[Japanese]
卒業論文要旨(野村 樹生)
雲解像モデルを用いた対流雲内の-40℃ 以下の領域における氷粒子形成の検証
野村 樹生
東南アジアやアメリカ東海岸の上空を中心として、積乱雲周辺を飛行中、エンジンが大量の氷晶を吸い込むことで、エンジンの出力が低下するなどの事故が発生している。このような事故を引き起こす高濃度氷晶(High Ice Water Content:HIWC)に対しては航空機による観測など様々な研究が行われているが、この HIWC の形成のメカニズムを理解するには、より詳細な雲物理過程を含んだ数値モデルが必要であると言われている。
雲解像非静力学モデル Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS)では、このような HIWC が発生するような高度で雲氷の形成がされやすいように、水に対する過飽和度を超えた分の水蒸気を雲氷にするという氷の湿潤飽和調節という計算を行っているが、この計算式には物理的な根拠がなく、既に雲氷がある場合の計算などが実際の現象をよく再現できているわけではない。また、この計算により水蒸気が氷に対して過飽和となることがなくなり、その他の物理過程の計算を抑制してしまっている可能性がある。そのため、HIWC を再現し、その発生メカニズムを解明するためには、この計算過程は見直されるべきだと思われる。
本研究では、CReSS を用いて、HIWC の航空機観測の対象となった積乱雲を対象として、氷の湿潤飽和調節の計算過程を省き、モデル内で氷に対して過飽和な状態を認めることで、どのように結果に影響するのか検証した。
今回の結果から、-40 ℃以下で雲氷を生成するために入れた氷の湿潤飽和調節の計算過程を計算した実験の結果では、雲氷の数濃度は実際の観測結果より2 桁ほど大きくなり、氷の湿潤飽和調節の計算をなくした実験では、雲氷の数濃度はさらに増え、観測結果より 3-4 桁ほど多い数濃度となってしまった。このことから、実際の大気では-40 ℃以下の環境でも水に対して過飽和となり、凝結核による雲粒の形成が起こる可能性があることがわかった。その一方で、モデルでの雲水の数濃度を 108 /m3 と表現していたため、過剰に雲氷が増えてしまう結果となった。この結果から、上空での雲水の形成される数を見直す必要があることがわかった。また、雲水が形成され続け、雲氷が増え続ける問題を解決するためには、雲水の形成の数を制御するエアロゾルの予測をすることが必要であると思われた。
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[English]
Revisiting of ice particle formation process in convective clouds below -40°C using cloud-resolving model
Itsuki Nomura
Accidents have occurred, mainly in Southeast Asia and along the East Coast of the United States, in which engines have sucked in large amounts of ice crystals while flying around cumulonimbus clouds, resulting in loss of engine power. Various studies have been conducted on High Ice Water Concentration (HIWC), which causes such accidents, including aircraft observations.
The Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS) uses a calculation called moist saturation adjustment for ice, in which water vapor in excess of its supersaturation level is converted to cloud ice in order to facilitate cloud ice formation at higher altitudes. However, there is no physical basis for this formula, and this calculation eliminates supersaturation with respect to ice and may have suppressed the calculation of other physical processes. Therefore, this calculation process should be revised in order to reproduce the HIWC and understand the mechanism of its occurrence. In this study, we used CReSS to examine how omitting the calculation process of moist saturation adjustment of ice and allowing supersaturation with respect to ice in the model affects the results for the convective clouds that were the subject of HIWC aircraft observations.
The results of this experiment showed that the number concentration of cloud ice in the experiment with the calculation process of moist saturation adjustment for ice was 2 orders of magnitude higher than observed, and the number concentration of cloud ice in the experiment without the calculation process of moist saturation adjustment for ice was even higher, about 3-4 orders of magnitude higher than observed. This indicates that in the real atmosphere, even at temperatures below -40 ºC, air masses can become supersaturated with respect to water and cloud particle formation by condensation nuclei can occur. On the other hand, the number concentration of cloud water in the model was expressed as 108 /m3, which resulted in excessive cloud ice. This result indicates that the number of cloud water forming in the sky needs to be reviewed. It also seemed necessary to predict the aerosols that control the number of cloud water formations in order to solve the problem of the continuous formation of cloud water and the continuous increase of cloud ice. It also seemed necessary to predict the number concentration of aerosols, which controls the number of cloud water formations, in order to solve the problem of the continuous formation of cloud water and the continuous increase of cloud ice.
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