dcpam description メモ

結果の例 その 2 (2010/04/05)

結果の例 その 1 (2009/09/10)

ステータス (上手く書けてない) (2009/07/26, 2012/12/24, 2013/02/24)

  • プリミティブ方程式系
  • 放射
    • 「電脳簡単放射モデル」(Numaguti, 1992)
    • 地球放射モデル
    • 火星放射モデル
  • 積雲対流
    • 湿潤対流調節 (e.g., Manabe et al., 1965)
    • Relaxed Arakawa Schubert 法 (Moorthi and Suarez, 1992)
  • 凝結
    • 大規模凝結 (Manabe et al., 1965)
  • 乱流
    • Mellor and Yamada Level 2 (Mellor and Yamada, 1974, 1982)
    • バルク法 (Louis et al., 1982; Beljaars and Holtslag, 1991; Beljaars, 1994)
    • 乾燥対流調節
      • 運動量, 物質の混合を含む
  • 陸面
    • 惑星表面・土壌温度
      • 地中熱伝導方程式を解く
        • 総数, 層の深さは namelist で与える
          • 今使っている値
            • 地下 9 層
            • 各層の中心点: 2e-2, 8e-2, 20e-2, 34e-2, 52e-2, 88e-2, 160e-2, 304e-2, 592e-2 m
            • 備考: 下の土壌パラメータにおいては, 日周期, 年周期の強制が浸透する深さはそれぞれ 12e-2 m,2.4 m
        • 土壌パラメータ
          • 土壌熱伝導率 1.2 W m-1 K-1 (空隙率 f=0.4, 湿潤度 (? volumetric wetness) theta=0.2 の Clay の値. Hillet, 2004)
          • 土壌熱容量 2.1e6 J m-3 K-1 (空隙率 f=0.4, 湿潤度 (? volumetric wetness) theta=0.2 の Clay の値. Hillet, 2004)
        • 土壌パラメータは土壌水分量に依存しないと仮定
    • 土壌水分
      • バケツモデル (Manabe, 1969)
        • 深さ 15e-2 m
  • 積雪
    • 最下層大気温度が 273.15 K 以下の場合に雨は雪となる
      • 陸面のみに積雪
        • 海氷上には雪は積もらない
    • 土壌 1 層目の熱収支を修正して融雪
    • 融けた雪は土壌水分に加算
    • 蒸発効率 1.0
      • 積雪量 1 kg m-2 以上の領域のみ
  • 地形
    • ETOPO1 (Amante and Eakins, 2008) を雑に平滑化
  • SST
    • ファイルでデータを与える場合
      • AMIP2 の気候値 (1 月平均値 12 か月分) (Taylor et al., 2000) を雑に平滑化した分布
        • 季節変化する
        • データ間は線形補間
      • AMIP2 の SST (Taylor et al., 2000) を雑に平滑化した分布の年平均値
        • 時間変化なし
    • slab ocean の場合
      • 1 層モデルで比熱を適当に与える
  • 海氷
    • ファイルでデータを与える (下の 2 種類を用意)
      • AMIP2 の気候値 (1 月平均値 12 か月分) (Taylor et al., 2000) を雑に平滑化した分布
        • 季節変化する
        • データ間は線形補間
      • AMIP2 の海氷面密度 (Taylor et al., 2000) を雑に平滑化した分布の年平均値
        • 時間変化なし
    • 海氷面密度 0.5 (50%) 以上の領域ではグリッドすべてが海氷に覆われていると仮定.
    • 海氷面密度 0.5 (50%) 以下の領域ではグリッドすべてが海氷に覆われていないと仮定.
    • 海氷表面温度は, 海氷下の海水との熱伝導を考慮した上で熱収支に基づき計算
      • 厚さ 2 m
      • 海氷下の海水温 273.15 - 2.0 K (no reliable reference ?)
      • 海氷熱容量 1.9e6 J m-3 K-1 (氷の値. Hillet, 2004)
      • 海氷熱伝導率 2.2 W m-1 K-1 (氷の値. Hillet, 2004)
      • ただし, 海氷面温度は 273.15 K よりも高くならないと仮定.
        • 海氷が解けると思っているため.
  • 陸面区分
    • Matthews (1983)
      • Matthews (1985?) の修正なし?
  • アルベド
    • 海面アルベド
      • 海氷なし海面
        • 0.1 (no reliable reference)
          • 本来は太陽天頂角に依存するらしい. 0.1 周辺の値であるようだが, もう少し小さいかも.
      • 海氷面
        • アルベド 0.5 (no reliable reference)
    • 陸面アルベド
      • 雪なし地面
        • Matthews (1984)
          • Matthews (1985?) の修正なし?
          • 季節変化は DOY 0, 90, 181, 273 の間で線形補間 (本当は DOY 0 はないのか)
      • 雪あり地面
        • 0.7 (no reliable reference)
          • 積雪量 1 kg m-2 以上の領域のみ
  • 粗度
    • Matthews (1984) + 海面 1e-4 m
    • 海陸分布のみ
      • 海面 1e-4 m
      • 海氷面 1e-4 m
      • 陸面 1e-1 m

数値解法

  • 物理過程
  • 力学過程
    • 空間: スペクトル法
    • 時間: Leap-frog trapezoidal semi-implicit
      • 下の二つのフィルタのどちらかを適用
        • Asselin フィルタ (Asselin, 1972)
        • modified Asselin フィルタ (Williams, 2009) (デフォルト)

参考文献

  • Amante, C. and B. W. Eakins, ETOPO1 1 Arc-Minute Global Relief Model: Procedures, Data Sources and Analysis, National Geophysical Data Center, NESDIS, NOAA, U.S. Department of Commerce, Boulder, CO, August 2008.
  • Asselin, R., Frequency Filter for Time Integrations, Mon. Wea. Rev., 100, 487-490, 1972.
  • Beljaars, A. C. M., and A. A. M. Holtslag, Flux parameterization over land surfaces for atmospheric models, J. Appl. Meteor., 30, 327-341, 1991.
  • Beljaars, A. C. M., The parameterization of surface fluxes in large-scale models uder free convection, Q. J. R. Meteorol. Soc., 121, 255-270, 1994.
  • Hillet, D., Introduction to Environmental Soil Physics, Elsevier Academic Press, pp494, 2004.
  • Louis, J-F., M. Tiedtke, and J-F. Geleyn, A short history of the PBL parameterization at ECMWF, Workshop on Planetary Boundary Layer Parameterization, 59-80, ECMWF, Reading, U.K., 1982.
  • Manabe, S, J. Smagorinsky, and R. F. Strickler, Simulated climatology of a general circulation model with a hydrologic cycle, Mon. Wea. Rev., 93, 769-798, 1965.
  • Manabe, S., Climate and the ocean circulation I. The atmospheric circulation and the hydrology of the Earth's surface, Mon. Wea. Rev., 97, 739-774, 1969.
  • Matthews, E., Global vegetation and land use: New high-resolution data bases for climate studies., J. Clim. Appl. Meteor. 22, 474-487, 1983. (Data set for global vegetation was downloaded from http://data.giss.nasa.gov/landuse/vegeem.html.)
  • Matthews, E., Prescription of Land-surface Boundary Conditions in GISS GCM II: A Simple Method Based on High-resolution Vegetation Data Sets. NASA TM-86096. National Aeronautics and Space Administration. Washington, D.C., 1984.
  • Mellor, G. L., and T. Yamada, A Hierarchy of Turbulence Closure Models for Planetary Boundary Layers, J. Atmos. Sci., 31, 1791-1806, 1974.
  • Mellor, G. L., and T. Yamada, Development of a Turbulent Closure Model for Geophysical Fluid Problems, Rev. Geophys. Space Phys., 20, 851-875, 1982.
  • Moorthi, S., and Suarez, M. J., Relaxed Arakawa-Schubert. A Parameterization of Moist Convection for General Circulation Models, Mon. Wea. Rev., 120, 978-1002, 1992.
  • Numaguti, A., Numerical experiments on the large scale structure of cumulus activity in the tropics, Ph.D. Thesis, University of Tokyo, 1992 (in Japanese).
  • Taylor, K.E., D. Williamson and F. Zwiers, The sea surface temperature and sea ice concentration boundary conditions for AMIP II simulations, PCMDI Report 60, Program for Climate Model Diagnosis and Intercomparison, Lawrence Livermore National Laboratory, 25 pp, 2000.
  • Williams, P. D., A proposed modification to the Robert-Asselin time filter, Mon. Wea. Rev., 137, 2538-2546, 2009.

放射 (dcpam 地球用放射 V1) テストメモ (2009/09/07)

  • ESWV1 + ( ELWV1 or ELWV1.1 )

長波放射 (dcpam 地球用長波放射 V1; ESWV1) テストメモ (2009/09/07)

  • 赤外
    • 40-2600 cm-1
    • 32 バンド
    • CO2, H2O, O3 バンドモデル
      • Roewe and Liou (1978), originally by Rodgers and Walshaw (1966)
      • 備考
        • 論文の O3 のバンドパラメータは, 単位変換でミスしていると思われるので, 適当に変換.
    • 吸収物質量評価には Miyoshi and Morita (1993) の方法で圧力依存性を考慮
      • メモ
        • Rodgers and Walshaw (1966) では Curtis-Godson 近似を採用しているらしい.
          • 本当は CG 近似自体は温度依存性も含む? (e.g., Sekiguchi D-thesis)
          • 本当は CG 近似の方が良い?
            • Roewe and Liou (1978) では CG 近似を使うと書いてある.
            • CG 近似は, CO2, H2O に関してはいいらしい, O3 に関しては良くわからない (i.e., Liou 2002, p.147)
    • 雲と称するもの
      • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
        • 現在採用している比例定数は 1.75e5.
    • 検証結果
    • 備考

短波放射 (dcpam 地球用短波放射 V1.0; ESWV1.0) テストメモ (2009/09/07)

  • 紫外・可視・近赤外 その 1
    • Lacis and Hansen (1974) のパラメタリゼーションを用いる.
    • H2O による吸収のパラメタリゼーション
      • 雲の効果として, フラックス全体を 20% 減少させる.
        • Dennou AGCM5 の方法に従う.
    • O3 による吸収のパラメタリゼーション
      • H2O との重なりは考慮しない.
      • 単に加熱率を加えているだけであり, エネルギーは保存していない.
      • O3 の分布は CMIP5 の気候値を与える.

短波放射 (dcpam 地球用短波放射 V1.1; ESWV1.1) テストメモ (2009/09/07)

  • 紫外・可視・近赤外 その 2
    • 波数 2600 - 66667 cm-1 (波長 0.15 to 3.85 micron meter) を 10 バンドに分割して delta-Eddington 近似した放射伝達方程式により計算. ただし, 計算時間の節約のため, 散乱を無視できる条件 (雲と称するものがない場合など) には, 散乱を無視した放射伝達方程式により計算.
      • delta-Eddington 近似した方程式を解く際には Toon et al. (1989) の方法に従う.
    • 波数 2600 - 66667 cm-1 (波長 0.15 to 3.85 micron meter) の範囲を以下のように 分割して計算.
      • 2600 - 12040 cm-1 (0.83-3.85 micron): 5 バンド (ただし, cumulative probability function を 30 区間に分けているため, 計算は 30 区間で行う)
        • H2O による吸収
          • 吸収は Chou and Arking (1981) による k 分布法のパラメータを用いる.
        • 雲と称するものによる散乱
          • 単一散乱アルベド 1
          • 非対称因子 0.85 (roughly corresponds to value by Hansen and Pollack (1970) )
      • 12040 - 66667 cm-1 (0.15 to 0.83 micron): 10 バンド
        • レイリー散乱
        • O3 による吸収
          • O3 の吸収断面積は IGACO (http://igaco-o3.fmi.fi/ACSO/cross_sections.html) の ページから取得
            • FTS-Voigt の 246 K, 100 hPa での値を採用. (おそらく Voigt et al., 2001) http://igaco-o3.fmi.fi/ACSO/files/cross_sections/FTS-Voigt/o3_246l.dat
          • O3 の分布は CMIP5 の気候値を与える.
        • 雲と称するものによる散乱
          • 単一散乱アルベド 1
          • 非対称因子 0.85 (roughly corresponds to value by Hansen and Pollack (1970) )
          • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
            • 現在採用している比例定数は 1.75e5.
    • 太陽放射フラックスは, Liou (2002) の table 2.3 の値を用いる. ただし, 0.25-0.35 micron meter に関しては, Mount and Rottman (1983) の値を 参考に, さらにより小さい波長幅毎にフラックスの値を設定.

放射 (dcpam 地球用放射 V2) テストメモ (2010/12/10)

  • 波数 (波長) 分割
    • 赤外と, 紫外・可視・近赤外は別々の方法で計算.
      • 赤外 : 0 - 3000 cm-1 (波長 3.85 to infty micron meter)
      • 紫外・可視・近赤外 : 2600 - 57142.85 cm-1 (波長 0.175 to 3.85 micron meter)
    • 2600 - 3000 cm-1 は重複している.
      • 300 K の黒体放射を考えると, この波数区間のエネルギーは, 0.5 W m-2.
  • ( ESWV2 or ESWV2.1 ) + ( ELWV2 or ELWV2.1 or ELWV2.2 or ELWV2.3)

短波放射 (dcpam 地球用短波放射 V2; ESWV2) テストメモ (2010/12/10)

  • 紫外・可視・近赤外
    • 波数 2600 - 57142.85 cm-1 (波長 0.175 to 3.85 micron meter) を 11 バンドに分割して delta-Eddington 近似した放射伝達方程式により計算.
      • バンド設定は, Chou (1992) に従う.
      • delta-Eddington 近似した方程式を解く際には Toon et al. (1989) の方法に従う.
        • Chou (1992) ではより高精度の方法を採用. ここでは, とりあえず手持ちの方法 (delta-Eddington 法) を使う.
    • 波数 2600 - 57142.85 cm-1 (波長 0.175 to 3.85 micron meter) の範囲を以下のように 分割して計算.
      • 2600 - 14500 cm-1 (0.69-3.85 micron): 7 バンド
        • H2O による吸収
          • 吸収は Chou (1986) による k 分布法のパラメータを用いる.
            • ただし, 現在は計算時間の節約のため, 7 バンドをまとめて 1 バンドとして計算.
              • 7 バンド平均の雲の散乱パラメータを使用
        • 雲と称するものによる散乱
          • 単一散乱アルベド 1? 0.9? (Chou, 1992)
          • 非対称因子 0.843 (Chou, 1992)
          • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
            • 現在採用している比例定数は 1e5.
      • 14500 - 57142.85 cm-1 (0.175 to 0.83 micron): 4 バンド
        • レイリー散乱
        • O3 による吸収
          • O3 の吸収係数は Chou (1992) から取得
          • O3 の分布は CMIP5 の気候値を与える.
        • 雲と称するものによる散乱
          • 単一散乱アルベド 1
          • 非対称因子 0.843 (Chou, 1992)
          • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
            • 現在採用している比例定数は 1e5.
    • 太陽放射フラックスは, Chou (1992), Chou (1986) の値を用いる.

短波放射 (dcpam 地球用短波放射 V2.1; ESWV2_1) テストメモ (2010/12/17)

  • 紫外・可視・近赤外
    • 波数 1000 - 57142.85 cm-1 (波長 0.175 to 10 micron meter) を 11 バンドに分割して delta-Eddington 近似した放射伝達方程式により計算.
      • バンド設定は, Chou and Lee (1996) に従う.
      • delta-Eddington 近似した方程式を解く際には Toon et al. (1989) の方法に従う.
        • Chou and Lee (1996) の前の論文の Chou (1992) では, より高精度の方法を採用. ここでは, とりあえず手持ちの方法 (delta-Eddington 法) を使う.
    • 波数 1000 - 57142.85 cm-1 (波長 0.175 to 10 micron meter) の範囲を以下のように 分割して計算.
      • 1000 - 14286 cm-1 (0.70-10 micron): 3 バンド
        • H2O による吸収
          • Chou and Lee (1996) による k 分布法のパラメータを用いる.
        • 雲と称するものによる散乱
          • 雲の消散係数, 単一散乱アルベド, 非対称因子は Chou et al. (1998) の値を使用.
      • 14286 - 57142.85 cm-1 (0.175 to 0.83 micron): 8 バンド
        • レイリー散乱
          • 散乱係数は Chou and Lee (1996) から取得
        • O3 による吸収
          • 吸収係数は Chou and Lee (1996) から取得
        • 雲と称するものによる散乱
          • 雲の消散係数, 単一散乱アルベド, 非対称因子は Chou et al. (1998) の値を使用.
    • 太陽放射フラックスは自分で決める.

長波放射 (dcpam 地球用長波放射 V2; ELWV2) テストメモ (2010/12/10)

  • 赤外
    • 0-3000 cm-1
    • 8 バンド
      • 0- 340 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • 340- 540 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • 540- 800 cm-1 : H2O (C1991(C1984)) + CO2 (CK1991)
      • 800- 980 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • 980-1100 cm-1 : H2O (C1991(C1984)) + O3 (CK1991)
      • 1100-1380 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • 1380-1900 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • 1900-3000 cm-1 : H2O (C1984+C1991)
      • C1984 : Chou (1984)
      • CK1991 : Chou and Kouvaris (1991)
      • C1991 : Chou et al. (1991)
    • CO2, H2O, O3 透過率計算
      • CO2 : Chou and Kouvaris (1991)
      • H2O (except for 540-800 and 980-1100 cm-1) : Chou (1984) for lower atmosphere & Chou et al. (1991) for middle atmosphere
        • Chou et al. (1991) の下層大気の方法は, 上手くいかなかった (正しいと思われる フラックスが計算できなかった). 自分のコードが間違っている可能性はあるが.
      • H2O (540-800 and 980-1100 cm-1) : Chou et al. (1991)
      • O3 : Chou and Kouvaris (1991)
    • 雲と称するもの
      • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
        • 現在採用している比例定数は 1.75e5.
    • 検証結果

長波放射 (dcpam 地球用長波放射 V2.2; ELWV2_2) テストメモ (2010/12/13)

  • 赤外
    • 0-3000 cm-1
    • 10 バンド
      • 0- 340 cm-1 : H2O
      • 340- 540 cm-1 : H2O
      • 540- 620 cm-1 : H2O + CO2
      • 620- 720 cm-1 : H2O + CO2
      • 720- 800 cm-1 : H2O + CO2
      • 800- 980 cm-1 : H2O
      • 980-1100 cm-1 : H2O + O3
      • 1100-1380 cm-1 : H2O
      • 1380-1900 cm-1 : H2O
      • 1900-3000 cm-1 : H2O
    • CO2, H2O, O3 透過率計算
      • H2O, CO2 : Chou et al. (1993)
      • O3 : Chou and Kouvaris (1991)
    • 雲と称するもの
      • 光学的厚さは各層での凝結量に比例すると仮定
        • 現在採用している比例定数は 1.75e5.
    • 検証結果

長波放射 (dcpam 地球用長波放射 V2.3; ELWV2_3) テストメモ (2010/12/17)

  • 赤外
    • 0-3000 cm-1
    • 10 バンド
      • 0- 340 cm-1 : H2O
      • 340- 540 cm-1 : H2O
      • 540- 800 cm-1 : H2O + CO2
      • 540- 620 cm-1 : subband
      • 620- 720 cm-1 : subband
      • 720- 800 cm-1 : subband
      • 800- 980 cm-1 : H2O (+ ...)
      • 980-1100 cm-1 : H2O + O3
      • 1100-1215 cm-1 : H2O (+ ...)
      • 1215-1380 cm-1 : H2O (+ ...)
      • 1380-1900 cm-1 : H2O
      • 1900-3000 cm-1 : H2O
      • 540- 620 cm-1 : (H2O + ...) not used now
    • CO2, H2O, O3 透過率計算
      • H2O, CO2 : Chou et al. (2001)
      • O3 : Chou and Kouvaris (1991)
    • 雲の消散係数, 単一散乱アルベド, 非対称因子は Chou et al. (2001) の値を使用.
    • 検証結果

参考文献

  • Chou, M.-D., M. J. Suarez, X.-Z. Liang, and M. M.-H. Yan, A thermal infrared radiation parameterization for atmospheric studies, NASA Technical Report Series on Global Modeling and Data Assimilation, 19, NASA/TM-2001-104606, 2001.
  • Chou, M.-D., M. J. Suarez, C.-H. Ho, M. M.-H. Yan, and K.-T. Lee, Parameterizations for cloud overlapping and shortwave single-scattering properties for use in general circulation and cloud ensemble models, J. Climate, 11, 202-214, 1998.
  • Chou, M.-D., and K.-T. Lee, Parameterizations for the absorption of solar radiation by water vapor and ozone, J. Atmos. Sci., 53, 1203-1208, 1996.
  • Chou, M.-D., W. L. Ridgway, and M. M.-H. Yan, One-parameter scaling and exponential-sum fitting for water vapor and CO2 infrared transmission functions, J. Atmos. Sci., 50, 2294-2303, 1993.
  • Chou, M.-D., and L. Kouvaris, Calculations of transmittion functions in the infrared CO2 and O3 bands, J. Geophys. Res., 96, 9003-9012, 1991.
  • Chou, M.-D., D. P. Kratz, and W. Ridgway, Infrared radiation parameterizations in numerical climate models, J. Climate, 4, 424-437, 1991.
  • Chou, M.-D., Atmospheric solar heating rate in the water vapor bands, J. Climate Appl. Meteor., 25, 1532-1542, 1986.
  • Chou, M.-D., A solar radiation model for use in climate studies, J. Atmos. Sci., 49, 762-772, 1992.
  • Chou, M.-D., and A. Arking, An efficient method for computing the absorption of solar radiation by water vapor, J. Atmos. Sci., 38, 798-807, 1981.
  • Clough, S. A., M. J. Iacono and J.-L. Moncet, Line-by-line calculation of atmospheric fluxes and cooling rates: Application to water vapor, J. Geophys. Res., 97, 15761-15785, 1992.
  • Hansen, J. E., and J. B. Pollack, Near-infrared light scattering by terrestrial clouds, J. Atmos. Sci., 27, 265-281, 1970.
  • Mount, G. H., and G. J. Rottman, The solar absolute spectral irradiance 1150-3173 A: May 17, 1982, ???, 88, 5403-5410, 1983.
  • Lacis, A. A., and J. E. Hansen, A parameterization for the absorption of solar radiation in the Earth's atmosphere, J. Atmos. Sci., 31, 118-133, 1974.
  • Liou, K.-N., An Introduction to Atmospheric Radiation (International Geophysical Series), Academic Press, pp. 583, 2002.
  • Roewe, D., and K.-N. Liou, Influence of cirrus clouds on the infrared cooling rate in the troposphere and lower stratosphere, J. Appl. Met., 17, 92-106, 1978.
  • Rodgers, C. D., and C. D. Walshaw, The computation of infra-red cooling rate in planetary atmospheres, Quart. J. Roy. Met. Soc., 92, 67-92, 1966.
  • Toon, O. B., C. P. McKay, and T. P. Ackerman, Rapid calculation of radiative heating rates and photodissociation rates in inhomogeneous multiple scattering atmospheres, J. Geophys. Res., 94, 16287-16301, 1989.
  • Voigt, S., J. Orphal, K. Bogumil, and J. P. Burrows, The temperature dependence (203-293K) of the absorption cross sections of O3 in the 230-850 nm region measured by Fourier-transform spectroscopy, Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry, 143, 1-9, 2001.