Transcript 諸物理過程のパラメタリゼーション の高度化(大気・海洋分野)

人・自然・地球共生プロジェクト
諸物理過程のパラメタリゼーション
の高度化(大気・海洋分野)
研究代表者：日比谷紀之(東大・理)
丹羽淑博・渡辺路生・古市尚基(東大・理) 北村祐二(京大・理)
新野宏・野口尚久・中村晃三 (東大・海洋研) 中西幹郎(防衛大)
※大循環モデルのサブグリッドスケールの乱流現象の解明
・海洋深層の乱流混合過程 (丹羽)
・大気境界層の乱流混合過程 (野口)
海洋深層の
乱流混合過程
海洋深層大循環の
パターン・熱輸送量
海洋深層の乱流混合過程の
パラメタリゼーションの研究
日比谷紀之・丹羽淑博・渡辺路生・古市尚基
(東大・理・地球惑星)
☆本研究課題の目標
海洋深層の乱流混合係数の全球分布を明らかにする
数値シミュレーション＋海洋観測
乱流混合に使われる海洋内部波エネルギーの流れ
大気擾乱
近慣性内部波
小規模スケール
内部波
乱流混合
内部潮汐波
潮汐流+海底地形
★内部潮汐波のグローバル分布
の数値シミュレーション
・数値モデル：Princeton Ocean Model (Δx=1/12˚, 鉛直20層）
・外力：M2, S2, K1, O1 潮汐フォーシング
（Matsumoto et al. [2001] 外部潮汐データの同化)
・海底地形: ETOPO5データ
M2内部潮汐波エネルギーのグローバル分布
内部潮汐波エネルギー分布
乱流混合係数分布
▲ XCP 流速シアー観測
XCP(投棄型流速計）観測
Lz=O(10)mスケールの流速シアー強度
Gregg[1989] ﾊﾟﾗﾒﾀﾘｾﾞｰｼｮﾝ
乱流混合係数
K v  0.07 
4
S ob
s
S G4 M
cm
2
s
1

推定された乱流混合係数のグローバル分布
XCP観測+内部潮汐波数値シミュレーション
潮汐起源の乱流ホットスポット：内部波の主要なエネルギーカスケード
機構である、Parametric Subharmonic Instability が働く、緯度30度よりも赤
道側の海嶺・海山の近傍に局在
深層海洋大循環・数値モデル
• マイアミ等密度面座標海洋モデル(MICOM)：
• モデル領域：東西方向140ºE〜100ºW 、
南北方向70ºS〜 56ºN、水深5000m
• 水平解像度：東西方向3 º 、南北方向 3 º×cosf
• 鉛直解像度：18層
• 初期条件： 東西平均したLevitus年平均気候値
• 風応力：
ECMWF年平均気候値の東西平均
• 熱・塩分フラックス：海表面の温度・塩分を東西
平均したLevitus年平均気候値に時定数30日で緩和
• 深層水の形成： モデル領域南端で鉛直下向きの
質量フラックス(36.98、37.04、37.08、37.11s2の4層へ
各5Sv、合計20Sv)
海洋深層大循環・数値モデル領域
(Hibiya et al. 2005)
数値モデルに与えた乱流混合係数の水平分布
鉛直乱流拡散係数
の領域平均値：
0.34×10-4m2s-1
子午面流線関数と密度場
海洋観測（地衡流計算）から推定された
子午面循環流量～20Sv 赤道通過流量 8～10Sv
潮汐以外の乱流混合エネルギー
供給源の情報が必要（大気擾乱）
子午面循環流量：9.2Sv 赤道通過流量：5.5Sv
大気擾乱起源の内部波の
時空間分布の数値実験
・数値モデル：MOM 3.0
・モデル領域：東西方向 120ºE〜115ºW 、
南北方向 10ºS〜 60ºN
・水平解像度：東西方向 1/6°南北方向1/6°
・鉛直解像度：３８層(5,7,9,11 m --- 600m)
・風応力：NCEP再解析データ（４日以下の短周期変動を抽出）
・初期状態：Levitus年平均気候値
・海底地形：ETOPO5データ
・計算期間：1991年12月10日～1991年12月30日
南北流速場 @ z= ~500 m
20Dec
22Dec
大気擾乱によって励起された内部波の伝播
（ 9月12-13日：20-40N, 146E）
今後の課題
1. 大気擾乱起源の内部波のグローバル分布の解明
2. 乱流混合係数の推定←XCP観測に基づく経験式を利用
←数値実験に基づくエネルギーカスケード量の定量的
見積もりによる理論的な裏付け
3. 乱流混合係数のグローバル分布の推定
←内部潮汐波＋大気擾乱の内部波の時空間分布
の情報を考慮した乱流混合係数のグローバル分布の推定。
4. 海洋内部波グローバルモデルの検証/精度向上
←長期係留系データ/海面高度計データとの比較
モデルの解像度の向上
高精度の大気・海洋境界層乱流モデルの開発
新野 宏・中村晃三(東大・海洋研)・中西幹郎(防衛大)
１．境界層乱流の重要性
大気
•潜熱・顕熱フラックス
（地表面が吸収する日射エネル
ギーの60％を自由大気へ輸送）
•境界層雲による放射収支
（極域･太平洋東部･やませ）
•積雲対流の励起
•人間生活・植生・物質循環に影響
海洋
•力学的混合層・対流混合層
•物質循環、blooming、・・・
Khiel and Trenberth(1997)
２．本研究の目的
格子間隔10km相当程度の大気大循環モデル等に 適用で
きる高精度1次元乱流境界層モデルを開発し、共生他課題
にフィードバックする。
手法
・信頼できる大気境界層のLarge Eddy Simulation（LES)
モデルを開発し、様々な成層と気圧傾度のもとでの乱流
データベースを作成する。
・このデータベースを観測データとみなして、1次元乱流
境界層モデルの乱流長さスケール及びモデル定数を見直し
LESの結果を良く再現する境界層モデルを開発する。
5km
３．これまでの成果
5km
1) LESモデルによる境界層デー
タベースの作成
2) LESの結果に基づく1次
元乱流モデルの開発
2km
(Nakanishi & Niino , 2004,
Bound.-Layer Meteor.)
・Mellor and Yamada (1982)が基本
乱流渦
熱
地表面
・乱流長さのスケールの新しい診断式の提案
40m
125×125×50格子
水平方向周期的
・モデルの普遍定数の改訂
→放射霧の観測をよく再現
3)計算安定性の向上
(Nakanishi & Niino , 2005, accepted for Bound.-Layer Meteor.;NN)
Wangara野外実験データによる検証(J. Atmos. Sci.に投稿準備中)
温位
水蒸気混合比
水平風
Day 33
(1967年8月16日)
観測
LES
LESの方が対
流混合層の発
達が良いのは
大規模下降流
の影響がLES
では考慮され
ていないため
LESによる鉛
直流と温位
水平断面
鉛直断面
NN Level3
MY Level3
NN Level2.5
温位
NN Level3
水蒸気
混合比
MY Level3
NN Level2.5
乱流エネルギー収支
LES
NN Level3
S: 鉛直シアによる乱流生成 B:浮力による乱流生成
T+P: 乱流及び圧力輸送
D:粘性散逸項
LESをかなり良く再現する1次元乱流モデルになっている!
４．共生他課題との連携状況
開発した境界層乱流モデル(NN Level2.5,3)のソー
スコードの提供
●第１課題へ
－高分解能大気海洋モデルを用いた地球温暖化予測
に関する研究：提供済み（FRSGC:江守正多研究員）
－大気海洋結合モデルの高解像度化：提供済み
（九大：尹宗煥教授）
●第４課題へ
－高分解能領域気候モデル：
気象研究所のIPCC報告用モデルに提供済み（室井研究官）
－気象庁非静力学モデル（H17より現業数値予報モデル）へ
提供済み 組み込みを検討中（気象庁数値予報課)
●その他
次世代大気大循環モデル(NICAM)の開発
提供済み（FRSGC:佐藤正樹研究員）
５．大規模LESによる境界層の微細構造の研究
・第１・４課題のIPCC報告用の気候モデルへの
境界層モデルの組込み →1次元乱流モデルの検証・改良
・地球シミュレータを用いた更に高解像度のLES
格子間隔=5m 、 4000×4000×600grid （20km×20km×3km）
→より信頼できる大気境界層の乱流データベースの作成
（地表面付近の超断熱層や逆転層を解像可能に）
→1次元乱流境界層モデルの改良
→これまで見られな
かった境界層乱流
1
(a) 鉛直流
1
(b) 鉛直渦度
の微細構造の解明
0.5
0.3s-1
0.5
0.5
(km)
0.5
(km)