大気モデルの現状と改良計画に ついて 地球フロンティア・モデル統合化領域 渡辺真吾 話の流れ 序説:中層大気大循環のレビュー – 中層大気における放射平衡 – 波動が生み出す大気大循環 – 対流圏への影響 モデリングにおける主要な問題点 – The “Cold Pole” Problem: オゾンホール・シミュレーションへの悪影響 改良へのアプローチ – 水平・鉛直解像度の向上 – レイリー摩擦 – 重力波抵抗パラメタリゼーション T106L40モデルの現状 – 赤道QBO: 物質循環への影響 中・高緯度の気候変動への影響 QBO再現へのアプローチ – 鉛直解像度向上 – 重力波ソースの調整 – 重力波抵抗パラメタリゼーション T106L40モデルの現状 – 対流圏界面付近の低温・湿潤バイアス T106L40モデルの現状 中層大気化学への影響 放射強制と正のフィード・バック 解決のためのアプローチ – σ-p hybrid 鉛直座標系の導入 – 鉛直高解像度化 1.中層大気大循環のレビュー 1-1.中層大気における放射平衡 成層圏オゾンと紫外線加熱 CCSR/NIES AGCM5.7bで用いられ るオゾンデータ(上) AGCMの放射スキーム で計算された短波加熱 (下) 7月 O3 [ppmv] 中層大気における放射 平衡の概念図 UV 80km 0km IR UV加熱CO [K/day] 2&O3 O3 SP NP 放射平衡温度(7月) AGCMの放射スキー 放射平衡温度 [K] ムを用いて、乾燥大 120 気を仮定し、日変化・ K 季節変化を含めて計 算した温度(上) 観測(下)に比較して 冬極(南極)の温度が 265 著しく低い⇒力学的 K 加熱の重要性を示唆 観測:CIRA86 [K] 100 280 1.中層大気大循環のレビュー (つづき) 1-2.波動が生み出す大気大循環 波動が生み出す子午面循環 対流圏で励起された波 動が中層大気中で散逸 されることにより、東西 平均流を加速・減速する 波による加速・減速が、 下降流に伴う力学加熱 南北方向の流れを誘起 し、夏極で上昇、冬極で 下降する子午面循環を 形成 下降流に伴う力学加熱 Plum (2002) 中層大気大循環を駆動する波動 プラネタリー波: P – > 5000 km ( k = 1,2,3 ) – 大規模山岳(ヒマラヤ等) – 海-陸・熱的コントラスト 内部重力波: G – – – – 小規模:100 m – 小規模地形 対流活動 ジェット気流・前線活動 E W 1.中層大気大循環のレビュー (つづき) 1-3.中層大気の変動が対流圏にも たらす影響 成層圏-対流圏結合系 波による強制 成層圏で重要な大規模波動(プラネタリー波) は対流圏で励起され上方に伝播してくる 循環場の 対流圏の循環場の変化(植生・雪氷面積の変 応答 化を含む)は成層圏に大きな影響を与える → 対流圏変動が成層圏変動を支配する 成層圏で波が減衰して運動量や熱を放出する 際に、下方(対流圏を含む)の循環場に影響を 与える。「ダウンワード・コントロール原理」 → 上下両方向の結合システムが存在する 成層圏-対流圏結合系の例:北極振動 Thompson and Wallace (1998) 20-90 N、 11-4月平均海面気圧に関して、EOF解析。 60N付近を節とし、北極域-中緯度帯間で気圧 がシーソーのように振動する第一モード。下部 成層圏まで続くこの変動を「北極振動」と名づけ た。 O 北極振動の下方伝播 Baldwin and Dunkerton(1999) 北極振動の シグナルが最初に上部成層圏に現れ、3週間 程度をかけて対流圏まで下りてくることを指摘。 Kuroda and Kodera (1999) 成層圏の極夜ジ ェットとプラネタリー波の相互作用が、大きく寄 与していることを指摘。「極夜ジェット振動」 2.モデリングにおける 主要な問題点 2-1.The “Cold Pole” Problem The “Cold Pole” Problem AGCMで再現される波 7月温度偏差(-CIRA86) の活動度が不足するた め、高緯度では力学加 -45K 熱が不足し、観測よりも 低温になる -10 強くて安定な極渦を伴う 波の活動度は、波の励 起源の強さとともに、 180 AGCMの空間解像度に m/s 大きく依存 右図はT21(5.6°格子) +10 東西風 オゾンホールの発生・発達 フロンガスが上部成層圏で光解離され塩素を発生 →通常環境下ではHClやClONO2として安定に存在 極夜の下部成層圏が極渦によって周辺大気から孤立 → オゾン輸送の阻害、低温 SP 極成層圏雲(PSCs)表面上における不均一反応によ り活性化塩素が発生・蓄積 ← Cold Pole 影響 極夜終了(日射回復)に伴いオゾンを破壊する触媒反 応が激化 → 急速なオゾン破壊 PSCsが蒸発し、極渦が壊れて周辺大気との混合が 生じるまで、極域のオゾン濃度は低いまま保たれる ← Cold Pole 影響 (NASA homepage) オゾンホール・シミュレーションへの 悪影響 高緯度低温バイアスは南極オゾンホールを観 測事実よりも悪化&長続きさせる・・ 観測より極域が低温 顕著なオゾン減少 UV加熱減少 より低温化 正の フィード・バック 改良へのアプローチ 1-1.水平解像度の向上(波を増やす) – 力学加熱を作り出す波の総エネルギーは、AGCM で表現できる波のスケールが広がれば増える T21 (5.6°) T106 (1.1°) 計算機資源の制約から、従来は別の方法がとられ て来た、今回もT106で波が不足した際には・・・ 改良へのアプローチ(つづき) 1-2.鉛直解像度の向上 – 重力波の伝播には、風の鉛直シアーが重要 – 重力波の散逸には、重力波同士の波-波相互作用 を表現できる、幅広いスペクトル分布が重要 – これらは鉛直解像度が低いと表現できない L40 L225 改良へのアプローチ(つづき) 2.レイリー摩擦の導入(最も単純な摩擦項) – 現実世界で重力波が担っている中間圏における摩 擦効果を、人工的に表現する 使用 なし – 摩擦係数αは、重力波が増幅・散逸する中間圏で 180 大きな値となるように任意の鉛直勾配をつける 120 m/s m/s Vt = - Vα(z) せっかくAGCMの解像度の範囲内で表現できてい る重力波を人工的に潰してしまう悪影響 改良へのアプローチ(つづき) 3.重力波抵抗パラメタリゼーションの導入 – 現実世界で重力波が担っている中間圏における摩 擦効果を、人工的に表現する – 重力波の励起・伝播・散逸の各過程を、観測・理論 に基づいてパラメタ化したもの(Lindzen, Hines,..) – レイリー摩擦に比べて物理的な近似度は低く、様々 な形式のものが世界中で用いられ始めている そもそも重力波の観測が不十分なため、パラメタ化 も成熟しておらず、様子を見たほうが良い段階・・ T106L40中層大気版の現状 3年平均の高緯度低温バイアス – 南半球冬季(7月)の低温バイアス: -10K 程度 – 極夜ジェットのピーク: 100 m/s 程度 – 鉛直解像度の低いテスト版としては良好 – 北半球冬季の再現性には改良の余地が残る L40 T L40 U 2.モデリングにおける 主要な問題点(つづき) 2-2.Quasi Biennial Oscillation (QBO) 赤道QBOとは? 赤道上空・下部成層圏の東西風が約28ヶ月周期で変 動する現象(床屋の看板のように下方伝播) 対流圏から伝播する赤道波(Kelvin波, 混合ロスビー 重力波)と、より規模の小さい重力波が、東西風の鉛 直シアーと相互作用する結果形成される AGCMでの再現が困難な現象のひとつ Baldwin et al. (2001) QBOと物質循環 熱帯-亜熱帯では、QBOに伴って上向き-高緯度向き の物質循環が変調を受ける 対流圏から成層圏への化学物質の輸送速度が約28 ヶ月周期で変動する Baldwin et al. (2001) QBOと気候変動 熱帯下部成層圏の東西風が変化するのに伴って (QBOの位相変化によって)、冬半球のプラネタリー波 の伝播経路が変化し、冬季の対流圏の気候にも影響 を及ぼす QBO西風⇔冬半球の西風が強くなる Baldwin et al. (2001) QBO再現へのアプローチ 1.鉛直解像度の向上 AGCMの鉛直解像度 – QBO形成に重要な重 L225 力波の鉛直波長は短 い – QBO形成に重要な東 西風の鉛直シアーは 鉛直解像度が低いと 表現できない L120 L40 L34 成層圏 化学(永島3) IPCC QBO再現へのアプローチ(つづき) 2.重力波ソースの調整 AGCMで自発的に生成された – QBO形成に重要な重力波は、その周期および水 平・鉛直波長に関して幅広いスペクトルを持つ QBOの例 – かつ、十分な振幅(運動量フラックス)の波が出る ように調整が必要(積雲対流スキームを調整) – 水平解像度が不十分な場合、モデル中で用いら れる数値粘性を弱めに設定する必要もある 統合モデルでは、1+2の組み合わせにより、 QBOの自発的生成を目指したい – 現在L120でテスト積分を行っている Takahashi (1999) 重力波パラメタリゼーション導入 QBO再現へのアプローチ により再現されたQBOの例 (つづき) 3.重力波パラメタリゼーションの導入 – モデルの解像度が不十分であり、十分な重力波 を表現できない場合には、重力波パラメタリゼー ションによってQBOを再現することもできる – だだし、QBOに伴う鉛直シアーを表現できる鉛直 解像度(1km未満)が必要であり、なおかつ、ある 程度までモデル中の重力波が豊富でなければな らない Giorgetta et al.(2002) T106L40中層大気版の現状 赤道上空東西風(3年間の時間-高度断面) – QBOの高度では常に弱い東風 – 成層圏界面付近(~1 hPa)を中心とする半年振動 (SAO)も観測に比較して非常に弱い 2.モデリングにおける 主要な問題点 2-3.対流圏界面付近の低温・湿潤バ イアス 対流圏界面付近の湿潤・低温バイアス 現状のAGCMは、対流圏界面付近では観測に比較し て温度が低く、かつ水蒸気量が多すぎる傾向にある T bias (-ERA) -10 +10 [K] q bias (-ERA) -10 +10 [ppmv] 湿潤・低温バイアスを改善しない場合 の悪影響 中層大気中の水蒸気分布が現実的でなくなることから – オゾンホール形成に重要なPSCs – オゾンをはじめとして様々な物質と反応するHOx 対流圏界面付近の水蒸気量が多くなることから – 水蒸気による放射強制力の過大評価(対流圏の温室効果) – 水蒸気による赤外冷却の過大評価による正のフィード・バッ ク効果(ますます対流圏界面付近が冷える) – 対流圏上層雲が増加(OLRが小さくなりすぎる) 湿潤・低温バイアス改善へのアプローチ 鉛直高解像度化 – 対流圏界面付近の熱的構造の改善 – 対流圏界面付近の水蒸気輸送の改善 移流スキームの見直し – 過剰な鉛直移流を抑制する 雲の形成に関するパラメタリゼーションの見直し – 積雲対流の背が高すぎるかもしれない – 上層雲が多すぎるため、雲自身の放射冷却により対流圏界 面付近の温度が低くなりすぎている可能性がある 今後の課題 化学結合サブモデルの開発に向けて – 適度に重力波の相互作用が表現でき、QBOが再現できる ような、鉛直解像度を模索 – 対流圏界面付近のバイアスの改善 – リーズナブルな計算時間で結果が得られるように高速化 そろそろサブモデルの名前を考えませんか?
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