[Japanese]
修士論文要旨(岡田 陸)
偏波レーダーシミュレータを用いた雲解像モデルの氷相微物理過程の再検討
岡田 陸
雲解像モデルにおける氷相微物理過程では, 多くの場合, 氷粒子は雲氷, 雪, 霰の 3 カテゴリーに分けて表現する. カテゴリー間の変換過程は地上降水量をよく再現するように調節されるため, 現実の雲微物理過程との整合性は十分に確認されていない. また, 氷粒子の成長過程の中で初期の過程である雲氷から雪への変換過程を正確に表現することは重要である. 偏波レーダ観測で得られる偏波パラメータは粒子の数濃度や粒径, 形状のような雲微物理的な特徴を反映している. 偏波レーダの観測値との比較を通して氷相微物理過程を改良するためには, 微物理過程の偏波パラメータに対する感度についての知見を蓄積する必要がある. 本研究では, 偏波レーダ観測との比較のために, 偏波レーダシミュレータを用いて雲解像モデルの出力である混合比や数濃度を偏波パラメータ(レーダ反射因子差 Zdr , 偏波間位相差変化率 Kdp) に変換した. Zdr , Kdp は粒子の扁平率を反映するパラメータで, 雪より扁平な雲氷の方が大きな値を取りうる. 本研究は, 雲解像モデル Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS; Tsuboki,2023) の雲氷から雪への変換過程の偏波パラメータに対する感度を明らかにすることを目的とする.
CReSS では, 昇華凝結や凝集により雲氷の平均粒径が雪の最小粒径より大きくなると, 一部が雪に変換される. つまり, 雪の最小粒径を大きくすることで, この変換を抑制できる. そこで, 従来の雪の最小粒径を用いた CTL 実験と雪の最小粒径を大きくした感度実験を行った. CTL 実験では, 高度 8 km より下層に雲氷がなく, 雪が支配的な凝結物であったため, Zdr , Kdp は 0°C 高度より上層で 0dB, 0°/km に近く, 観測と比べて小さい一定の値を取っていた. 雪の最小粒径を大きくした感度実験では, Zdr にはほとんど変化が見られなかったものの, Kdpは 0 °C 高度から上層に向かって増加し, 取りうる値の幅が広がったことで, 観測に近い傾向を再現することができた. Kdp は粒径と数濃度に比例する量であるため, 扁平で横長な雲氷の数濃度の増加が Kdp の増加につながったと考えられる. Kdp の鉛直方向の変化を再現できたことは, CReSS において雲氷の凝集成長による雲氷から雪への変換に伴う雲氷数濃度の変化の表現が改善されたことを示唆している. 一方, Zdr は粒径の 6 乗に比例するレーダ反射因子の比を取ったものであるため, 雲氷より粒径の大きな雪の存在により, Zdr に変化が見
られなかったと考えられる.
本研究では偏波レーダシミュレータ POLARRIS を用いて, CReSS の出力に対応する偏波パラメータ Kdp を算出し, 観測値と比較することで, CReSS の雲氷の数濃度が観測と比較して過小評価であるという問題点が明らかになった. また, このような Kdp の比較を通して雲解像モデルの雲氷数濃度がどの程度の値であるべきかという制約を与えることができ, 氷相微物理過程の改良の方向性を示すことができた.
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[English]
Revisiting of Ice Microphysical Processes in Cloud Resolving Model Using a Polarimetric Radar Simulator
Riku Okada
In ice microphysical processes within cloud resolving models, ice particles are often representing by separating them into 3 categories: cloud ice, snow and graupel. Conversion processes among these categories are usually tuned to reproduce surface precipitation amounts accurately, but their consistency with real cloud microphysical processes has not been thoroughly validated. Furthermore, it is important to accurately represent the conversion process from cloud ice to snow, which is an initial stage in the growth of ice particles. Polarimetric radar observations provide polarimetric parameters that reflect cloud microphysical properties such as particle number concentration, size, and shape. To improve ice microphysical processes through comparisons with polarimetric radar observations, it is necessary to accumulate knowledge about the sensitivity of microphysical processes to polarimetric parameters. In this study, polarimetric radar parameters (e.g., differential reflectivity Zdr and specific differential phase Kdp) were derived using a polarimetric radar simulator from the outputs of a cloud-resolving model, such as mixing ratios and number concentrations, for comparison with polarimetric radar observations. Both Zdr and Kdp are sensitive to particle aspect ratios; hence, cloud ice, which is typically more oblate than snow, can exhibit higher values. The aim of this clarify the sensitivity of polarimetric parameters to the conversion process from cloud ice to snow in the Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS; Tsuboki, 2023).
In CReSS, when the mean diameter of cloud ice exceeds the minimum snow diameter via deposition or aggregation, a portion of the cloud ice is converted into snow. Therefore, increasing the minimum snow diameter suppresses this conversion. We conducted two experiments: a control run (CTL), which used the conventional minimum snow diameter, and a sensitivity experiment with a larger minimum snow diameter. In the CTL experiment, cloud ice didn’t exist below 8 km altitude; snow was the dominant condensate. As a result, both Zdr and Kdp were nearly zero (0 dB and 0°/km) above the 0°C level and remained at small, constant values compared to observations. In the sensitivity experiment, where the minimum particle size of snow was increased, Zdr showed little change, but Kdp increased from the 0°C level upward and exhibited a wider range of possible values, leading to a profile closer to the observations. Because Kdp is proportional to both particle size and number concentration, the increased number concentration of more oblate cloud ice likely contributed to the higher Kdp. Reproducing the vertical variation of Kdp suggests that CReSS is now better capturing the changes in cloud ice number concentration accompanying the conversion of cloud ice to snow via aggregation growth.
On the other hand, Zdr did not change appreciably. Since Zdr is the ratio of radar reflectivities (which scale with approximately the sixth power of particle diameter), the presence of larger snow particles compared to cloud ice likely resulted in a small change in Zdr .
In this study, we used the polarimetric radar simulator POLARRIS to calculate the polarimetric parameter Kdp from the output of CReSS and compared it with observations. This comparison revealed that CReSS underestimated the cloud ice number concentration. Furthermore, such Kdp comparisons provided constraints on the appropriate cloud ice number concentration in the cloud-resolving model, helping to guide improvements in ice-phase microphysical processes.
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