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こうざぶろうかやぬま
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1 全球雲解像モデルによる気候研究 - 雲微物理過程と気候感度の観点から - MTSAT-1R 佐藤正樹東京大学気候システム研究センター / 海洋研究開発機構第 4 回地文台によるサイエンスシンポジウム ~ 極限エネルギー宇宙物理から地球科学まで ~ 2010 年 1 月日, 東京大学柏キャンパス, 宇宙線研究所 NICAM

2 雲の地球の放射収支に対する役割と温暖化に伴う変化 by 對馬洋子太陽放射赤外放射日傘効果温室効果現在の地球温暖化した地球 S0: 太陽放射 T Ts: 全球平均地表面温度 S : 地表大気が反射する太陽放射 L : 地表大気が射出する熱放射 2 つの効果のどちらが勝つ?

4 静止気象衛星ひまわり (MTSAT-1R) 画像気象庁 2010 年 1 月 24 日 12 時可視画像 : 雲による太陽放射の反射赤外画像 : 高い雲ほど温度が低い

5 高い雲と低い雲の気候感度のばらつき

6 放射強制力の不確定性エアロゾルの雲に対する効果雲の反射率の不確定性が最も大きい

7 全球雲解像モデル次世代気候モデル NICAM:Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model 非静力学正二十面体大気モデル CCSR, JAMSTEC 等が共同で 2000 年頃より開発開始正 20 面体分割格子 10~ 100 km 地球シミュレータを使った大計算雲降水に関するプロセスを計算数 km 格子サイズで全球を覆う

8 NICAM 3.5kmメッシュ静止気象衛星ひまわり数値シミュレーション (MTSAT-1R) 赤外雲画像外向き赤外放射 (OLR)

9 Cloud clusters: 00UTC 26 Dec 2006 MTSAT-1R, TBB NICAM 3.5km OLR Inoue et al.(2008, J. Meteor. Soc. Japan)

10 ISCCP 雲分類気圧 (hp Pa) 雲頂の ISCCP: the International Satellite Cloud Climatology Project subvisible clouds CIRRUS CIRROSTRATUS DEEP CONVECTION ALTOCUMULUS ALTOSTRATUS NIMBOSTRATUS CUMULUS STRATOCUMULUS STRATUS 上層雲中層雲 800 下層雲雲の光学的厚さ

11 NICAM 下層雲中層雲上層雲 ISCCP

12 GOES-W high-level clouds (split window) 上層雲 : 衛星データによる検証 Inoue et al.(2009,jgr submitted) NICAM 3.5km Cloud Ice+snow Split window analysis: Inoue (1987 JGR,1989 JMSJ) Classification i by Tbb difference between 11μm and 12μm

13 Cloud ice Snow Calipso/CloudSatCloudSat simulated signals by COSP Calipso CloudSat

14 将来雲はどう変化するか数値モデルによる予測現状の再現性将来気候予測多くのモデルでは同様な応答を示す予測のばらつきの大きい部分の解明に注力 : 浅い雲今まで考慮されてなかったプロセスの効果従来型大気大循環モデル ~100km 積雲パラメタリゼーション + 大規模凝結スキーム混合層スキーム全球雲解像モデル ~ 数 km 雲微物理スキームサイズ分布エアロゾル凝結核氷生成過程 etc 不確定性混合層スキーム温暖化想定実験のもとでの雲の変化

15 温暖化実験 :Changes in ISCCP-simulator cloud cover High NICAM MIROC Mid Low

16 温暖化実験雲量変化 MIROC NICAM CFMIP comparison Perpetual July +2K & 2xCO2 experiments Ringer et al.,2006

17 CALIPSO(July 2006) Courtesy of N. Eguchi Thin cirrus tau < 0.3 Z>8km (15S-15N) Z>15km(else) depth<3km NICAM MY2M, cs4l100 MY2M, cs3l200 MYNN+cs4L100 Collins and Satoh (2009) Tsushima et al(2009)

18 シングルバルクスキーム Grabowski(1998) 2 予報変数温度に依存した相分離 NSW6 (Tomita 2008, JMSJ) 6 予報変数 : 水蒸気雲水雨雲氷雪霰の質量密度 2 モーメントバルクスキームビン法 NDW6 (Seiki 2010) 密度数密度の予報雲放射結合サイズ分布 HUCM (Khain and Sednev 1996; Iguchi et al. 2007) エアロゾル効果 SPRINTARS(Takemura et al. 2005; Suzuki et al. 2008) 雲微物理過程スキーム

19 NCEP vs. NICAM G98_my2m NSW6new_my2m 6-10 June 2004 (5days average) NCEP Noda et al.(2008)

20 CloudSat/CALIPSO Sensitivity to cloud microphysics schemes: CFADS Grabowski(1998), NICAM-GCRM 3.5km (90-130E, 20S-20N) 20N) NSW6 (Tomita 2008), stretched-nicam

21 雲微物理過程スキームのパラメータ依存性 Motivation 上層雲の面積 : 放射収支に重要氷雲の面積厚さ粒径シングルモーメントスキームでの粒径依存性氷雲の落下速度粒径依存カテゴリー変換落下速度 : 雲氷 < 雪 < 霰

22 OLR: sensitivity to cloud parameters Iga et al.(2007,grl) NICAM 14km-mesh Perpetual July exp. L: mixing length Cs ~ sedimentation speed v ts ρ 0 ( D ) = c D s ( ρ 1 2 Term minal ve elocity(m m/s) (Locatelli and Hobbs1974) Cs= Particle size (mm)

23 Ice particle numbers Marshall-Palmer distribution Snow: N0s=3x10 6 [m 4 ] = N exp( λ ) Graupel: N0g=4x10 6 [m 4 ] n( D) 0 D 4 ) N 0 (m -4 N(D) N0x2 defalt N0x0.5 N0x2 6x10 4 N0x0.5 Temp.(deg) D Houze et al (1979) Hong et al (2004): WSM6

Single cloud experiment Every where tropics condition using NICAM No

5km Vertically 54layers 30daysanalysis analysis after 60daysspin spin up

et al 2000) MYNN turbulence scheme (Mellor and Yamada 1974, Nk Nakanishi

24 Single cloud experiment Every where tropics condition using NICAM No rotation Aqua planet, SST=300K Radius=200km: small planet Dx=14km, 7km, 3.5km Vertically 54layers 30daysanalysis analysis after 60daysspin spin up Physics Cloud physics: NSW6 (Tomita 2008) Radiation : MSTRN X (Nakajima et al 2000) MYNN turbulence scheme (Mellor and Yamada 1974, Nk Nakanishi ihiand Niino 2004) Surface flux : Louis (1979) Satoh and Matsuda(2008) NSW6 スキーム

25 Graupel/total ice clouds

26 上層雲の面積をコントロールする要因雲サイズ実験のまとめ降水効率 η=p/q =Lx 降水 / 鉛直積算非断熱加熱 (Tsushima et al.2008) 凝結した水蒸気の外側への拡がり雲微物理スキームカテゴリー分離 : 雲氷雪霰 (Qi, Ni), (Qs, Ns), (Qg, Ng) Qi+Qs が雲量にきく雪が速く落下すると雲量は減る霰が多いと雲量は減る雪の数が多くすると雲氷の数は減り雲量への効果は小さい η = 霰の数が多いと雲量は小さくなる Q 霰は降水効率の減少に寄与する Q P P Q-P

27 まとめ全球雲解像モデル : 気候感度問題の新しい視点気候感度 : 薄い巻雲の変化雲微物理過程スキームの不確実性依存性上層雲氷雲の面積厚さ降水効率霰の役割雲のサイズが重要下層雲 Collins and Satoh (2009) 境界層スキーム Tsushima et al(2009) エアロゾル効果

28 宇宙線の雲に及ぼす効果について Pierce, J. R., Adams, P. J., 2009: Can cosmic rays affect cloud condensation nuclei by altering new particle formation rates? Geophys. Res. Lett.,, 36, L09820, doi: /2009gl 実験例なのでconclusiveでないモデルによる違い宇宙線と雲の結合モデル境界層スキーム雲モデルエアロゾルモデル気候モデルによる評価手法 MIROC or NICAM に宇宙線と雲の結合モデルの導入して効果を調べればよい Solar cycle に伴う変化の定量的見積もり気候変化に伴う雲変化の計算定量的評価観測事実による検証 : 人工衛星データ

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<4D F736F F D20826D C C835895B681698DC58F4994C5816A89FC322E646F63> 4/22( 木 )14:00 資料配付文部科学記者会科学記者会神奈川県政記者クラブ横須賀市政記者クラブ青森県政記者会むつ市政記者会高知県政記者クラブ沖縄県政記者クラブ名護市駐在 3 社 ( 東京大学より配付 ) 大学記者会平成 22 年 4 月 22 日国立大学法人東京大学大気海洋研究所雲の組織化を直接計算できる数値モデルを用いた温暖化想定実験で熱帯低気圧の変化予測に大きな一歩