雲の寿命に対する放射の変化 (RAS スキームを用いた場合)

• 概要
• 実験環境
• 実験設定
• 考察メモ
• 結果

概要

サブグリッドスケールの過程に関するテスト計算 で導入した 積雲対流スキーム (Relaxed Arakawa-Schubert scheme) とリチャードソン数の計算方法 (仮温度を用いて計算) を使って, 雲の寿命に対する放射の変化を調べた.

少し詳細な経緯

"サブグリッドスケールの過程に関するテスト計算" では, 放射の全球平均値が Trenberth et al. (2007) と異なる, 東西平均分布が NCEP の再解析データと合わないなど の問題があった.

また解像度 T21 と T42 で計算結果が大きく異なることも分かった. これらは大規模凝結のスキームを Manabe (1965) から Le Treut and Li (1991) へ変更した場合に生じるようである (こちら を参照されたい). さらに, 降水量が多すぎる点も問題であった (こちらは自分で確かめていないので要調査).

今回は, 標準的な解像度である T42 で計算し雲の寿命に対する感度を調べるために, 大規模凝結スキームには Manabe(1965) を用いる事にした.

更新履歴

• 2011.10.14 / 10/06 の考察を更新・追記
• 2011.10.06 / slab ocean の場合の熱帯における OLR 分布に関する考察を追記
• 2011.10.01 / 雲の寿命 2400 秒における結果を追記
• 2011.09.19 / 雲の寿命 2100 秒における結果を追記
• 2011.09.08 / 概要更新, 結果を追加
• 2011.09.07 / 概要などを追記
• 2011.09.01 / ページ作成

実験環境

雲の寿命が 900, 1200, 1500, 1800 秒の実験は逐次計算で行った. 雲の寿命 2100, 2400 秒の実験は並列計算を用いて行った.

計算機名 : joho09-itpass

• CPU : Intel(R) Core(TM) i7-2600 CPU @ 3.40GHz
• OS : GNU Debian Linux 5.0 (lenny)
• uname -a : Linux joho09-itpass 2.6.26-2-amd64 #1 SMP Mon Jun 13 16:29:33 UTC 2011 x86_64 GNU/Linux

コンパイラ

• Fujitsu Fortran 6.0
• mpif90
  • 並列計算用

依存するライブラリ (バージョン)

• netCDF (3.6.2)
• gtool5 (20101228-1)
• ISPACK (0.93)
• spmodel (0.6.1)

実験設定

• ソースファイル
  • 雲の寿命 900, 1200, 1500, 1800 秒の実験
    • dcpam5 ver.20110615 を改変したもの [tar.gz]
    • ソースツリー
  • 雲の寿命 2100, 2400 秒の実験
    • dcpam5 ver.20110615 を改変したもの [tar.gz]
    • ソースツリー
    • 上記のソースからの変更点は, 計算の順序とリスタート計算が可能になった点.
• NAMELIST ファイル
  • 雲の寿命: 900 秒, 1200 秒, 1500 秒, 1800 秒, 2100 秒, 2400 秒
• 空間解像度 : T42L22
  • 経度格子点数 : 128 (格子間隔 2.83 度)
  • 緯度格子点数 : 64
  • 鉛直層数 : 22
• タイムステップ : 12 分
• 積分時間 : 3 年間
  • その内最後の 1 年間を解析に使用
• 初期値
  • 温度場 : 280 K + 小擾乱
• 地表面気圧 : 10^5 Pa
• 東西風速 : 0 m/s

考察メモ

• 放射収支について
  • 雲の寿命が 900 秒の場合には OSR が少し大きすぎるようだが, どの場合も 1 桁に収まっており, 釣り合っているようだ
  • 雲の寿命 1800 秒が 0 W/m^2 であり, 最も合っている
• 実際の地球の値と等しいかどうか
  • 全球平均した OLR と OSR の和が最も実際の地球の値と近くなるのは, 雲の 寿命が 1500 秒の場合
  • 900, 1200, 1800 秒の場合も参考にした Trenberth et al.(2007) か らのずれは 1 桁に収まっている
  • 2100, 2400 秒の場合は O(10) でずれており, 合っているとは言えない
• OLR や OSR の雲の寿命に対する感度
  • スキームを変更する前 (積雲対流・非凝結性対流とも Manabe(1965))の 計算結果と変わらないようだ
    • 大雑把に見て fig.1, fig.2 の傾きが, スキームを変更する前後で同じだった
• OLR の東西平均分布
  • 熱帯域の分布が NCEP のデータとより近くなった
    • 緯度 30 度 (-30 度) 付近の山型の分布に加え, 緯度 0 度付近の小さな 山型分布も再現できていた
  • 北緯/南緯 60 度以上の高緯度における分布が, どの雲の寿命の場合でも, NCEP より小さいようだ
    • 違いは O(1) だけど..
    • 北半球の分布はスキームを変える前の方が NCEP の分布に近いようだ
• ここでは示していないが, 雲の寿命 1800 秒において, SST を与えずスラブオーシャンの条件でも計算したところ, 全球平均した OLR と -OSR の平均値 (fig.4 で示している値) は SST を与えた場合 (fig,4 の 1800 s における値) とほぼ等しかった.
  • ただし, 熱帯における東西平均分布が NCEP と合わなくなる
    • 準定常状態に達していない段階の値を使って描画してしまった？
      • 全球平均した OLR の各年の変動は 1 W/m^2 以内であったが...
      • 全球平均した惑星表面温度の時系列を見て, 定常状態になっているかどうか確認する
        • 描画した.
          • 2 年目以降, 赤道の表面温度は 301 K から 302 K の間で変化しており, ほぼ定常であった.
          • 北緯 40, 60, 90 度においても, 積分期間の最後 4 年で特に, 極大・極小値が一定であり, 準定常と言えそうだ
    • モデル内で計算した熱帯の海の温度と, 実際の地球の熱帯における海の温度が大きくはずれている？
      • 描画してみる
        • 描画した. 熱帯のみならず他の緯度においても結構ずれている.
    • 積分時間の最後 2 年間を平均した Qvap や Rain の緯度経度分布を描画した
      • sst を amipII のデータで与えた場合に比べて, slab ocean の場合に,
        • 熱帯における値が大きかった
        • 熱帯において分布が帯状であった
    • slab ocean の場合, 海の熱容量が大きいため一度温めると冷めにくい. したがって現実の地球に比べて sst が高くなり, 雲ができやすくなる. そのため sst を与えた場合に熱帯域の雲が増加して OLR が減少, OSR も減少したのだと考えられる
      • OLR はより高高度の大気温度が見えるようになるので減る
      • OSR は, 日射がより反射されるようになるので減る

結論と追加コメント

• スキーム変更前よりも, OLR の分布が実際の地球に近くなった.
• 系のエネルギー収支が合っていることから, 今回用いたスキームにおいては, 雲の寿命には 1800 秒を用いるのが最も適切だと考えられる.
• slab ocean の場合には海の熱容量が大きいため冷めにくい. 熱帯域の雲量が大きくなるのはそのためであり, したがって現実の地球に比べて OLR や OSR が小さくなる
• 季節変化や全球平均した潜熱等のフラックスについても, 実際の地球と合うか見ておきたい
  • 季節変化 (月別の東西平均緯度分布) を調べた
    • 12 月など, 月によっては高緯度において NCEP のデータとずれるが, よくあっている

結果

OLR と OSR の全球平均値 (W/m^2)

雲の寿命(秒)        900.0d0           1200.0d0          1500.0d0          1800.0d0           2100.0d0          2400.0d0
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
移流なし   OLR  241.411927029786   239.166569856744  237.477684654863   235.901818578872  234.428501787574   233.077319104336
           OSR  241.411927029786  -243.91348817239  -239.805796627538  -236.156923288295 -233.284678896074  -230.481010342229

図

• fig.1 から fig.4
  • 積分時間の 3 年目の値を全球平均した OLR, OSR
  • 雲の寿命が 900, 1200, 1500, 1800, 2100, 2400 秒で移流なしの場合
• fig.5 から fig.10
  • 時間平均・東西平均した OLR
    • 実線: 雲の寿命が 900, 1200, 1500, 1800, 2100, 2400 秒で移流なしの場合の計算結果
      • 積分時間の 3 年目の値を平均
    • 破線: NCEP の再解析データ
      • 1988 年から 2007 年の 10 年間の値を平均
      • 再解析データの NetCDF ( 上向き長波放射, 上向き短波放射, 入射短波放射 )
        • 取得元: 京都大学生存圏研究所 の NCEP 再解析データミラーサイト

fig.1 / 長波放射の全球平均値	fig.2 / 短波放射の全球平均値 (縦軸 : -OSR)	fig.3 / 長波放射と短波放射の和	fig.4 / 長波放射と短波放射 (絶対値) の平均値, 地球の長波放射
fig.5 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 900 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)	fig.6 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 1200 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)	fig.7 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 1500 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)	fig.8 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 1800 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)
fig.9 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 2100 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)	fig.10 / 東西平均 OLR 分布, 雲の寿命 2400 秒 (実線: dcpam による計算結果, 破線: NCEP 再解析データ)