[論文レビュー] EAM source codes and scripts for time step sensitivity experiments

Hui Wan, Shixuan Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 15, 2020

Climate variability and models被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、EAMv1大気モデルにおける時間刻みの感度を、全コンポーネントで時間刻みを6倍小さくすることで調査し、雲量、湿度、放射的効果に顕著な気候バイアスが生じることを明らかにした。主な発見は、時間積分誤差—特にサブサイクル過程外の結合周波数と刻みサイズ—が、特に亜熱帯層積雲デッキおよび上対流圏雲において顕著な気候バイアスを引き起こしており、モデルチューニングがこれらの数値誤差を補正している可能性を示唆している。

ABSTRACT

This archive contains source codes of the E3SM Atmosphere Model version 1 (EAMv1) and version 0 (EAMv0) as well as the run scripts used in the time step sensitivity quantification and attribution study described in Wan et al. (2020, GMDD). The EAMv1 and EAMv0 codes archived here correspond to commits ad4fd8 and 684ade of the E3SM GitHub repository. E3SMv1's master DOI is 10.11578/E3SM/dc.20180418.36, c.f. https://www.osti.gov/doecode/biblio/10475.

研究の動機と目的

• EAMv1における現在気候シミュレーションへの時間積分誤差の影響を定量化すること。
• 時間刻み感度が雲および放射的性質に与える影響を最も引き起こしているモデルコンポーネントおよび結合周波数を特定すること。
• 時間刻みの短縮が観測とのモデル適合性を低下させるかどうかを評価し、精度を回復させるために再チューニングが必要かどうかを検討すること。
• 時間刻み感度を特定のモデルコンポーネントおよびプロセス結合スキームに系統的に帰属づけること。

提案手法

• 動力学、放射、対流、乱流、雲微物理学を含む、EAMv1の主なコンポーネントすべてで時間刻みを6倍小さくする実験を実施。
• 時間刻みの短縮有無の両方で10年間の長期シミュレーションを実施し、平均気候統計の変化を評価。
• 個々のコンポーネントおよび結合周波数における時間刻み変更の影響を分離するための感度実験を複数回実施。
• 観察された気候変化の妥当性を評価するため、統計的有意性検定を適用。
• 空間的・垂直的パターンの特定のため、ゾーナル平均、地理的分布、雲放射効果（CRE）の変化を分析。
• 主サイクルとサブサイクルの時間刻みを区別するための概念的結合フレームワークを用い、特に深対流および雲プロセスに注目。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間刻みの短縮は、EAMv1における長期平均気候、特に雲量および放射的性質にどのように影響するか？
• RQ2 動力学コア、放射、またはパラメータ化のうち、どのモデルコンポーネントが時間刻み感度に最も寄与しているか？
• RQ3 サブサイクルプロセスと主モデルサイクルとの間の結合周波数は、気候シミュレーションバイアスにどのように影響するか？
• RQ4 Δt/τ比（時間刻み／時スケール）の変化が、対流および雲応答にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 観察された気候バイアスは、時間積分における切り捨て誤差に起因していると特定できるか？ そして、これはモデルの再チューニングの必要性を示唆するか？

主な発見

• 時間刻みを6倍小さくしたことで、低対流圏で最大0.5 Kの温暖化、熱帯および亜熱帯上対流圏で冷却が生じた。
• 対流圏全域で相対湿度が1%〜10%低下し、乾燥したシミュレーション条件を示した。
• 上対流圏雲量は10%〜20%減少し、亜熱帯低対流圏では20%を超える減少を示した。
• 亜熱帯総雲量および雲放射効果（CRE）は20%〜50%減少し、特に海洋層積雲デッキ域で顕著であった。
• 亜熱帯低雲量の減少の主な要因は、乱流、浅対流、雲マクロ/ミクロプロセスのサブサイクル時間刻みではなく、これらのサブサイクル外で使用される時間刻みであった。
• サブサイクルとEAMv1の残りの部分との間の結合周波数は、海洋層積雲デッキに顕著な影響を及ぼしたが、深対流は貿易層積雲に大きな影響を与えた。