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IUGONET研究集会
「太陽地球環境メタデータ・データベースによる時空間変動の学際研究」
2014年3月14日
長期間MFレーダーデータ解析による
大気重力波と潮汐波の振る舞い
Behaviors of atmospheric gravity waves and tides
based on long-term MF radar data analysis
Y. Murayama¹, T. Kinoshita¹, S. Kawamura¹, K. Sato2,
S. Nozawa3, C. Hall4
1:NICT,
2: University of Tokyo
3: Nagoya University,
4: Tromsø University
- Data management/coordination work
- Atmospheric dynamics study with long-term data
1
SALMON・亜熱帯環境計測データネットワークシステム
北極域環境計測データネットワークシステム SALMON
System for ALaska (Arctic) Middle atmosphere Observation data Network
環境計測データネットワーク科学アプリケーションシステム
(Scientific AppLication system for Atmospheric MOnitoring data Network)
【データ取得機能】
稚内
アラスカ（UoAlaska)
国内外サイトからの自動データ
取得（アラスカ、沖縄、稚内、小
金井）
小金井
風データ
（対流圏、中間圏）
等
【データ表示・公開機能】
気象庁
Webの簡易解析表示機能
【利活用】
風測定データ気象庁配信、毎日
の気象予報に利用
オーロラ画像
風・気温データ
大気中化学物質データ
等
風データ
海流データ
降水データ
等
風データ
（サロベツ、
小金井、沖縄）
毎日の気象予
報に利用
オーロラライブ
（2007年文部科学
大臣表彰受賞）
沖縄
2
対象データの概要 （Datasets on SALMON)
（公開ポリシーはPIにより異なる。これまでは共同研究や申請ベースが
多かった。⇒将来的にはフリーオープンの方向を目指したい。）
観測地
観測装置名
観測期間
アラスカ
イメージング・リオメータ
1995 ～ 1999
ミリ波ラジオメータ
1999，2003 ～
2006
稚内
山川
レイリーデータ
1997 ～ 2005
多波長ライダー
2003 ～ 2006
ファブリ・ペロー干渉計
2000 ～ 2009
分反射レーダ
(FCAWind / METWind
/ DAE※1)
1998 ～ 現在
FTIR
2007 ～ 2011
大気光イメージャー
2000 ～ 2007
オーロラウェブカメラ
2004 ～ 現在
HFレーダ
2004 ～ 2007
分反射レーダ
(FCAWind / DAE※1)
1996 ～ 現在
VHF
2001 ～ 現在
分反射レーダ
(FCAWind / DAE※1)
1998 ～ 2008
観測地
観測装置名
観測期間
沖縄
(亜熱
帯）
400MHｚWPR
2003 ～ 現在
遠距離海洋レーダ (LROR)
2002 ～ 2010
地上気象測器 (MOS)
2003 ～ 現在
偏波降雨レーダ (COBRA)
2003 ～ 2004
ドップラソーダ (DS)
2001
シーロメータ
2003 ～ 現在
水蒸気ラジオメータ
2004 ～ 2008
1.3GHｚ ウィンドプロファイラ
1993 ～ 2006
1.3GHz ウィンドプロファイラ
(LQ-4)
2011～ 現在
対
UV放射計
2003 ～ 2008
地上気象測器
2007 ～ 2011
全天カメラ
2010 ～ 現在
中
対
放射収支計
2010 ～ 現在
気象観測装置（鉄塔上段）
2010 ～ 現在
中
気象観測装置（鉄塔中段）
2010 ～ 現在
気象観測装置（鉄塔下段）
2010 ～ 現在
超音波風速計
2010 ～ 現在
対
対
対
対
対
対
対
対
超
成
成
対
超
中
対
成
超
超
超
上記 赤枠分をメタデータ登録作業中
対 対流圏大気
成 成層圏 中 中間圏
小金井
（都市
環境）
超 電離圏・熱圏
海 海洋
対
海
対
対
対
対
対
対
Copyright 2012 FUJITSU FIP LIMITED
DB example: Poker Flat MF radar zonal winds (daily mean)
120m/s！
2000
2005
2010
Fixing
radar now!
QL plot sample of MF radar winds on SALMON system
e.g.,
GWs
Atmos. wave QLs
with built-in
band-pass filter
5
Contents
• Background of this study
• Data and Analysis (For Poker Flat!)
• Observed results
• Discussion
• Orographic GW drag mechanism assumed
• Summary
• Preliminary results (Tromso MF radar)
6
Momentum deposition of gravity waves in
the mesosphere
MFR Zonal Winds (80 km)
Andenes
Poker Flat
1999
2000
[Murayama et al., 2006]
7
[Tsuda et al., 1990]
Vertical Profiles of Monthly 24-hr/12-hr Amps.
• Zonal wind：MF radar（＞66km）& MERRA（＜64km）
• Tropo-&Stratosphere:~0.1-1m/s, Mesosphere~1-10m/s≤ 20m/s!
24hr
12hr
Month
1～ 2：red
3～ 4：pink
5～ 6：green
7～ 8：sky blue
9～10：blue
11～12：black
Gravity wave effects to MA circulation
•Waves change “mean
winds” in the mesosphere.
•Condition can change in
wave-mean flow
interaction.
[Tsuda, 2013]
10
Past studies: GW and tides in the mesosphere
• Observation：the kinetic energy of GWs has 12-hour components
Observation points
year
Dominant months
Manuscript
Saskatoon (52ºN,
107ºW)
1988～
1996
April ~ Aug. at 76～ Manson et al.
88 km
(1998)
Rothera, Antarctic
(68ºS, 68ºW)
2005～
2008
April ~ June, Nov. ~ Beldon and
Feb. 87 km
Mitchell (2010)
• Modeling studies：
• They show that tidal waves
modulate GWs vice versa
12 hr
in phase and amplitude
(e.g., Mayr et al. (2001, 2005), 24 hr
Watanabe and Miyahara 2009)
April
August
10
Purpose, Data, and Analysis
• To improve the understanding of coupling processes of GWs
and tidal waves from observation (and modeling data)
Site
Lat.
Long.
Freq.
/MHz
Peak
Power
/kW
Vertical
resolution
/km
Analyzed data period
Poker Flat
65.2N
147.6W
2.4
50
4
Jan. 1998-Dec. 2008
Tromsø
69.6N
19.2E
2.8
50
3
Jan. 1998-Dec. 2008
Harmonic fitting
Data period：Jan. 1999 to Dec. 2008
Time resolution：30 minute-mean of 3-5 min. data
Harmonic fitting (8, 12, 24, and 48 hours)
Running window of 5-day fit (every 30 min.)
cf. 1month-window fitting
GW analysis
Wind velocity variances of 1-4 hr periods
Harmonic fitting was applied to time series of GW Kinetic Energy.
11
Examlpe of analysis (April 10~20, 2000)
- harmonic fitting (zonal wind)
- short-period GW component (1-4hr)
Observation data (at 76 ～ 88 km)
Harmonic components (48,24,12,and 8 hours)
Short-period GWs)
12 hour component and kinetic energy of short-period GWs
126
Examlpe of analysis (April 10~20, 2000)
- harmonic fitting (zonal wind)
- short-period GW component (1-4hr)
Observation data (at 76 ～ 88 km)
Harmonic components (48,24,12,and 8 hours)
Short-period GWs)
12 hour component and kinetic energy of short-period GWs
136
潮汐波 (カラー) と短周期重力波
運動エネルギー (実線) の1day コンポジット図
Time (hour)
7
Zonal wind (harmonic components) and
kinetic energy of short-period GWs：
15
1day analysis (10 year-mean)
• Two peaks a day
• Evident in May-August
Color：harmonic
components
(zonal wind)
Line：GW kinetic energy
8
Phase (GW kinetic energy and 12-hour component)
Oct. 26, ～ Dec. 25, 2000
• Harmonic analysis is applied to GW kinetic energy (48, 24, 12,
and 8 hour components).
0
Time
6
12
18
24
Line：12 hour component of zonal wind
Color：GW kinetic energy (12-hour component)
2000年
16
Gravity wave drag
(orographic wave)
17
Adapting the OGWD model of
Alexander and Dunkerton (1999)
without including meridional
dependency.
Alexander and Dunkerton (1999)
Calculation of critical levels and stability of waves
13
Applying OGWD to 12-hour component of zonal wind
18
(Nov. 20, 2000)
12-hr component + monthly mean
Height (km)
12-hr component only
90
90
85
85
80
80
75
75
70
0
6
12
Time
18
24
70
0
6
12
Time
18
24
14
Daily fluctuation of 12-hour component of zonal
wind (contours) and OGWD (colors)
(Oct. 26 -- Dec. 25, 2000 at 84km)
0
6
Time
12-hour
component
＋
Monthly mean
12
18
24
0
6
Time
Harmonic
components
(8,12,24hr)
＋
Monthly mean
12
18
24
19
Zonal wind (> 2 day-period and 12 hour components)
20
(Nov. 20, 2000)
12 hr ＋ > 2 day-period components
Height (km)
> 2 day-period components
90
90
85
85
80
80
75
75
70
0
70
0
6
12
TIME
18
24
6
12
TIME
18
24
14
Zonal wind (< 2 day-period and 12 hour components)
(Oct. 26 -- Dec. 25, 2000 at 84 km)
0
< 2 day-period
components
Time
6
12
18
24
0
12 hour
＋
< 2 day-period
components
Time
6
12
18
24
21
Summary
22
• We investigated the relation between harmonic components
of zonal wind and short-period GW energy using
horizontal wind velocity data from Poker Flat MF radar
(from 1999 to 2008.) The results are:
• Climatology: from May to Aug.
• Short period GW kinetic energy has semidiurnal component.
• This component enhanced when easterly wind of semidiurnal
tide is switched to westerly.
• Phase relation between tide and GW
• Phase of SD component of short-period GW KE follows
phase of the SD tide for 20 days in Nov.-Dec. 2000.
• Orographic GW drag
• (Alexander and Dunkerton ,1999)
• To the sum of tidal and background components of zonal wind,
it is observed that OGWD has semidiurnal components and
follows daily fluctuation of tidal components.
16
(Premliminary) Comparison of GW activities and
12-hr component at Poker Flat and Tromsø
Poker
Flat,
Alaska
Tromsø,
Norway
• GW variance is smaller at Tromsø than at Poker Flat.
• “Two peaks a day” is less evident at Tromsø?
• GW-tide phase lock