[論文レビュー] Climatology of severe local storm environments and synoptic-scale features over North America in ERA5 reanalysis and CAM6 simulation

Funing Li, Daniel R. Chavas+2 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2020

Climate variability and models参考文献 96被引用数 16

ひとこと要約

本研究は、1980–2014年の期間にわたり、ERA5再解析およびCAM6気候モデルのシミュレーションを用いて、北アメリカにおける激しい局所嵐（SLS）環境および関連する synoptic スケールの特徴の気候学的特性を評価している。両モデルは、CAFE、S06、SRH03といった主要なSLSパラメータおよび低層ジェットやドライラインといった合成的特徴の空間的・季節的・日周期的パターンを正確に再現しているが、特に東部アメリカにおけるCAFEおよびSRH03に系の高いバイアスを示しており、これは表面湿度の過剰および低層風のバイアスに起因する。

ABSTRACT

Severe local storm (SLS) activity is known to occur within specific thermodynamic and kinematic environments. These environments are commonly associated with key synoptic-scale features--including southerly Great Plains low-level jets, drylines, elevated mixed layers, and extratropical cyclones--that link the large-scale climate to SLS environments. This work analyzes spatiotemporal distributions of both the environmental parameters and synoptic-scale features in ERA5 reanalysis and in Community Atmosphere Model version 6 (CAM6) during 1980--2014 over North America. Compared to radiosondes, ERA5 successfully reproduces SLS environments, with strong spatiotemporal correlations and low biases, especially over the Great Plains. Both ERA5 and CAM6 reproduce the climatology of SLS environments over the central United States as well as its strong seasonal and diurnal cycles. ERA5 and CAM6 also reproduce the climatological occurrence of the synoptic-scale features, with the distribution pattern similar to that of SLS environments. Compared to ERA5, CAM6 exhibits a high bias in Convective Available Potential Energy over the eastern United States primarily due to a high bias in surface moisture, and to a lesser extent, storm-relative helicity due to enhanced low-level winds. Composite analysis indicates consistent synoptic anomaly patterns favorable for significant SLS environments over much of the eastern half of the United States in both ERA5 and CAM6, though the pattern differs for the southeastern United States. Overall, results indicate that both ERA5 and CAM6 are capable of reproducing SLS environments as well as the synoptic-scale features and transient events that generate them.

研究の動機と目的

• CAM6気候モデルがERA5再解析と比較して、北アメリカ全域における激しい局所嵐（SLS）環境をどの程度正確に再現できるかを評価すること。
• 主要なSLS環境パラメータ（CAPE、S06、SRH03）およびそれらの合成的スケールの前駆要因の気候的分布と時間的サイクルを調査すること。
• 特に東部および中部アメリカにおける熱力学的および運動学的変数に関して、CAM6がERA5に対して示す系のバイアスを特定すること。
• 低層ジェット、ドライライン、中層高気圧、温帯低気圧など、合成的スケールの特徴とSLS環境の発生との整合性を、両ERA5およびCAM6で評価すること。
• 表面湿度および低層風場に既知のバイアスを有するものの、CAM6がSLSイベントを誘発する大規模気象力学を信頼性を持って再現できるかどうかを検証すること。

提案手法

• 1° × 1°の水平分解能で、1980–2014年の35年間のERA5再解析データおよびCAM6モデル出力を用いた。
• 主要なSLS環境パラメータ（CAPE、0–6kmのバルクウインドシアー（S06）、0–3kmのストーム相対的ヘリシティ（SRH03））および合成インデックス（CAPES06、EHI03）を計算した。
• サウスウェスト・グレート・プレインズの低層ジェット、ドライライン、上層混合層（EML）、および温帯低気圧活動といった合成的スケールの特徴を特定・追跡した。
• ラジオゾンデ観測データをERA5の検証基準として用い、SLSパラメータおよび合成的特徴について、ERA5とCAM6の空間的・時間的相関およびバイアス分析を実施した。
• 東部アメリカの6つのサブ領域において、極端なSLSイベント発生時の合成的気象異常を比較するための合成分析を実施した。
• 相関係数、バイアス、平均二乗誤差といった統計指標を用いて、モデルの性能および地域的差異を定量化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CAM6のシミュレーションは、ERA5再解析と比較して、北アメリカにおける激しい局所嵐（SLS）環境の気候的分布および日周期的・季節的サイクルをどの程度正確に再現しているか？
• RQ2 ERA5およびCAM6におけるSLS環境に関連する主要な合成的スケールの特徴は何か、そしてそれらは空間的・時間的にどの程度正確に再現されているか？
• RQ3 特に東部および中部アメリカにおいて、CAM6がERA5に対して示す主要なSLSパラメータにおける系のバイアスの主な原因は何か？
• RQ4 特に南部地域において、ERA5とCAM6の極端なSLSイベントに有利な合成的パターンはどのように比較されるか？
• RQ5 CAM6における表面湿度および低層風のバイアスが、CAFEおよびSRH03の極値の再現にどの程度影響を与え、さらにCAPES06およびEHI03といった合成プロキシにどのように伝播するか？

主な発見

• ERA5はラジオゾンデ観測と比較して、特にグレート・プレインズ地域で良好な空間的・時間的相関と低いバイアスを示し、SLS環境を的確に再現している。
• ERA5およびCAM6の両モデルが、SLS環境の季節的および日周期的サイクルを正確に再現しており、特に中央アメリカで午後遅くから夜にかけて活動がピークに達している。
• CAM6は東部アメリカでCAFEに高いバイアスを示しており、主に表面比湿の過剰に起因する。また、低層風が強いことによるSRH03の二次的バイアスも認められる。
• 低層ジェット、ドライライン、EML、温帯低気圧の頻度は、両ERA5およびCAM6でよく再現されており、SLS環境の気候学的分布と空間的パターンが強く相関している。
• 合成分析の結果、CAM6は東部アメリカの大多数の地域で極端なSLSイベントに有利な大規模合成的パターンを再現しているが、北アトランティック亜寒帯高気圧の影響の違いにより、南部地域では乖離が生じている。
• CAPES06およびEHI03の合成プロキシは、両方とも東部アメリカでCAM6で高いバイアスを示しており、主にCAFEの高バイアスに起因し、やや低いがSRH03の高バイアスも影響している。これは、モデル内で激しい嵐の可能性が過剰に推定されている可能性を示唆している。