[論文レビュー] CLUBB-SILHS: A parameterization of subgrid variability in the atmosphere

Vincent E. Larson|arXiv (Cornell University)|Nov 10, 2017

Meteorological Phenomena and Simulations参考文献 94被引用数 30

ひとこと要約

CLUBB-SILHS は、大気モデルにおけるサブグリッドスケールの変動を統合的にパラメータライズする手法であり、雲層を二項分布で統一する（CLUBB）フレームワークと、サブグリッド重要度ラテンハイパーキューブサンプリング（SILHS）を組み合わせ、2 km以上のグリッドスケールで雲、乱流、微物理的プロセスをシミュレートする。グローバルおよび地域モデルにおける雲と降水のフィールドを、別個の対流パラメータライゼーションに依存せずに正確に表現可能であり、1°–2°解像度のCAMシミュレーションにおいても競争力のある気候学的特性を示すが、降水フィールドにノイズが生じる傾向がある。

ABSTRACT

This document provides a detailed overview of the CLUBB-SILHS cloud and turbulence parameterization, including theoretical background, model equations, closure assumptions, simulation results, comparison with other parameterization methods, FAQs, and source code documentation.

研究の動機と目的

• 大気モデルにおけるサブグリッドスケールの変動、特に雲、乱流、微物理的プロセスの統合的パラメータライゼーションを開発すること。
• CLUBB と SILHS を統合したフレームワークを用いて、別個の対流パラメータライゼーションの必要性を排除すること。
• 水平グリッド間隔が 2 km 以上のモデル、対流許容型およびグローバル気候モデルを含めて、雲と降水のフィールドを正確にシミュレートできること。
• 異なるホストモデルやグリッド解像度に適用可能な柔軟で拡張可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• CLUBB は、熱力学的および乱流変数のサブグリッド変動を表現するために確率密度関数（PDF）アプローチを用い、高次モーメントを二項分布を用いて閉じる。
• SILHS は、重要度重み付きラテンハイパーキューブサンプリングを用いて、サブグリッドPDF上での微物理的プロセスレートを効率的に統合し、計算効率と精度を向上させる。
• 物理的整合性と安定性を維持するため、解析的統合と数値リミッター技術の組み合わせを用いて、乱流フラックスおよび共分散の処理を行う。
• 予報方程式を解くために、明示的および半陽的時間ステッピング方式を併用し、特定の乱流輸送項に対して過剰に陽的処理を行う。
• 物理的に不適切な値（例えば、正定値量のクリッピングやフラックスの単調性を保つ調整）を防ぐための数値リミッターを実装する。
• 張＝マクファーレンの対流パラメータライゼーションを避ける一方で、CLUBB がサブグリッドスケールの物理に基づいて対流を内蔵でシミュレートできる能力に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CLUBB-SILHS は、グローバルモデルにおいて別個の対流パラメータライゼーションに依存せずに、サブグリッドスケールの雲および乱流変動を正確にシミュレートできるか？
• RQ2 SILHS を CLUBB に統合することで、従来のボリューム平均または質量フラックススキームと比較して、微物理的プロセスレートの表現がどの程度改善されるか？
• RQ3 CLUBB-SILHS は、水平グリッド間隔が 2 km から 100 km の広い範囲にわたり、物理的整合性と数値的安定性をどの程度維持できるか？
• RQ4 CLUBB-SILHS は、CAM6 や E3SMv2 に実装された既存のパラメータライゼーションと比較して、降水および雲のフィールドをシミュレートする性能でどの程度優れているか？
• RQ5 CLUBB-SILHS は、専用の対流パラメータライゼーションを備えていないにもかかわらず、グローバル大気モデルで気候学的に競争力のあるシミュレーションを達成できるか？

主な発見

• CLUBB-SILHS は、1°および2°解像度のグローバルCAMシミュレーションにおいて、別個の対流パラメータライゼーションを用いずに、雲および乱流フィールドを正確にシミュレートし、CAM5 と同等の気候学的性能を達成した。
• モデルはノイズの多い降水フィールドを生成しており、微物理的またはサブグリッドサンプリングのコンponentsにおけるさらなる調整や精錬の必要性を示唆している。
• CLUBB-SILHS は、4 km の雲解像型モデルから 100 km のグローバルモデルまで広いグリッド間隔範囲で高いロバスト性を示し、水平解像度に対して感度が低いことが示された。
• フレームワークは、氷が液体水を早期に枯渇させるのを防ぎ、混合相状態の北極雲における液体水を効果的に維持でき、観測値と一致した。
• CLUBB-SILHS は、TWP-ICE 実験中に深層対流を正確にシミュレートし、他の最先端の対流パラメータライゼーションと同等の結果を得た。
• この手法により、PDF上での解析的統合によってドリズルプロセスが正確にシミュレートされ、層積乱層雲層における現実性が向上した。