GAIA データベースを用いた大気重力波 レイトレーシング手法の開発 ISS-IMAP 研究集会 2015/09/01 情報通信研究機構 電磁波計測研究所 センシングシステム研究室 久保田実 宇宙環境インフォマティクス研究室 陣英克

フォワードトレース バックトレース 【目的】 観測された AGW の伝播ルートや波源を探 る。 【手法】 AGW の観測高度における群速度を算出し、 そこを起点として徐々に（例えば 1 km ス テップで）高度を下げながら、 AGW の位 置を追っていく。 大気重力波（AGW）のレイトレーシ ング

AGWの群速度 [Marks and Eckermann, J. Atmos. Sci., 52, 1995] 背景風速（東向き成 分） 背景風速（北向き成 分） 東西波数 南北波数 鉛直波数 内部周波数 慣性周波数 スケールハイト ブラントバイサラ周波数

その他の数式 鉛直風速 AGW の位相速度（東向き成 分） AGW の位相速度（北向き成 分） AGW の周期 重力加速度 緯度 温度

背景風速（ U, V ）、背景温度（ T ）は AGW の存在している範囲では水平一 様 この手法で用いている仮定 ※数式（プログラム）の簡略化のため 鉛直風速（ W ）はゼロ

【観測から得られる物理量（初期値）】 AGW の位置（緯度  、経度、高度）、 AGW の水平位相速度（ v px, v py ）、周期 （  ）など 【モデルから得る物理量】 背景風速（ U, V ）、背景温度（ T ） ※高度 の関数 【その他、既知の物理量】 重力加速度（ g ） ※高度の関数 本手法では U, V, T は AGW のスケールに応じて z 方向 に平均化して与えた。 計算に必要な物理量

GAIAモデル Ground-to-topside model of Atmosphere and Ionosphere for Aeronomy [Jin et al., JGR, doi: /2010JA015925, 2011] グリッド間隔：水平 2.8° 、 垂直 0.2 スケールハイト、 1 時間 データベース化されている期間： 1996 年 1 月～ 2015 年 6 月

GAIAモデル 2013 年 5 月 20 日 22:30 UT 高度約 90km （ 0.001hPa ）の U, V, T 下層大気（～ 30km 以下）は客観解析モデル（ JRA-25 ）をインプット F10.7 （ Daily value ）、地磁気静穏を仮定したポーラーキャップポテン シャルとオーロラ電子降下を与えているが、地磁気の変動は与えてい ない。

(b) 23 UT 本手法を用いたケーススタディ Ionospheric variations during and after the 2013 Moore tornado dTEC (20-min window) maps over N. America on 20 May, 2013 animation [Nishioka et al., GRL, 2013]

(b) 23 UT 本手法を用いたケーススタディ Ionospheric variations during and after the 2013 Moore tornado dTEC (20-min window) maps over N. America on 20 May, 2013 animation [Nishioka et al., GRL, 2013] 300 km 200 km 150 km 100 km 50 km 10 km 23:00 UT 21:10 UT 計算で得られたAGW (packet (b))の伝播経路

モデルから得られる物理量の高度変 化

MSISHWMとMSISの比較 2013 年 5 月 20 日 23:00 UT 高度約 250km の風速場 MSISHWMGAIA (b) 23 UT

GAIA データを用いてレイトレーシング解析をする IDL プログラムは、 NICT サイエンスクラウド と京大のサーバ（ step0ku ）の以下のディレクトリに置かれている。 /osn-disk/gps/ray-trace/ （サイエンスクラウド） /hd2/home2/imap/program/GAIA/ （京大） 2014 年 11 月の ISS-IMAP データ解析 WS ＠京都にて、初期バージョンを公開。現在はバージョン 2 に更新されている。主な変更点は、 機能の追加と、ブラントバイサラ周波数の計算式の修正 。 以下、各プログラムの簡単な説明 ray_trace_AGW_ver4.pro 大気重力波の航跡線解析（ ray trace ）をする IDL のツールイメージャ等で観測した大気重 力波の水平位相速度、周期、高度、時刻等を入力すると、航跡線解析をして結果を出力す る。 get_UVT_from_gaia_filter_hokan_ver2.pro GAIA データから任意の時刻、場所の温度や風速を取り出すツール。サブルーチン SATO_Tory_filter.pro により U, V, T を z 方向に平均化する。サブルーチンとして以下の ray_trace_AGW_ver4pro 中でも用いている。 plot_UVT_from_gaia_filter.pro GAIA データから任意の時刻、場所の温度や風速を取り出して高度プロファイルを描くツール。 MSISHWM で計算した温度や風速も重ねて描く。 MSISHWM のための F10.7 と Ap 指数は自分で調 べて入力する必要がある。 map_ray_trace_AGW_ver3.pro 航跡線解析の結果を地図上に描画するツール。 GAIA の説明は以下参照 /osn-disk/gps/ray-trace/readme_eng.pdf /hd2/home2/imap/data/earth_data/gaia/readme_eng.pdf レイトレーシングのプログラム （IDL）

まとめ  GAIA データベースを用いた AGW レイトレーシング手法を紹介した。 本手法は ISS-IMAP 等で観測された AGW の伝播ルートや波源の調査 に活用できる。  今回紹介したレイトレーソングの IDL のプログラムは NICT サイエン スクラウドや京大の IMAP データサーバで動作する。  GAIA データベースは、低高度域に客観解析データをインプットし ている。高度 100km 程まではリアリティのある大気の場を与えて くれるように見える。 → 要検証。新 MTI 衛星に大いに期待。  しかし、オーロラ活動度を静穏（変動なし）と仮定しているため、 中・高緯度帯の熱圏領域では、現実の大気の場を再現できていな い可能性がある。 → 今後の改善に期待。当面は MSISHWM との併 用か。 【 GAIA のリファレンス】 Jin et al., J. Geophys. Res., doi: /2010JA015925, ※ 詳細は陣さんにお問い合わせください 【本レイトレーシング手法のリファレンス】 Kubota et al., J. Geophys. Res., doi: /2010JA016212, ※ GAIA データベースを用いた AGW レイトレーシング手法については現在執筆 中 （頑張ります）