雲システムの階層構造の存在理由に関する数理的研究

云系统层次结构存在原因的数学研究

基本信息

批准号：
21J11266
负责人：
山崎一哉
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Tokyo
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究ではまず、全球気候モデルと高解像度雲解像度モデルとを組み合わせる「スーパーパラメタリゼーション(SP)」と呼ばれる手法の改良を進めた。昨年度に実装した日本初のSP「SP-MIROC」を用いてSPの挙動を詳しく調べた結果、SPの既存の枠組みでは解像度の拡張性に限界があることが判明した。これは、全球気候モデル部分（親モデル）の格子と雲解像モデル部分（子モデル）の小領域とを一対一対応させるというSPの制約に起因している。SPでは親格子の値が子モデル内の積乱雲等にとって大規模環境場とみなせることが前提だが、親モデルの解像度を高くすると親格子が縮小してこの仮定が崩れてしまうのである。そこで本研究では、複数の親モデル格子を集約して単一の子領域と結合する「集約結合」を提案し、動作を検証した。親モデルが高解像度化しても、縮小した親格子を集約して十分な広さとしてから子モデルと結合することで、親モデルの値を大規模環境場として問題なく使用可能となる。さらに、集約結合を行うと子モデルの領域数が減少するため、計算コストを大幅に削減することも可能となった。さらに、SP-MIROCの実行結果をもとに赤道ケルビン波の理論的な解析を行い、そのモデル再現性を考察した。赤道ケルビン波は通常の全球気候モデルでは振幅が過小となる傾向がある一方、SPにおいては振幅が強化して観測値に近づくことが知られている。しかし、この改善のメカニズムは不明であった。そこで本研究では線形安定性解析を通してSP-MIROCにおける赤道ケルビン波強化の原因を調べた。その結果、水蒸気の凝結による大気加熱の高度の違いがSP-MIROCでの赤道ケルビン波強化に貢献したことが明らかになった。従来の全球気候モデルは層状性降水と呼ばれる、対流圏上部を加熱する降水様式の表現が不足しており、これによって赤道ケルビン波が過小となっていたと結論した。

在这项研究中，我们首先改进了一种称为“超参数化（SP）”的方法，该方法将全球气候模型与高分辨率云分辨率模型相结合。我们使用去年实施的日本首个 SP“SP-MIROC”对 SP 行为进行了详细调查，结果发现现有 SP 框架的分辨率扩展性存在限制。这是由于SP约束，全球气候模型部分（父模型）的网格与云分辨率模型部分（子模型）的小区域存在一一对应的关系。 SP假设父网格的值可以被视为子模型中积雨云等的大范围环境场，但是当父模型的分辨率增加时，父网格会收缩，这个假设崩溃了。因此，在本研究中，我们提出了一种“聚合连接”，聚合多个父模型格并将它们与单个子区域组合，并验证了其操作。即使父模型具有高分辨率，通过聚合缩小的父网格使其足够大，然后将其与子模型组合，父模型的值可以用作大范围的环境场，而无需任何问题。此外，由于聚合和组合减少了子模型区域的数量，因此还可以显着降低计算成本。此外，我们还根据SP-MIROC的执行结果对赤道开尔文波进行了理论分析，并考虑了模型的再现性。虽然在传统的全球气候模型中，赤道开尔文波的振幅往往太小，但众所周知，在SP中，振幅增强并接近观测值。然而，这种改善的机制尚不清楚。因此，在本研究中，我们通过线性稳定性分析研究了SP-MIROC赤道开尔文波增强的原因。结果表明，由于水蒸气凝结而导致的大气加热高度的差异导致了SP-MIROC赤道开尔文波的加强。结论是，传统的全球气候模型缺乏对称为层状降水的降水类型的表征，层状降水会加热对流层上部，这导致赤道开尔文波的低估。