[論文レビュー] Stratocumulus over SouthEast Pacific: Idealized 2D simulations with the Lagrangian Cloud Model

Mirosław Andrejczuk, Alan Gadian+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2012

Climate variability and models参考文献 23被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、VOCALS観測に基づき、南東太平洋における層積雲を2次元の理想化された設定でシミュレートするため、ラグランジュ型雲モデル（LCM）が用いられている。モデルは液体水混合比や水滴数密度といった主要な雲特性をうまく再現しており、観測されたエアロゾル–雲水滴関係を捉えているが、大粒水滴の濃度を低く見積もっており、微物理パラメータ化の選択に感受性を示している。

ABSTRACT

In this paper a LES model with Lagrangian representation of microphysics is used to simulate stratucumulus clouds in idealized 2D set-up based on the VOCALS observations. The general features of the cloud simulated by the model, such as cloud water mixing ratio and cloud droplet number profile agree well with the observations. The model can capture observed relation between aerosol distribution and concentration measured below the cloud and cloud droplet number. Averaged over the whole cloud droplet spectrum from the numerical model and observed droplet spectrum are similar, with the observations showing a higher concentration of droplets bigger than 25 μm. Much bigger differences are present when comparing modelled and observed droplet spectrum on specific model level. Despite the fact that microphysics is formulated in a Lagrangian framework the standard deviation of the cloud droplet distribution is larger than 1 μm. There is no significant narrowing of the cloud droplet distribution in the up-drafts, but the distribution in the up-drafts is narrower than in the down-drafts. Modelled and observed standard deviation profiles agree well with observations for moderate/high cloud droplet numbers, with much narrower than observed droplet spectrum for low droplet number. Model results show that a significant percentage of droplets containing aerosol bigger than 0.3 μm didn't reach activation radius, yet exceeding 1 μm, what is typically measured as a cloud droplets. Also, the relationship between aerosol sizes and cloud droplet sizes is complex; there is a broad range of possible cloud droplet sizes for a given aerosol size.

研究の動機と目的

• 実世界のVOCALS観測に基づき、ラグランジュ型雲モデル（LCM）の妥当性を検証すること。
• モデルがエアロゾル径、雲水滴数、水滴径分布の間の観測された関係をどれだけ再現できるかを評価すること。
• LCMフレームワーク内の数値パラメータが微物理的および力学的雲特性に与える感受性を調査すること。
• ラグランジュアプローチが水滴径分布の広がりや活性化プロセスを表現するにあたり、どのような限界と長所を有するかを検討すること。

提案手法

• LCMは、エアロゾルおよび雲水滴を表す数百万個のラグランジュパラメータを追跡し、それぞれが同一の化学的・物理的性質を持つ。
• 凝結成長、活性化、非活性化、衝突・凝結といった微物理的過程をラグランジュフレームワークでシミュレートし、Euler的動力学および熱力学と結合する。
• 水滴およびエアロゾルの粒子径分布をビンベースで表現し、衝突イベントを効率化のためグリッドにマップする。
• パラメータ数、ビン解像度、衝突頻度、しきい値パラメータを変化させた感度試験を実施し、数値的安定性を評価する。
• モデル出力は、雲水混合比、水滴数密度、水滴径分布の観測値（VOCALSの機内観測）と比較される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ラグランジュ型雲モデルは、液体水混合比や水滴数密度といった観測された層積雲の特性を正確に再現できるか？
• RQ2 雲層下部におけるエアロゾル濃度と雲水滴数の間の観測された関係は、モデルでどれほど再現できるか？
• RQ3 特に25 µm以上の大きな水滴の濃度を含め、観測された水滴径分布はどの程度モデルが捉えているか？
• RQ4 パラメータ数、ビン解像度、衝突頻度といった数値パラメータの変更に伴い、モデルの結果はどの程度感受性を示すか？
• RQ5 ラグランジュ微物理が、上昇気流および下降気流における水滴径分布の広がりをどのように形成しているか？

主な発見

• モデルは観測された雲水混合比および雲水滴数プロファイルをよく再現しており、大規模な雲特性において良好な一致を示している。
• 観測された水滴径分布では25 µm以上の水滴濃度がモデルよりも高いことが示され、大粒水滴の生成が低く見積もられている可能性を示している。
• モデルにおける水滴径分布の標準偏差は1 µmを超えており、上昇気流では顕著な狭まりは見られないが、上昇気流の水滴径分布は下降気流よりも狭い。
• 低水滴数条件では、モデルは観測値よりも狭い水滴径分布を生成しており、低CCN条件下での広がった水滴径分布を表現する上での限界を示している。
• 0.3 µmを超える粒子の多くが活性化に失敗しているが、それでも1 µmを超えて成長しており、観測では雲水滴として誤分類されている。
• 同じエアロゾル径に対して、モデルでは多様な雲水滴サイズが得られることが示され、エアロゾルと水滴サイズの間には複雑で非線形な関係があることが強調されている。