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主譯：梁晨
校對(duì)：余路漢
審核：牧夫天文校對(duì)組
美編：張一帆
后臺(tái)：李子琦
https://www.riken.jp/press/2025/20250219_1/index.html
分析金星大氣的新方法
Bred Vector能量方程闡明運(yùn)動(dòng)機(jī)制
理化學(xué)研究所(理研)計(jì)算科學(xué)研究中心數(shù)據(jù)同化研究組組長(zhǎng)三好建正(開(kāi)拓研究總部三好預(yù)測(cè)科學(xué)研究室主任研究員)、Liang Jianyu特別研究員、慶應(yīng)義塾大學(xué)法學(xué)院物理學(xué)教研室教授杉本憲彥的共同研究小組首次用Bred Vector能量方程分析手法應(yīng)用于金星大氣，發(fā)現(xiàn)了新的運(yùn)動(dòng)機(jī)制。
本研究成果開(kāi)辟了將該方法應(yīng)用于其他各種行星大氣的可能性，也有望為闡明行星大氣運(yùn)動(dòng)機(jī)制做出貢獻(xiàn)。
金星因大小和質(zhì)量與地球相似而被稱為「姐妹星」，但其大氣環(huán)境與地球顯著不同。了解金星大氣有助于理解地球大氣。此次共同研究小組使用計(jì)算機(jī)對(duì)金星大氣進(jìn)行模擬，通過(guò)使用兩個(gè)模擬之差的Bred Vector，明確了與低氣壓的產(chǎn)生、發(fā)展等現(xiàn)象有關(guān)的金星大氣中勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)換機(jī)制和轉(zhuǎn)換效率。
本研究刊登在科學(xué)雜志《Geophysical Research Letters》網(wǎng)頁(yè)版( 日期：日本時(shí)間2月19日)上。
■金星大氣中的能量轉(zhuǎn)換示意圖(金星的圖像提供: JAXA )
背景
金星是太陽(yáng)系內(nèi)大小和質(zhì)量最接近地球的行星，因此被稱為地球的姐妹星。 但是，金星和地球的大氣環(huán)境大不相同，可想而知大氣的運(yùn)動(dòng)也不同。 了解金星大氣有助于加深對(duì)地球氣象氣候的理解。
地球的大氣幾乎都是由氮和氧構(gòu)成，大氣環(huán)流是太陽(yáng)的能量引起的。 在地球赤道附近的低緯度，太陽(yáng)的高度高，日照強(qiáng)烈；在靠近北極和南極的高緯度，太陽(yáng)的高度低，日照變?nèi)酢?于是，溫?zé)岬牡途暥却髿夂屠鋮s的高緯度大氣之間發(fā)生熱的傳遞，隨之產(chǎn)生大氣流動(dòng)。 高緯度上空冰冷沉重的大氣向低緯度側(cè)下降，大氣的勢(shì)能轉(zhuǎn)換為動(dòng)能(斜壓轉(zhuǎn)換)，發(fā)展為三維渦旋(溫帶低氣壓的產(chǎn)生、發(fā)展)。
另一方面，金星比地球更靠近太陽(yáng)，而且大氣大部分都是二氧化碳，溫室效應(yīng)使地表附近的溫度高達(dá)460攝氏度。 另外，金星的自轉(zhuǎn)周期約為243天，所以從太陽(yáng)一次過(guò)中天到再次過(guò)中天的時(shí)間（即1太陽(yáng)日）非常長(zhǎng)，太陽(yáng)相對(duì)于地面幾乎不動(dòng)。 此外，上空的大氣進(jìn)行著超越自轉(zhuǎn)的高速旋轉(zhuǎn)（超級(jí)旋轉(zhuǎn)）。
金星表面高度45~70km處有厚厚的硫酸云，覆蓋著整個(gè)星球，所以用望遠(yuǎn)鏡和圍繞金星的探測(cè)器觀測(cè)金星很困難。 另外，高溫的大氣也會(huì)阻礙進(jìn)入大氣的觀測(cè)。 在這樣的條件下，日本的金星探測(cè)器「曉」于2015年12月到達(dá)金星環(huán)繞軌道，了解到了金星特有的氣象。 盡管如此，對(duì)于與地球相比觀測(cè)困難，觀測(cè)例子少的金星，通過(guò)數(shù)值模擬進(jìn)行研究是非常重要的。
日本研究者們?cè)凇笗浴归_(kāi)始觀測(cè)之前，就開(kāi)始開(kāi)發(fā)金星大氣環(huán)流數(shù)值模擬的計(jì)算程序「AFES-Venus」。通過(guò)數(shù)值模擬再現(xiàn)了「曉」觀測(cè)到的云的巨大筋狀結(jié)構(gòu)，將連接「曉」的觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同化，列舉了各種世界首次研究成果。但是，關(guān)于金星上的大氣環(huán)流及其量化的方法還不清楚，金星大氣中來(lái)自太陽(yáng)的能量是如何輸送轉(zhuǎn)換到整個(gè)星球的，還不清楚。
因此，共同研究小組致力于解析金星上的大氣環(huán)流。
研究方法和成果
本研究通過(guò)對(duì)金星大氣環(huán)流的AFES-Venus數(shù)值模擬，利用兩個(gè)模擬差的Bred Vector，推導(dǎo)出分析金星大氣中能量轉(zhuǎn)換的新方程( Bred Vector能量方程)。
利用Bred Vector能量方程可以闡明勢(shì)能向動(dòng)能的轉(zhuǎn)化機(jī)制及其轉(zhuǎn)化效率。 另外，不使用以往在地球氣象學(xué)上進(jìn)行的經(jīng)度方向的平均和距離那里的偏差，而是在緯度和經(jīng)度兩方向上調(diào)查能量變換。
以往在金星大氣中，由于超級(jí)旋轉(zhuǎn)的影響很大，只考慮了順壓變換。
但是，利用新的方程式進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)在金星大氣云層的中高緯度，引起勢(shì)能轉(zhuǎn)換動(dòng)能的斜壓轉(zhuǎn)換起著很大的作用(圖1a )，首次定量地表明了斜壓轉(zhuǎn)換的重要性。 另外，將太陽(yáng)正下方點(diǎn)固定在經(jīng)度180度的位置的坐標(biāo)系中，由于與太陽(yáng)一起移動(dòng)的熱潮汐波的構(gòu)造，首次發(fā)現(xiàn)在經(jīng)度0度到180度的上午段南北的溫度差變大，斜壓變換變強(qiáng)(圖1b）。從AFES-Venus再現(xiàn)了過(guò)去觀測(cè)到的金星大氣的各種現(xiàn)象這一點(diǎn)來(lái)看，可以認(rèn)為此次判明的能量轉(zhuǎn)換很有可能模擬了實(shí)際的金星。
金星大氣云層中高緯度的斜壓轉(zhuǎn)換與地球溫帶低氣壓發(fā)展機(jī)制的能量轉(zhuǎn)換相似，上述金星大氣特有的斜壓轉(zhuǎn)換強(qiáng)化機(jī)制與地球溫帶低氣壓的易形成性有共同之處，這次的分析方法有望進(jìn)一步理解地球和金星雙方的大氣環(huán)流。
■圖1 高緯度Bred Vector能量轉(zhuǎn)換和太陽(yáng)固定坐標(biāo)下傾斜壓轉(zhuǎn)換的水平面圖
顯示在云層高度的結(jié)果
( a )標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是指用AFES-Venus對(duì)金星大氣環(huán)流進(jìn)行數(shù)值模擬的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)之一。 根據(jù)這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的差異制作Bred Vector。 Pc表示標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的勢(shì)能，Kc表示標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的動(dòng)能，Pb表示Bred Vector的勢(shì)能，Kb表示Bred Vector的動(dòng)能。 紅箭頭為斜壓變換，藍(lán)箭頭為順壓變換。 Qc和Qb表示加熱，Dc和Db表示耗散，標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)和Bred Vector分別表示。 能量單位Jm-2，變換單位Wm-2。 j :焦耳，w :瓦特。
( b )將太陽(yáng)直下點(diǎn)固定在經(jīng)度180度位置的坐標(biāo)系中累計(jì)的斜壓變換( Pb至Kb，單位1010W )的緯度( Latitude )經(jīng)度( Longitude )水平截面圖。 經(jīng)度的0度-180度為上午段，180度-360度為下午段。 剖面圖下方的橫條表示斜壓變換的功率。
今后的展望
本研究導(dǎo)出了分析金星大氣中能量轉(zhuǎn)換的新方程式( Bred Vector能量方程式)，首次應(yīng)用于AFES-Venus的模擬中進(jìn)行了分析。 這個(gè)新方程式是第一個(gè)可以在金星大氣環(huán)流中定量研究經(jīng)度方向的能量轉(zhuǎn)換的方程式。
本研究成果表明了本方法可用于分析其他各種行星大氣環(huán)流的可行性。 通過(guò)使用本方法，有望為行星大氣運(yùn)動(dòng)機(jī)理的闡明和與地球比較的研究進(jìn)展做出巨大貢獻(xiàn)。
今后，通過(guò)使用金星探測(cè)器「曉」的紫外線圖像，可以觀測(cè)到在本次研究中備受矚目的云層上端70km附近的高度，因此本研究得知的斜壓變換的重要性有望通過(guò)觀測(cè)得到實(shí)證。另外，使用「曉」的中間紅外圖像，可以觀測(cè)包括太陽(yáng)光照射不到的夜晚在內(nèi)的溫度。 通過(guò)調(diào)查這些觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)施數(shù)據(jù)同化，可以更加明確現(xiàn)實(shí)的金星大氣中的能量轉(zhuǎn)換，期待今后解開(kāi)金星大氣之謎的進(jìn)展。
補(bǔ)充說(shuō)明
1.Bred Vector
對(duì)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的數(shù)值模擬施加微小的干擾，重新進(jìn)行數(shù)值模擬，提取出與標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的差異擴(kuò)大的干擾。
2 .模擬
在計(jì)算機(jī)中模擬現(xiàn)象和舉動(dòng)。在氣象的研究中，可以用計(jì)算機(jī)計(jì)算基于大氣物理規(guī)律的運(yùn)動(dòng)方程式，調(diào)查風(fēng)和氣溫等大氣狀態(tài)的變動(dòng)。 地球上每日的天氣預(yù)報(bào)和全球變暖預(yù)測(cè)也是模擬的應(yīng)用。
3 .斜壓變換
為了消除南北溫差引起的勢(shì)能不穩(wěn)定(斜壓不穩(wěn)定)的三維運(yùn)動(dòng)所伴隨的能量轉(zhuǎn)換。 溫帶低氣壓和移動(dòng)性高氣壓的生成機(jī)制，在地球中高緯度的氣象中發(fā)揮著重要的作用。
4. 高速旋轉(zhuǎn)（超級(jí)旋轉(zhuǎn)）
金星大氣以遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)自轉(zhuǎn)速度的速度旋轉(zhuǎn)。 其速度隨著高度而增加，在高度70km時(shí)達(dá)到自轉(zhuǎn)速度的60倍左右，時(shí)速約360km。
5 .曉
日本金星探測(cè)器。為了解金星大氣謎團(tuán)而開(kāi)發(fā)，作為日本的行星探測(cè)器，首次成功進(jìn)入了環(huán)繞地球以外的行星運(yùn)行的軌道。2010年5月發(fā)射，同年12月金星環(huán)繞軌道投入失敗，在接近金星的軌道上環(huán)繞太陽(yáng)運(yùn)行。2015年12月再次嘗試投入金星環(huán)繞軌道，并成功。搭載觀測(cè)波長(zhǎng)不同的5臺(tái)相機(jī)和電波屏蔽觀測(cè)用的超高穩(wěn)定性振蕩器，對(duì)金星的大氣進(jìn)行立體觀測(cè)。
6.AFES-Venus
模擬金星大氣整體數(shù)值的計(jì)算程序。為了最大限度利用設(shè)置在海洋研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)的地球模擬器的性能而優(yōu)化的地球大氣模擬用計(jì)算程序AFES( atmospheric general circulation model for the earth simulator ) 修改為金星大氣用。
大氣環(huán)流模型( atmospheric general circulation model )基于流體力學(xué)和熱力學(xué)方程，計(jì)算大氣流動(dòng)和溫度濕度的變化。模擬幾天到幾年周期的大氣，進(jìn)行氣象氣候的預(yù)測(cè)以外，還用于氣象氣候的機(jī)理和可預(yù)測(cè)性的研究等。
7 .數(shù)據(jù)同化
模擬是以現(xiàn)實(shí)世界為模型來(lái)進(jìn)行的，所以其結(jié)果和現(xiàn)實(shí)世界之間無(wú)論如何都會(huì)出現(xiàn)偏差。 因此，將模擬與實(shí)際的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，修正模擬的軌道，提高「準(zhǔn)確性」。 這就是「數(shù)據(jù)同化」。
8 .順壓變換
水平方向流動(dòng)的速度差(速度切變)引起的不穩(wěn)定(順壓不穩(wěn)定)由二維運(yùn)動(dòng)所伴隨的能量轉(zhuǎn)換而解消。
9 .熱潮汐波
行星的大氣在太陽(yáng)正下方點(diǎn)附近被太陽(yáng)光加熱，該加熱區(qū)域相對(duì)于大氣的移動(dòng)會(huì)激發(fā)的行星規(guī)模的波動(dòng)。與行星自轉(zhuǎn)反向傳播，具有與逆自轉(zhuǎn)角動(dòng)量。地球大氣白天被加熱，夜間被冷卻，激發(fā)一天和半天周期的熱潮汐波。 從觀測(cè)中得知金星上也存在熱潮汐波。 地球的潮汐是由月亮的引力產(chǎn)生的，是另一回事。
研究支援
本研究作為地球模擬器利用課題「使用了AFES的地球型行星的大氣環(huán)流模擬(課題負(fù)責(zé)人:杉本憲彥)」的一環(huán)實(shí)施。 以及以下幫助：日本學(xué)術(shù)振興會(huì)( JSPS )科學(xué)研究費(fèi)資助事業(yè)基礎(chǔ)研究( s )「曉數(shù)據(jù)同化揭示的金星大氣環(huán)流全貌(研究代表者:林祥介，研究分擔(dān)者:三好建正，杉本憲彥，19H05605 )」「波浪和對(duì)流形做成的金星大氣環(huán)流:從地表到超高大氣層（研究代表者：今村剛、研究分擔(dān)者：三好建正、杉本憲彥 、24H00021 )」，同基礎(chǔ)研究( b )「金星氣候和超級(jí)輪轉(zhuǎn)變動(dòng)的主要原因闡明(研究代表人:杉本憲彥，23H01249 )」，同基礎(chǔ)研究( a )「云化學(xué)GCM和觀測(cè)解明金星大氣超級(jí)輪轉(zhuǎn)的維持機(jī)制」，計(jì)算科學(xué)振興財(cái)團(tuán)( FOCUS )研究教育據(jù)點(diǎn)( COE )的形成推進(jìn)事業(yè)「考慮了不同時(shí)間尺度的韌性社會(huì)形成的計(jì)算科學(xué)研究(研究代表者:大石哲，研究分擔(dān)者:三好建正)」、 日本宇宙航空研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)( JAXA )第三次地球觀測(cè)研究公開(kāi)招募「云降水海洋的衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化的高度化和應(yīng)用(研究代表者:三好建正)」、理研先鋒項(xiàng)目「科學(xué)預(yù)測(cè)(研究代表者:三好建正)」、科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)( JST )國(guó)際性科學(xué)技術(shù)共同研究等推進(jìn)( SATREPS )「針對(duì)氣象災(zāi)害脆弱的人口密集地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和防災(zāi)信息提供系統(tǒng)的項(xiàng)目(研究代表者:三好建正，JPMJSA2109 )」
發(fā)表人
理化學(xué)研究所
計(jì)算科學(xué)研究中心數(shù)據(jù)同化研究小組
組長(zhǎng)三好建正
(開(kāi)拓研究總部三好預(yù)測(cè)科學(xué)研究室主任研究員)
特別研究員Liang Jianyu
慶應(yīng)義塾大學(xué)法學(xué)院物理學(xué)教室教授杉本憲彥
新聞發(fā)言人
理化學(xué)研究所宣傳室新聞發(fā)言人
慶應(yīng)義塾宣傳室
責(zé)任編輯：甘林
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
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來(lái)自金星9號(hào)的第一張金星地表照片（1975）
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