気候モデルに適用する新しい雲・降水成長スキームの開発

2015 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 15K12190
• 研究機関: 九州大学
• 研究代表者: 竹村 俊彦 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (90343326)
• 研究期間 (年度): 2015-04-01 – 2017-03-31
• キーワード: 気候変動 / 気象学 / モデル化 / 雲 / エアロゾル

研究実績の概要

現在の気候モデルで用いられている水雲から降水への変化（autoconversion）のパラメタリゼーションは、雲水混合比・雲粒数濃度に対する非線形度が異なるため、モデルで表現される降雨生成過程は、エアロゾル変化に対する応答が系統的に異なる。そこで、まず、現在、国際的に代表的な気候モデルで使用されているいくつかのautoconversionのパラメタリゼーションを、研究代表者が含まれる研究グループで開発を進めている気候モデルMIROC-SPRINTARSに組み込むことにより、同一環境下でのautoconversionの感度を把握する実験を行った。その感度実験の結果を、複数の衛星観測データと比較・検証した。この研究成果は、研究協力者（大学院生）が主著者で研究代表者が共著者の査読付き論文として国際誌へ投稿して、受理・掲載された。
上述により得られた結果を踏まえて、本研究課題の主目的である雲・降水変換プロセスの改良・再構築する作業に取りかかった。具体的には、より現実的な降水プロセスを実現するために、雨水およびdrizzle（雲粒と雨滴の中間のサイズを持つ水滴）を予報変数として導入し、複数タイムステップにまたがって大気中を落下するスキームの実装に取り組んだ。挙動を正確に把握しながら進めるために、1次元モデルを用いて開発を進めた。
また、モデル開発を進めるにあたり、その比較・検証に必要不可欠な材料であるCloudSat衛星観測データの取得・整理作業を実施した。約5年分をアーカイブし、生データの入出力・データ可視化のためのスクリプトをまとめ、パッケージ化を完了した。これにより、詳細な比較・検証作業が今後行いやすくなった。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

年度当初の計画であった　1）autoconversionパラメタリゼーションの現状把握　２）新しい雲・降水変換プロセスモデルの開発の開始　３）モデルを検証するための衛星観測データの整理・解析　は、「研究実績の概要」で述べたように予定通り進めることができた。新しいプロセスモデルでは、非線形性の大きい雲・降水プロセスの再現性を向上するため、計算の標準タイムステップ内にさらに短いタイムステップを用いて積分するサブタイムステップを導入した。これにより、雲・降水の成長過程を再現するのに理想的である1分～数分以内の積分間隔を実現できることになる。ただし、降水粒子が蒸発するプロセスおよび落下するプロセスにおいて、数値不安定となる場合がある問題が残されているため、引き続き課題として取り組む必要がある。

今後の研究の推進方策

まず、前年度で課題として残った問題に1次元モデルを用いて取り組み、解決させる。その後、1次元モデルとして開発した新しい雲・降水変換プロセスモデルを3次元の全球気候モデルへと実装する。その際、雲・降水過程自体だけではなく、大気放射過程と相互作用するように実装することにより、気候状態の変化やエアロゾル濃度の変化に伴う、雲・降水過程の変化を表現できるようにする。また、drizzleも新たに取り扱うことから、これによりdrizzleによる太陽放射や赤外放射の散乱および吸収も新たに導入することになり、特に、大陸西岸沖に大規模に広がる層積雲による大気放射収支をより適切に表現できるようになることが期待される。
さらにもう1つの課題として、氷雲に対するエアロゾル・雲相互作用パラメタリゼーションの詳細化を行う。近年蓄積されつつある人工衛星搭載能動型センサにより得られる氷雲の3次元分布を検証材料として、氷雲に対するエアロゾル・雲相互作用の最新の知見をMIROC-SPRINTARSへ導入する。

次年度使用額が生じた理由

計算および計算結果の保存などのために計算機器類を購入予定であったが、平成27年度は研究室に既存の設備・物品で対応可能であったため。

次年度使用額の使用計画

計算および計算結果の保存などのために計算機器類を購入予定である。

研究成果

• [雑誌論文] Fast and slow precipitation responses to individual climate forcers: A PDRMIP multi-model study (2016)
  • 著者名/発表者名: Samset, B. H., G. Myhre, P. M. Forster, O. Hodnebrog, T. Andrews, G. Faluvegi, D. Flaschner, M. Kasoar, V. Kharin, A. Kirkevag, J.-F. Lamarque, D. Olivie, T. Richardson, D. Shindell, K. P. Shine, T. Takemura, and A. Voulgarakis
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 43 ページ: 2782-2791
  • DOI: 10.1002/2016GL068064
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Challenges in constraining anthropogenic aerosol effects on cloud radiative forcing using present-day spatiotemporal variability (2016)
  • 著者名/発表者名: Ghan, S., M. Wang, S. Zhang, S. Ferrachat, A. Gettelman, J. Griesfeller, Z. Kipling, U. Lohmann, H. Morrison, D. Neubauer, D. Partridge, P. Stier, T. Takemura, H. Wang, and K. Zhang
  • 雑誌名: Proceedings of the National Academy of Sciences 巻: 113 ページ: 5804-5811
  • DOI: 10.1073/pnas.1514036113
  • 査読あり / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] What controls the vertical distribution of aerosol? Relationships between process sensitivity in HadGEM3-UKCA and inter-model variation from AeroCom Phase II (2016)
  • 著者名/発表者名: Kipling, Z., P. Stier, C. E. Johnson, G. W. Mann, N. Bellouin, S. E. Bauer, T. Bergman, M. Chin, T. Diehl, S. J. Ghan, T. Iversen, A. Kirkevag, H. Kokkola, X. Liu, G. Luo, T. van Noije, K. J. Pringle, K. von Salzen, M. Schulz, O. Seland, R. B. Skeie, T. Takemura, K. Tsigaridis, and K. Zhang
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 16 ページ: 2221-2241
  • DOI: 10.5194/acp-16-2221-2016
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著 / 謝辞記載あり
• [雑誌論文] Evaluation of autoconversion schemes in a single model framework with satellite observations (2015)
  • 著者名/発表者名: Michibata, T., and T. Takemura
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 120 ページ: 9570-9590
  • DOI: 10.1002/2015JD023818
  • 査読あり / 謝辞記載あり
• [学会発表] Mineral dust aerosols under the glacial period and anthropogenic global warming simulated by global models (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T.
  • 学会等名: Goldschmidt2016
  • 発表場所: Yokohama, Japan
  • 年月日: 2016-06-27 – 2016-07-01
  • 国際学会
• [学会発表] Integrated assessment of aerosol effects on atmospheric temperature and precipitation with global climate models (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T.
  • 学会等名: 10th Anniversary Yoram Kaufman Memorial Symposium
  • 発表場所: Greenbelt, MD, USA
  • 年月日: 2016-06-21 – 2016-06-23
  • 国際学会
• [学会発表] Environmental assessment on aerosol effects in Asian region based on modeling studies (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T., K. Sudo, K. Ueda, Y. Masutomi, S. Watanabe, M. Nakata, H. Takahashi, and D. Goto
  • 学会等名: International Radiation Symposium 2016
  • 発表場所: Auckland, New Zealand
  • 年月日: 2016-04-20
  • 国際学会
• [学会発表] Resent application of SKYNET and AD-Net to aerosol climate models (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T., H. Irie, T. Nishizawa, K. Aoki, R. Kudo, A. Higurashi, A. Shimizu, S. S. Park, and K. Yumimoto
  • 学会等名: International SKYNET Workshop
  • 発表場所: Rome, Italy
  • 年月日: 2016-03-03
  • 国際学会
• [学会発表] Assessment on climate response to aerosol effects based on a coupled atmosphere-ocean general circulation model (2016)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T.
  • 学会等名: 2nd International Workshop on SLCPs in Asia
  • 発表場所: Incheon, Korea
  • 年月日: 2016-02-18
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] Integrated Assessment on Effects of Short-Lived Climate Pollutants (SLCPs) in Asia based on Numerical Models (2015)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T., K. Sudo, K. Ueda, Y. Masutomi, S. Watanabe, M. Nakata, H. Takahashi, and D. Goto
  • 学会等名: AGU Fall Meeting
  • 発表場所: San Francisco, CA, USA
  • 年月日: 2015-12-17
  • 国際学会
• [学会発表] Simulations under recent projects on aerosol model intercomparisons (2015)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T.
  • 学会等名: Asian Conference on Meteorology
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2015-10-26
  • 国際学会
• [学会発表] A study of cloud-to-rain conversion processes for warm cloud over East Asia and the North Pacific from A-Train observations (2015)
  • 著者名/発表者名: Michibata, T., and T. Takemura
  • 学会等名: Asian Conference on Meteorology
  • 発表場所: Kyoto, Japan
  • 年月日: 2015-10-26
  • 国際学会
• [学会発表] Integrated assessment on effects of short-lived climate pollutants (SLCPs) in Asia (2015)
  • 著者名/発表者名: Takemura, T.
  • 学会等名: 14th AeroCom Workshop
  • 発表場所: Frascati, Italy
  • 年月日: 2015-10-05 – 2015-10-09
  • 国際学会
• [学会発表] MIROC-SPRINTARSにおける暖かい雨の雲微物理スキームの評価 (2015)
  • 著者名/発表者名: 道端拓朗, 竹村俊彦
  • 学会等名: 日本気象学会2015年春季大会
  • 発表場所: つくば国際会議場（茨城県つくば市）
  • 年月日: 2015-05-22
• [備考] SPRINTARSホームページ
  • URL: http://sprintars.net