Category 2 of Research Project for Sustainable

Category 2 of Research Project for Sustainable
Coexistence of Human, Nature and the Earth
Contents
1. Introduction
2. Results of last fiscal year
3. Examination
久芳奈遠美・野沢徹・鈴木恒明・竹村俊彦
中島映至・鈴木健太郎・対馬洋子
1. Introduction
Sub-theme 2．
温暖化・大気組成変化相互モデル開発
Sub-sub-theme 2．
温暖化ー雲・エアロゾル・放射フィードバック精密評価
Our task: 対流圏エアロゾルが雲の光学的性質に
及ぼす影響を評価するためのGCM用
パラメタリゼーションの開発
Motivation
IPCC 2001
対流圏エアロゾルの間接放射強制力の見積もりはいまだに不
確定性の大きい問題であり、その主な要因はエアロゾルと雲
の関係が不確定であることによる。
雲凝結核（ＣＣＮ）が雲の光学特性および降水形成効率に及ぼす影響
数値実験
微物理学的雲モデル
活性化凝結 / 蒸発併合重力落下
CCN (エアロゾル)
粒径分布
化学組成
上昇流速度
雲粒
気候変動
粒径分布
放射収支
光学特性
水循環
降水形成効率
観測
観測
ＣＣＮカウンター
２DC FSSP 雲レーダ
ドップラーライダ
衛星データレーダ
長期・全球観測
GCM と雲微物理モデルのスケールギャップを埋めるためには
GCM
Dx = 100 km
NICAM
Dx = 5 km
MRI/NPD-NHM
Dx = 50 m
パラメタリゼーション
粒子法
バルク法
基底関数展開法
ビン法
雲微物理モデル
Dt = 0.1 - 1 s
2. Results of last fiscal year
1) 現状のGCMにおける対流圏エアロゾルの
間接放射強制力の評価の仕方の検討
2) FRSGCでの成果
雲凝結核が非降水性の層雲の光学的性質に及ぼす
影響を評価するパラメタリゼーション
Kuba et al., 2003
Kuba and Iwabuchi, 2003
3) SPRINTARSの出力（エアロゾル分布）の取り込み方の検討
How to estimate the indirect radiative forcing of aerosol in GCM
Nd
雲粒有効半径 re
放射収支
1. CCSR/NIES-GCM
Nd = e Na Nm / (e Na + Nm )
Na ⇒ 0 : Nd ⇒ e Na
Na ⇒ ∞ : Nd ⇒ Nm (constant)
Nd：雲粒数密度
Na：エアロゾル粒子数密度 (sulfate, carbon, sea salt)
2.
ECHAM-GCM (Max Plank Institute)
Nd = w Na / ( w + a Na )
Ghan et al. (1993)
w = wm + c TKE ½
Lohmann et al. (1999)
w : 雲内上昇流速度
wm : 格子内平均上昇流速度
TKE ：turbulent kinetic energy
2. Results of last fiscal year
1) 現状のGCMにおける対流圏エアロゾルの
間接放射強制力の評価の仕方の検討
2) FRSGCでの成果
雲凝結核が非降水性の層雲の光学的性質に及ぼす
影響を評価するパラメタリゼーション
Kuba et al., 2003
Kuba and Iwabuchi, 2003
3) SPRINTARSの出力（エアロゾル分布）の取り込み方の検討
Products at FRSGC
Kuba et al., 2003 :
Parameterization of the Effect of Cloud Condensation
Nuclei on Optical Properties of a Non-precipitating
Water Layer Cloud
J. Meteorol. Soc. Japan, 81, 2, 393-414.
Proposed parameterization
CCN スペクトル
Accurate
雲底での
上昇流速度
Vbase
Nc(0.075%)
Convenient
Nc(0.2%)
Nc(Smax)
Smax
鉛直積算雲水量
LWP
雲の光学的厚さ
t
雲粒数密度
Nd
雲粒の有効半径
Re
Proposed retrieval method
CCN スペクトル
Nc(0.5%)
Nc(0.2%)
鉛直積算雲水量
LWP
雲の光学的厚さ
t
雲底での
上昇流速度
Vbase
雲粒数密度
Nd
雲粒の有効半径
Re
Approximation of Smax : Fn(Nc(X%), Vbase)
Smax (%)
1
0.1
S max = H N c (0.075%) I
Vbase
0.24 m s-1-0.230
S max = 0.710
N=
c (0.075%)
H = 1.16V base 0.344
-0.262
S max = 0.559
N=c (0.075%)
Vbase
0.12 m s-1
I = - 0.176V base -0.187
-0.298
S max = 0.441
N c=(0.075%)
Vbase
0.06 m s-1
0.01
1
10
100
-3
N c (0.075%) (cm )
1000
1000
N d = min[a{N c ( S=S max ) - b )( N c ( S = S max ) - c } , N c ( S = S max )]
Approximation
Nd
a=-0.0231V of -0.0108V
2
base
base -0.00180
b=70.0V base -12.9
c=8420V
c maxbase +278
Nd = min [ E(N (S
) - F)(Nc(Smax) - G) , Nc(Smax) ]
for N c (S=S max ) < 0.5(b+c)
Vbase= 0.24 m s-1
Nd
Vbase= 0.12 m s-1
500
Vbase= 0.06 m s-1
Nc(Smax) :large
Vbase :small
Nd = Nc(Smax)
0
0
500
N c (S=S max )
Nc(Smax) (cm-3)
1000
Approximation of t : Fn ( Nd , LWP )
100
LWP = 100 g m-2
(300 m)
LWP = LWP=100g
70 g m-2 m-2
(250 m)(300 m)
-2
LWP = LWP=
44 g m70g
m-2
(200 m)(250 m)
LWP= 44g m-2
(200 m)
t =tA=aN
Ndd Bb
a=0.121LWP
0.702
Optical Thickness t
0.702
A = 0.121 LWP
0.0538
b=0.274LWP
B = 0.274 LWP 0. 0538
10
We can estimate τ ,
if we know Nd and LWP.
We can estimate Nd ,
if we know τ and LWP.
1
10
100
1000
Number
concentration
clouddroplets
droplets N (cm-3)
Number
concentration
of of
cloud
d
at 100 m above cloud base N d (cm-3)
Approximation of Re : Fn ( Nd , Re )
100
100
-D
Re = C N
R ed= aN d -b
Effective Radius Re (mm)
a=6.41Z 0.380
C = 6.41b=0.288Z
Z 0.380 0.0254
D = 0.288 Z 0. 0254
Altitude above
cloud base
10
10
Z=275 m
Z=225 m
Z=175 m
Z=125 m
Z= 75 m
Z= 25 m
11
10
10
100100
Number Concentration of Cloud Droplets
-3
Number
of cloud
droplets
at 100concentration
m above cloud base
N d (cm
)
1000 1000
Nd (cm-3)
Products at FRSGC
Kuba and Iwabuchi, 2003 :
The revised parameterization to predict cloud droplet number
concentration and the retrieval method to predict CCN number
concentration
J. Meteorol. Soc. Japan, submitted.
Approximation of Nd : Fn ( Nc(0.2%), Vbase)
Nd = L Nc(0.2%) / ( Nc(0.2%) + M )
L = 4710 Vbase1.19
M = 33.2 + 1090 Vbase
1000
Nd (cm-3)
800
Vbase=0.24 m s-1
600
400
Vbase=0.12 m s-1
200
Vbase=0.06 m s-1
0
0
200
400
600
Nc(0.2%) (cm-3)
800
1000
Approximation of Nd : Fn ( Nc(0.5%), Vbase)
10000
Nd = L’ Nc(0.5%) / ( Nc(0.5%) + M’ )
L’ = 4300 Vbase1.05
M ’= 2760 Vbase0.755
Nd (cm-3)
8000
6000
Vbase= 2.0 m s-1
4000
Vbase= 1.0 m s-1
2000
Vbase= 0.5m s-1
0
0
2000
4000
6000
Nc(0.5%) (cm-3)
8000
10000
2. Results of last fiscal year
1) 現状のGCMにおける対流圏エアロゾルの
間接放射強制力の評価の仕方の検討
2) FRSGCでの成果
雲凝結核が非降水性の層雲の光学的性質に及ぼす
影響を評価するパラメタリゼーション
Kuba et al., 2003
Kuba and Iwabuchi, 2003
3) SPRINTARSの出力（エアロゾル分布）の取り込み方の検討
SPRINTARS
Number of grids
MODIS
model
(CCN*4)
HUCM + MRI/NPD-NHM (dx = 10 km)
25 April 2001 3:00 UTC
model (CCN*0.25)
model
(CCN*1)
Effective radius of cloud droplets at cloud top[mm]
3. Examination
Uncertainness in the relationship between
Aerosol,
CCN and
Cloud droplets
Uncertainness in the updraft velocity in the cloud
derived from grid mean updraft velocity
Uncertainness in the LWP in the cloud
derived from grid mean LWP
2002年度：
GCM
Dx = 100 km
NICAM
Dx = 5 km
MRI/NPD-NHM
Dx = 50 m
パラメタリゼーション
粒子法
バルク法
基底関数展開法
ビン法
雲微物理モデル
Dt = 0.1 - 1 s
2003-2004 年度：
GCM
Dx = 100 km
NICAM
Dx = 5 km
MRI/NPD-NHM
Dx = 50 m
パラメタリゼーション
粒子法
バルク法
基底関数展開法
ビン法
雲微物理モデル
Dt = 0.1 - 1 s
2005年度：
GCM
Dx = 100 km
NICAM
Dx = 5 km
MRI/NPD-NHM
Dx = 50 m
パラメタリゼーション
粒子法
バルク法
基底関数展開法
ビン法
雲微物理モデル
Dt = 0.1 - 1 s
2006年度：
GCM
Dx = 100 km
NICAM
Dx = 5 km
MRI/NPD-NHM
Dx = 50 m
パラメタリゼーション
粒子法
バルク法
基底関数展開法
ビン法
雲微物理モデル
Dt = 0.1 - 1 s

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