分析金星大气的新方法

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主译：梁晨

校对：余路汉

审核：牧夫天文校对组

美编：张一帆

后台：李子琦

https://www.riken.jp/press/2025/20250219_1/index.html

分析金星大气的新方法

Bred Vector能量方程阐明运动机制

理化学研究所(理研)计算科学研究中心数据同化研究组组长三好建正(开拓研究总部三好预测科学研究室主任研究员)、Liang Jianyu特别研究员、庆应义塾大学法学院物理学教研室教授杉本宪彦的共同研究小组首次用Bred Vector能量方程分析手法应用于金星大气，发现了新的运动机制。

本研究成果开辟了将该方法应用于其他各种行星大气的可能性，也有望为阐明行星大气运动机制做出贡献。

金星因大小和质量与地球相似而被称为「姐妹星」，但其大气环境与地球显著不同。了解金星大气有助于理解地球大气。此次共同研究小组使用计算机对金星大气进行模拟，通过使用两个模拟之差的Bred Vector，明确了与低气压的产生、发展等现象有关的金星大气中势能向动能的转换机制和转换效率。

本研究刊登在科学杂志《Geophysical Research Letters》网页版( 日期：日本时间2月19日)上。

■金星大气中的能量转换示意图(金星的图像提供: JAXA )

背景

金星是太阳系内大小和质量最接近地球的行星，因此被称为地球的姐妹星。 但是，金星和地球的大气环境大不相同，可想而知大气的运动也不同。 了解金星大气有助于加深对地球气象气候的理解。

地球的大气几乎都是由氮和氧构成，大气环流是太阳的能量引起的。 在地球赤道附近的低纬度，太阳的高度高，日照强烈；在靠近北极和南极的高纬度，太阳的高度低，日照变弱。 于是，温热的低纬度大气和冷却的高纬度大气之间发生热的传递，随之产生大气流动。 高纬度上空冰冷沉重的大气向低纬度侧下降，大气的势能转换为动能(斜压转换)，发展为三维涡旋(温带低气压的产生、发展)。

另一方面，金星比地球更靠近太阳，而且大气大部分都是二氧化碳，温室效应使地表附近的温度高达460摄氏度。 另外，金星的自转周期约为243天，所以从太阳一次过中天到再次过中天的时间（即1太阳日）非常长，太阳相对于地面几乎不动。 此外，上空的大气进行着超越自转的高速旋转（超级旋转）。

金星表面高度45~70km处有厚厚的硫酸云，覆盖着整个星球，所以用望远镜和围绕金星的探测器观测金星很困难。 另外，高温的大气也会阻碍进入大气的观测。 在这样的条件下，日本的金星探测器「晓」于2015年12月到达金星环绕轨道，了解到了金星特有的气象。 尽管如此，对于与地球相比观测困难，观测例子少的金星，通过数值模拟进行研究是非常重要的。

日本研究者们在「晓」开始观测之前，就开始开发金星大气环流数值模拟的计算程序「AFES-Venus」。通过数值模拟再现了「晓」观测到的云的巨大筋状结构，将连接「晓」的观测数据和数值模拟关联，实现数据同化，列举了各种世界首次研究成果。但是，关于金星上的大气环流及其量化的方法还不清楚，金星大气中来自太阳的能量是如何输送转换到整个星球的，还不清楚。

因此，共同研究小组致力于解析金星上的大气环流。

研究方法和成果

本研究通过对金星大气环流的AFES-Venus数值模拟，利用两个模拟差的Bred Vector，推导出分析金星大气中能量转换的新方程( Bred Vector能量方程)。

利用Bred Vector能量方程可以阐明势能向动能的转化机制及其转化效率。 另外，不使用以往在地球气象学上进行的经度方向的平均和距离那里的偏差，而是在纬度和经度两方向上调查能量变换。

以往在金星大气中，由于超级旋转的影响很大，只考虑了顺压变换。

但是，利用新的方程式进行了数值模拟分析，结果发现在金星大气云层的中高纬度，引起势能转换动能的斜压转换起着很大的作用(图1a )，首次定量地表明了斜压转换的重要性。 另外，将太阳正下方点固定在经度180度的位置的坐标系中，由于与太阳一起移动的热潮汐波的构造，首次发现在经度0度到180度的上午段南北的温度差变大，斜压变换变强(图1b）。从AFES-Venus再现了过去观测到的金星大气的各种现象这一点来看，可以认为此次判明的能量转换很有可能模拟了实际的金星。

金星大气云层中高纬度的斜压转换与地球温带低气压发展机制的能量转换相似，上述金星大气特有的斜压转换强化机制与地球温带低气压的易形成性有共同之处，这次的分析方法有望进一步理解地球和金星双方的大气环流。

■图1 高纬度Bred Vector能量转换和太阳固定坐标下倾斜压转换的水平面图

显示在云层高度的结果

( a )标准实验是指用AFES-Venus对金星大气环流进行数值模拟的两个实验之一。 根据这两个实验的差异制作Bred Vector。 Pc表示标准实验的势能，Kc表示标准实验的动能，Pb表示Bred Vector的势能，Kb表示Bred Vector的动能。 红箭头为斜压变换，蓝箭头为顺压变换。 Qc和Qb表示加热，Dc和Db表示耗散，标准实验和Bred Vector分别表示。 能量单位Jm-2，变换单位Wm-2。 j :焦耳，w :瓦特。

( b )将太阳直下点固定在经度180度位置的坐标系中累计的斜压变换( Pb至Kb，单位1010W )的纬度( Latitude )经度( Longitude )水平截面图。 经度的0度-180度为上午段，180度-360度为下午段。 剖面图下方的横条表示斜压变换的功率。

今后的展望

本研究导出了分析金星大气中能量转换的新方程式( Bred Vector能量方程式)，首次应用于AFES-Venus的模拟中进行了分析。 这个新方程式是第一个可以在金星大气环流中定量研究经度方向的能量转换的方程式。

本研究成果表明了本方法可用于分析其他各种行星大气环流的可行性。 通过使用本方法，有望为行星大气运动机理的阐明和与地球比较的研究进展做出巨大贡献。

今后，通过使用金星探测器「晓」的紫外线图像，可以观测到在本次研究中备受瞩目的云层上端70km附近的高度，因此本研究得知的斜压变换的重要性有望通过观测得到实证。另外，使用「晓」的中间红外图像，可以观测包括太阳光照射不到的夜晚在内的温度。 通过调查这些观测数据，实施数据同化，可以更加明确现实的金星大气中的能量转换，期待今后解开金星大气之谜的进展。

补充说明

1.Bred Vector

对标准实验的数值模拟施加微小的干扰，重新进行数值模拟，提取出与标准实验的差异扩大的干扰。

2 .模拟

在计算机中模拟现象和举动。在气象的研究中，可以用计算机计算基于大气物理规律的运动方程式，调查风和气温等大气状态的变动。 地球上每日的天气预报和全球变暖预测也是模拟的应用。

3 .斜压变换

为了消除南北温差引起的势能不稳定(斜压不稳定)的三维运动所伴随的能量转换。 温带低气压和移动性高气压的生成机制，在地球中高纬度的气象中发挥着重要的作用。

4. 高速旋转（超级旋转）

金星大气以远远超过自转速度的速度旋转。 其速度随着高度而增加，在高度70km时达到自转速度的60倍左右，时速约360km。

5 .晓

日本金星探测器。为了解金星大气谜团而开发，作为日本的行星探测器，首次成功进入了环绕地球以外的行星运行的轨道。2010年5月发射，同年12月金星环绕轨道投入失败，在接近金星的轨道上环绕太阳运行。2015年12月再次尝试投入金星环绕轨道，并成功。搭载观测波长不同的5台相机和电波屏蔽观测用的超高稳定性振荡器，对金星的大气进行立体观测。

6.AFES-Venus

模拟金星大气整体数值的计算程序。为了最大限度利用设置在海洋研究开发机构的地球模拟器的性能而优化的地球大气模拟用计算程序AFES( atmospheric general circulation model for the earth simulator ) 修改为金星大气用。

大气环流模型( atmospheric general circulation model )基于流体力学和热力学方程，计算大气流动和温度湿度的变化。模拟几天到几年周期的大气，进行气象气候的预测以外，还用于气象气候的机理和可预测性的研究等。

7 .数据同化

模拟是以现实世界为模型来进行的，所以其结果和现实世界之间无论如何都会出现偏差。 因此，将模拟与实际的观测数据进行对照，修正模拟的轨道，提高「准确性」。 这就是「数据同化」。

8 .顺压变换

水平方向流动的速度差(速度切变)引起的不稳定(顺压不稳定)由二维运动所伴随的能量转换而解消。

9 .热潮汐波

行星的大气在太阳正下方点附近被太阳光加热，该加热区域相对于大气的移动会激发的行星规模的波动。与行星自转反向传播，具有与逆自转角动量。地球大气白天被加热，夜间被冷却，激发一天和半天周期的热潮汐波。 从观测中得知金星上也存在热潮汐波。 地球的潮汐是由月亮的引力产生的，是另一回事。

研究支援

本研究作为地球模拟器利用课题「使用了AFES的地球型行星的大气环流模拟(课题负责人:杉本宪彦)」的一环实施。 以及以下帮助：日本学术振兴会( JSPS )科学研究费资助事业基础研究( s )「晓数据同化揭示的金星大气环流全貌(研究代表者:林祥介，研究分担者:三好建正，杉本宪彦，19H05605 )」「波浪和对流形做成的金星大气环流:从地表到超高大气层（研究代表者：今村刚、研究分担者：三好建正、杉本宪彦 、24H00021 )」，同基础研究( b )「金星气候和超级轮转变动的主要原因阐明(研究代表人:杉本宪彦，23H01249 )」，同基础研究( a )「云化学GCM和观测解明金星大气超级轮转的维持机制」，计算科学振兴财团( FOCUS )研究教育据点( COE )的形成推进事业「考虑了不同时间尺度的韧性社会形成的计算科学研究(研究代表者:大石哲，研究分担者:三好建正)」、 日本宇宙航空研究开发机构( JAXA )第三次地球观测研究公开招募「云降水海洋的卫星数据同化的高度化和应用(研究代表者:三好建正)」、理研先锋项目「科学预测(研究代表者:三好建正)」、科学技术振兴机构( JST )国际性科学技术共同研究等推进( SATREPS )「针对气象灾害脆弱的人口密集地区的数值天气预报和防灾信息提供系统的项目(研究代表者:三好建正，JPMJSA2109 )」

发表人

理化学研究所

计算科学研究中心数据同化研究小组

组长三好建正

(开拓研究总部三好预测科学研究室主任研究员)

特别研究员Liang Jianyu

庆应义塾大学法学院物理学教室教授杉本宪彦

新闻发言人

理化学研究所宣传室新闻发言人

庆应义塾宣传室

责任编辑：甘林

牧夫新媒体编辑部