気象集誌. 第2輯
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Invited Review Articles
  • 加藤 輝之
    2020 年 98 巻 3 号 p. 485-509
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/03/24
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     日本では3時間積算降水量200mmを超える集中豪雨がしばしば観測され、過酷な地滑りや洪水をもたらす。そのような事例は主に、日本語で「線状降水帯」と名付けられた準停滞線状降水システムによってもたらされる。線状降水帯は次々と発生する発達した対流セルが列をなした、組織化した積乱雲群によって、数時間にわたってほぼ同じ場所を通過または停滞することで作り出される、線状に伸びる長さ50~300km程度、幅20~50km程度の強い降水をともなう雨域として定義される。線状降水帯の形成過程としては主に、暖湿流がほぼ停滞している局地前線に流入することで、対流セルが前線上で同時に発生する破線型と、下層風の風上側に新しい対流セルが繰り返し発生し、既存のセルと線状に組織化するバックビルディング型の2つに分類される。
     本研究では、線状の降水システムについての過去研究のレビューに加えて、線状降水帯の数値モデルによる再現性および線状降水帯の発生しやすい条件について調査した。2014年8月20日の広島豪雨の事例の再現では、対流セルの形成・発達過程をおおよそ再現できる少なくとも水平解像度2kmが必要であったが、その内部構造を正確に再現するには水平解像度250~500mが必要であった。2㎞のモデルは10時間前の初期値を用いることで広島の事例を量的に再現したが、予想された最大積算降水量は初期時刻が線状降水帯の発生時刻に近づくにつれてかなり減少した。この減少は過度の下層乾燥空気の流入が新たな積乱雲群が発生する領域を移動させたためであった。
     線状降水帯を診断的に予測するために、線状降水帯の発生しやすい条件を過去の集中豪雨事例における大気環境場から統計的に構築した。500m高度データをベースに判断する下層水蒸気場を代表して、(1)大量の水蒸気フラックス量(>150g m-2 s-1)と(2)自由対流高度までの距離が短いこと(<1000 m)の2つの条件を選択した。ほかの4つとして、(3)中層(500hPa と 700hPa)の相対湿度が高い(>60%)、(4)ストームに相対的なヘリシティで判断する大きな鉛直シア(>100m2 s-2)、(5)総観スケール(700hPa で空間 400km平均)の上昇流場で判断する上昇流域と(6)700~850hPaに度々みられる暖気移流を除外するための平衡高度が3000m以上の条件を選択した。
Articles : Special Edition on Global Precipitation Measurement (GPM): 5th Anniversary
  • Yingzhao MA, V. CHANDRASEKAR, Sounak K. BISWAS
    2020 年 98 巻 3 号 p. 511-525
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/02/12
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    The accurate estimation of precipitation is an important objective for the Dual-frequency Precipitation Radar (DPR), which is located on board the Global Precipitation Measurement (GPM) satellite core observatory. In this study, a Bayesian correction (BC) approach is proposed to improve the DPR's instantaneous rainfall rate product. Ground dual-polarization radar (GR) observations are used as references, and a log-transformed Gaussian distribution is assumed as the instantaneous rainfall process. Additionally, a generalized regression model is adopted in the BC algorithm. Rainfall intensities such as light, moderate, and heavy rain and their variable influences on the model's performance are considered. The BC approach quantifies the predictive uncertainties associated with the Bayesian-corrected DPR (DPR_BC) rainfall rate estimates. To demonstrate the concepts developed in this study, data from the GPM overpasses of the Weather Service Surveillance Radar (WSR-88D), KHGX, in Houston, Texas, between April 2014 and June 2018 are used. Observation errors in the DPR instantaneous rainfall rate estimates are analyzed as a function of rainfall intensity. Moreover, the best-performing BC model is implemented in three GPM-overpass cases with heavy rainfall records across the southeastern United States. The results show that the DPR_BC rainfall rate estimates have superior skill scores and are in better agreement with the GR references than with the DPR estimates. This study demonstrates the potential of the proposed BC algorithm for enhancing the instantaneous rainfall rate product from spaceborne radar equipment.

Articles
  • Ye CUI, Zheng RUAN, Ming WEI, Feng LI, Runsheng GE
    2020 年 98 巻 3 号 p. 527-550
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/02/24
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    Data from the continuous observations of four shallow snow events (echo top < 8 km) and two deep events (> 10 km) were obtained using the C-band vertically pointing radar with frequency-modulation continuous-wave technology with extremely high resolution during the winter of 2015–2016 in middle latitudes of China. Snow-generating cells (GCs) were found near the cloud top in each event. Reflectivity (Z), radial velocity (Vr), and the vertical gradients of Z (dZ/dh, where h is the vertical distance) and Vr (dVr/dh) showed different vertical distribution characteristics between the upper GC and lower stratiform regions (St regions). Fall streaks (FSs) associated with GCs were embedded in the St regions. In the deep events, the proportions of GC regions were slightly larger, but the average contributions to the growth of Z (33 %) were lower than those in the shallow events (42 %). The average d Z /dh values were usually two to three times larger inside GCs and FSs compared to outside. Bimodal Doppler spectra were used to establish the relationships between Z and the reflectivity-weighted particle fall speed (Vz) for the two regions. The vertical air velocity (Wa) and Vz were then retrieved, and the results showed that both the updraft and the downdraft were alternately observed in GC regions. GC locations were usually accompanied by strong upward air motion, with average speeds mostly distributed around 1.2 m s−1, whereas downward air motion often appeared between GCs. In the St regions, the speeds of Wa were mainly within 0.5 m s−1. The upper areas of the St regions consisted primarily of weak upward motion, whereas weak downward motion dominated the lower areas. There was no apparent difference in Wa inside and outside the FSs. The average Vz was slightly larger inside GCs and FSs compared to outside, with a difference of 0.1–0.3 m s−1 and 0.2–0.4 m s−1, respectively.

Articles : Special Edition on DYAMOND: The DYnamics of the Atmospheric general circulation Modeled On Non-hydrostatic Domains
  • Peter D. DUEBEN, Nils WEDI, Sami SAARINEN, Christian ZEMAN
    2020 年 98 巻 3 号 p. 551-572
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/03/17
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    Global simulations with 1.45 km grid spacing are presented that were performed using the Integrated Forecasting System (IFS) of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF). Simulations are uncoupled (without ocean, sea ice, or wave model), using 62 or 137 vertical levels and the full complexity of weather forecast simulations is presented, including recent date initial conditions, real-world topography, and state-of-the-art physical parametrizations, as well as diabatic forcing including shallow convection, turbulent diffusion, radiation and five categories for the water substance (vapor, liquid, ice, rain, and snow). Simulations are evaluated with regard to computational efficiency and model fidelity. Scaling results are presented, which were performed on the fastest supercomputer in Europe, Piz Daint (Top 500, November 2018). Important choices for the model configuration at this unprecedented resolution for the IFS are discussed such as the use of hydrostatic and non-hydrostatic equations or the time resolution of physical phenomena which is defined by the length of the time step.

    Our simulations indicate that the IFS model—based on spectral transforms with a semi-implicit, semi-Lagrangian time stepping scheme in contrast to more local discretization techniques—can provide a meaningful baseline reference for O(1) km global simulations.

Articles : Special Edition on Global Precipitation Measurement (GPM): 5th Anniversary
  • Basivi RADHAKRISHNA, Kadiri SAIKRANTHI, Thota Narayana RAO
    2020 年 98 巻 3 号 p. 573-584
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/03/26
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    Variations in raindrop size distribution (DSD) during the southwest monsoon (SWM) season over different climatic regions in the Indian subcontinent and adjoining seas are studied in this paper using five years (2014–2018) of global precipitation measurement dual-frequency precipitation radar derived DSDs. The rain rate (R) stratified DSD measurements show clearly that land, sea, and orography differ in their mass-weighted mean diameter (Dm) values. Irrespective of R, Dm values of deep rain were found to be larger in continental rain than in maritime and orographic rain. However, for shallow storms, the Dm values were smaller for continental rain than for orographic and maritime rain. Based on the Dm values and their variations with R of the deep systems, the regions could be categorized into four groups, within which the Dm values were nearly equal: (1) the northwest India (NWI) and the southeast peninsular India (SEPI); (2) the foothills of the Himalayas (FHH) and the central India (CI); (3) the northeast India (NEI) and the Bay of Bengal (BOB); and (4) the Arabian Sea (AS), the Western Ghats (WG), and the Myanmar coast (MC). Compared to other geographical regions of the Indian subcontinent, the Dm values of the deep systems were the largest over NWI and SEPI and the smallest over the WG, MC, and AS; while for shallow systems, the Dm values were the largest over the BOB and AS and the smallest over the SEPI and NWI regions. Though the cloud drops were smaller over the continental regions, the raindrops were larger than in the maritime and orographic rain regions. The microphysical and dynamical processes that occur during precipitation play a vital role in altering the DSDs of continental rain.

Articles : Special Edition on Years of the Maritime Continent (YMC)
  • 耿 驃, 勝俣 昌己
    2020 年 98 巻 3 号 p. 585-613
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/03/17
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     偏波間位相差(ΦDP)と偏波間位相差変化率(KDP)から降雨パラメータを推定する際に問題となりうる信号を検出するアルゴリズムを開発した。まずΦDPに含まれるレンジゲート単位の変動を除去した後、雨滴の水平偏波のレーダー反射強度(ZH)とKDPとの経験的関係に基づくフィルタリングを施した。アルゴリズムの検証を、海大陸研究強化年(YMC)パイロット集中観測期間中(2015年11月23日~12月17日)に研究船「みらい」に設置されたCバンド二重偏波レーダーによって観測されたスマトラ沖の降雨データを用いて行った。二次エコーとビーム内不均一性の影響で、観測データにはΦDPに十数キロメートル単位の摂動が存在し、それによって正および負のKDPのバイアスが生じる。これらのΦDPKDPのノイズを、この新しいアルゴリズムは効率的に検出・除去することに成功した。また、ZHの値が比較的低い場合のKDPの標準偏差も大幅に低減された。結果、KDPからの雨量推定精度が改善された。これらの結果は、開発したアルゴリズムが、外洋のみならず海陸混合域においてもデータの品質を効率的に管理できることを示した。
Articles
  • 柴田 清孝, Ralph LEHMANN
    2020 年 98 巻 3 号 p. 615-636
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/25
    [早期公開] 公開日: 2020/04/02
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     気象研究所の化学気候モデルで計算されたオゾン準二年振動(QBO)におけるオゾン消滅の反応経路とその変化率をパスウェイ解析プログラム(PAP)を用いて解析した。解析対象とした化学システムはNOx、HOx、ClOx、Ox、BrOxなどの重要な触媒サイクルであり、これらがオゾン消滅率に与える寄与を定量評価した。高度10 hPaと20 hPaにおけるすべての触媒サイクルによるQBO振幅はオゾンの年平均全消滅率の,それぞれ4% と14%に相当していた。オゾンQBOにおけるオゾン消滅率に対するそれぞれの触媒サイクルの寄与は以下の通りであった:NOxサイクルは全消滅率のQBO振幅の最大の割合(50-85%)、HOxサイクルは高度30 hPa以下で二番目の割合(20-30%)、20 hPa以上で三番目の割合(約10%)、Oxサイクルは高度30 hPa以上で三番目の割合(5-20%)、20 hPa以上で二番目の割合(約10%)、ClOxサイクルは四番目の割合(5-10%)、BrOxサイクルは殆ど無視できる程であった。NOxとOxサイクルがQBO振幅に関連したオゾン消滅率に与える寄与は、各サイクルの年平均のオゾン消滅率への寄与に比べて、それぞれ10%、20%の違いがあった。高度20hPaにおけるオゾンQBOは主に輸送過程によって駆動されており、これが化学的なオゾン消滅率にも影響を与えていた。一方、高度10 hPaでのオゾンQBOはNOxよる化学反応、および[O]/[O3]比の温度依存性(化学反応O + O2 + M → O3 + Mの温度依存性の結果)の両方で駆動されていた。さらに、高度10 hPaのオゾンQBOはその上空のオゾン総量(オゾン光解離を通した[O]/[O3]比と酸素光解離を通したオゾン生成に関与)にも影響されていた。
  • Xi CAO, Renguang WU, Na WEI, Yifeng DAI
    2020 年 98 巻 3 号 p. 637-654
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/04/02
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     再解析データと数値実験により、北西太平洋(WNP)上の強いモンスーントラフパターンにおける熱帯低気圧の発生過程を調べた。コンポジット解析により、モンスーントラフが北西から南東の方向に伸びるとき、WNPの中央部(東経130~165度)においてより多くの熱帯低気圧が発生する可能性が高く、西部(東経120~130度)および東部(東経165~180度)で現れる熱帯低気圧は少ないことが示された。同程度の弱い人工的な渦をモンスーントラフ内の8つの異なる領域に挿入した数値実験により、モンスーントラフが東西に伸びているとき、東経140~160度の中央部(特に150~155度)において弱い熱帯擾乱が急速に発達する傾向があり、東経165~170度付近での発達は緩く、東経120~137.5度付近では発達しないことが示された。この数値実験の結果は、再解析データの解析結果と整合する。WNP西部における熱帯低気圧発生の抑制は、下層の海洋からの水分と熱(顕熱および潜熱を含む)の減少によるものである一方、WNP東部においては上層の大きな鉛直シアーと乾燥した大気状態が熱帯擾乱の発達の度合いを減少させる。
Notes and Correspondence
  • 直井 萌香, 釜江 陽一, 植田 宏昭, Wei MEI
    2020 年 98 巻 3 号 p. 655-668
    発行日: 2020年
    公開日: 2020/06/20
    [早期公開] 公開日: 2020/02/10
    ジャーナル オープンアクセス HTML
    電子付録
     中緯度の細い水蒸気輸送帯は大気の川と呼ばれ、東アジアにしばしば重大な社会・経済的影響をもたらす。夏季東アジアにおける大気の川の活動は、先行する冬季エルニーニョの発達に大きく左右される一方で、冬季から夏季にかけてのENSOの季節的な遷移が大気の川の活動にどの程度影響するのかは、明らかになっていない。本研究では、大気再解析と高解像度大気大循環モデルによるアンサンブル実験の結果を用いて、ENSOの季節的な遷移と夏季東アジアにおける大気の川の活動の関係を調査する。先行する冬季のエルニーニョから夏季のラニーニャへと早く遷移した年には、エルニーニョが持続または衰退した年に比べ、西部北太平洋の下層の高気圧偏差がより北へ拡大することにより、東アジア北部でより多くの大気の川が通過する。この高気圧の北への拡大は、海洋大陸と赤道太平洋上の凝結熱加熱偏差に対する大気の定常応答と整合する。再解析と大気大循環モデル実験とでは、中緯度の大気の川と循環の偏差が生じる位置が南北にずれており、これにはサンプル数が限られることとモデルバイアスが影響している可能性があり、東アジアにおける大気の川に関連した地域ごとの自然災害リスクの季節的な予測には課題が残されていることを示唆している。
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