Improvements of the Eastward Propagation of the MJO in MIROC6 Nagio Hirota1, T. Ogura1, H. Tatebe2, H. Shiogama1, M. Watanabe3, M. Kimoto3 NIES JAMSTEC AORI, UTokyo 14 Dec. 2016 Hirota, N., T. Ogura, H. Tatebe, H. Shiogama, M. Watanabe, M. Kimoto, Improvements of the Eastward Propagation of the MJO in MIROC6, in preparation. 20min presentation / 10min discussion T. Kataoka？

(Madden & Julian, 1972) Introduction Madden Julian Oscillation: The dominant intraseasonal variations over the tropics with period of 20-90days (Madden & Julian 1971) Large impacts on ENSO, monsoons, tropical cyclones, and … (e.g. Lau & Waliser 2011) ➡ Important for Seasonal & future prediction Africa Indonesia America

No CMIP3 models simulate realistic MJO (Lin et al. 2006) MJO in climate models No CMIP3 models simulate realistic MJO (Lin et al. 2006) Some CMIP5 models, including MIROC5, reproduce the MJO spectral peak qualitatively, but its amplitude is underestimated & the eastward propagation over the Pacific is poorly simulated (e. g. Kim et al. 2009) Lag regression wrt Prcp at (0°,85°E) (Hung et al. 2013) Observation　　　 　MRI3　　　 　 MIROC5 Hungの図は30-70日フィルターがかかっている。 MRIもMIROC5もMJO振幅が観測の半分以上はあるいいモデルとして説明されている MRIもMIROC5もインド洋では東進・西進の振幅比2程度で比較的良い。太平洋で東進・西進の振幅比が比較的よいのは、CNRMとFGOALのみ。 MRIはequivalent depthが浅すぎる; MIROC5は比較的よい。などなど

Important factors for the MJO representation Moisture mode: coupling of convection and free trop. moisture (e.g. Sobel & Maloney 2012; 2013) Cold pool dynamics (e.g. Sugiyama 2009) Conv momentum transport (e.g. Miyakawa & Takayabu 2012) Cloud radiative feedback (e.g. Kim et al. 2015) Coupling between convective activities & free trop. moisture (e.g. Sobel & Maloney 2012; 2013) RH composite [%] decay mature dvlp supress Moistening from lower to upper troposphere (Kikuchi & Takayabu, 2004) Kim 2011 Fig. 3 MJO東進メトリック：観測、tokiokaナシ、tokiakaアリはそれぞれ3.5, 0.9, 3.2ぐらい？ 20-100-day prcpの30S-30N平均：2.3, 2.1,2.6ぐらい？ 観測(MJOmet=3.5)　　 ConvTriggerナシ(0.9)　 ConvTriggerアリ(3.2) May-Oct mean Prcp [mm/day]

【Objective】 Improve representation of the MJO amplitude & eastward propagation in MIROC6. 【Data】 NOAA-OLR(1980-2009) ERAI(1980-2009) 【Model】 MIROC5 (for CMIP5) MIROC6 (for CMIP6) A shallow convective scheme is newly implemented

Wavenumber-frequency spectra (Wheeler & Kiladis, 1999) OLR(15S-15N) AVHRR MIROC5 MIROC6 9.4 (1<ss(pn).and.ss(pn)<3).and. & ! MJO signal Kim et al. (2014) 30<ff(pt).and.ff(pt)<60) 14.7 ← ← ↑ 11.3 East power (Kim et al. 2014)

MJO composites OLR(color) & Velocity potential(cont) (Wheeler & Hendon, 2004) Events = amplitude (√PC12+PC22) > 1.5 & maximum in a 15-day-window AVHRR/ERAI (43.9%) u200 OLR u850 OLR u850 u200 (20-100day,15S-15N) [W/m2]

OLR(color) & Velocity potential (cont; 106m2/s) MJO propagation OLR(color) & Velocity potential (cont; 106m2/s) AVHRR/ERAI (43.9%) MIROC5 (26%) MIROC6 (32.2%) 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 1 2 3 4 5 6 7 8 ← phase ← 0 60E 120E 180 120W 60W 0 0 60E 120E 180 120W 60W 0 0 60E 120E 180 120W 60W 0 20oS-20oN [W/m2] Improvements in MIROC6 MJO continues to propagate over the Pacific The explained variance is enhanced

Time evolutions of the MJO amplitude (phase4) amplitude (√PC12+PC22) (life time = days amp > 1) Normalized PC2 Well simulated in MIROC6 Normalized PC1

Improved over the Indian & Pacific Ocn. (phase2-4) AVHRR/ERAI MIROC6 MIROC5 For each phase phase 1 phase 2 phase 3 phase4 phase 5 phase 6 phase 7 phase8 Improved over the Indian & Pacific Ocn. (phase2-4)

Specific humidity(color) & ω(contour;Pa/hr) in the MJO life cycles over the W. Pac. (130-170E,10S-10N) AVHRR/ERAI AVHRR/JRA55 MIROC5 MIROC6 kfp03 kfp07 → phase → → phase → → phase → [g/kg] WH04b-v15p0-r120 Moistening from lower troposphere is more realistic in MIROC6 Still too much moistening around 600hPa

Dry bias in the mean field is mitigated by shallow convection Specific humidity (contour) & its bias (color) MIROC5 MIROC6 800hPa [g/kg] 800hPa Moistening [g/kg day] by shallow convection 20S-20N [g/kg]

Sensitivity experiments kfp: a factor of TKE used for shallow convection (MIROC6 default value = 0.5) OLR(color) & Velocity potential(cont) MJO amplitude (phase 4) kfp=0.3 (28.8%) less active shallow kfp=0.7 (32.8%) more active shallow [W/m2] Importance of shallow convection is verified

Discussion: Coupling of convection & trop. humidity Prcp. percentile (abscissa) vs RH profile (color) (e.g. Thayer-Calder & Randall 2009; Del Genio et al. 2012; Kim et al. 2014) ERAI MIROC5 MIROC6 pressure(hPa) kfp03 kfp07 (0-360E,20S-20N,Ocn) For the intense prcp (percentile=80~100) MIROC6 shows more realistic RH profile with more moisture at 800hPa compared to MIROC5

Improvements of MJO in MIROC6: The amplitude is enhanced Summary Improvements of MJO in MIROC6: The amplitude is enhanced Eastward propagation & its lifetime (especially over the Pacific) Moistening from lower trop. is more realistic The shallow convective scheme, transporting the boundary layer moisture to the free troposphere more effectively, is responsible for the improvements

Structure of MJO Cloud image Convection (shade) & circulation (vector, cont) Gill (1980) http://www-aos.eps.s.u-tokyo.ac.jp/~miura/anim/olr_mjo.mpg

Lag regression wrt Prcp at (0°,85°E) (Hung et al. 2013) Obs MIROC5 MRI3

6/23 SuPAM SPCZの表現は?オーストラリアモンスーンとか？(木本) BSISOは？(建部) フィリピン、MJOの改善と浅い積雲の役割(木本・シンドウ) 3ステージの表現の図とか(木本)？ 東太平洋のMJOも良い？(塩竈、小倉) MJOの寿命は(木本)？ 海が細かいMIROC6も見る?(建部) 冬のモンスーンはWPパターン? ストームトラックは? (森) 7/12 気候感度 MRIも対流圏を湿らせてMJOをだしている(川合) MJOを良くするために雲表現は必要という認識？(佐藤) MJOが必ず良くなったという流れじゃない方がよい？(木本) 7/27 pr/prwの図は話の流れがわるい(木本) 境界層が湿っていれば、カラムでなくてもということ？種別降水は？(塩竈) 段階的な雲の発達を示したい(木本) 言葉遣いが変、ASはエントレインメントない？(木本) 加熱プロファイル見たら？(建部、木本) 600-700の加湿が重要といわれている(しんどう) 積雲のパラメータは？(しんどう) 11/28 下層が湿るのは浅い対流？フィードバック？(三井) 浅い対流スキームはどんなもの？(McGregor) 位相速度は?(中野さん) 12/6 位相速度は?(前田さん) 降水持続性の解析は?(木本先生) 聴衆が聞きたいことを意識した方がよい(渡部さん)

http://www.jamstec.go.jp/j/kids/press_release/20140507/

MIROC5 (26.0%) MIROC6 (32.2%) OLR[W/m2] MIROC5は14+11=25% Kim et al. 2009によれば SPCAM(AGCM): 18.7+15.9=34.6% ECHAM4/OPYC(flux adjustment): 16.5+19=35.5% OLR[W/m2]

Wavenumber-frequency spectra (Wheeler & Kiladis, 1999) OLR(15S-15N) kfp=0.3 MIROC6(kfp=0.5) kfp=0.7 (1<ss(pn).and.ss(pn)<3).and. & ! MJO signal Kim et al. (2014) 30<ff(pt).and.ff(pt)<60)

MJO metric

平均場の加湿 赤：下層雲 青：中層雲 オレンジ：上層雲 浅い積雲(色)と乱流スキーム(線) 800hPa 20S-20N MIROC5 [g/(kg day)] ISCCP 下層雲量 バイアス [%]

平均場のドライバイアス(0-360E) MIROC5 MIROC6 平均場比湿(線)と そのバイアス(色) 浅い対流(色)& (refはERAI) [g/kg] 浅い対流(色)& 乱流スキーム(線) による加湿 [g/(kg day)]

平均場蒸発量 雲の高さの比較とか

浅い積雲で増えた水蒸気が貿易風で西に流れるから？ 議論1：なぜ西太平洋で降る様になった？ 浅い積雲で増えた水蒸気が貿易風で西に流れるから？ 降水量 乱流と浅い積雲スキーム による加湿率(色) 水蒸気フラックス(矢) GPCP MIROC5 MIROC5 MIROC6 MIROC6 800hPa

90-100percentileと、0-20percentileのRh700-850の差 Kim et al. 2014 MIROC6 MJO東進メトリック MIROC5 Pivs_amp_yr: 700-850hPa, X=10, Y=20, 0-360E,30S-30N,ocn ERAI-t85.txt: metric: n= 2 35.77777703848196 81.50635480065199 45.72857776217003 GPCP1DD-t85.txt: metric: n= 2 38.89308266014974 80.29089622632300 41.39781356617326 JRA55-t85.txt: metric: n= 2 32.26661122159128 76.63830828614475 44.37169706455347 RAD6s.txt: metric: n= 2 50.37675796730365 81.60889240301537 31.23213443571173 kfp03.txt: metric: n= 2 50.93945670435906 81.08798568285980 30.14852897850074 kfp07.txt: metric: n= 2 50.08647537350696 82.28878669650905 32.20231132300209 pictl.txt: metric: n= 2 43.61471945599454 74.86843066931787 31.25371121332334 wk99_amp: ERAI-t85_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 8.564687414622085 10.84788902374215 2.230503393457926 JRA55-t85_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 4.285289472213584 5.591248230276777 2.342850578780944 NOAA-OLR-t85_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 11.37781097416066 14.69716039438258 2.842709859516090 RAD6s_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 10.48894378054597 11.34346282905185 2.108909377643123 kfp03_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 9.131824183235047 9.706306561881847 1.910423355790640 kfp07_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 10.93265510444561 13.05067091528328 2.372423324124688 pictl_rlnt_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 9.685377707152428 9.437124495712272 2.101808224579739 ERAI-t85_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.1783613719561944 0.1994504496454136 1.816226617932486 GPCP1DD-t85_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.3370816465164050 0.3996841573132403 2.410464265786547 JRA55-t85_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.2804596403371755 0.3196531922181095 1.691088677679224 RAD6s_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.3406001707987580 0.3292109296537911 1.734803713473738 kfp03_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.2998187929813557 0.2803881356288138 1.536468133936291 kfp07_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.3577542368717102 0.3722505336870851 1.756563013472758 pictl_pr_yr_b090_ns014_trg096_olp060.txt: amp0= 0.2722880983221159 0.2374568757768032 1.518601827941582 対流と大気湿度の結合メトリック 90-100percentileと、0-20percentileのRh700-850の差

古い！議論2：対流と自由大気湿度の関係は弱化 Prwd_land 30S-30N海上 TRMMPRv7 GPCP1DD ERAI MIROC6 MIROC5 rhCol_ocn 降水量[mm/day] rhCol_ocn jc, j0, ja, je 可降水量[mm] rhCol_land

ISCCP cld MJO偏差 観測 MIROC5 MIROC6 西太平洋 東インド洋

上層、中層（、下層）の雲量バイアスは全球平均でいずれも低減。 ISCCP雲量バイアスの特徴 (tau>0.3, 全球・年平均) MIROC5 MIROC6 /oraid01/ogura/moon/work/miroc6.0/CTL/shell/plot{35,36}.sh -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 [%] “Too thick” の傾向は悪化。 上層、中層（、下層）の雲量バイアスは全球平均でいずれも低減。

ISCCP cld: red(shallow); blue(middle); orange(high) (120-200E, 20S-20N) 観測 MIROC5 MIROC6 (偏差)

ISCCP下層雲量（tau>0.3, 年平均） 地理分布の改善点 ISCCP下層雲量（tau>0.3, 年平均） CFMIP-OBS 10 15 20 25 30 35 40 45 [%] MIROC5 MIROC6 /oraid01/ogura/moon/work/miroc6.0/CTL/shell/plot{17,18,19}.sh 亜熱帯海上の東西コントラストが改善。

MJO: 数1000kmの対流活発域が赤道を20-90日周期で東進 Wheeler & Hendon (2004)に従ってCEOF解析で抽出(OLR, u200, u850) 観測 (45%) MIROC5 (25%) MIROC6 (33%) phase2 phase2 phase2 OLR [w/m2] 20oS-20oN →day→ [説明]Madden Julian Ocsillation と呼ばれる現象の表現が改善した。MJOは数1000kmスケールの対流活発域が、赤道を20-90日の周期で東進する現象で、熱帯気候のみならず、日本気候にも大きく影響することが知られている。 Wheeler & Hendon (2004)に従って、EOF解析でMJOモードを抽出した。図は対流活動度の指標であるOLRを示す。左から観測、MIROC5、MIROC6。いずれにおいても数1000kmの対流活発域がインド洋にあり、それが東進するMJOの様子が確認できる。 観測データにおいてはこのMJOモードが熱帯対流変動(20-90日成分)の45%程度を説明する。一方、MIROC5では25%程度でMIROC5はMJO振幅を過小評価している。それがMIROC6では33%程度に改善した。また、MIROC5は対流活発域の東進が少し遅いが、その伝播特性もMIROC6では改善した。MJOシグナルの東進が太平洋でも確認できることになったことも重要な改善点。 一般に、MJOの気候モデルによる再現は難しいことが知られており、CMIP5の世界中の気候モデルのMJO比較において、MIROC5は他のモデルに比べてMJO表現が比較的良いことが知られていた(Kim et al. 2009; Hung et al. 2013)。それがMIROC6ではさらに良くなった。改善理由は調査中だが、MIROC6で新たに導入した浅い積雲スキームによって、モデルの雲表現が改善したことが関係していると考えられる。 [メモ] 観測はNOAA-OLR(AVHRR)とERAI。WheelerHendon(2004)に従って、20-100日フィルターを掛けたdailyのolr, u200, u850の15S-15N平均(季節は全て)を結合EOFして、第1と第2を合わせて伝播性のMJOを抽出した。第1と第2の大小で8つのフェーズを定義した。図示しているのはxy(水平面)がphase2でxtがphase3; MIROC6の印象で選んだ; 揃えた方がよければ、スライド下のphase3のxyの図を使ってください。 phase3 phase3 phase3 OLR [w/m2] 東進特性と振幅が改善 phase3 phase3 phase3