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研究概要

数値気候モデルにおける雲・降水パラメタリゼーションの高度化

信頼性の高い気候予測を実現するためには、数値気候モデルが特に苦手としているエアロゾル・雲・降水過程の再現性向上が必要不可欠です。エアロゾルは雲・降水と複雑に相互作用するため数値モデルにおける最大の不確実要素として認識されており、その定量的な見積もりには未だに大きなモデル間のばらつきが存在します。

その原因の一つが、降水のモデリング手法が非常に簡素であることです。現状の多くの気候モデルは、計算コストの節約のため降水を診断的に取り扱うモデリング手法がほとんどですが(図1a)、この手法では降水粒子が地表面へと即座に落下することを意味するため、雲の“成長履歴”に応じた降水生成ができない問題点がありました。 より現実的な雲・降水・放射過程を再現するために、こうした従来の降水診断型スキームを見直し、降雨・降雪の時間発展を陽に表現する降水予報型スキーム“CHIMERRA(Cloud/Hydrometeors Interactive Module with Explicit Rain and Radiation; 図1b)”を開発しています(Michibata et al., 2019, 2020)。

こうした雲・降水モデリング手法の高度化を通して、地球規模の水循環やエネルギー収支をより高精度にシミュレート可能な、信頼性の高い気候変動予測を目指しています。

数値気候モデルに搭載されている(a)従来型の降水診断型スキームと(b)改良型の降水予報型スキームの構造の違いを表す模式図。
図1:数値気候モデルに搭載されている(a)従来型の降水診断型スキームと(b)改良型の降水予報型スキームの構造の違いを表す模式図。

衛星観測データおよびシミュレータを用いた降水素過程の理解

気候モデルの性能をより向上させるためには、衛星観測データをうまく活用した比較・検証を行うことが重要です。観測データを有効に活用し、エビデンスに裏付けされた気候モデル開発を加速させるため、数値モデルの性能を診断するツールの開発も推進しています。

エアロゾル・雲・降水を観測する衛星センサーには MODIS, ISCCP, MISR, CloudSat, CALIPSOなど様々なものがありますが、センサーごとに検出感度やアルゴリズムがことなるため、数値モデルと衛星データを整合的に比較するためには技術的な問題点が多く存在していました。 これら複数の人工衛星観測を、コンピュータが再現する仮想地球上で再現するソフトウェアが衛星シミュレータです。衛星シミュレータは、数値モデルと衛星観測の整合的な比較のために開発された、いわば“雲の共通言語”を提供する必要不可欠なツールとしての役割を担っています。

当研究グループは衛星シミュレータの開発・運営委員として国際貢献しており、数値モデルと衛星観測データを組み合わせた解析(図2)を軸とした研究を特色としています。

Aqua/MODIS衛星によって観測されたカリフォルニア沖の航跡雲をGoogle Earth上に重ねて描画。
図2:Aqua/MODIS衛星によって観測されたカリフォルニア沖の航跡雲をGoogle Earth上に重ねて描画。

大気・海洋・雪氷相互作用の理解深化

気候が変化した際の雲・降水の応答は過程が非常に複雑であり、未だ知られていない気候フィードバックも存在すると考えられています。地球温暖化のメカニズムを包括的に理解するためには、大気と海洋の相互作用を適切に考慮することに加え、温暖化のシグナルが特に顕著である極域の気候変動メカニズムの理解も必須です(図3)。

不確実性を大きく改善した最新の気候モデルを用いることで、雲・降水過程の再現性に課題を抱えていた従来の簡素化された数値気候モデルでは着手できなかった、大気圏・海洋圏・雪氷圏・人間圏にまたがる多圏間の気候フィードバックを紐解く研究を推進しています。また、世界中で開発されている様々な気候モデルのシミュレーション結果も用いたマルチモデル解析を行うことで、予測の不確実性の要因をメカニズムレベルで解き明かす研究を行っています。
創発的研究支援事業にて実施中(2021年4月〜2028年3月)

全球エネルギー収支における雲の役割の概念図。雲の再現性が、放射・水循環・大気循環を介して気温や降水量に重要な役割を持つ。
図3:全球エネルギー収支における雲の役割の概念図。雲の再現性が、放射・水循環・大気循環を介して気温や降水量に重要な役割を持つ。

教育活動

研究室メンバー

スタッフ

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道端 拓朗(准教授)

エアロゾル・雲・降水過程の数値モデリングと衛星解析を軸とした気候研究に取り組んでいます。
また、数値モデルと衛星をつなぐソフトウェア“衛星観測シミュレータ”の開発にも従事しています。

学生

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出口 歩海(修士2年)

研究テーマ:CloudSat衛星データを用いた雲・降水の時空間不均一性の全球解析


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吉村 航人(修士2年)

研究テーマ:環境場への依存性を考慮に入れた新しい降水生成スキームの開発


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田村 誠也(修士1年)

研究テーマ:海塩エアロゾルが雲の発達・降水強度に及ぼす影響の定量的評価


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橋本 真一(修士1年)

研究テーマ:GPM衛星データを用いた数値気候モデルの降水過程の評価


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川端 碧衣(学部4年)

研究テーマ:シーダーフィーダー効果の気候学的影響の定量的評価


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松葉 穂(学部4年)

研究テーマ:積雲の微物理過程を陽に表現する物理スキームの開発


卒業生・修了生の学位論文

  • 田村 誠也(第3期生, 2023.04〜在籍中)
    2023年度卒業論文:海塩エアロゾルが台風の発達・降水強度に及ぼす影響の解明
  • 橋本 真一(第3期生, 2023.04〜在籍中)
    2023年度卒業論文:降水素過程を診断可能なGPM衛星シミュレータの構築
  • 中西 萌々花(第3期生, 2023.04〜2024.03)
    2023年度卒業論文:CMIP6モデルを用いた北極温暖化に及ぼす雲・放射相互作用の定量的評価
  • 梅木 千愛(第2期生, 2022.04〜2023.03)
    2022年度卒業論文:地球温暖化は雷を増加させるのか
  • 出口 歩海(第2期生, 2022.04〜在籍中)
    2022年度卒業論文:雲・降水の全球3次元分布の⻑期解析
  • 吉村 航人(第2期生, 2022.04〜在籍中)
    2022年度卒業論文:雲の個性を表現可能な新しい降水生成スキームの開発
  • 井村 裕紀(第1期生, 2021.04〜2022.03)
    2021年度卒業論文:衛星シミュレータを⽤いた全球気候モデルMIROCの雲・降⽔過程の診断
  • 中尾 穂乃香(第1期生, 2021.04〜2023.03)
    2021年度卒業論文:全球気候モデルに適用する雹・霰予報型パラメタリゼーションの開発
  • 渡辺 悠斗(第1期生, 2021.04〜2022.09)
    2021年度卒業論文:降水の放射効果がエネルギー収支・水収支に及ぼす影響の評価

指導学生の表彰・顕著な業績

卒業生の進路・就職先

  • 東京大学大気海洋研究所に進学
  • 気象庁(2名)
  • 株式会社コングレ