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主譯：梁晨
校對：余路漢
審核：牧夫天文校對組
美編：張一帆
后臺：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能量方程闡明運動機制
理化學研究所(理研)計算科學研究中心數據同化研究組組長三好建正(開拓研究總部三好預測科學研究室主任研究員)、Liang Jianyu特別研究員、慶應義塾大學法學院物理學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用于金星大氣，發(fā)現了新的運動機制。
本研究成果開辟了將該方法應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動機制做出貢獻。
金星因大小和質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算機對金星大氣進行模擬，通過使用兩個模擬之差的Bred Vector，明確了與低氣壓的產生、發(fā)展等現象有關的金星大氣中勢能向動能的轉換機制和轉換效率。
本研究刊登在科學雜志《Geophysical Research Letters》網頁版( 日期：日本時間2月19日)上。
■金星大氣中的能量轉換示意圖(金星的圖像提供: JAXA )
背景
金星是太陽系內大小和質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，可想而知大氣的運動也不同。 了解金星大氣有助于加深對地球氣象氣候的理解。
地球的大氣幾乎都是由氮和氧構成，大氣環(huán)流是太陽的能量引起的。 在地球赤道附近的低緯度，太陽的高度高，日照強烈；在靠近北極和南極的高緯度，太陽的高度低，日照變弱。 于是，溫熱的低緯度大氣和冷卻的高緯度大氣之間發(fā)生熱的傳遞，隨之產生大氣流動。 高緯度上空冰冷沉重的大氣向低緯度側下降，大氣的勢能轉換為動能(斜壓轉換)，發(fā)展為三維渦旋(溫帶低氣壓的產生、發(fā)展)。
另一方面，金星比地球更靠近太陽，而且大氣大部分都是二氧化碳，溫室效應使地表附近的溫度高達460攝氏度。 另外，金星的自轉周期約為243天，所以從太陽一次過中天到再次過中天的時間（即1太陽日）非常長，太陽相對于地面幾乎不動。 此外，上空的大氣進行著超越自轉的高速旋轉（超級旋轉）。
金星表面高度45~70km處有厚厚的硫酸云，覆蓋著整個星球，所以用望遠鏡和圍繞金星的探測器觀測金星很困難。 另外，高溫的大氣也會阻礙進入大氣的觀測。 在這樣的條件下，日本的金星探測器「曉」于2015年12月到達金星環(huán)繞軌道，了解到了金星特有的氣象。 盡管如此，對于與地球相比觀測困難，觀測例子少的金星，通過數值模擬進行研究是非常重要的。
日本研究者們在「曉」開始觀測之前，就開始開發(fā)金星大氣環(huán)流數值模擬的計算程序「AFES-Venus」。通過數值模擬再現了「曉」觀測到的云的巨大筋狀結構，將連接「曉」的觀測數據和數值模擬關聯，實現數據同化，列舉了各種世界首次研究成果。但是，關于金星上的大氣環(huán)流及其量化的方法還不清楚，金星大氣中來自太陽的能量是如何輸送轉換到整個星球的，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
本研究通過對金星大氣環(huán)流的AFES-Venus數值模擬，利用兩個模擬差的Bred Vector，推導出分析金星大氣中能量轉換的新方程( Bred Vector能量方程)。
利用Bred Vector能量方程可以闡明勢能向動能的轉化機制及其轉化效率。 另外，不使用以往在地球氣象學上進行的經度方向的平均和距離那里的偏差，而是在緯度和經度兩方向上調查能量變換。
以往在金星大氣中，由于超級旋轉的影響很大，只考慮了順壓變換。
但是，利用新的方程式進行了數值模擬分析，結果發(fā)現在金星大氣云層的中高緯度，引起勢能轉換動能的斜壓轉換起著很大的作用(圖1a )，首次定量地表明了斜壓轉換的重要性。 另外，將太陽正下方點固定在經度180度的位置的坐標系中，由于與太陽一起移動的熱潮汐波的構造，首次發(fā)現在經度0度到180度的上午段南北的溫度差變大，斜壓變換變強(圖1b）。從AFES-Venus再現了過去觀測到的金星大氣的各種現象這一點來看，可以認為此次判明的能量轉換很有可能模擬了實際的金星。
金星大氣云層中高緯度的斜壓轉換與地球溫帶低氣壓發(fā)展機制的能量轉換相似，上述金星大氣特有的斜壓轉換強化機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能量轉換和太陽固定坐標下傾斜壓轉換的水平面圖
顯示在云層高度的結果
( a )標準實驗是指用AFES-Venus對金星大氣環(huán)流進行數值模擬的兩個實驗之一。 根據這兩個實驗的差異制作Bred Vector。 Pc表示標準實驗的勢能，Kc表示標準實驗的動能，Pb表示Bred Vector的勢能，Kb表示Bred Vector的動能。 紅箭頭為斜壓變換，藍箭頭為順壓變換。 Qc和Qb表示加熱，Dc和Db表示耗散，標準實驗和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 )將太陽直下點固定在經度180度位置的坐標系中累計的斜壓變換( Pb至Kb，單位1010W )的緯度( Latitude )經度( Longitude )水平截面圖。 經度的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
本研究導出了分析金星大氣中能量轉換的新方程式( Bred Vector能量方程式)，首次應用于AFES-Venus的模擬中進行了分析。 這個新方程式是第一個可以在金星大氣環(huán)流中定量研究經度方向的能量轉換的方程式。
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。 通過使用本方法，有望為行星大氣運動機理的闡明和與地球比較的研究進展做出巨大貢獻。
今后，通過使用金星探測器「曉」的紫外線圖像，可以觀測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觀測得到實證。另外，使用「曉」的中間紅外圖像，可以觀測包括太陽光照射不到的夜晚在內的溫度。 通過調查這些觀測數據，實施數據同化，可以更加明確現實的金星大氣中的能量轉換，期待今后解開金星大氣之謎的進展。
補充說明
1.Bred Vector
對標準實驗的數值模擬施加微小的干擾，重新進行數值模擬，提取出與標準實驗的差異擴大的干擾。
2 .模擬
在計算機中模擬現象和舉動。在氣象的研究中，可以用計算機計算基于大氣物理規(guī)律的運動方程式，調查風和氣溫等大氣狀態(tài)的變動。 地球上每日的天氣預報和全球變暖預測也是模擬的應用。
3 .斜壓變換
為了消除南北溫差引起的勢能不穩(wěn)定(斜壓不穩(wěn)定)的三維運動所伴隨的能量轉換。 溫帶低氣壓和移動性高氣壓的生成機制，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（超級旋轉）
金星大氣以遠遠超過自轉速度的速度旋轉。 其速度隨著高度而增加，在高度70km時達到自轉速度的60倍左右，時速約360km。
5 .曉
日本金星探測器。為了解金星大氣謎團而開發(fā)，作為日本的行星探測器，首次成功進入了環(huán)繞地球以外的行星運行的軌道。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)繞太陽運行。2015年12月再次嘗試投入金星環(huán)繞軌道，并成功。搭載觀測波長不同的5臺相機和電波屏蔽觀測用的超高穩(wěn)定性振蕩器，對金星的大氣進行立體觀測。
6.AFES-Venus
模擬金星大氣整體數值的計算程序。為了最大限度利用設置在海洋研究開發(fā)機構的地球模擬器的性能而優(yōu)化的地球大氣模擬用計算程序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 )基于流體力學和熱力學方程，計算大氣流動和溫度濕度的變化。模擬幾天到幾年周期的大氣，進行氣象氣候的預測以外，還用于氣象氣候的機理和可預測性的研究等。
7 .數據同化
模擬是以現實世界為模型來進行的，所以其結果和現實世界之間無論如何都會出現偏差。 因此，將模擬與實際的觀測數據進行對照，修正模擬的軌道，提高「準確性」。 這就是「數據同化」。
8 .順壓變換
水平方向流動的速度差(速度切變)引起的不穩(wěn)定(順壓不穩(wěn)定)由二維運動所伴隨的能量轉換而解消。
9 .熱潮汐波
行星的大氣在太陽正下方點附近被太陽光加熱，該加熱區(qū)域相對于大氣的移動會激發(fā)的行星規(guī)模的波動。與行星自轉反向傳播，具有與逆自轉角動量。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(課題負責人:杉本憲彥)」的一環(huán)實施。 以及以下幫助：日本學術振興會( JSPS )科學研究費資助事業(yè)基礎研究( s )「曉數據同化揭示的金星大氣環(huán)流全貌(研究代表者:林祥介，研究分擔者:三好建正，杉本憲彥，19H05605 )」「波浪和對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、研究分擔者：三好建正、杉本憲彥 、24H00021 )」，同基礎研究( b )「金星氣候和超級輪轉變動的主要原因闡明(研究代表人:杉本憲彥，23H01249 )」，同基礎研究( a )「云化學GCM和觀測解明金星大氣超級輪轉的維持機制」，計算科學振興財團( FOCUS )研究教育據點( COE )的形成推進事業(yè)「考慮了不同時間尺度的韌性社會形成的計算科學研究(研究代表者:大石哲，研究分擔者:三好建正)」、 日本宇宙航空研究開發(fā)機構( JAXA )第三次地球觀測研究公開招募「云降水海洋的衛(wèi)星數據同化的高度化和應用(研究代表者:三好建正)」、理研先鋒項目「科學預測(研究代表者:三好建正)」、科學技術振興機構( JST )國際性科學技術共同研究等推進( SATREPS )「針對氣象災害脆弱的人口密集地區(qū)的數值天氣預報和防災信息提供系統的項目(研究代表者:三好建正，JPMJSA2109 )」
發(fā)表人
理化學研究所
計算科學研究中心數據同化研究小組
組長三好建正
(開拓研究總部三好預測科學研究室主任研究員)
特別研究員Liang Jianyu
慶應義塾大學法學院物理學教室教授杉本憲彥
新聞發(fā)言人
理化學研究所宣傳室新聞發(fā)言人
慶應義塾宣傳室
責任編輯：甘林
牧夫新媒體編輯部
『天文濕刻』 牧夫出品
微信公眾號：astronomycn
來自金星9號的第一張金星地表照片（1975）
謝謝閱讀
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