中層大気の運動

Meteorology

中層大気の特徴

気温の特徴
  • 10km以下(対流圏)：高緯度地域ほど気温が低い。
  • 10〜20km(対流圏界面付近)：低緯度の方が低温。赤道付近は対流圏が厚く、温度低下が16km付近まで続くため。
  • 20km以上(成層圏)：夏極の高緯度ほど気温が高く、冬極の高緯度ほど低い。日射量の差による。夏極では白夜と呼ばれる太陽の沈まない期間がある地域がある。
  • 70km以上(中間圏)：夏極ほど低温で冬極ほど高温。冬極では偏西風が活発化し、熱輸送が盛んになるためと考えられている。
風の特徴
  • 10km以下(対流圏)：高緯度地域ほど気温が低いため、温度風の関係により上層ほど西風が強まる。
  • 70km以上：上層ほど高温となるため、東風の温度風が加わることで西風は弱くなっていく。夏半球では70km付近までは東風が卓越するが、70km以上では高緯度ほど気温が低くなるため温度風は再び西風となる。
  • 100km以上：温度風は東風が卓越し、上空ほど強くなる。夏半球では上空ほど西風が強くなる。
プラネタリー波の鉛直伝播

プラネタリー波は冬の成層圏、中間圏にも存在する。成層圏は空気密度が低いため、プラネタリー波の波長は増幅して伝わる。
大規模山岳の多い北半球の方が成層圏へ伝播しやすい。
東風が卓越しているとプラネタリー波が伝播できないため、夏半球の上部成層圏へはプラネタリー波は伝播できない。

準2年周期振動

赤道付近の下部成層圏には東風と西風が26ヶ月周期で交互に現れる。これを準2年周期振動(QBO)と呼ぶ。
QBOはプラネタリー波の鉛直伝播で説明できる。
QBOは最初上層に発生し、次第に下層へ降りてくるように見える。

その他の大気の諸現象

マッデン・ジュリアン振動

赤道付近の低緯度の対流圏に発生する大気変動。40日周期振動とも呼ばれ、30〜60日周期の変動をする。
水平規模4万km、鉛直方向は対流圏全域にも及ぶ場合があり、ゆっくりと東進する。
エルニーニョなどのテレコネクションに関係があると言われている。

ケルビン波と混合ロスビー波

赤道付近の下部成層圏に見られる特徴的な波動を赤道波と呼ぶ。大量の太陽放射と弱いコリオリ力により赤道付近には活発な対流があり、これが赤道波を生み出す。代表的な赤道波としてケルビン波とロスビー波がある。

  • ケルビン波：大気、海洋中に起こる大規模波動。赤道面でコリオリ力が逆転することにより発生する。低緯度の下部成層圏に出現し、東西のみに動く。東風の時のみ鉛直方向へ伝播し、準2年周期振動に関係すると言われている。波長4万km、周期20日。
  • 混合ロスビー重力波：波長1万m、周期5日で20m/s程度で西進する。これも準2年周期振動に関係するといわれている。
ケルビン・ヘルツホルム波

密度の異なる流体層の接する面で、2つの流体に速度差があると生じる不安定波動。
大きな風の鉛直シアを持つ気相で小さな波動が成長して波打つことがあるが、これがケルビン・ヘルツホルム波である。
大気の成層状態の安定性と風速シアの比をリチャードソン数と呼ぶが、この値が小さいほど波動が起きやすい。
前線面を挟んだ上下層で境界面が波打ち、波状に雲が出ることが有る。