積雪水資源予測に向けた冬季東北地方の気温場の再現実験 ～鉛直解像度依存性～

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1 積雪水資源予測に向けた冬季東北地方の気温場の再現実験 ～鉛直解像度依存性～
修士2年　高松　直史

2 はじめに 温暖化による水資源への影響 事前に予測し、ハード、ソフト両面で対策を講じる必要がある。
・洪水氾濫、土砂災害、渇水などのリスクが増加することが危惧されている（環境省、2008）。 ・水田が広がる東北地方では、積雪水資源への影響が懸念されている。（Kazama et al,2007 那須ほか,2007） 温暖化によって、水資源へのさまざまな影響が危惧されている。 ・東北地方では特に、積雪に由来する水資源（＝雪解け水）への影響が懸念されている。米どころ東北にとっては重大な問題。 →これらに適応するために、ハード、ソフト両面で対策を講じる必要がある。温暖化による水資源への影響評価はそのための基礎的な資料となり得る。 事前に予測し、ハード、ソフト両面で対策を講じる必要がある。

3 はじめに ダウンスケーリング（DS）の有効性 気候変動予測データを空間詳細化することで、水文モデルの入力値として利用できる。
　DSは大気大循環モデルと水文モデルとをつなぐ手法（Wood et 　al.,2004、Kite and Haberlandt,1999） 　・大気大循環モデル(GCM)…気候変動予測 　　　解像度が足りないため、温暖化に伴う地域スケールの影響評価 　　　には使えない。 　・水文モデル…河川流量変動予測 　　　地域スケールの水循環を予測するには、高解像度の入力値（気 　　　温、降水量、放射など）が必要。 影響評価をする際には、DSが非常に有効である。 ・水資源予測に関して言えば、 ・解像度の粗いGCMと ・高解像の入力値が必要な水文モデルとをつなぐには、 ・DSという手法が有効 気候変動予測データを空間詳細化することで、水文モデルの入力値として利用できる。 （＝ダウンスケーリングの利点）

4 はじめに 力学的ダウンスケーリング 完全境界値を与え、RCMによる現在気候の再現性を担保する必要がある。
・長所：物理的な基礎がある。そのため、温暖化時においても、「そうなる理由」を説明することができる。 ・短所：系統的な誤差が発生する。 　　　　　　　１．側面境界値の誤差（＝GCMの誤差）　　 　　　　　　　２．地域気候モデル(RCM)自身の誤差　　　　　　 力学的ダウンスケーリングの功罪 ・長所：物理的な基礎がある。そのため、温暖化時においても「その現象が起きる理由」を説明することができる。 ・短所：系統的な誤差が発生する。 ・1つ目は、側面境界の誤差 ・2つ目は、DSで用いる子モデル（RCM）自身の誤差 ・正確な影響評価には、それぞれの誤差をいかに軽減することが重要だが、 （クリック） ・ここではRCMの誤差の軽減に着目。 ・RCMの誤差軽減をするには、現在気候で完全境界値を与えて、再現性を確認する作業が必要。 （ヤマセ研究会では、GCMやRCMの誤差が伝播するということを論文で示す） 完全境界値を与え、RCMによる現在気候の再現性を担保する必要がある。

5 はじめに 研究のねらい 地域スケールの積雪水資源予測に適したRCMを構築することを目的とする。 ・解像度の違いから生じる問題を解決する。
　　　RCMには陸面過程モデルを組み込むことが必須。しかし、多くはGCMからの移 　　　植となるため、解像度の差から誤差が生じたり、計算上の問題が発生する（高 　　　藪,2010） ・気温を中心に再現性を調べる。 　　　積雪水量と融雪時期の両方に大きく影響する変数であるため。 今回は、下層の鉛直層数を増加させたときのケースについて報告する。 その中で、この研究では、次の2つに狙いをおく。 ・まず、解像度の違いから生じる問題を解決する。 ・解像度の違いが、RCMの誤差の原因になったり、問題が発生したりする。 ・とくに陸面モデルはGCMからの移植となることが多いため、解像度の影響を調べることが重要。 ・次に、特に気温に着目して再現性を調べる。 ・これは、気温が積雪水量と融雪時期の両方に大きく影響するため →以上を通して、地域スケールの積雪水資源予測に適したRCMを構築することを目的とする。 （クリック） ・今回は鉛直層のとり方の違いによって発生した、計算上の問題点について報告する。 （陸面過程を組み込むことの重要性を引用） （気温が、SWEと融雪機に影響するということを示す論文） 地域スケールの積雪水資源予測に適したRCMを構築することを目的とする。

6 実験方法 JMA-NHM（Saito et al.,2007）を用いて、秋から融雪期までのシミュレーションを行った。
下層の鉛直層を増強させた設定（NZ=42）とデフォルト（NZ=38）と2種類のシミュレーションを行った。 モデルの出力結果を、東北地方にあるアメダスの観測結果と比較。 線形内挿 気温については、モデルの高度に合わせるよう補正した。 実験方法について ・NHMで冬を挟む8か月間のシミュレーションを行った。 ・鉛直層を変えた実験とデフォルトとで2種類のシミュレーションをした。 ・鉛直層のとり方は後で。 ・検証データとして、東北地方のアメダス観測点（264点）を利用した。 ・線形内挿で、誤差の補正はモデルに合わせた。 図　モデルの計算領域

7 実験方法 NZ=38 NZ=42 計算期間 2005.10.01.09JST ~ 2006.05.01.09JST 解像度
25km (100×100、日本全域) タイムステップ 60秒 鉛直層 38層( mのstretched格子 42層(5層目まで20m、以降 mのstretched格子) 初期値境界値 JRA55 乱流過程 MYNN3 積雲対流 KFスキーム 陸面過程 MJ-SiB 側面境界条件 スペクトル境界結合 SST NOAA Daily OISST version2 (0.25degree) モデルの詳細な設定について ・気候ラン用に用いた設定を、赤で書いた。 ・積雪の消長をあらわすために、陸面過程を用いた。 ・また、長期のシミュレーションになると、大規模場が地域気候に影響を与える。 ・そこで、SBCによって、大規模場の情報を側面境界を通して、内側に取り入れる。 表　モデルの詳細設定

8 実験方法 ＜鉛直層の設定方法＞ 以下のように2通りを設定した。 NZ=38 NZ=42 ・ ・ 360m 330m 220m 230m
鉛直層のとり方について ・左がデフォルト38層 ・右は下層を細かくして42層とった。 ・下5層は20m ・大気最下層は10m 130m 90m 70m 60m 50m 30m 20m 10m NZ=38 NZ=42 図　鉛直層の設定方法

9 図 12月の月平均気温誤差（左、中）と観測値（右）
結果～モデルの性能～ 月平均地上気温の誤差（12月） 　NZ=42　　　　　　　　　　　　NZ=38　　　　　　　　　　　　Observed ・12月の月平均気温の誤差 ・42層では全域で異常な低温を予測した。 図　12月の月平均気温誤差（左、中）と観測値（右） NZ=42では東北全域で極端な低温となった。

10 図 北上（岩手県）における日平均気温と積雪深の推移
結果～モデルの性能～ 日平均気温、積雪深の推移 　NZ=42　　　　　　　　　　　　　　　　　　NZ=38　　　　　　　　　　　　 NZ=42では初積雪 図　北上（岩手県）における日平均気温と積雪深の推移 日平均気温、積雪深の推移 ・地点は北上を用いている。 ・42層では、いったん低温になると、それがいつまでも続き、融雪がなかなか始まらない。 ・積雪水量もずっと多い。 ・38層では、42層と比べるとずっと精度がよい。 →何が違いをもたらしたのか？ （クリック） →42層では積雪の有無が大きく関係しているように見える。初積雪の前後を詳しく調べてみた。 なぜ初積雪の時期を調べるのか？ ・融雪時期を見るべきだが、大気と陸面が互いに影響を及ぼしあって十分な時間がたっていると、どちらに原因があるのか分からなくなる。NZ=38のときと変わらない状態からどう変化していくのか見るには、この時期が良い。 NZ=42では、低温が続き、融雪がなかなか始まらない。積雪深は過大。 NZ=38では、融雪のタイミング、積雪深ともに概ね正しい。 何が違いをもたらしたのか？ ⇒積雪？

11 図 12月の月平均気温誤差（左、中）と観測値（右）
結果～誤差の原因～ モデル内での初積雪前後の総観場 解析期間の総観場について ・寒冷前線が通過 ・寒気が南下 ・高気圧に覆われる →晩秋によくみられる総観場 寒冷前線の通過とともに、寒気が南下。 次第に高気圧に覆われて、寒気が抜ける。 図　12月の月平均気温誤差（左、中）と観測値（右） 気象庁HP「日々の天気図」より引用

12 陸上と海上とでそれぞれ何が発生しているのか？
結果～誤差の原因～ 　NZ=42　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　NZ=38　　　　　　　　　　　　 異常低温が発生するメカニズム ・29日15時から、31日3時までの地上気温と地上10m風速の空間分布図 ・寒冷前線が通過し始めて、寒気が南下するまでの図。 ・42層では、大陸で極端に強い寒気が生成 ・それがあまり加熱されずに、海上を渡る。 ・日本列島に到達すると、再び冷やされる。 ・どうやら、陸上と海上とでそれぞれ問題点があるよう。 （クリック） →陸上で極端に冷える原因は何か？海上で加熱されない原因は何か？ 図　10月29日15JSTから31日03JSTまでの地上気温と地上風速 NZ=42では、大陸で極端に強い寒気（<-15℃）が作られている。 それが、日本海上をあまり加熱されずに（<0℃）渡ってくる。 日本列島に到達すると、再び冷やされる（<-5℃） 陸上と海上とでそれぞれ何が発生しているのか？

13 MYNN3スキームを用いる場合、鉛直解像度によって、低温時の拡散が十分に行われないことがある。
結果～誤差の原因（海上）～ 　NZ=42　　　　　　　　　　　　　　　　　　NZ=38　　　　　　　　　　　　 図　相当温位の鉛直構造 AB断面の位置は右図のとおり 海上で加熱されない原因について ・AB線上のEPTの断面図 ・４２層では対流がきわめて浅い。 ・1㎞位でそれ以上発達しない。 ・38層では日本列島に近づくにつれ、加熱されている。 ・また、対流が大きくなっているのが分かる。 （クリック） ・このことから格子間隔のとり方によっては、低温時にMYNN3スキームを用いると、鉛直拡散が十分に行われないことが分かる。 MYNN3スキームを用いる場合、鉛直解像度によって、低温時の拡散が十分に行われないことがある。 対流がきわめて浅い(～1㎞)。

14 結果～誤差の原因（陸上）～ NZ=42では、地上気温が振動しながら、異常に低くなる。
　NZ=42　大陸　　　　　　　　　　　　NZ=38　大陸　　　　　　　　　　　 地上気温 裸地草本温度（雪なし） 裸地草本温度（雪あり） キャノピー温度（雪なし） キャノピー温度（雪あり）　　　　　　　　 　NZ=42　北上（岩手県）　　　　　　　NZ=38　北上（岩手県）　　　　　　　　　　　 Tg_n ・雪なし ・canopyなし Tg_s ・雪あり ・canopyなし Tc_n ・雪なし ・canopyあり Tc_s ・雪あり ・canopyあり 誤差の原因（陸上） ・大陸のある格子と北上（岩手県）に相当する格子の各種温度の推移、シェードは積雪被覆率 ・NHMでは各種地面温度と大気最下層温度から地上気温を診断している。 ・NZ=42では、激しく振動しながら、異常低温を引き起こす。 ・それは大陸、列島関係なく。 ・キャノピー温度も同様にふるまう。 ・一方、裸地草本温度は異なる。 ・38層には、そのような振動と異常低温は見られない。 図　地上気温と各種地表面温度の変化 NZ=42では、地上気温が振動しながら、異常に低くなる。 キャノピー温度は地上気温と同様のふるまいをするが、裸地・草本温度にはみられない。

15 MJ-SiBを用いる場合、鉛直解像度によっては、低温時のキャノピー温度の予報できないことがある。
結果～誤差の原因（陸上）～ キャノピー温度の誤差 　　→１．キャノピーからの地表面フラックスの誤差 　　（→大気最下層温度の誤差） 　　→２．地表面温度の誤差 →地上気温の誤差　 誤差の原因（陸上） 地上気温の求め方と1つ前のスライドの結果から考える 　キャノピー温度の誤差→地表面フラックスの誤差→最下層温度の誤差 　キャノピー温度の誤差→地表面温度の誤差 　これらから診断される地上気温にも誤差が生じる （クリック） ・SiBを使うと、鉛直解像度によっては低温時のキャノピー温度を予報できないことがある。 ・では、キャノピー温度の予報をなぜ謝ったのか？ 　→時間積分に関する問題だと考え、タイムステップを変えた実験をおこなった。 MJ-SiBを用いる場合、鉛直解像度によっては、低温時のキャノピー温度の予報できないことがある。

16 考察 ＜タイムステップを変えた実験＞ dt=60sで積分した値を初期値として、dtを以下のように変化させた。 dt=7.5 dt=15
計算上の誤差っぽいので、タイムステップを変えたときどうなるか見てみた。 ・まず、NZ=38、NZ=42の2ケースで、全期間でdt=60に固定して、積分。 ・dt依存性を見るために、同じくNZ=38,NZ=42の2ケースで、dtを変化させて2日だけ積分 ・初期値はdt=60のときの値を用いる。 dt=60（全期間） 10/1 09JST 10/29 09JST 10/31 09JST 5/1 09JST 図　タイムステップの設定方法

17 図 北上（岩手県）におけるキャノピー温度の推移
考察 　NZ=42　　　　　　　　　　　　　　　　　　NZ=38　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 図　北上（岩手県）におけるキャノピー温度の推移 タイムステップを変えたときの結果 　・60秒の時だけ、振動と異常低温が発生する。ほかの場合は、一定の値に収束している。 　→誤差は計算上発生したものと考えられる。 dt=60のときだけ振動と異常低温が発生する。 ⇒誤差は時間積分の方法上、発生した。

18 考察 時間積分に関して考えられる問題 ・キャノピー部分の計算にオーバーインプリシット法を用いていること。
・SiBのパラメータは最下層高度を20mとして設定している。 　　例えば、中緯度帯に広がる針広混合樹の場合、キャノピー上面と下面は 　　それぞれ20mと10mとなっている。 計算誤差の原因 ・オーバーインプリシット法を用いていること。 ・大気最下層を20ｍとしてSiBのパラメータを設定している。 　　例えば、キャノピー上面と下面は20mと10mになっている。 　　つまり最下層を10mに設定すると、計算上の整合性が取れない。

19 まとめ 下層を強化したところ、積雪期に異常な低温が見られた。そのため、積雪が増加し続けて、融雪時期が大幅に遅れた。
海上では、鉛直方向への混合がきわめて浅い領域でしか行われていない。低温時の鉛直層のとり方によっては、MYNN3スキームが十分に機能しない可能性がある。 陸上では、SiBで予報したキャノピー温度の誤差が、地上気温の誤差につながった。キャノピー温度の誤差は、時間積分の方法に関係していると思われる。 その結果、大陸で生成された極端に強い寒気が、日本海上をあまり加熱されないまま通過し、日本列島で再び冷やされることで、異常低温が発生した。