雲の形成や発達は、大気の力学過程とその中で起こる雲物理学過程との 複雑な非線形相互作用によって決まる。このため雲・降水の研究及びその 応用としての局地気象予報には雲の数値モデルが不可欠である。 しかしながら細かい計算格子と雲や降水についての多くの従属変数を 必要とする雲のモデリングは、非常に大規模なものであり、 並列計算が不可欠である。CReSS (Cloud Resolving Storm Simulator)は 雲スケールからメソスケール(中規模)現象のシミュレーションを行うことを 目的としており、大規模並列計算機で効率よく実行できように設計されている。 このため非常に高い空間解像度で大規模な計算ができる。基礎方程式系は 非静力学・圧縮系、計算は３次元領域で地形を含むもので、固体降水を含む 詳細な雲物理過程、乱流、地表面過程、地温の計算などの物理過程を含んでおり、 コントロールされた条件を与えて理想的な数値実験を行なえるだけでなく、粗 い格子のモデルにネスティングして予報実験も行なえる。
CReSSは実際の気象現象のシミュレーションを、現実的な初期値と時間変化す る境界値を与えて行なうことができる。その応用として局地予報モデルとして 利用することができる(毎日の気象シミュレーション参照)。計算領域はたとえば中部地方程度の領域で、 予報時間は12〜24時間程度が想定される。近年の急速なCPUの発達により、 格子間隔が数キロメートルの予報が可能になりつつある。これまで台風、 梅雨、雷雨、降雪などについてのシミュレーション実験を行なってきた。
図1は2001年8月に東海地方に接近した台風の実験で、初期には計算領域外に ある台風が、境界を通って計算領域に入り込み、計算領域内では実際に観測 された降雨帯が形成され、さらに領域から境界を通って台風が出ていく様子 がよく再現された。これはCReSSが現実の現象をよくシミュレートし、予報 モデルとしても利用できることを示している。
冬季日本海上に寒気が吹き出したとき、海上には多くの縦モードと横モー ドの筋状雲のほか、日本海寒帯気団収束帯にそって帯状雲ができる。図2は2 003年1月5日の日本海上の筋状雲のシミュレーション実験の結果である。若 狭湾に北西方向から帯状雲が侵入しており、その帯状雲に沿って渦列が形成 されている。その南側には縦モードの筋状雲が、北側には横モードの筋状雲 が形成去れている様子がシミュレーションされている。
現在、CReSSを毎日実行して、日々の天気のシミュレーション実験を行なっている。 CReSSにはMPIを用いた並列版と単一CPU用の逐次版 が用意されており、PC-UNIXから大規模計算機までほとんどの計算機で実行 を確認している。雲のシミュレーションだけでなく、環境流体の数値計算な ど幅の広い利用が可能である。
図1： 2001年8月21日、東海地方に接近する台風11号のシミュレーションの3 次元表示。カラーは地上気圧(Pa)で、青い部分が台風中心である。白色は雲 を表しており、濃いグレーは降水粒子の分布。右下のインディケーターは初 期時刻からの時間で、単位は時である。 図2： 2003年1月5日の寒気吹き出し時に見られた日本海上の筋状雲・帯状 雲のシミュレーション結果で、雲(雲水と雲氷)の初期値から約12時間後の高 度1350mにおける分布。グレースケールは混合比(g/kg)で、スケールを図の 右に示した。
図2： 2003年1月5日の寒気吹き出し時に見られた日本海上の筋状雲・帯状 雲のシミュレーション結果で、雲(雲水と雲氷)の初期値から約12時間後の高 度1350mにおける分布。グレースケールは混合比(g/kg)で、スケールを図の 右に示した。
CReSSは雲スケールからメソスケール現象のシミュレーションを行うことができるため、これまで台風、梅雨、雷雨、降雪などについてのシミュレーション実験が行われてきた。ここでは修士論文・博士論文において研究の一部もしくは全てにCReSSを使用した研究室内の研究を紹介する。
台風
梅雨
降雪
地形効果
大気境界層
その他