快適なそよ風から強力な竜巻やハリケーンまで、風は大気との最も直接的な経験です。風は地表近くだけでなく、国際線に乗るときに報告される向かい風や追い風のように、より高い場所でも吹きます。
実際には、風は高度が高いほど強くなる可能性があります。たとえば、時速 400 km (250 mph) を超える速度の風が熱圏の下部 (高度約 100 km または 60 マイル) で測定されています。概観すると、ハリケーン イルマ (カテゴリ 5 の主要なハリケーン) の最高風速は 295 km/h (185 mph) でした。風も非常に変動しやすく、空間的および時間的に変化します。ウィンド シアーは、空間的変化を測定する量です。ウィンド シアーは、大気の安定性と種の輸送にとって重要です。風とウィンド シアーを定量化することは、大気研究に不可欠です。
ロケット、レーダー、およびライダーを使用した風の測定により、垂直方向の水平ウィンド シアーも上層大気で非常に大きくなる可能性があることが明らかになりました。夏半球）、メソポーズ領域の真上。ピーク値は 100 m/s/km (風は 1 キロメートル以内で 360 km/h、または 1 マイル以内で 360 mph 変化します) にもなります。下層大気では、ラジオゾンデ測定により、赤道および中緯度の対流圏界面のすぐ上で、値が 40 m/s/km を超えるウィンド シアーのピークが特定されました。
中圏界面と対流圏界面に共通する特徴の 1 つは、両方の領域が静的に安定していることです。熱圏では太陽の極端紫外線吸収による加熱と、オゾンによる紫外線吸収による加熱により、気温は低く、高度による温度上昇は大きくなります。それぞれ成層圏。静的安定性は、浮力周波数によって測定されます。中間界面の真上での浮力周波数は地球大気全体で最大であり、浮力周波数も対流圏界面の真上でピーク値に達します。
静的安定度が大きいほど、水平風の垂直せん断がより大きな値に達することが可能になります。これは、垂直方向のせん断速度が、安定した成層流では任意の大きな値に成長できないためです。せん断が大きくなると、不安定性 (せん断不安定性または動的不安定性と呼ばれる) が発生し、乱流混合が発生する可能性があり、せん断速度が制限されます。せん断不安定性のしきい値は、静的安定性に比例することが示されています。したがって、メソポーズやトロポポーズなどの静的安定性の強い大気領域は、より大きなウィンド シアーに耐えることができます。
中規模ウィンド シアーのモデリング
しかし、大きなウィンド シアーを駆動するプロセスはよく理解されておらず、以前の全球モデルは観測された大きなウィンド シアーを再現できませんでした。大きなウィンド シアーは、大気重力波によって引き起こされる可能性があるという仮説が立てられています。大気重力波は、気象システムと地形によって励起され、中層および上層大気に伝播する可能性がある波です。重力波は風、温度、大気の密度を乱す可能性があり、大気が非常に薄くなると摂動の大きさは高度が高くなると非常に大きくなる可能性があります。
単純で規定された重力波を備えた理想化された2次元メソスケールモデルを使用した以前の研究では、風とせん断がメソポーズ領域で実際に大きな値に達する可能性があることが実証されています。しかし、それらの水平スケールは数万キロメートルから数千キロメートルに及ぶため、重力波は通常、下部熱圏に広がるほとんどの全球モデル (しばしば全大気モデルと呼ばれ、水平解像度を持つことが多い) ではほとんど解決されないか、まったく解決されません。 100 km よりも粗い)。おそらく、重力波の表現が不十分なため、以前の全球モデルでは、メソポーズ領域で観測された大きなウィンド シアーを再現できませんでした。
計算能力の向上と数値アルゴリズムの強化により、空間分解能の高い全大気モデルが開発されています。そのような開発の 1 つが、国立大気研究センター (NCAR) で開発された全大気共同体気候モデル (WACCM) です。 WACCM は地表から高度 145 km まで伸びており、その高解像度バージョンは準均一な水平解像度が 25 km で、垂直解像度が 0.1 スケールの高さ (500 ～ 700 m) です。 WACCM を使用したシミュレーションは、かなり現実的な重力波を生成できます。最近の研究では、シミュレーションでウインド シアーを調べたところ、水平風の垂直シアーが中圏界面と熱帯および中緯度の対流圏界面付近でピーク値に達し、静的安定性の空間構造と一致することがわかりました。
以下のこのシミュレーションは、同じモデル (高解像度の WACCM) からのものです。ビデオの前半は、地球表面近くの風を示しており、重力波は一般的に弱く、明らかではありません。後半は熱圏下部の風を示しており、重力波が非常に活発で実際に優勢な特徴です。
この研究では、両方の地域における大きなウィンド シアーの大きさ、緯度依存性、および統計を分析し、それらが利用可能な観測とよく比較されることを発見しました。この研究はまた、重力波である可能性が高い小規模なプロセスが大きなせん断に大きく寄与し、最大のせん断を生成する上で支配的な役割を果たす可能性があることも発見しました。中間圏界面は、宇宙環境の組成および熱構造を決定する熱圏と中間圏の間の重要な種（原子状酸素や一酸化窒素など）の交換を制御するために重要であることが知られています。成層圏と対流圏の間の水蒸気とオゾンの輸送。重力波と大風が輸送と混合に与える影響が調査され、潜在的に重要であることが判明しました。
この研究、Large Wind Shears and their Implications for Diffusion in Regions With Enhanced Static Stability:The Mesopause and the Tropopause は、Journal of Geophysical Research:Atmospheres に最近掲載されました。 .
