[English] 博士論文要旨(遠藤 智史)

Study on Convective Boundary Layer and Cumulus Clouds over Humid Terrestrial Area

Satoshi ENDO

Atmospheric boundary layer functions to carry and store water vapor, which is important for the initiation and development of the deep cumulus convection. Although extensive studies of the convective boundary layer have been conducted for the humid tropical oceans and the relatively dry plains of North America, few studies were conducted for the humid terrestrial area characterized by the small Bowen ratio and strong diurnal variation of large surface fluxes. The purpose of this study is to clarify the development of the dry convective boundary layer and cumulus boundary layer over a humid terrestrial area, the Huaihe River Basin in China.

Data were collected in early summer 2004 using a 32-m flux tower and a 1290-MHz wind profiler radar. When mature wheat fields or bare fields dominated (the first period), the sensible heat flux from the land surface was nearly equal to the latent heat flux. After vegetation changed to paddy fields (the second period), the latent heat flux was much larger than the sensible heat flux. To study the development of dry convective boundary layer, two clear days (31 May and 22 June) were selected from the first and second periods and are referred to as the dry-case and wet-case, respectively. For the dry-case, a deep convective boundary layer developed rapidly from the early morning, and vigorous thermal updrafts dominates. For the wet-case, a shallow convective boundary layer developed slowly from late morning, and thermals were weak. To study the thermodynamic process in the convective boundary layer, high-resolution numerical simulations were conducted. For the dry-case, heat flux contributed to nearly all of buoyancy flux. In contrast, for the wet-case, heat and moisture fluxes made equal contributions. The large contribution of moisture flux to the buoyancy flux is one of the main characteristics of the convective boundary layer over humid terrestrial areas.

The development of the cumulus boundary layer is investigated using the idealized highresolution numerical simulations with the focus on the onset of “ active cumulus ”. The parameters of initial profile and the land surface for control experiment were based on the observational data on 20 June. In the control experiment, the cumulus boundary layer experienced transition from a condition that only forced cumulus exists (forced cumulus boundary layer) to a condition that active cumulus also exists (active cumulus boundary layer). The active cumulus onset was almost coincident with an abrupt drop of LFC. The LFC drop was attributed to a decrease of the local minimum value of saturated equivalent potential temperature at the bottom height of the inversion layer in addition to an increase of equivalent potential temperature near the land surface. After the active cumulus onset, the inversion height kept large increasing rate because the evaporation of cloud water cooled and moistened the inversion layer.

The systematic sensitivity experiments showed that the onset time became earlier with the larger initial water vapor, the smaller static stability, and the larger evaporative efficiency through change of time tendency of saturated equivalent potential temperature at bottom height of the inversion layer and equivalent potential temperature near the land surface. Since the active cumulus boundary layer showed large development rate, the earlier active cumulus onset led to higher inversion height and subsequent deeper moist layer. Even for the smaller Bowen ratio, which yielded shallower forced cumulus boundary layer, the inversion height after sunset did not change largely because the active cumulus onset became earlier. The active cumulus onset also affected the time tendency of total cloud fraction.

This study revealed the characteristics of the development of the dry convective boundary layer in the humid terrestrial area, the transition process from the forced to active cumulus boundary layer and its impact on the atmospheric condition.




遠藤 智史

大気境界層による水蒸気の蓄積・鉛直輸送は深い対流の発生・発達に対して 重要であることが指摘されている.対流境界層の研究は亜熱帯海洋域及び 比較的乾燥した北米域において盛んに行われてきたが,地表面フラックスの 大きな日変化と小さなボーエン比で特徴付けられる中国淮河流域のような 湿潤な陸域における研究は少ない.本研究は,中国淮河流域の寿県における 2004年の観測データと雲解像モデルCReSSを用いた高解像度数値実験により, 湿潤な陸域における対流境界層と積雲境界層の発達過程を明らかにしたものである.

地表面状態が乾燥した麦畑,裸地,水田へと移り変わる5 月下旬から7月上旬 にかけて行われた集中観測時の32mフラックスタワーと1290MHz ウインドプロファイラレーダにより取得したデータを解析した.地表面が成熟した 小麦または裸地だった期間(乾燥期)は顕熱フラックスと潜熱フラックスが同程度 であったが,地表面が水田となった後(湿潤期)は,顕熱フラックスに比べ, 潜熱フラックスが非常に大きいという特徴がみられた.そこで,乾燥対流境界層の 発達過程を調べるために,それぞれの期間の中から典型的な晴天日を一日ずつ選び, 両ケースの比較を行った.乾燥期のケース(5月31日)では,早朝より深い 対流境界層が急速に発達し,対流境界層内部では上昇速度の大きなサーマルが 卓越していた.一方,湿潤期のケース(6月22日)は浅い対流境界層がゆるやかに 発達し,内部の対流は弱かった.対流境界層内の熱力学的過程を調べるために 数値実験を行った.地表面における顕熱・潜熱フラックスを反映した 対流境界層内の熱・水蒸気フラックスと,その浮力フラックスへの寄与について 調べたところ,乾燥期のケースでは,浮力フラックスがほぼ熱フラックスに 依存していたのに対し,湿潤期のケースでは,熱フラックスと水蒸気フラックスの 浮力フラックスへの寄与が同程度となることを明らかにした.この水蒸気の寄与は 湿潤な陸域における対流境界層の特徴のひとつである.

次に,陸域における積雲境界層の発達過程を調べるために理想実験を行った. 標準実験の初期値と陸面のパラメタは,地表面が水田で積雲が観測された 6月20日の観測データを用いて決定した.標準実験における積雲境界層は 乾燥対流に強制された`Forced Cumulus'のみが存在する状態からLFC (level of free convection)を越えて浮力を得た`Active Cumulus'も存在する 状態へと移り変わった.Active CumulusのオンセットはLFCの急激な低下 とともに起こった.LFCの低下は地表面付近の相当温位の増加に加えて, 逆転層下端の飽和相当温位の極小値の減少に起因することが分かった. Active Cumulusの発生後は,上方に輸送される雲水が逆転層内で蒸発すること により,逆転層が加湿・冷却され,逆転層高度の大きな増加をもたらすことが示された.

感度実験を行ったところ,初期値の水蒸気混合比の増加,静的安定度の減少, 地表面蒸発効率の増加に伴い,地表面付近の相当温位と逆転層下端の飽和相当温位の 時間発展が変化するために,Active Cumulusのオンセット時刻が早まることが 示された.Active Cumulusは逆転層高度の増加率を大きくするため, オンセット時刻が早まると逆転層高度は高くなった.逆転層高度が増加した ことにより,水蒸気は下層のみに蓄積されず,その高度まで分配される.

本研究は,湿潤な陸域における対流境界層の特徴を示し,Active Cumulusへの遷移過程を解明し,外的要因に対する対流境界層と積雲の発達の変化を示すことにより,陸域における境界層過程とそれに伴う大気場の変化に関する新たな知見を提供した.