本レビュー論文は、気象学の幅広い分野の読者を対象に、海上の下層雲の基本的な知識と、全球気候モデルで使用されるそのパラメタリゼーションの概念について説明することを目的としている。論文の前半では、海上の下層雲の基本的な知識と、気候モデルにおけるその重要性についてわかりやすく説明する。ここでは、海上の下層雲の全球分布、関連する重要な物理プロセス、観測的研究とモデル研究の代表的な例、気候シミュレーションにおける下層雲変化の重要性などが説明される。論文の後半では、全球気候モデルで雲量と雲水量を決定するための雲のパラメタリゼーションの概念（雲マクロ物理 “cloud macrophysics” と呼ばれることもある）を紹介する。そうしたパラメタリゼーションにおいて鍵となる要素は、大きさが数十～数百kmの大きさのモデル格子内の水蒸気と雲水量の非一様性をどう仮定、または決定するか、ということである。そうしたモデルにおける雲の表現に関して今後20年程度の間に取り組むべき課題についても議論する。

Dual-frequency Ku/Ka-band radar retrievals of snow parameters such as liquid-equivalent snowfall rate (R) and mass-weighted diameter (D_m) have two principal errors, namely, the differences between the assumed particle size distribution (PSD) model from the actual PSD and inadequacies in characterizing the single-scattering properties of snowflakes. Regarding the first issue, this study, based on radar simulations from a large amount of observed PSD data, shows that there exist relatively high correlations between the estimated snow parameters and their true values derived directly from the measured PSD. For PSD data with R greater than 0.1 mm h⁻¹, a gamma PSD model with a fixed shape factor (µ) equal to 0 (or exponential distribution) provides the best estimates of R and D_m. This is despite negative biases of up to −15 % in R and underestimates and overestimates in D_m for small and large D_m, respectively. The µ = 0 assumption, however, produces relatively poor estimates of normalized intercepts of a gamma PSD (N_w), whereas the best estimates are obtained when µ is considered either 3 or 6. However, the use of an inappropriate scattering table increases the errors in snow retrieval. Simple evaluations are made for cases where the scattering databases used for the algorithm input differ from that used for retrieval. The mismatched scattering databases alone could cause at least 30–50 % changes in the estimates of snow water content (SWC) and R and could affect the retrievals of D_m and N_w and their dependence on µ.

　極端降水の振る舞いを説明する上でのクラウジウス-クラペイロン（CC）スケーリングの有用性について、現在気候および疑似地球温暖化（PGW）条件で調べた。日本で発生した最近の2つの極端降水イベント、すなわち2017年７月５～６日の九州北部での豪雨および2018年7月５～８日の四国での豪雨を対象として、格子解像度１ kmでの領域気象シミュレーションにより解析した。数値シミュレーションにはWeather Research and Forecasting（WRF）モデルを用い、モデルデータは1時間間隔で格子点毎の値として出力し、解析に用いた。極端に強い降水の発生頻度とその強度は、時間雨量強度で評価すると、２つのイベントともに、PGW条件下で増大する。極端に強い降水（> 50 mm h^-1）は、現在気候条件では気温22℃に上がるまでCCスケーリングにしたがい、PGW条件では24℃の気温に上がるまでCCスケーリングにしたがう。降水と気温の関係において、極端降水のピーク強度は、現在気候条件では25℃で約140 mm h^-1であり、一方、PGW条件では 27℃で約160 mm h^-1となる。極端降水の気温に対する増加率は、現在気候条件では約3％ ℃-1であり、PGW条件では約3.5％ ℃^-1であることが分かった。将来の温暖化気候におけるピーク降水強度の増加と気温に対する降水量の増加率は、気温減率の減少にもかかわらず、大気中の水蒸気および不安定エネルギーが増加することに起因する。著者の知る限りでは、本研究の結果は、事例解析ではあるものの、極端降水に対するCCスケーリングについて定量的に調べた最初の取り組みであると言える。

　数値気象予測モデルの要素が豪雨のシミュレーションに与える影響を調べるため、広い領域を対象とした超高解像度実験を2014年8月の広島の豪雨事例で行った。本研究はPart 1 の2013年10月伊豆大島での研究に続くものであり同様の実験を行った。これらの研究から豪雨のシミュレーションにおいて広い領域で高解像度モデル（解像度500m以下）を用いる有用性を示した。

　広島の事例では降水帯の位置や強度はモデルの解像度に影響を受けることがわかった。解像度２kmの実験では降水帯は再現されたがその位置は北東にずれていた。解像度500mと250mの実験ではこの降水帯の位置ずれは軽減された。最も降水帯の位置と強度をよく再現したのは解像度250mの実験であった。降水帯に対する境界層スキームの影響は小さく、この点は伊豆大島の事例と異なっていた。

　本研究では対流コア数のモデル解像度依存性についても調査した。モデルの解像度に対する対流コア数の変化率は解像度500ｍで小さくなる事がわかった。この結果は、対流コア数は解像度500mより高解像度になると収束する可能性を示す。

　アジアジェットに沿った準定常ロスビー波束の伝播に伴う、日本の東海上におけるロスビー波の砕波及び太平洋・日本（Pacific-Japan：PJ）パターンの持続メカニズムを明らかにするため、長期再解析データを用いて、日本の東海上で発生した計44の砕波事例を対象として解析を行った。砕波及びPJパターンの持続日数に基づき分類した、持続事例及び非持続事例（それぞれ７事例ずつ）の合成図を比較した結果、持続事例におけるアジアジェット沿いの波束伝播は、より強くかつ持続することがわかった。また、持続事例における、より強い砕波は、北西太平洋亜熱帯域への高渦位大気の強い侵入を通して、より強いPJパターンの発現をもたらす傾向が示された。さらに、持続事例における日本の東海上の高気圧偏差は鉛直方向に北傾する構造を維持し、対流圏下・中層では、PJパターンに対応して強く張り出す太平洋高気圧の周縁に沿って、暖気移流偏差の強化がみられた。Qベクトルを用いた診断や偏相関解析より、対流圏中層における強い暖気移流は、日本～その東海上における断熱過程に伴う力学的上昇流の誘起と密接に関連することが示された。一方、北西太平洋亜熱帯域より太平洋高気圧の周縁に沿って流入する水蒸気は、日本～その東海上における水蒸気フラックスの収束偏差を強化し、非断熱過程に伴う上昇流偏差をもたらすことがわかった。相関解析より、これらの断熱及び非断熱過程と上昇流偏差との関連性は、ほぼ同程度と見積もられた。持続事例における強い上昇流偏差は、対流圏上層における渦管収縮に伴う負の渦度変化傾向を通して、砕波及びそれに関連したPJパターンの強化及び持続に寄与するとみられる。

　本研究では、西日本で広範囲に発生した大雨イベントを引き起こす大規模な大気循環場の要因を明らかにすることを目的として、気象庁55年長期再解析を使用して西日本での過去の大雨イベント期間における大気循環場の合成図解析を行った。大雨期間における大気循環場は、朝鮮半島の対流圏上層におけるトラフ、日本の東の対流圏上層におけるリッジ、日本の南東の地上高気圧、および日本に向かって南西から流入する水蒸気フラックスによって特徴付けられる。また、シベリア上の寒帯前線ジェットに沿った準定常ロスビー波束伝播（RWPP）による明瞭な波列が、極端なイベントに先行してみられた。大気変動の時間スケールを分離した解析により、日本の南東の地上高気圧偏差は25～90日周期の変動成分が支配的であるのに対し、東シナ海（ECS）の地上低気圧偏差は８～25日周期の変動成分が支配的であることが分かった。

　次に2018年７月上旬に発生した極端な大雨イベント（HR18）の大気循環場を調査した。HR18発生時の大気循環場の特徴は、合成図解析より得られた過去の他の大雨イベントの特徴とおおむね類似している。しかし、2018年６月下旬に亜熱帯ジェット（STJ）に沿って顕著なRWPPが発生し、日本の南東で地上高気圧が強化されたことは、合成図解析の特徴と異なる。また、STJに沿った顕著なRWPPによって引き起こされた砕波に関連して、日本の南で８～25日周期の低気圧性循環が発達し、ECSに向かって北西に伝播した後、日本に伝播した。このような高気圧および低気圧の発達が同時にみられたことが、西日本への南からの極端な水蒸気フラックスに寄与したと考えられる。さらにHR18では、朝鮮半島の対流圏上層におけるシャープな構造をしたトラフによっても特徴付けられ、このトラフは８日未満の周期の高周波変動成分が支配的だった。

As suggested by previous studies, the entrainment of the low-level high-entropy eye air can provide additional energy for tropical cyclone (TC) intensification, but the previous trajectory analysis only indicated that considerable air parcels below the eye inversion could be entrained into the eyewall. In the present study, the 1 min output data from a semi-idealized experiment are utilized to quantitatively evaluate the relative importance of the entrainment of the high-entropy eye air by enhancing the eyewall convection.

It is confirmed that a significant amount of high-entropy eye air below the eye inversion can be entrained into the eyewall. The entrainment occurs favorably on the quadrants of enhanced eyewall convection and is enhanced in the presence of small-scale disturbances in the inner edge of the eyewall. However, the eyewall air parcels below 3 km experience a fast cycling. There are 84.4 % and 7.7 % eyewall air from the low-level inflow and the middle-level dry environment, respectively. The low-level high-entropy eye air only accounts for 1.7 % of the eyewall air, whereas 6.2 % eyewall air remains in the eyewall below 3 km during the 90 min period. The eye air from the low-level high-entropy reservoir accounts for 5.8 % of the equivalent potential temperature change below 3 km and 4.5 % of the total mass transport at 3 km in the TC eyewall. The present study suggests that the low-level high-entropy air from the eye has little direct influence on TC intensity through enhancing the eyewall convection by providing relatively small mass and thermodynamic contributions.

　赤道中東部太平洋の海面水温偏差が負となるラニーニャ現象はしばしば２年以上持続することが知られており、多年ラニーニャ現象と呼ばれる。経験的に、ラニーニャ発生時に日本では暑夏寒冬になりやすいことが知られているが、多年ラニーニャ現象の気候影響はよく理解されていない。本研究では、多年ラニーニャ現象が日本の気温に与える影響を観測データ、大気再解析データ、全球大気モデルによる大規模アンサンブル実験データを用いた合成図解析および、線形大気モデル実験によるメカニズムの調査を行った。

　解析の結果、多年ラニーニャ現象が最盛期を迎える年の夏において、日本では１年目と２年目どちらも暑夏傾向を示すが、そのメカニズムは異なっており、暑夏傾向には大きな時間・領域依存性があることが明らかとなった。１年目のラニーニャ現象の夏では晩夏（８月から10月）に南西日本が、２年目には盛夏（６月から８月）に北東日本が高温傾向を示した。これらはそれぞれ、大気下層循環場の変化による熱帯からの暖気移流、高圧偏差が北東日本を覆うことによる断熱圧縮で説明される。両者とも、ラニーニャ現象に伴う赤道中東部太平洋の負の海面水温偏差と降水偏差により直接的に強制されるものであったが、１年目と２年目の差異や季節依存性を理解するには、前年に発生したエルニーニョ現象の影響などを考慮する必要がある。20世紀後半から現在にかけて観測されたラニーニャ現象の多くは多年現象の一部であることから、上記の成果は日本の季節予測可能性の向上に貢献することが期待できる。

　日本海北部では寒気内のメソスケール低気圧（PMC）が頻繁に発生する。本研究では、この地域のPMCの発生に及ぼす地形の影響を36冬期にわたる長期間の数値シミュレーションを用いて調査した。感度実験の結果、ユーラシア大陸東端の山岳地帯を除去すると、日本海北部の一部でPMCの発生が減少することが分かった。例えば、北海道西岸沖では山岳地形が無くなるとPMCの発生が著しく減少するのに対し、間宮海峡におけるPMCの発生は変化しなかった。合成解析によると、この結果は山岳地形の除去に対する海上風の地域的な応答の違いに起因していると考えられる。山岳を除去した実験では、大陸からの寒気吹き出しが日本海に直接流入し、北海道西岸沖に強い西風をもたらす。その結果、PMCはより早く、成熟前に上陸する傾向が見られた。また、一様な西風は風の水平シアを弱めるとともに、南北の温度勾配を弱めるため、PMCの発生に負の影響を及ぼす。一方、間宮海峡ではPMC発生前の下層の風は山岳の影響を受けておらず、この領域のPMCの発生に対して地形効果は必要ないと考えられる。これらの結果は、地形強制に対するPMCの応答が地域的に多様であることを示している。

A series of 40-day non-hydrostatic global simulations was run with the NASA Goddard Earth Observing System (GEOS) model with horizontal grid spacing ranging from 50 km to 3.5 km. Here we evaluate the diurnal cycle of precipitation and organized convection as a function of resolution. For validation we use the TRMM 3B42 and IMERG precipitation products and 4 km merged infrared brightness temperature, focusing on three regions: the contiguous United States (CONUS), the Maritime Continent, and Amazonia. We find that higher resolution has mixed impacts on the diurnal phase. Regions dominated by non-local propagating convection show the greatest improvement, with better representation of organized convective systems. Precipitation in regions dominated by local thermodynamic forcing tends to peak too early at high resolution. Diurnal amplitudes in all regions develop unrealistic small-scale variability at high resolution, while amplitudes tend to be underestimated at low resolution. The GEOS model uses the Grell-Freitas scale-aware convection scheme, which smoothly reduces parameterized deep convection with increasing resolution. We find that some parameterized convection is beneficial for the diurnal amplitude and phase even with a 3.5 km model grid, but only when throttled with the scale-aware approach. An additional 3.5 km experiment employing the GFDL microphysics scheme and higher vertical resolution shows further improvement in propagating convection, but an earlier rainfall peak in locally forced regions.

　本研究では、地球温暖化対策に資するアンサンブル気候予測データベース（d4PDF）による大規模アンサンブル実験を使用し、北東日本で夏季（６月－８月）に発生する極端低温日（ECD）の将来変化を自己組織化マップ（SOMs）分類で検証した。将来のECDに対する将来気候変化の影響を調べるために二つのSOMs、すなわち、気候モデルの再現性の検証においてはJRA-55とd4PDFの海面気圧で学習させたSOMs、気候変動の影響評価においてはd4PDF過去、2K昇温、4K昇温実験の海面気圧で学習させた“master”SOMを作成した。再現性検証に用いたSOMsからは、JRA-55とd4PDFとの間で夏季の気候的な循環場及びECDが同様の頻度で出現した。さらに、ECDが高頻度で発生したノードにおいて地上気温偏差と地上水平風を合成し比較したところ、全抽出日およびECD発生日の双方においてそれぞれ良く再現されており、特にECDの発生要因としては高緯度から北東日本に移流してくる強い南西風（ヤマセ）の出現が確認された。“master”SOMを用いた将来変化の検証では、ECDの発生に好都合な循環場の変化は2K昇温実験よりも4K昇温実験で顕著にみられた。ECD発生頻度の将来変化として、東日本周辺にみられる強い低気圧とやや強いオホーツク海高気圧が同時発生しているパターンでは増加傾向を、非常に強いオホーツク海高気圧または太平洋高気圧の西への張り出しが卓越するパターンでは減少傾向を示すことが示唆された。ECD強度の将来変化を明らかにするために、下層大気の温度移流についても調べた。循環場の違いによってECD強度が異なるものの、過去・将来実験共に、ECDの発生しやすい循環場においては非常に強い寒気移流が検出される。しかし、将来気候で見られる寒気移流は現在気候と比較して弱く、それに伴いECD強度も低下する。これは将来東日本周辺で弱化する温度勾配に起因する。

　地球温暖化はすでに世界中の気象・気候に影響を与えており、気候変動が熱帯低気圧に与える影響を理解するために様々な研究が行われている。熱帯低気圧の移動速度が遅くなるとその影響を受ける時間が長くなることから、熱帯低気圧の移動速度は特に重要な要素である。本研究では、観測データに基づいて、北西太平洋中緯度において、熱帯低気圧の移動速度が過去40年間で９月に著しく低下していることを明らかにした。過去の実際の温暖化がある気候条件と、温暖化がなかったと仮定した気候条件のそれぞれのシミュレーション結果に基づくと、太平洋十年規模振動と地球温暖化が移動速度の鈍化の主な原因であることがわかった。この二つの要因は、日本の西側で偏西風帯に高気圧性偏差を生じさせ、この高気圧性偏差が緯度方向のジオポテンシャル高度の勾配を緩め、熱帯低気圧を移動させる環境風を弱めている。さらに、将来の温暖化を想定したシミュレーションでは、地球温暖化により熱帯低気圧を移動させる環境風が一層弱くなり、秋の熱帯低気圧の移動速度が遅くなることが示された。

In this study, the Advanced Weather Research and Forecasting (WRF-ARW) model is used to investigate possible influences of a predominantly upper-level easterly wave (EW) on Typhoon Megi's (2010) sharp northward turn on 20 October, 2010 after passing over the Philippines. Observational analysis indicates that an upper-level EW with a cold-cored structure was located to the east of Megi. This EW moved westward along with Megi and modified the large-scale environmental flow around the typhoon, thus affecting its movement. In a control experiment, the sharp northward turn that was observed was captured well by a simulation. The retreat of the subtropical high contributed directly to the poleward steering flow for Megi. Sensitivity experiments were conducted by filtering out the synoptic-scale (3–8-day) signals associated with EWs. In the absence of the upper-level EW, the simulation showed that Megi would not have made a sharp northward turn. Two mechanisms are proposed regarding the impact of the easterly wave on Megi. First, an upper-level EW may have impacted the environmental flows, allowing Megi to move at a slower westward speed so that it entered the eastern semicircle of the nearby monsoon gyre where an enhanced southerly steering flow then led to the typhoon making a sharp northward turn. Second, the diabatic heating and associated cyclonic vorticity induced by the middle-level (around 400 hPa) convergence may have eroded the western flank of the subtropical high in the western North Pacific, causing an eastward retreat of the high-pressure system. The present modeling approach provides a reasonable assessment of the contribution of upper-level wave disturbances to sudden changes in tropical cyclones.

It is speculated that floods in many areas of the world have become more severe with global warming. This study describes the 2017 spring floods in Kazakhstan, which, with about six people dead or missing, prompted the government to call for more than 7,000 people to leave their homes. Then, based on the Climatic Research Unit (CRU), the NCEP/NCAR Reanalysis 1, and the Coupled Model Intercomparison Project 5 (CMIP5) simulations, the seasonal trends of temperature were calculated using the linear least-squares regression and the Mann–Kendall trend test. The correlation between the surface air temperature and atmospheric circulation was explored, and the attributable risk of the 2017 spring floods was evaluated using the conventional fraction of the attributable risk (FAR) method. The results indicate that the north plains of Kazakhstan had a higher (March–April) mean temperature anomaly compared to the south plains, up to 3°C, relative to the 1901–2017 average temperature. This was the primary cause of flooding in Kazakhstan. March and April were the months with a higher increasing trend in temperature from 1901 to 2017 compared with other months. In addition, a positive anomaly of the geopotential height and air temperature for the March–April 2017 period (based on the reference period 1961–1990) was the reason for a warmer abnormal temperature in the northwest region of Kazakhstan. Finally, the FAR value was approximately equal to 1, which supported the claim of a strong anthropogenic influence on the risk of the 2017 March–April floods in Kazakhstan. The results presented provide essential information for a comprehensive understanding of the 2017 spring floods in Kazakhstan and will help government officials identify flooding situations and mitigate damage in future.

In July and August (JA) 2018, the monsoon trough in the western North Pacific (WNP) was unusually strong, the anticyclonic ridge was anomalously northward-shifted, and enhanced and northward-shifted tropical cyclone activity was observed. Studies have examined the effects of sea surface temperature (SST) anomalies on the North Atlantic (NA), the Indian Ocean (IO), and the tropical North Pacific. However, a synthetic view of SST forcings has yet to be identified. Based on a series of numerical experiments, this study demonstrated that the SST anomaly in the tropical WNP was the key forcing that formed the structure of the observed anomalous phenomena in the monsoon trough. Moreover, the combined effect of the SST anomaly in both the tropical and extratropical WNP resulted in enhanced circulation anomalies in the WNP. The NA SST anomaly also enhanced the monsoon trough in the presence of WNP SST anomaly. By contrast, the individual SST anomaly in the NA, IO, the extratropical WNP, and the subtropical eastern North Pacific could not force the enhanced monsoon trough. We proposed that the local effect of both the tropical and extratropical WNP SST anomaly as the major driver and the remote effect of NA SST anomaly as a minor contributor jointly induced the anomalous circulation and climate extremes in the WNP during JA 2018.