Past many researchers have made effort to reduce the uncertainties of climate change prediction and reached a recognition that the uncertainties are strongly related with the cloud radiative forcing (CRF). With such a background, Non-hydrostatic ICosahedral Atmospheric Model (NICAM), a global cloud resolving model, has been developed in order to solve the problem of organization of mesoscale convective cloud systems which have never been simulated by conventional general circulation models (GCMs). In contrast to the satisfactory simulations of cloud dynamics, however, several questions regarding suitability of the simulated cloud microphysical conditions have been raised, mainly from the climate community who is facing at the problem of accurate simulation of the radiative characteristics of the cloud system, especially simulation of the cloud radiative forcing, which strongly depends on the cloud microphysical parameterization adopted in numerical models.

In this study we newly developed a two-moment bulk cloud microphysics scheme(NDW6) based on the formulae of Seifert and Beheng (2006a). This microphysical scheme is expected to be more realistic than the one moment bulk cloud microphysics scheme adopted in the original NICAM. In addition we elaborated the radiative transfer model to be compatible with the size distribution of cloud particles introduced by the two moment cloud microphysics scheme. We also implemented non-spherical scattering optical properties of ice particles proposed by Fu (1996), and Fu et al. (1998). This cloud microphysics scheme thus developed ensures better signal simulation of space-borne optical sensors that provide important information for validating the simulated global cloud microphysical properties.

After development of NDW6, we performed numerical simulations by using NDW6 in three ways. Firstly, we studied how the cloud microphysical parameterizations used in NDW6 to affect the CRF and surface precipitation in a tropical squall line which cannot be studied by conventional GCMs of their coarse spatial resolution. Secondly, we evaluated the accuracy of the simulated prognostic variables and radiation fluxes by using microphysical observation data from a video-sonde and a radiometer-sonde. Finally, we compared statistically the simulated cloud optical properties with data from several space-borne optical sensors taking advantages of the two moment bulk scheme that can simulate the cloud optical thickness and effective particle radius. Through these experiments, we obtained the following insights regarding the several important cloud microphysical processes that affect the cloud formation.

Contribution of large precipitating particles, especially aggregates of ice crystals, cannot be neglected in the computation of CRF, though these are neglected in most of GCMs. Moreover, use of prescribed effective radii in the radiative transfer model caused significant differences up to about 50% in shortwave (SW) CRF, and about 20% in longwave (LW) CRF in the tropical squall line case. In particular, the relative differences are remarkable for optically thin clouds.

The sensitivity experiments demonstrated several pathways of feedback mechanisms in the cloud formation process in the tropical squall line case. Rapid condensation by supply of CCN invigorates the cloud convective system due to latent heat release as well as increase of freezing liquid droplets by increase of CCN as also suggested by past researchers. It was also found that application of the saturation adjustment scheme overestimates the condensation growth of hydrometeors. Consequently, secondary cloud growth via ice phase process causes a noticable decrease in the cloud fraction, and also in CRF. Reduction of the cloud fraction of anvil cirrus was then explained by significant scavenging of ice water content (IWC) and liquid water content (LWC) by rain and graupel. The growth rate of liquid droplets and their terminal velocity can control the balance between scavenging rate and the degree of invigoration because the invigoration of convection via ice phase process depends on the total amount of liquid droplets lifted up to the freezing level. This delicate balance between scavenging rate and the intensity of invigoration was also found to be significantly dependent on the treatment of terminal velocity of hydrometeors. We confirmed this point by the fact that an introduction of the diagnosis method of the third moment of the droplet size distribution of rain droplets changed the balance through modification of the terminal velocity of rain. By the combination of several mechanisms as explained above, it was also suggested that the one-moment cloud microphysics scheme adopted in the original NICAM produces too much intensive surface precipitation and hence underestimates the area of anvil cirrus and their CRF.

Introduction of the non-spherical scattering model resulted in a significant improvement of the vertical radiation fluxes profiles compared with an observation by the radiometer sonde. The impact of improvement on outgoing longwave radiation flux at TOA was about 10 Wm-2, and outgoing shortwave radiation flux at TOA was about 20 Wm-2 during daytime over the Baiu front. We need a future validation study of the number concentration of ice particles to evaluate the accuracy of the simulated cloud radiative forcing quantitatively.

It was found that radar echo signals around the freezing level were well represented by NDW6. This result suggested that the various growth processes of rain droplets in the convective core, such as warm phase collection, riming between rain and graupel, and graupel formation by freezing were adequately simulated in NDW6. On the other hand, it was found that the simulated vertical profiles of the radar echo signals of deep convective clouds are affected by the shape of ice crystals assumed in the model. In global simulations, the shape of ice crystals must be suitably assumed depending on the geographical location and thermodynamical conditions. Thus, we need to carry out future studies of the global distribution of dominant ice crystal shapes and number concentrations.

As a summary of the present study, the new two-moment bulk cloud microphysics scheme, NDW6, is found to be accurate enough to provide realistic numerical simulations that help understanding the various feedback mechanisms to affect the formation process of cloud systems and their radiative properties.

本研究の目的は、地球大気を構成する雲の気候影響を正確に評価することができる雲モデルの開発である。雲は水蒸気が凝結して生成され、降雨を引き起こす。また、太陽放射を反射するとともに、上層雲は地球表層から射出される熱赤外放射を遮蔽することによって著しい温室効果を引き起こす。このように、雲は地球気候系の水循環過程と放射過程において重要な役割を果たしており、地球温暖化現象の解明などの地球気候の変動過程を解明するためには、そのモデル化が非常に重要である。しかし、現在、気候研究で主に使用されている数値気候モデルは、格子サイズが百キロメートル級の静力学近似を用いた大気大循環モデルが基本になっており、その粗いモデル格子系では雲は十分に再現できない。そのために、様々な近似を行うパラメタリゼーションが使用されており、気候モデリングにおける大きな不確定要因になっている。例えば、二酸化炭素の倍増実験において、全球平均地表面気温上昇は世界のモデルによって3倍近くばらついている。このような問題を改善するためには、格子サイズが数キロメートル級の非静力学全球大気モデルの開発が必要である。また、このような高分解能モデルで再現された個々の雲の力学特性が、その放射特性と整合的になるように雲微物理過程をモデル化しなければならない。そのような研究は世界的にも始まったばかりである。

このような背景のもとに本研究では、すでに海洋研究開発機構と大気海洋研究所で開発された非静力正 20 面体全球大気モデル NICAMに組み込む事のできる、ダブルモーメントバルク型雲微物理モデルの開発を目指した。

第1章と第2章では、研究の背景と開発したモデルについて記述している。ここでは、粒子数濃度と体積濃度を予報変数とするダブルモーメント法を利用したバルク型雲微物理モデルをNICAMモデルに組み込む形で定式化した。特に、雲粒子と氷晶粒子の想定される様々な粒径分布から得られる2つのモーメント(数濃度と体積濃度)によって、雲粒子の動力学と放射特性に関する諸物理量が整合的に決定されるようにモデル化した点が重要な成果である。研究では、強い降雨が卓越する場合には、3次のモーメントも診断的に利用する必要があることを示している。

第3章では、モデルによって生成される雲粒子と氷晶粒子の成長が雲核濃度によってどのように影響されるかについて詳細な数値実験をおこなっている。本研究では、雲核の増加が、雲粒子の増加のみではなく、その凍結による氷晶粒子の生成などにも寄与しており、最終的に雲を含む対流システムの活性化に寄与することが示された。これは、大気汚染によって生成される大気エアロゾルが雲核になって下層雲の寿命を増加させるエアロゾルの間接気候影響を引き起こすだけではなく、深い対流雲にも影響を与えることを示唆している。また、これまでの多くのモデルが利用してきた、飽和と同時に雲核から雲粒子が生成される飽和調整の仮定が必ずしも正確ではなく、過飽和状態においてゆっくりと起こる粒子成長過程も雲と降水の形成にとって重要であることを示し、そのモデル化を行った。

第4章と第5章では、実際の地上観測、船舶観測、衛星観測による雲特性を開発したモデルによって再現し、詳細な比較を行っている。その結果、1995年6月の梅雨前線に伴う雲について、雲粒子ビデオゾンデと放射ゾンデが観測した氷晶粒子濃度と放射エネルギーフラックスの鉛直分布を良く再現することができた。特に、今回取り入れた非球形の氷晶粒子による散乱・吸収の効果の重要性が示された。2006年10月から12月に行われたインド洋におけるMISMO実験で得られた様々なデータとの比較も行った。モデル結果は、放射輝度温度、雲の光学的厚さ、外向き短波および長波放射エネルギーフラックスについて、その水平分布の特徴をほぼ再現することができることを示した。数値計算によって得られた雲が観測よりも光学的に厚く、特に巻雲が多くなりすぎる傾向が見られたが、このような再現には、数値計算に必要な気候場の初期値の不確実性の影響が大きいことを示した。第6章では、全体の結論を述べている。

以上の研究により、開発したモデルが雲場、特にその放射場について、観測結果をよく再現できるものであることを示した。本研究によって得られたこのような知見は、雲のモデリングと地球気候の研究にとって重要な貢献である。また、開発されたモデルは十分に実用的であり、今後、様々な利用研究へ応用される可能性を持っている。以上の貢献は博士論文に値すると考えられ、論文提出者に博士(理学)の学位を授与できると認める。