2013年度日本気象学会春季大会（東京）
惑星大気研究連絡会

2013年5月17日
国立オリンピック記念青少年総合センター

地球の対流：
主に雲解像モデルを用いたシミュ
レーションについて坪木和久（名古屋大学地球水循環研究センター）

名大地球水循環研究センター気象学研究室では大学院生（修士・博士）を大募集しています地球の対流水平対流：安定成層中に水平の温度差によって発生する対流（海陸風、ヒートアイランド、山谷風など）
鉛直対流：絶対不安定、対流不安定に発生（乾燥対流、積雲・積乱雲など）
積乱雲は群をなす。
地球大気の特徴：湿潤対流と雲の形成

対流セルとメソ対流系
対流セル
 単一セル マルチセル スーパーセル

メソ対流系
 団塊状：
 組織化されていないマルチセル
 組織化されたマルチセル
 スーパーセル型
 メソ対流複合体（MCC）

 線状：
 スコールライン型
 非スコールライン型
メソ気象の基礎理論（小倉義光 1997 ）積乱雲In Palau, Photo by K. Tsuboki

CReSS（Cloud Resolving Storm Simulator)
非静力学・雲解像シミュレーションモデル
台風、竜巻、豪雨、豪雪、スーパーセル、積乱雲などのシミュレーション
開発者：坪木和久・榊原篤志
1998年：開発開始
2002年：Ver.1(振興調整費：住教授)
2007年：Ver. 2 (HyARC共同研究)
2011年：Ver. 3(革新プログラム：坪木)

国内外の対抗するモデル
MRI-NHM(気象庁）
WRF(NCAR)
ARPS(U. of Oklahoma)

国内利用機関・組織 ：京大防災研、東大、東北大、山梨大、岩手大、福島大、会津大、京都産業大、愛媛大、長崎大、酪農学園大、JAMSTEC、防災科研、土木研、国土地理院、東京海上日動、明星電気、東芝、中電CTI他。
国外利用国
カナダ、台湾、韓国、中国、バングラデシュ、ベトナム他。
主要プロジェクト・プログラム
21世紀気候変動予測革新プログラム（文部科学省）
国土交通省XバンドMPレーダプロジェクト（国土交通省）
気候変動リスク情報創生プログラム（文部科学省）、 他
主要論文 （CReSSを用いた査読付論文 21編）
Tsuboki, K and A. Sakakibara, 2002:High Performance Computing
Iwabuchi, H. and K. Tsuboki, 2004: Journal of Visualizations (SGI賞)
Akter, N. and K. Tsuboki 2012:Monthly Weather Review

The Japan Time (2009.9.8)
革新プログラムの成果の記事

気象の数値モデルの種類
目的による分類
全球モデル(GCM, global model)
気候モデル領域モデル（メソスケールモデル）
領域気候モデル
雲解像（領域）モデル
方程式の近似による分類
鉛直方向の運動方程式の近似
静力学モデル非静力学モデル

連続の式の近似
ブシネスクモデル非弾性系モデル
弾性系モデルCReSSの雲物理過程とその改良点

水蒸気雲水
雲水
（混合比）
（qc, Nc）

氷晶(qi, Ni)
雪（降水）(qs, Ns)

雨（降水）（qr, Nr）
（混合比）

雹（降水）
(qh, Nh)

2次氷晶

霰（降水）
(qg, Ng)

1. 力学過程の改良：セミラグランジュ法の導入
2. タイリング法による任意形状の領域の計算

氷晶落下
放射過程

解像度の違いによるシミュレーション結果の違い
1km解像度のシミュレーション

100m解像度のシミュレーション

共立出版：「計算科学講座第10巻」
第3章「気象のシミュレーション」（坪木, 2010）より引用

日本海寒帯気団収束帯（JPCZ）の帯状雲と渦列
13:30 JST 29 JAN 2011

Δx = 2km

Δx = 1km

日本海寒帯気団収束帯（JPCZ）の帯状雲と渦列
13:30 JST 29 JAN 2011

Satellite observation

CReSS (Δx=500m)
Grid Numbers 1883x1803x47
Grid SizeΔx=500mΔz=300m(80m)Snow storm over the Great Lakes in North America

grid size: Δx=500m

寒気流中の筋状雲の数値実験
冬季の高緯度では、寒気流が海上に流れ出したとき、しばしば筋状雲が形成される。
これはシアー流中のロール状対流と理解されている一方で、下流にあたる日本海沿岸ではセル状対流で構成されていることが観測されている。
大気下面から加熱されて徐々に対流が発達するとき、基本場であるシアーそのものも変化する。その中でどのような対流雲が形成されるのか。
このような筋状雲がどのように形成されるのか、上流から下流にかけて雲はどのように変質するのか、またその中でどのように降水が形成されるのかを数値実験により調べる。

Dry model experiments

Free convections in unstable stratified
shear flows
Domain: 3-dim 1103 ×259 ×63
H: 500m, 500m, V: 200m
Initial condition: unstably stratified horizontally
uniform
Vertical shear: uni-directional linear shear andconstant speed with turning direction
Surface process: not included
Moist process: not included

Profiles of basic fieldVertical velocity at a height of 1.5 km

Profiles of basic fieldVertical velocity at a height of 1.5 km

Simulation of snow cloud bands

寒気流中の筋状雲の数値実験の設定
 計算領域
水平: 457km × 153km × 鉛直: 11km
 水平格子サイズ 300 m
 鉛直格子サイズ 50 ～ 150m
 格子数
水平: 1527 × 515 × 鉛直: 73
 積分時間
20 時間
 時間間隔
large: 1sec, small: 0.25sec
 雲・降水の物理 冷たい雨のバルク法
 初期条件
カナダ東岸の高層観測、初期擾乱なし
 境界条件
放射境界条件 地表面条件
海氷を存在確率で格子点に配置
 計算ノード数
32ノード (256 CPU)

数値実験で下面境界条件として用いた海氷の分布（全体と拡大図）

初期値から18時間目の流れに平行な鉛直断面（y＝73km）
鉛直流

速度のx成分

速度のｙ成分温位

X (km)

初期値から18時間目の水平断面
鉛直流（Z=1km)

あられ(Z=1km )雲水(Z=1km)

氷(Z=1.3km)

X (km)

初期値から18時間目の水平断面 （x＝100～160kmの拡大）
鉛直流（Z=0.5km)

あられ(Z=0.5km )雲水(Z=0.5km)

氷(Z=0.7km)

X (km)

初期値から18時間目の水平断面 （x＝160～220kmの拡大）
鉛直流（Z=0.9km)

あられ(Z=0.9km )雲水(Z=0.9km)

氷(Z=1.1km)

X (km)

初期値から18時間目の水平断面 （x＝240～300kmの拡大）
鉛直流（Z=1km)

あられ(Z=1km )雲水(Z=1km)

氷(Z=1.3km)

X (km)

初期値から18時間目の水平断面 （x＝390～450kmの拡大）
鉛直流（Z=1km)

あられ(Z=1km )雲水(Z=1km)

氷(Z=1.3km)

X (km)

初期値から18時間目の流れに垂直な鉛直断面（x＝140km）
鉛直流

あられ

雲水

氷

y (km)

初期値から18時間目の流れに垂直な鉛直断面（x＝240km）
鉛直流

あられ

雲水

氷

y (km)

初期値から18時間目の流れに垂直な鉛直断面（x＝340km）
鉛直流

あられ

雲水

氷
y (km)

名古屋大学レーダーによる観測

JMA radar
9月17日14JST

延岡

CReSS
9月17日13:50JST

延岡

豊橋のスーパーセル

地球の対流：まとめ

地球大気の特徴：湿潤対流と雲の形成
湿潤対流の対流セルのスケール：数100mから10km
多様なタイプの対流
対流セルは組織化する雲解像モデルを用いたシミュレーションでは、解像度を上げるほど細かい構造が見えてくる
雲を詳細に表現するシミュレーション：大規模数値計算が必要