2023 Fiscal Year Research-status Report

高解像度大気モデルで利用可能な積雲パラメタリゼーションの開発

Research Project

Project/Area Number	19K03964
Research Institution	National Institute for Environmental Studies
Principal Investigator	千喜良稔国立研究開発法人国立環境研究所, 地球システム領域, 特別研究員 (20419146)
Project Period (FY)	2019-04-01 – 2025-03-31
Keywords	大気 / シミュレーション / 積雲 / パラメタリゼーション / グレーゾーン / Unified Parameterization
Outline of Annual Research Achievements	気候の数値シミュレーションを行うモデルでは、通常、積雲を解像できないため、その統計的な影響を計算する理論モデルである積雲対流スキームが用いられる。しかし、近年可能となってきた10kmスケールの解像度(グレーゾーン)のもとでは、従来の積雲対流スキームを適用することができない。カリフォルニア大学ロサンゼルス校の荒川昭夫名誉教授は、積雲対流スキームをグレーゾーンに対応させる枠組みとしてUnified Parameterizationを提案したが、この枠組みは、雲頂高度の異なる複数の積雲(雲タイプ)の存在を考慮していないという問題がある。申請者は、Unified Parameterizationを複数の雲タイプを考慮するものに一般化する研究を行っている。本研究実施期間の第一年度において、申請者は、Unified Parameterizationを複数の雲タイプに一般化させる定式化の検討を行い、これを完了した。第二年度において、一般化されたUnified Parameterizationを、日本の全球非静力学大気モデルNICAMに実装し、簡易的なテストによって、Parameterizationの振る舞いの素過程をチェックした。第三年度、および第四度において、第二年度で明らかとなった実装上の様々な課題の解決方法を検討した。本年度は、第三年度、第四年度で見通しを得た解決方法を実装する作業を行った。複数の雲タイプに一般化されたUnified Parameterizationが利用可能になることで、グレーゾーンの解像度の大気のシミュレーションにおける積雲の取り扱いに関する基盤が確立し、グレーゾーンの解像度のシミュレーションの精度を高めることができると期待される。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 4: Progress in research has been delayed. Reason 申請者は、本研究実施期間の第二年度において、複数の雲タイプに一般化されたUnified Parameterizationを日本の全球非静力学大気モデルNICAMに実装し、簡易的なテストを行ったが、この定式化の下では様々な問題が発生することがわかった。第三年度では、積雲の面積が大きくなったときに雲底マスフラックスの定式化がうまくいかなくなる問題について、また、第四年度では、積雲の面積の鉛直プロファイルが非現実的になってしまう問題について検討を行い、解決の方向性について見通しを得た。本年度は、第三年度で検討した問題について、積雲の面積が大きくなったときに雲底マスフラックスが力学過程が表現するマスフラックスに近づくようにする定式化を実装し、また、第四年度で検討した問題について、雲頂より下でデトレインメントが発生する定式化を実装した。さらに、積雲の面積が大きくなったときに、積雲の鉛直速度の鉛直プロファイルが力学過程の表現する鉛直速度に近づいていくように定式化すること、エントレインメントの鉛直プロファイルが力学過程が表現する水平マスフラックスに近づいていくように定式化することで、積雲の相対面積が１に近づくときにモデルの振る舞いが雲解像モデルのそれにきれいに近づいていくようになることの見通しを得た。申請者は、一般化されたUnified Parameterizationの性能を評価するための本格的なシミュレーションを始める予定であったが、優れた定式化を実装することに予想以上の時間をとられたため、計画よりも研究が遅れている。
Strategy for Future Research Activity	一般化されたUnified Parameterizationの、より詳細な性能評価を行うための実験を行う。具体的には、NICAMにおいて、(1)一般化されたUnified Parameterizationを使用した実験、(2)Unified Parameterizationを実装していない積雲対流スキームを使用した実験、(3)積雲対流スキームそのものを使用しない実験を行う。解像度としては、ひとまず28kmを対象とする。まだ、積雲の成長プロセスの表現などの課題が残っているが、ベストな解決方法を目指してしまうと、研究実施期間内に研究が終了できないと思われるため、ひとまず、モデルが動くための簡易的な解決を行う。
Causes of Carryover	研究に遅れが発生しているため、当初計画していたほど外国出張の必要性が発生しなかった。今年度は、出てきた成果をもとに、海外研究者との交流と成果発表のための外国出張に経費を使用する計画を立てている。また、大規模データの保存のためのシステムの購入を行うことを計画している。