0.1 g/kg t = 10000 s

異なる基本場での積雲対流の数値計算
神戸大学大学院地球惑星科学専攻 M2
今関翔
目次
序論
発表の概要
Takemi, 2007 の概要
Takemi, 2007 での数値計算について
Takemi, 2007 での計算結果
deepconv での再現計算
まとめ
序論
発表の概要
 要旨
現在用いている二次元対流モデル deepconv で地球を仮
定した基本場を与えた際に問題なく計算できるかをチェック
する
 その後, 積雲対流の構造を調べるための, 赤道域を仮定した
数値実験を行いたい
Takemi, 2007* で用いられている温度・湿度の基本場と, 鉛
直シアーのある風を与えて部分的に再現計算をした
 10 種類の基本場 (後述) を与えた計算で, 雲の外形・降水域・
冷気プールの形成領域を見た
*Takami, T., 2007: A sensitivity of squall-line intensity to environmental
staticstability under various shear and moisture conditions,
Atmospheric Research, 84, 374-389
Takemi, 2007 の概要
要旨
温度・湿度・風といった環境のプロファイルに対す
るスコールライン強度の感度を調べる
中緯度の陸域と, 熱帯の海域の温度プロファイル
を仮定し, 様々な湿度プロファイル・鉛直シアーの
ある風を与えた数値シミュレーションを行い, スコー
ルライン強度の変化を見た
スコールラインについて
積雲には大規模な組織化をするという性質がある. その組織化した積雲の一つ
に, 空間スケールが数十～数百キロ, 寿命が数時間以上で, 線状に積雲が配
列したスコールラインがある
Takemi, 2007 の概要
 背景
 鉛直シアーのある風とメソ降水系の発達に伴い形成される冷気プールの相
互作用によるスコールラインの発達機構の研究 (Rotunno et al., 1988,
Weisman et al., 1988, Fovell and Ogura,1989; Robe and Emanuel, 2001;
Weisman and Rotunno,2004.)
 鉛直シアーのある風の強さ・存在する高度と, 冷気プールの深さ・移
動速度との関係が対流の発達に影響する
 様々な熱力学的環境でのスコールライン強度の検証




熱帯を仮定 (LeMone et al., 1998)
亜熱帯を仮定 (Wang et al., 1990)
中緯度アメリカを仮定 (Bluestein and Jain, 1985)
日本を仮定 (Chuda and Niino, 2005)
 中緯度を仮定した温度場で, 様々な湿度場と鉛直シアーのある風を設定した
スコールライン強度の感度実験 (Takemi, 2006)
異なる温度場でのスコールライン強度の感度実験結果の検証・比較が残って
いる (Takemi, 2007)
Takemi, 2007 での数値計算について
 Weather Research and Forecasting (WRF) モデルのバー
ジョン 1.3 (Skamarock et al., 2001) を使用
3 次元の完全圧縮方程式系を使用
境界条件
水平方向: 開いた境界 (東西), 周期境界 (南北)
鉛直方向: 固定境界 (上端), すべりなし条件 (下端)
暖かい雨 (Kessler, 1969) と氷相 (Lin et al.,1983) 微物理
スキーム
コリオリ力, 地表面・放射過程は無視
1.5 次のサブグリッドスケールの乱流モデル (Klemp and
Wilhemson, 1978)
Takemi, 2007 での数値計算について
 計算設定
 計算領域
 中緯度場: 水平(x) 450 ㎞, 水平(y) 160 ㎞, 鉛直(z) 18 ㎞
 熱帯場: 水平(x) 450 ㎞, 水平(y) 40 ㎞, 鉛直(z) 18 ㎞
 格子間隔
 水平(x,y): 1 ㎞, 鉛直(z): 500 m (熱帯場の下層は 125 m)
 6 時間積分
 初期条件
 x 方向 20 ㎞, z 軸方向 3 ㎞の大きさで,
y 軸に平行なラインサーマル (最大 1.5 K)
 0.1 K 未満のランダムな擾乱も分布させる
 基本場
z
o
x
ラインサーマルの
 中緯度と熱帯を仮定した温度場
イメージﾞ図
y
 下層の湿度を変えた湿度場
 鉛直シアーのある風で, 風速の強さ, 存在する高度を変化させた風
基本場: 温度
 中緯度場 (
定する
) と熱帯場(
)の二つを仮
(Weisman and Klemp, 1982)
(Takemi, 2007)
基本場: 湿度
 中緯度場・熱帯場を仮定したときの湿度
 高度 0 – 1.5 km: 水蒸気の混合比を 10, 12, 14, 16, 18 g/kg で固定
 高度 1.5 km 以上は下記の式で与える
(Weisman and Klemp, 1982)
中緯度場の湿度
熱帯場の湿度
(Takemi, 2007)
基本場: 鉛直シアーのある風
 中緯度場の
 0 m/s
 10 m/s
 20 m/s
 熱帯場の
 0 m/s
 5 m/s
 15 m/s
(Takemi, 2007)
Takemi, 2007 での計算結果
鉛直シアーのある風を与えたときのスコールライン強度の感度
実験結果
中緯度場
(Takemi, 2007)
・計算開始から 4 時間後の雲の外形・降
水域・冷気プール
・雲の外形: 雨水と雲水の総量が
0.1 g/kg 以上の領域の外形
・降水域: 雨水が 0.1 g/kg 以上の領域
・冷気プール: -1 K 以下の温位擾乱があ
る領域
・高度 0 – 2.5 km に鉛直シアーのある
風を与えている
max
熱帯場
降
水
域
1 g/kg
0.1 g/kg
破線: -1 K の温位擾乱の等温線
実線: 水の総量の 0.1 g/kg の等値線
鉛直シアーのある風を与えたときのスコールライン強度の感度
実験結果
(Takemi, 2007)
・計算開始から 4 時間後の雲の外形・降
水域・冷気プール
・雲の外形: 雨水と雲水の総量が
0.1 g/kg 以上の領域の外形
・降水域: 雨水が 0.1 g/kg 以上の領域
・冷気プール: -1 K 以下の温位擾乱があ
る領域
・高度 2.5 – 5.0 km に鉛直シアーのある
風を与えている
中
緯
度
場
max
熱
帯
場
降
水
域
1 g/kg
0.1 g/kg
破線: -1 K の温位擾乱の等温線
実線: 水の総量の 0.1 g/kg の等値線
Takemi, 2007 での計算結果のまとめ
 鉛直シアーのある風に対する感度が異なる
中緯度場
 シアー中の最大風速 ( ) が大きいほど雲系が直立に近づく
 低高度よりも中高度にシアーがあった方がスコールライン強
度は強い
熱帯場
 が弱い (5 m/s) ときにスコールラインは最も発達する
 中高度にシアーがあると, 対流の発達が抑制される
• スコールラインの発生にも至らない
 中緯度場の方が熱帯場よりもスコールライン強
度が強い
 中緯度場のほうが深い冷気プールが形成される
deepconv での再現計算
はじめに
 モデルの概要
 deepconv arare4 で計算
 準圧縮方程式系を用いた 2 次元非静力学モデル
 力学過程: 流体の運動を計算
 運動方程式・連続の式・熱の式・水の混合比の保存式
 物理過程
 Kessler (1969) の暖かい雨のパラメタリゼーション
 地表面からの熱・水蒸気のフラックスは無視
 放射過程は無視
 今回の計算の目的
 現在用いている二次元対流モデル deepconv で地球を仮定した基本
場を与えた際に問題なく計算できるかをチェックする
計算設定
Takemi, 2007 の計算設定
 地表面からの熱・水蒸気フラックスは無視
 雨・雲は液体の水と氷として存在する
 計算領域
 中緯度場: 水平(x) 450 ㎞, 水平(y) 160 ㎞, 鉛直(z) 18 ㎞
 熱帯場: 水平(x) 450 ㎞, 水平(y) 40 ㎞, 鉛直(z) 18 ㎞
 格子間隔
 水平(x,y): 1 ㎞, 鉛直(z): 500 m (熱帯場の下層は 125 m)
 6 時間積分
 初期条件
 x 方向 20 ㎞, z 軸方向 3 ㎞の大きさで,
y 軸に平行なラインサーマル (最大 1.5 K)
 0.1 K 未満のランダムな擾乱も分布させる
 計算領域
 水平方向 450 ㎞, 鉛直方向 18 ㎞
 格子間隔
 水平方向 1 ㎞, 鉛直方向 500 m
 タイムステップ
 5 秒 (音波関連項は 1 秒)
 積分時間
 6 時間
 初期条件
 最大 1.5 K , 水平方向に 20 ㎞,
鉛直方向に 3 ㎞の大きさのサーマル
サーマルの図
中緯度場
(Takemi, 2007)
計算①
温度
 以下の三つの要素を描画
 雲の外形: 雨水と雲水の総量が
0.1 g/kg 以上の領域の外形
 降水域: 雨水が 0.1 g/kg 以上の領域
 冷気プール: 地表面付近の, -1 K 以下
の温位擾乱のある領域
 温度場は中緯度場と熱帯場の二つを仮定
熱帯場
 中緯度場の湿度
 高度 0 - 1.5 ㎞の混合比を14 g/kg に
固定
 熱帯場の湿度
 高度 0 - 1.5 ㎞の混合比を 18 g/kg
に固定
 鉛直シアーのある風
 高度 0 – 2.5 km に配置
 中緯度場の : 0, 10, 20 m/s
 熱帯場の : 0, 5, 15 m/s
中緯度場の湿度
シアー
熱帯場の湿度
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
雲の
外形
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
雨域
12 ㎞
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
1 g/kg
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
冷気プール
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
-1 K
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
10 ㎞
0.1 g/kg
0.1 g/kg
8㎞
1 g/kg
6㎞
4㎞
-1 K
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
t = 14400 s
20 ㎞
110 ㎞
中緯度場で高度 0 – 2.5 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場合の
Takemi, 2007 (上段) と deepconv (下段) での計算結果
(Takemi, 2007)
12 ㎞
10 ㎞
0.1 g/kg
0.1 g/kg
8㎞
1 g/kg
6㎞
4㎞
2㎞
-1 K
0 ㎞
20 ㎞
110 ㎞
熱帯場に高度 0 – 2.5 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場合の
Takemi, 2007 (上段) と deepconv (下段) での計算結果
(Takemi, 2007)
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
20 ㎞
110 ㎞
高度 0 – 2.5 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場合
の計算結果
 鉛直シアーのある風に対する感度
 中緯度場

が大きい程, 雲の外形が直立に近づく傾向が見られた
 熱帯場
 鉛直シアーのある風の強さや配置する高度を変えたがあまり違
いが見られなかった
 中緯度場のほうが深い冷気プールが形成された
(Takemi, 2007)
計算②
中
緯
度
 以下の三つの要素を描画
場
 雲の外形: 雨水と雲水の総量が




0.1 g/kg 以上の領域の外形
 降水域: 雨水が 0.1 g/kg 以上の領域
 冷気プール: 地表面付近の, -1 K 以下
の温位擾乱のある領域
温度場は中緯度場と熱帯場の二つを仮定
中緯度場の湿度
 高度 0 - 1.5 ㎞の混合比を14 g/kg に
固定
熱
熱帯場の湿度
帯
 高度 0 - 1.5 ㎞の混合比を 18 g/kg
場
に固定
鉛直シアーのある風
 高度 2.5 – 5.0 km に配置
 中緯度場の : 10, 20 m/s
 熱帯場の : 5, 15 m/s
温度
中緯度場の湿度
シアー
熱帯場の湿度
雲の
外形
12 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
雨域
12 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
0.1 g/kg
10 ㎞
1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
12 ㎞
冷気プール
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
-1 K
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
12 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
0.1 g/kg
6㎞
1 g/kg
4㎞
2㎞
-1 K
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 14400 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
中緯度場に高度 2.5 – 5.0 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場合の
Takemi, 2007 (上段) と deepconv (下段) での計算結果
(Takemi, 2007)
12 ㎞
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
0.1 g/kg
6㎞
1 g/kg
4㎞
2㎞
0㎞
-1 K
110 ㎞
熱帯場に高度 2.5 – 5.0 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場合の
Takemi, 2007 (上段) と deepconv (下段) での計算結果 (Takemi, 2007)
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
0.1g/kg
g/kg
0.1
0.1 g/kg
1
1 g/kg
g/kg
-1
-1KK
110 ㎞
高度 2.5 – 5.0 ㎞に鉛直シアーのある風を与えた場
合の計算結果
 鉛直シアーのある風に対する感度
 中緯度場

が大きい程, 雲の外形が直立に近づく傾向が見られた
 高度 0 - 2.5 ㎞に風を与えたときよりも雲の外形が直立に近
づきやすい
 熱帯場
 対流系が発達してしまった
 中緯度場のほうが深い冷気プールが形成された
まとめ
 中緯度場を仮定した場合は, Takemi, 2007 のよう
なシアーに対する積雲対流の感度がそれなりに再
現できた
 熱帯に関しては Takemi, 2007 のようなシアーに対
する感度があまり再現できなかった
雲物理過程の違い
計算領域の次元の違い
地球を仮定した基本場を与えても, 特に問題なく積雲対
流の計算ができるであろう
参考文献
 Barnes, G.M., Sieckman, K., 1984. The environment of fast- and slowmoving tropical
mesoscale convective cloud lines. Mon. Weather Rev. 112, 1782–1794.
 Bluestein, H.B., Jain, M.H., 1985. Formation of mesoscale lines of precipitation: severe squall
lines in Oklahoma during the spring. J. Atmos. Sci. 42, 1711–1732.
 Chuda, T., Niino, H., 2005. Climatology of environmental parameters for mesoscale
convections in Japan. J. Meteorol. Soc. Jpn. 83, 391–408.
 Fovell, R.G., Ogura, Y., 1989. Effects of vertical wind shear on numerically simulated multicell
storm structure. J. Atmos. Sci. 46, 3144–3176.
 LeMone, M.A., Zipser, E.J., Trier, S.B., 1998. The role of environmental shear and
thermodynamic conditions in determining the structure and evolution of mesoscale convective
systems during TOGA COARE. J. Atmos. Sci. 55, 3493–3518.
 Takemi, T., 2006: Impacts of moisture profile on the evolution and organization of midlatitude
squall lines under various shear conditions. Atmos. Res. 82, 37-54
 Takami, T., 2007: A sensitivity of squall-line intensity to environmental staticstability under
various shear and moisture conditions, Atmospheric Research, 84, 374-389
 Rotunno, R., Klemp, J.B., Weisman, M.L., 1988. A theory for strong, long-lived squall lines. J.
Atmos. Sci. 45, 463–485.
 Sugiyama, K., Odaka, M., Yamashita, T., Nakajima, K., Hayashi, Y.-Y., deepconv
Development Group, 2008: Non-hydrostatic model deepconv,
http://www.gfd-dennou.org/library/deepconv/, GFD Dennou Club.
 Wang, T.-C.C., Lin, Y.-J., Pasken, R.W., Shen, H., 1990. Characteristics of a sub-tropical
squall line determined from TAMEX dual- 388 Doppler data. Part I: Kinematic structure. J.
Atmos. Sci. 47, 2357–2381.
 Weisman, M.L., Klemp, J.B., Rotunno, R., 1988. Structure and evolution of numerically
simulated squall lines. J. Atmos. Sci. 45, 1990–2013.
 Weisman, M.L., Rotunno, R., 2004. “A theory for strong long-lived squall lines” revisited. J.
Atmos. Sci. 61, 361–382.
おまけ
・中緯度場
・低高度シアー
・t = 14400 s
10 km
Us = 20 m/s
8 km
6 km
4 km
2 km
10 km
8 km
Us = 10 m/s
6 km
4 km
2 km
10 km
8 km
6 km
4 km
2 km
Us = 0 m/s
・熱帯場
・低高度シアー
・t = 14400 s
10 km
8 km
6 km
4 km
Us = 15 m/s
2 km
10 km
8 km
6 km
4 km
Us = 5 m/s
2 km
10 km
8 km
6 km
4 km
2 km
Us = 0 m/s
・中緯度場
・中高度シアー
・t = 14400 s
Us = 20 m/s
Us = 10 m/s
・熱帯場
・中高度シアー
・t = 14400 s
Us = 15 m/s
Us = 5 m/s
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
雲の外形
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
雨域
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
1 g/kg
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
冷気プール
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
-1 K
2㎞
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
20 ㎞
110 ㎞
0 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
中緯度場・U_s = 0 m/s
12 ㎞
0.1 g/kg
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
1 g/kg
6㎞
4㎞
2㎞
-1 K
0 ㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 0 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0 ㎞
t = 10000 s
20 ㎞
110 ㎞
12 ㎞
雲の外形
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
10 ㎞
0.1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
12 ㎞
雨域
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
0.1 g/kg
10 ㎞
1 g/kg
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
12 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
冷気プール
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
-1 K
0㎞
12 ㎞
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000 s
0㎞
熱帯場・U_s = 15 m/s
熱帯場・U_s = 5 m/s
110 ㎞
20 ㎞
12 ㎞
中緯度場・U_s = 20 m/s
中緯度場・U_s = 10 m/s
10 ㎞
8㎞
0.1 g/kg
6㎞
4㎞
2㎞
0㎞
12 ㎞
1 g/kg
-1 K
熱帯場・U_s = 15 m/s
110 ㎞
20 ㎞
熱帯場・U_s = 5 m/s
10 ㎞
8㎞
6㎞
4㎞
2㎞
t = 10000s
0㎞
0.1 g/kg

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