[Japanese]
修士論文要旨(藤本 達也)
対流混合層発達時の粗度に対する地上気象要素の感度
藤本 達也
地球大気の最下層に位置する大気境界層、特に大気境界層内で日中に発達する対流混合層の構造は、地表面と大気の間の運動量・熱・水蒸気輸送に強く支配されている。地表面の熱収支や熱輸送に関わる式のパラメータとして、運動量の粗度 (Z0m) および熱と水蒸気の粗度 (Z0ℎ) が存在する。先行研究において、粗度の設定が地上気温やフラックス計算に影響を与えると示されているが、陸面過程を計算する数値モデルでは Z0m = Z0ℎ と仮定されることやパラメータ化が不十分であることがある。 Z0m と Z0ℎ は物理的に異なる特性を持つパラメータであるが、その差異が対流混合層の発達過程や地上気象要素 (顕熱・潜熱フラックス、地表面温度、気温、地上風速、水蒸気混合比など) の時間変化に及ぼす影響については未だ明らかにされていない。そこで本研究では、対流混合層発達時における Z0m や Z0ℎ に対する地上気象要素の感度を評価することを目的として研究を行った。
本研究では、雲解像モデル CReSS を用いて都市域の地表面を想定した理想化実験を行ったほか、蒸発効率β 、 Z0m 、 Z0ℎ の 3 つのパラメータを 5 パターンずつ設定した感度実験を行った。理想化実験では、粗度の増大とともに地上気象要素が大きく変化することが確認された。地上風速や地表面と大気の温度差の減少により顕熱フラックスは減少したが、地上風速や水蒸気混合比差が減少しているにもかかわらず潜熱フラックスが増大していた。
顕熱フラックスの感度については、熱と水蒸気についてのバルク係数Ch の寄与が大きいことがわかった。Z0m, Z0ℎ の変化による顕熱フラックスの感度が小さかった理由は、Z0mの増加による地上風速の減少や Z0ℎ の増加による温度差の減少をの増加が打ち消したからであった。潜熱フラックスの感度についても、熱と水蒸気についてのバルク係数Ch の寄与が大きいことがわかった。Z0mの変化による潜熱フラックスの感度が小さかった理由は,Z0mの増加による地上風速の減少をCh の増加が打ち消したからであった。Z0ℎ の増加に伴って潜熱フラックスが増加した理由は、Z0ℎ の増加によるCh の増加を打ち消す他の要素が無かったからであった。
従来の Z0ℎ の設定を用いた都市域のモデル計算では潜熱フラックスが過大となるため適切でなく、都市域の Z0ℎ の設定はかなり小さな値とならなければならないとわかった。しかし、単に Z0ℎ を減少させると顕熱フラックスも減少する問題が考えられるため、都市域においては熱の粗度と水蒸気の粗度を分離し、それぞれ独立したバルク係数を用いて顕熱フラックスと潜熱フラックスを個別に制御することで、都市域の熱収支をより正確に再現できると考えられる。以上の結果より、地表面粗度、特に熱と水蒸気の粗度 Z0ℎ の設定が、対流混合層へのエネルギー供給量(フラックス)やこれに関わる地表面付近の気象要素を決定する上で極めて重要な役割を果たしていると結論付けられた。
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[English]
Sensitivity of Surface Meteorological Parameters to Roughness Length during the Development of the Convective Boundary Layer
Tatsuya Fujimoto
The structure of the atmospheric boundary layer (ABL), particularly the convective boundary layer (CBL) that develops in the ABL during the daytime, is strongly driven by the transport of momentum, heat, and water vapor on the surface. The roughness length for momentum (Z0m) and the roughness length for heat and water vapor (Z0ℎ) are key parameters in the equations describing surface heat budget and transport. Previous studies have indicated that settings of the roughness length influence surface air temperature and flux calculations. However, numerical models for land surface processes often assume Z0m = Z0ℎ or rely on insufficient parameterizations. While Z0m and Z0ℎ are parameters with physically different characteristics, the impact of their difference on the development of the CBL and the time evolution of surface meteorological parameters remains unclear. The purpose of this study is to evaluate the sensitivity of surface meteorological parameters to variations in Z0m and Z0ℎ during the development of the CBL.
In this study, idealized experiments assuming an urban surface were conducted using the Cloud Resolving Storm Simulator (CReSS; Tsuboki, 2023). Additionally, sensitivity experiments were conducted by varying three parameters (evaporation efficiency β ,Z0m and Z0ℎ) across five different settings for each. The idealized experiments confirmed that surface meteorological parameters change significantly with increased roughness. Sensible heat flux decreased due to reductions in surface wind speed and the temperature difference between the surface and the atmosphere. Latent heat flux increased in spite of the reduction in surface wind speed and the water vapor mixing ratio difference.
In the sensitivity experiments, regarding the sensitivity of sensible heat flux, the contribution of the bulk coefficient for heat and water vapor was found to be significant. The reason for the low sensitivity of sensible heat flux to changes in Z0m was that the increase in Ch counteracted the decrease in surface wind speed caused by the increase in Z0m. The reason for the low sensitivity of sensible heat flux to changes in Z0ℎ was that the increase in Ch counteracted the decrease in temperature difference caused by the increase in Z0ℎ.
Similarly, regarding the sensitivity of latent heat flux, the contribution of the bulk coefficient for heat and water vapor was found to be significant. The reason for the low sensitivity of latent heat flux to changes in Z0m was that the increase in Ch counteracted the reductions in surface wind speed caused by the increase in Z0h. The reason latent heat flux increased with the increase in 𝑍0ℎ was that there were no other factors to cancel out the increase in Ch caused by the increase in Z0ℎ.
It was found that urban model calculations using conventional settings for Z0ℎ are inappropriate because they result in excessive latent heat flux; thus, the setting for Z0ℎ in urban areas must be a significantly smaller value. However, simply reducing Z0ℎ causes an undesirable decrease in sensible heat flux. To address this, the urban heat budget can be reproduced more accurately by defining two distinct roughness lengths: one for heat and another for water vapor. By using independent bulk coefficients, sensible and latent heat fluxes can be controlled individually.
Based on these results, it is concluded that the setting of surface roughness, specifically the roughness for heat and water vapor, plays an extremely important role in determining the amount of energy supply (flux) to the CBL and the associated surface meteorological parameters.
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