〔短報〕（短波放射；長波放射)

放射量連続観測と AM eDAS を利用した
宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価
吉田龍 平 ・沢

田

雅

洋

・山

崎

剛

・岩

崎 俊

樹

要 旨
宮城県白石市立白石中学校において下向き短波放射，下向き長波放射を連続観測し，気象庁非静力学モデル（JMA‑NHM ）の1.5km 格子放射量の評価を行った．JM A‑NHM の下向き短波放射量は夏を中心にして過大であった．下向き長波放射量は過小であった．AM eDAS 白石の気温と比較すると，高温バイアスであった．これらの結果から，JM A‑NHM による雲量の表現は過小であることが考えられる．雲量を増加させる感度実験の結果，
高温バイアスの一部は放射誤差によって説明されることが明らかになった．また，AM eDAS で観測している日照
時間を日平均短波放射量に変換し，短波放射量の検証を宮城・山形・福島県北部に対して行うと，下向き短波放射量の過大傾向は特定の地域によらず，いずれの AM eDAS サイトにおいても同様に認められた．より正確な放射量を表現するために，雲量の診断スキームの改良が望まれる．

１．背景

これまで気象庁非静力学モデル JM A‑NHM を用

数値予報において，地表面は大気の状態を制御するい た 研 究 が 降 水 量 の 再 現 実 験（Kawabata et al.

一要因である．地表面温度は主に熱収支によって決定2007；Kanada et al. 2008）や降水時における大気場

され，生活に関わる地上気温の予測に大きく関与しての構造解析（Seko et al.2008；M urata 2009）に対しいる．熱収支の構成要素として，下向き短波放射（全て行われており，ダウンスケーリングを用いることで天日射）と地表面で反射される上向き短波放射，下向

よ り 高 解 像 度 で の 数 値 計 算 が 可 能 と なって い る．

き長波放射と上向き長波放射，顕熱フラックス，潜熱

Sasaki et al.（2008）は Non‑hydrostatic Regional

フラックスおよび地中伝導熱がある．このうち地表面

Climate Model（NHRCM ）を用いて 4km 格子で関に入射する放射要素には下向き短波放射と下向き長波

東を中心とした数値計算を行い，AM eDAS と比較し放射がある．下向き短波放射量は気温の日変化を形成た結果，年平均気温は0.8℃の高温バイアスであるこ

する主要因で気象現象の理解において重要な要素であとを示した．また，東北大学大学院 理学研究科 地球る．本放射量は日本全国の気象官署で連続観測が行わ

物理学専攻 流体地球物理学講座では，宮城県周辺のれているが，下向き長波放射は一般の気象官署では観大気場や地上の気象状態量変動を理解するため，2006

測されていない．下向き長波放射は雲量，気温，水蒸

年６月より，JMA‑NHM と力学的ダウンスケールを気量に応じて変化し，短波放射と比較して日変化は小用いて1.5km 格子での数値計算を行っている．

さく，夏に最大，冬に最小値をとる．
東北大学大学院理学研究科．
（現）農業環境技術研究所大気環境研究領域．
東北大学大学院理学研究科．

Ⓒ 2011 日本気象学会
2011年７月

さて，入力放射量は気象状態量や循環を形成する要素 で あ る た め，検 証 が 不 可 欠 で あ る．こ れ ま で もJMA‑NHM の下向き短波放射量の検証は行われており，相対湿度を雲量診断に用いた場合は最大100W /―2011年２月７日受領―

m 程度の過小評価，雲物理過程を用いて雲を陽に計―2011年５月12日受理―算した場合では200W /m 程度の過大評価をすることが報告されている（長澤 2008）．また，解像度 5km
25

600

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価

での検証においては，雲物理過程に部分凝結を導入すと1.5km（同1.5km 実験）で，仙台を中心として計る こ と の 必 要 性 が 指 摘 さ れ て い る（長 澤 2006）．

算領域をそれぞれ420km 四方，180km 四方とした．

Nagasawa（2006）はこれまで雲の広がりが過剰で鉛直には38層の不等間隔格子を用い，最下層の格子間あったスキームを改良し，外向き長波放射が衛星の観隔は40m で計算領域上端は14.43km である．地形は測値に近づくことを示した．土屋ほか（2007）では，NASA で公開されている３秒角格子（約90m）の標

メソスケール気候モデル MM 5を用いて大気放射ス

高データ（Shuttle Radar Topography M ission digi-

キームの差異が地表付近の風速場や気温場に与える影

tal topographic data）から作成した．放射スキーム

響を調べ，パラメタリゼーションの選定の仕方が気には雲放射過程に対して北川（2000）を，晴天放射過温，風速，短波放射量，長波放射量に対して大きな影程に対して籔ほか（2005）を適用した．また，エアロ

響を与えることを示している．しかし，より解像度のゾルは衛星から得られた月別気候値（光学的厚さ）の高い1.5km 格子における数値計算に対しては放射量２次元分布を使用した．長波放射の計算には雲水量・の検証が行われていないのが現状である．そこで，本雲氷量・雲粒有効半径から射出率を求め，雲量射出率

研究は下向き短波放射量，下向き長波放射量の連続観の補正をしている．短波放射の計算には雲の光学的特測を行い，JMA‑NHM の放射量を評価することで，性が反映されている．雲の積層構造は鉛直方向に隣り

1.5km 格子の JMA‑NHM の放射量計算における問合う雲層は重なることを仮定する，マキシマム‑ラン

題点を明らかにする．また，AMeDAS で観測されてダムオーバーラップを採用した．格子内の部分的な凝いる日照時間のデータを用いて宮城・山形・福島県北結（雲）を表現するために，正規分布を仮定した確率

部の短波放射量を推定し，他地点での短波放射量の評

密度関数を導入して計算された雲量を放射過程に用い価も行う．

た．確率密度関数の変動幅は液水温位や全水量の乱流による揺らぎの関数となっている．雲物理過程に雲２．方法

水，雨水，雲氷，雪，あられの混合比を計算する手法

2.1 ４成分放射計による放射観測を使用した．6km 実験では格子以下の積雲の効果を

宮城県内において，全天日射量の直接観測が行われ

表 現 す る 積 雲 対 流 パ ラ メ タ リ ゼーション に Kain‑ている気象官署は東部沿岸の仙台のみである．宮城県

Fritsch ス キーム を 使 用（成 田 2006）し た が，1.5

南西部での放射量データが未知のため，宮城県白石市

km 実験では雲を陽に扱えるため，積雲対流パラメタ

立白石中学校（北緯38度00分，東経140度37分）の屋

リゼーションは用いていない．乱流混合過程には改良上において，放射量の連続観測を行った．観測期間はM ellor‑Yamada Level ３を用いた（Nakanishi and2007年12月４日から2009年７月７日（ただし，2008年
４月25日から2008年６月28日は欠測）の計517日である．
４成分放射計（MR‑50,英弘精機）を用いて，下向
き短波放射量，長波放射量の連続観測を行った．測定は１秒間隔で行い，10分ごとに前10分間における平均値を記録した．４成分放射計は上向きと下向きの長短
波放射量を測定することができるが，本研究においては測器の設営の都合上，下向きの長短波放射量のみを使用した．出力はデータロガーCR1000（キャンベル
サイエンティフィック社）で自動記録した．
2.2 非静力学モデル JMA‑NHM
本論文で使用した数値モデルは気象庁・気象研究所
で共同開発された JM A‑NHM （Saito et al. 2007；
気象庁 2008）である．宮城県周辺の高解像度計算を行うため，計算領域は第１図に示すように水平解像度
は 6km（以下本解像度の計算を 6km 実験と呼ぶ）
26

第１図

計 算 領 域．外 側 が 6km 実 験，内 側 が1.5km 実験の領域である．陰影は標高を表す（m）．白丸は白石中学校．
〝天気" 58．7．

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価

601．6km 実 験 の 初 期 値・境 界 値 に
Niino 2004, 2006）

JM A‑NHM は187.9 W /m で 平 均 誤 差 は JM A ‑は，気 象 庁 か ら 配 信 さ れ る メ ソ ス ケール モ デ ル

NHM が 過 大 と な る36.5W /m （観 測 値 に 対 し て（MSM ）の 予 報 値 を 使 用 し，毎 日00時（JST）か ら

24.1％）であった．また，12，１，２月（DJF）平均

27時間積分 し た．こ れ を 初 期 値・境 界 値 と し て1.5の 観 測 値 は89.1W /m ，JM A‑NHM は74.5W /m

km 実験を毎日03時（JST）から24時間積分した．6km 実験から1.5km 実験へのダウンスケールにおいては，6km 格子で計算された雲物理量（雲水，雨水，
雲氷，雪，あられ）が引き継がれている．海面水温は
東北大学大学院 理学研究科 大気海洋変動観測研究センター 衛星海洋学分野 川村研究室で公開されている
0.05度（約 5km）格 子 の データ を 使 用 し た（Guanand Kawamura 2004）．また，計算期間は2008年１月
１日から2009年10月４日である．これらの設定による
1.5km 格子での計算を ctl と呼ぶ．
３．AMeDAS 観測の日照時間を用いた他地域への展開
他地点での検証を行うため，AMeDAS で観測されている日照時間を用いて下向き短波放射量への変換を行った．近藤ほか（1991）によると，地表面に到達す
る下向き短波放射量の日平均値 S （W /m ）は次式で与えられる．
S ＝ ＋ ×N＋ N
a b
S
N
＝c

(1)
(2)

S は大気上端に到達する短波放射量（W /m ）で幾
何学的に決定される値，N は AMeDAS で観測された一日の日照時間（hr），N は大気や雲による減光がなかった場合における最大の日照時間（hr），a，b，c， N はパラメータである．ただし，(1)式は ０＜（2）式は N /N ＝０のとき
N /N ＜１を満たす場合，である．パラメータの値は，近 藤（1994）を 参 考 に
a ＝ 0.244，b ＝ 0.511，c ＝ 0.118， N ＝０を使用
した．以降において，(1)，(2)式による下向き短波放射量の推定方法を日照時間法と呼ぶ．
４．結果と考察4.1 白石中学校における放射量観測
第２図 a は白石中学校で観測した下向き短波放射量と JM A‑NHM （ctl）で計算された下向き短波放射量の日平均値の季節変化を示している．計算値の下向
き短波放射量は夏を中心に過大評価であった．６，
７，８ 月（JJA）平 均 の 観 測 値 は151.4 W /m ，2011年７月

第 ２ 図 日 平 均 放 射 量（白 石 中 学 校）と 気 温（AM eDAS 白 石）の 観 測 値 と 計 算 値．
（a）下向き短波放射量（W /m ），（b）
下向き長波放射量（W /m ），（c）気温（℃）．い ず れ も 差 は JM A‑NHM で 計算された値から観測値を引いた値である．また，Day of Year の起点は2008年
１月１日である．
27

602

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価で，平 均 誤 差 は−14.7W /m （同−16.5％）で あっ

m ，観測の平均値は409.5W /m ，JM A‑NHM の平た．この傾向は仙台管区気象台で観測している全天日

均誤差は−13.8W /m であった．DJF には過小評 価

射量との比較でも同様で，JJA の仙台管区気象台での傾向が弱くなり，JM A‑NHM の平均誤差は−0.67の 全 天 日 射 量 は163.3W /m ，JMA‑NHM は199.6

W /m であった．多くの場合，下向き長波放射量は気W /m （平 均 誤 差＋36.3W /m ）で あった．DJF は温，雲量と正の相関を持つが，夏に関しては雲量の評

仙台管区気象台に お い て108.7W /m ，JMA‑NHM

価が過小であることが下向き長波放射量の過小評価のは97.5W /m （平 均 誤 差−11.2W /m ）で あった．

原因と考えられる．もし，夏の下向き長波放射量の過解像度による放射量誤差を検討するため，6km 格子

小評価の原因が気温であるとするならば，計算値は低での計算値と比較すると，JJA の白石中学校におけ温バイアスとなっていると考えられる．この場合，以る 平 均 誤 差 は＋50.7W /m ，DJF は−7.9W /m で降で示す AM eDAS 観測の気温との間で不整合となるあった．仙台管区気象台では JJA は＋46.0W /m ，（JMA‑NHM は高温バイアスであった）ため，気温

DJF は−3.9W /m であった．

ではなく，JMA‑NHM の雲量の診断が過小であると一般に，下向き短波放射量の値は雲量に応じて変化推察される．この傾向は下向き短波放射量の過大評価する．本論文で使用した JM A‑NHM の設定においと整合する．一方で，DJF 平均の JM A‑NHM によては，主に下層・中層雲の雲量に応じて地表面への下る下向き長波放射量は観測値に近い値が得られた．こ向き短波放射量が変化する．下向き短波放射量の観測

れは，下向き短波放射量の過小評価にともなう気温の結果から，JMA‑NHM は白石中学校と仙台管区気象

低温バイアスとローカルな場の放射では説明できない台において夏を中心として雲量の診断が過小，冬に関外部からの昇温要因である暖気移流による気温の高温

しては過大である可能性がある．一方で，JJA におバ イ ア ス が ほ ぼ 同 程 度 に な り，結 果 と し て JMA‑

ける1.5km 格子での二乗平均平方根誤差（RM SE，

NHM の下向き長波放射量が観測値に近い値になった

白 石 中 学 校74.5W /m ，仙 台 管 区 気 象 台67.8W /と考えられる．

m ）は 6km 格 子 で の RM SE（白 石 中 学 校81.8W /4.2 放射量の気温計算への影響

m ，仙台管区気象台73.4W /m ）よりも小さい．こJM A‑NHM で計算された気温を評価するた め，

れはダウンスケールによって雲分布の表現が改善され

AM eDAS 白石（白石中学校から北西に 2km）で観たことが要因と考えられる．しかし，1.5km 格子の測している日平均の気温と JMA‑NHM の気温を比計算においても過大評価の傾向は変わらない．放射量較した．放射量観測地点と気温観測点が異なる理由は予測が親モデル（６km 実験）による影響を強く受け二つあり，一つは白石中学校で気温観測を行わなかっていることが示唆される．また，全対象期間においてた こ と，も う 一 つ は，白 石 中 学 校（直 接 観 測）と白石中学校における下向き短波放射量の観測値が快晴

AM eDAS 白石（日照時間法による推定値）との間で時における短波放射量（大気上端における短波放射

日平均した下向き短波放射量の値に大きな差がなかっ

量×係数，ただし係数は大気上端における短波放射量

た た め（詳 細 は 次 節）で あ る．以 上 の 理 由 か らの季節変化のグラフが，観測値全体の包絡線となる値

AM eDAS 白石における気温データを白石中学校の代である）の８割以上かつ JMA‑NHM の全雲量が0.2

わりとして使用した．気温を比較した結果，JMA‑

以下であったとき（晴れと定義）計68日を抽出し，そNHM には季節を問わず高温バイアスがあることがわの と き の 下 向 き 短 波 放 射 量 の 比 を と る と，JMA‑

かる（第２図 c）．JJA では JM A‑NHM は1.5℃の高NHM は4.6％の過大評価であった（観測値平均245.4

温バイ ア ス，DJF で は0.3℃の 高 温 バ イ ア ス で あっ

．従って，晴W /m ，JMA‑NHM 平 均256.6W /m ）た．これまでの短波放射，長波放射量の議論から，夏天放射の誤差による短波放射量の過大評価への影響はを中心とする高温バイアスは雲量の過小評価が一つの雲量の診断による短波放射量への影響と比較すると小原因と考えられる．以下でその検証をする．JMA‑

さいと考えられる．

NHM の部分凝結スキームには，乱流スキームでは表

次に，下向き長波放射量の比較を第２図 b に示す．

現できない部分凝結の効果を取り入れるため，雲量の短波放射量の傾向とは異なり，JMA‑NHM の計算値

変動幅の下限値を調整するパラメータ（f ）が設定

は観測値に比べ過小評価であった．過小評価の傾向はされている（詳細は原・永戸（2008）の p.134‑135を夏が中心で，JJA の JMA‑NHM 平均値は395.7W /参照）．その f を0.09から0.11へと変更した感度実

28〝天気" 58．7．

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価

第３図

603

白石における下向き短波放射量の変化に対する気温の応答．new は f ＝0.11のとき，ctl は f ＝0.09のときを表す．

験（new）を行い，下向き短波放射量の変化に対する気温の変化率を調べた．f を大きくすることにより，雲量の変動幅が大きくなり，雲量が増加することが期待される．なお，f ＝0.09は経験的に決められた 値 で あ る．第 ３ 図 は，f の 変 更 に 伴 う JMA‑NHM の下向き短波放射量の変化に対する気温の変化を表している．期間は2008年６月29日から同８月31日までの64日間である．64日間平均で下層雲量は0.014，
中層雲量は0.008増加し，f の変化に対する雲量変化が確認できた．下向き短波放射量の変化と気温の変化の間には正の相関が見られ，相関係数は0.57であった．図中の近似直線の切片が０でないのは，下向き短波放射は気温を決定する一要因であるが，暖気移流のような他の要因も存在することを示している．この期間における JM A‑NHM （ctl）と放射観測との短波放射量差（＋25.6W /m ）を近似直線にあて は め，放射誤差による気温への影響を調べると＋0.52℃であった．一 方 で JMA‑NHM は AMeDAS 白 石 に 対 し て
1.76℃の高温バイアスであり，約３割は放射誤差によって高温バイアスとなっていることがわかった．
4.3 日照時間法による短波放射量と計算値との比較
白石中学校における雲量の過小評価に伴う下向き短波放射の過大評価の傾向が，白石特有のものか，他地

第４図

2008年１月２日から2009年10月４日における下向き短波放射量の平均値の差および 推 定 値 （ W /m ）．（ a）［ J M A ‑NHM ］−［ AM eDAS 使 用 値］，（ b）［ AM eDAS 使 用 値 ］，（ c）［ J M A ‑NHM ］．

点でも見られるのかを調べるため，各地の AM eDAS
地点において日照時間法から推定した下向き短波放射

短波放射量と AMeDAS 白石の日照時間法による推定

量の日平均値と，JMA‑NHM のそれとの比較を行っ値との比較を行った．その結果，日照時間法による下た．まず，日照時間法による短波放射量が現地観測値

向き短波放射量の日平均値と４成分放射計を用いた直を表しているかを調べるため，白石中学校で観測した

接観測の間には線形の関係が見られ，日照時間法で算

2011年７月29604

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価出した短波放射量と直接観測の短波放射量の差におけ説明されることが明らかになった．これらの結果かる平均値は−5.2W /m ，RM SE は25.1W /m であっら，1.5km 格子の JM A‑NHM による放射量計算はた．第 ４ 図 は 宮 城 県，山 形 県 お よ び 福 島 県 北 部 の親モデル（６km 実験）に強く依存するとともに雲量JMA‑NHM 出力の短波放射量と，各 AM eDAS 観測の診断が過小であると考えられる．白石中学校で見ら地点（全44点）において日照時間法で算出した短波放

れた短波放射量の過大評価の傾向を他の地域について

射量との比較である．データは2008年１月２日からも検証するため，経験式を用いて AMeDAS で観測さ2009年10月４日までの全期間の平均値である．白石中

れている日照時間から短波放射量の日平均値への変換

学校の結果と同様，JMA‑NHM の短波放射量は計算を行った．JMA‑NHM による短波放射量の過大評価

領域の全地点で過大評価であった（第４図 a）．日照の傾向は宮城県，山形県および福島県北部で共通の傾時間法による 下 向 き 短 波 放 射 量 は116.6W /m か ら向であり，地域による特性ではないと考える．より正153.4W /m で あ る の に 対 し（第 ４ 図 b），JM A‑

確な放射量を表現するために，雲量の診断スキームのNHM は136.4W /m か ら180.1W /m で あった（第改良が望まれる．

４図 c）．また，内陸や沿岸による顕著な違いは見られない．全地点平均の日照時間法で算出した短波放射謝

辞量は140.4W /m ，JM A‑NHM の短波放射量は170.0

本研究を進めるに当たり，佐藤文則教諭をはじめとW /m であった．JMA‑NHM の過大評価分は日照時する宮城県白石市立白石中学校の皆様に観測場所の提間 法 に よ る 推 定 値 の21％（29.6W /m ）で あった．

供，維持のご協力をいただいた．ここに深く感謝申し

この傾向は白石中学校の現地観測値と JMA‑NHM上げる．また，本研究は文部科学省の委託事業「気候の間の関係と同様（4.1節参照）のものであるため，

変動適応研究推進プログラム」において実施された．

雲の計算が過小評価であることが一因と考えられる．

改稿にあたっては，有益な助言を数多くして下さった

JMA‑NHM で算出された下向き短波放射量と日照時

査読者と編集担当委員の方々に深く感謝申し上げる．

間法による短波放射量との差は，日照時間法を用いる
かあるいは観測値を用いるかの手法の違いによる短波放射量の差の平均値よりも大きく，過大評価の傾向
は，日照時間法によって算出された推定値を観測値の代わりとして使用したことによるものではないと考え
られる．
５．結論
2007年12月４日から2009年７月７日にかけて，宮城
県白石市立白石中学校において下向き短波放射量と下向き長波放射量の連続観測を行った．目的は1.5km

参 考

文

献

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別冊第54号，117‑148.
Kanada, S., M. Nakano, S. Hayashi, T. Kato, M .
Nakamura, K. Kurihara and A. Kitoh, 2008：Reproducibility of maximum daily precipitation amountover Japan by a high‑resolution non‑hydrostatic
model. SOLA, 4, 105‑108.

格子で計算した JMA‑NHM の放射量の評価を行う

Kawabata, T., H. Seko, K. Saito, T. Kuroda, K.

ためである．その結果，JM A‑NHM は夏を中心にしTamiya, T. Tsuyuki, Y. Honda and Y. Wakazuki,
2007：An assimilation and forecasting experiment ofて下向き短波放射量を過大評価していることが明らかになった．6km 格子，1.5km 格子の計算ではともに過大評価であったが，1.5km へのダウンスケールに

the Nerima heavy rainfall with a cloud‑resolving
nonhydrostatic 4‑dimensional variational data assim-

よって過大評価の傾向は一部改善された．また，下向ilation system. J. Meteor. Soc. Japan, 85, 255‑276.
気象庁，2008：気象庁非静力学モデル II ―現業利用の開き長波放射量は過小評価であった．白石市郊外に設営

始とその後の発展―．数値予報課報告・別冊第54号，

さ れ て い る AM eDAS 白 石 の 気 温 と JMA‑NHM の265pp．
北川裕人，2000：放射過程．数値予報課報告・別冊第46

計算結果の比較では高温バイアスの傾向があった．
JMA‑NHM の雲量変化に伴う放射量変化と気温変化との間には正の相関が見られ，JMA‑NHM の高温バ
イアスの３割は下向き短波放射量の過大評価によって
30

号，16‑31．
近藤純正編著，1994：水環境の気象学―地表面の水収支熱
収支―．朝倉書店，348pp．
〝天気" 58．7．

放射量連続観測と AMeDAS を利用した宮城・山形・福島県北部における非静力学モデル放射量の評価
近藤純正，中村亘，山崎剛，1991：日射量および下向き大気放射量の推定．天気，38，41‑48．
Murata,A., 2009：A mechanism for heavy precipitation

605

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Verification of Nonhydrostatic‑model Simulated Radiation
Using In Situ Observational Data in Miyagi, Yamagata andNorth Part of Fukushima Prefectures
Ryuhei YOSHIDA , Masahiro SAWADA , Takeshi YAMAZAKI
and Toshiki IWASAKI(Corresponding author）Graduate School of Science, Tohoku University, 6‑3, Aoba, Aramaki,
Aoba, Sendai, Miyagi, 980‑8578, Japan（Present affiliation：Agro‑Meteorology Division,
National Institute for Agro‑Environmental Sciences, 3‑1‑3, Kannondai, Tsukuba, Ibaraki, 305‑
8604, Japan）.
Email：ryuhei＠affrc.go.jp
Graduate School of Science,Tohoku University,6‑3,Aoba,Aramaki,Aoba,Sendai,Miyagi,980‑
8578, Japan.
（Received 7 February 2011；Accepted 12 May 2011）2011年７月

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