ψ
Ubar & EP-flux
300hPa
Height & E-vector
Obs.
Neutral
mode
(T10L20)
Kimoto et al. (2001; GRL)
A ‘tilted-trough’ mechanism for the zonal-eddy interaction
ua
*c,*a
_
_

*c+*a
_
u*v*a yu*v*a
Barotropic Vorticity Equation
 a
*
t
 U
c
 c
Ua
*
 U a
U c
 *
 c

 a

 a*


y
x
U
 a 
d Uc
d Ua



2
2
 
x
x 
dy
dy
*
u
2l
x
2
dy
1
2
Acceleration
0.8
0.6
0.4
0.2
Wavelength(km)
0
cos( 2 ly ) , U a  
 ikx
 a sin 2 lye
u a v c  8 C ur
*

*
*
*
*
*
  r  a  J  c ,  a   J  a ,  c 

2
 ikx
 A( y )e
*
2
 c d U a
*

*
(const.)
 Ce


 a
l
2

 a
x
 u sin 2 ly
-0.2 0
3000
6000
-0.4
-0.6
 ikx
-0.8
-1
2
k
2
l
 U k  4 l
2
2
2
k

2
2

 4l
r
2
k
2
2
k

2
 4l
2

sin 2 ly
2
9000
12000
15000
18000
21000
Effective forcing mechanisms for AO/NAO?
2. Eurasian SNOW
Watanabe & Nitta (1999)
S n o w e xte n t o f E. Eu ras i a(Fal l )
& T e m p e ratu re (W i n te r)
r= - 0 .4 3 (9 5 % s i g n i f i ca n t) (a ) & (b ),(c)
r= - 0 .6 5 (9 5 % s i g n i f i ca n t) (a ) & (d )
1 0 .0
4 .0
1976
3 .5
7 .5
3 .0
5 .0
2 .0
1 .5
2 .5
1 .0
0 .5
0 .0
0 .0
-0 .5
-2 .5
-1 .0
-1 .5
-5 .0
-2 .0
-2 .5
-7 .5
-3 .0
1988
-3 .5
-1 0 .0
(K m **2 )
-4 .0
1970
1975
1980
1985
1990
1995
YEAR
(a ) S n o w e x te n t a n o m a ly o f
E .E u ra s ia (F a ll)
(b ) K M A O b s.D JF T a n o m a ly (W in te r)
(c ) J o n e s D J F T a n o m a ly (W in te r)
(d ) Z 5 0 0 H g t P C # 1 (W in te r)
(C )
T e m p e ra tu re A n o m a ly
S n o w E x te n t A n o m a ly
2 .5
2000/2001 Winter
２０００
２００１
Oct 2000
Snow Cover
Anomaly
Initial condition :15~24 Oct.2000 - 15~24 Oct.1988
Z500
T1000
Obs.
GCM
十年規模気候変動
定常偏差－ストームトラック間
の相互作用
positive NAO
contour: 5x106m2s-2
northward
eddy feedback
deflection
contour: 1x106m2s-2
大西洋十年規模変動と
中緯度大気海洋相互作用
Effective forcing mechanisms
for AO/NAO?
1. North Atlantic SSTA
Observed and AGCM-simulated NAO index
Rodwell et al. (1999)
Reemergence
Watanabe and Kimoto (2000a)
Reemergenceがもたらすもの
lag correlation of monthly projection coefficients
local damping ～ 7mo
experiment by
a mixed layer model
“effective damping time”
95% significance
SST
T at 100m
Watanabe and Kimoto (2000a)
CTL
PS1
PS2
(couple) (uncouple) (uncouple)
Atmos.
Ocean
QC
SST
QOA QAO
QOA QAO
SST SST SST SST
clim. daily
Detection of ‘optimal SST forcing’
•T21 CCSR/NIES
AGCM
•coupled to a 50-m
slab ocean
•flux correction
applied
•three 60-yr
integrations
Watanabe and Kimoto (2000, QJRMS)
SST forcing model NAO
X1
heating
PBL heating
X1’
latent heating
mean position of
the storm track
X2
[K/day]
Watanabe and Kimoto (2000)
Possible air-sea feedback loop
Watanabe and Kimoto (2000)
Tokinaga et al. (2006; GRL)