CGERリポート

CGER’s Supercomputer Monograph Report Vol. 22 Evaluations of clouds and precipitations in NICAM using the joint simulator for satellite sensors 衛星センサージョイントシミュレータを用いたNICAMの雲降水過程の検証

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雲システムの時間変化、構造、ライフサイクルは、雲システム解像モデル(CSRM)、すなわち積雲パラメタリゼーションを用いずに現実的な雲微物理プロセスを表現する非静力学モデルによって表現が可能である。近年、コンピュータの計算速度や規模の増大に伴い、CSRMの積分時間や計算領域を拡大することが可能になってきており、次世代の気候モデル・大気大循環モデルでは全球の雲降水システムのマルチスケールの相互作用を再現することが視野に入りつつある。従来、CSRMの評価に向けて、飛行機による現場観測データや地上レーダ観測などを用いた多くの研究が行われてきた。しかし、地上レーダや飛行機による観測データには空間的やサンプリングの制約がある。一方、全球的な人工衛星による放射測定により雲降水の性質を検出することが可能である。今日、人工衛星観測について長期データの利用が可能になってきており、雲降水の気候学的な情報を解析することができるようになってきた。ところが、人工衛星データから雲水・雲氷の質量密度等の雲微物理パラメータを導出する際には、多くの仮定を導入しているため、CSRMの雲システムの空間構造を評価する際にはこれらの仮定に留意する必要がある。特に、水物質のサイズ分布の仮定が大きな不確定性の要因となっていることが知られている。このような不確定性を避けるために、別な手法が用いられるようになってきた。すなわち、人工衛星データの輝度とCSRMの出力データから衛星シミュレータを用いて得られた輝度を直接比較する方法である(図1)。衛星シミュレータでは、水物質のサイズ分布や密度等の雲微物理に関してCSRMで導入されている同じ仮定を採用する。

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図1 Joint-simulatorによる統合的な衛星観測データ生成のフローチャート

本モノグラフでは、衛星シミュレータとして、宇宙航空研究開発機構(JAXA)での人工衛星EarthCAREミッションのもとで開発が進められている衛星センサージョイントシミュレータ(Joint-simulator)について紹介する。Joint-Simulatorは、EarthCARE衛星に搭載される4つのセンサーのシグナルをシミュレートすることを目的として開発された。Joint-simulatorでは、さらに、可視/赤外イメージャ、マイクロ波放射計/サウンダ、レーダ、ライダ、ブロードバンド放射計等の多様な衛星センサーの輝度をシミュレートする。Joint-Simulatorによって得られたシグナルの例を図2に示す。また、CALIPSOとCloudSatを用いて正二十面体格子非静力学モデル(NICAM)による計算結果をJoint-Simulatorを用いて評価する新手法を開発した(図3、Hashino et al. 2013)。さらに、TRMMと衛星シミュレータを用いてNICAMの雲微物理スキームを改良した結果について紹介する(Roh and Satoh 2014)。

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図2 10.8µmにおける赤外輝度温度の全球分布。(a) 複数の静止気象衛星観測を合成して得られたTb。(b) NICAMの出力データを用いてJoint-simulatorによってシミュレータされたTb

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図3 雲頂における後方散乱因子betaと温度のレーダ輝度条件ごとのダイアグラム(CT-BETTER diagram)。熱帯における雲氷特性の鉛直分布を示す(0–15°N)

本モノグラフでは、Joint-simulatorによってCSRMを評価し改良する手法について解説する。Joint-simulatorにより、人工衛星観測とCSRMにおける水物質に関する不確定性を低減することができる。人工衛星データによる観測された微物理的な性質についてJoint-simulatorを通じて理解をすすめることができる。Joint-Simulatorにより、多様な人工衛星観測を用いた雲降水検出アルゴリズムを開発し、かつ検証することができる。

参考文献

  • Hashino, T., M. Satoh, Y. Hagihara, T. Kubota, T. Matsui, T. Nasuno, and H. Okamoto 2013: Evaluating cloud microphysics from NICAM against CloudSat and CALIPSO. J. Geophys. Res.: Atmos., 118, 7273–7292.
  • Roh, W., and M. Satoh, 2014: Evaluation of Precipitating Hydrometeor Parameterizations in a Single-Moment Bulk Microphysics Scheme for Deep Convective Systems over the Tropical Central Pacific. J. Atmos. Sci., 71, 2654-2673.