
%% % 卒業論文 
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\chapter{実験I: T21L26 実験}    % 章の始めからの場合はこのコマンドを使用する

%\section{エクマン層}      % 節の始めからの場合はこのコマンドを使用する
 
\section{実験設定}
\markright{第\arabic{chapter}章 実験I: T21L26 実験} 

% ここから本文を書く
本章では, T21L26の解像度で実験を行う. ここで, TXX という表記について説明する. TXX の T は `Triangular truncation' の略で, XX は球面調和関数の最大全波数である. 本実験の T21L26 解像度は, 緯度方向, 経度方向の格子点間隔が約 $5.63$ 度, 鉛直方向の層数が $26$ 層であることに対応する. 地形データは$\rm{ETOPO1}$\protect\footnotemark[1] を実験の解像度にあわせて平滑化したものを用いる(図4.1). 図4.1 を見ると, 現実地球におけるヒマラヤ山脈, ロッキー山脈, アンデス山脈周辺等が概ね表現されていることが分かる. オゾン分布は $\rm{CMIP5}$\protect\footnotemark[2] 設定の気候値における東西平均を用いる. 海表面温度分布は $\rm{AMIPII}$\protect\footnotemark[3] 境界値から気候値を生成して与える. 陸面アルベド分布は $\rm{Matthews\ (1983,\ 1984)}$ での分布を使用する.海表面アルベド分布は$\rm{AMIPII}$ 境界値の海氷密度分布から気候値を生成して与える. 積分間隔は $20$ 分, 積分時間は $20$ 年間であるが, 今回は 図4.2 の赤枠で囲った全球平均温度の年単位の変化が小さく, 準定常状態に入った $5$ 年目以降の $16$ 年分のデータを用いる. 雲水の消滅時定数は $1980$ 秒, 雲氷の消滅時定数は $9000$ 秒とする. 惑星パラメータは現在の地球の値とほぼ同じになるように設定する(表4.1). 海陸分布は 図4.3 を用いる. また, 初期条件として $280\ \rm{K}$ の等温静止乾燥大気を与える.


\begin{table}[h]
  \centering
  \caption{惑星パラメータ}
  \begin{tabular}{|c||c|}\hline
  惑星パラメータ & 値 \\ \hline
  惑星半径 & $6371\ \rm{km}$ \\
  重力加速度 & $9.8\ \rm{m/s^2}$ \\
  自転角速度 & $7.29\ × 10^{-5}\ \rm{rad/s}$ \\
  自転傾斜角 & $23.44$ 度 \\
  \hline
  \end{tabular}
\end{table}

\footnotetext[1]{「ETOPO」は「Eatrh TOPOgraphy」の略である. ETOPO1 の詳細は Amante and Eakins (2009) を参照されたい.}
\footnotetext[2]{「CMIP5」は「Climate Model Intercomparison Project Phase 5」の略である. CMIP5 の詳細は Taylor et al. (2012) を参照されたい.}
\footnotetext[3]{「AMIPII」は「Atmosphere Model Intercomparison Project II」の略である. 海表面温度と海氷密度の値は Taylor et al. (2000) より引用している.}
\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
  \includegraphics[width=100mm]{figs/geography_data.png}
  \caption{使用した地形データ}
\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
  \includegraphics[width=100mm]{figs/gm_Temp.png}
  \caption{全球平均温度の時間変化. 赤枠で囲った5年目から20年目のデータを用いて解析を行う.}
\end{center}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
\begin{center}
  \includegraphics[width=100mm]{figs/kairikubunpu.png}
  \caption{使用した海陸分布. 白色の領域は陸地, 灰色の領域は海洋として扱う.}
\end{center}
\end{figure}

\section{実験結果}

ここでは, 前節の実験設定のもと, 計算を行ったモデル地球と, 現実地球の気候を $3$ 章で述べたケッペンの気候区分を用いて表現した. 図4.4(a) は $\rm{DCPAM5}$ で計算した気候値をもとに表現したモデル地球のケッペンの気候区分の分布, 図4.4(b) は$\rm{Peel\ et\ al.\ (2007)}$で発表された現実地球のケッペンの気候区分である. 次節で図4.4(a), (b)における各気候区分の分布の比較を行う.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.27]{figs/koppen_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.27]{figs/koppen_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{モデル地球と現実地球のケッペンの気候区分の分布}
\end{figure}

\section{比較}

\subsection{熱帯}
図 4.5 はモデル地球と現実地球の熱帯の分布を表す. 二つの図を比較すると概ね同じ領域に表現されていることがわかる.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/A_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/A_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{熱帯分布 (図中の青色の領域)}
\end{figure}

\subsection{乾燥帯}

図 4.6 はモデル地球と現実地球の乾燥帯の分布を表す. 中国北部周辺に注目すると, モデル地球では乾燥帯に区分されていない (冷帯, 図4.4(a) 参照) のに対し, 現実地球では乾燥帯に区分されている. オーストラリア, アフリカ北部, アフリカ南部, 南米西部, 北米西部に関しては現実地球と概ね同じ領域に表現されている.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/B_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/B_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{乾燥帯分布 (図中の赤色の領域)}
\end{figure}

\subsection{温帯}

図 4.7 はモデル地球と現実地球の温帯の分布を表す. アラビア半島南部に注目すると, モデル地球では温帯に区分されているのに対し, 現実地球では温帯に区分されていない (乾燥帯, 図4.4(b) 参照). 北米南部, 南米南部, ヨーロッパ, 中国南部, オーストラリア東部, アフリカ南部に関しては現実地球と概ね同じ領域に表現されている. 

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/C_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/C_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{温帯分布 (図中の緑色の領域)}
\end{figure}

\subsection{冷帯}

図 4.8 はモデル地球と現実地球の冷帯の分布を表す. 前々項で述べたが, 中国北部に注目すると, モデル地球では冷帯に区分されているのに対し, 現実地球では冷帯に区分されていない (乾燥帯, 図4.4(b) 参照). また, グリーンランド中部に注目すると, モデル地球では冷帯に区分されているのに対し, 現実地球では冷帯に区分されていない (寒帯, 図4.4(b) 参照). 北米北部, ロシアに関しては概ね同じ領域に表現されている.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/D_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/D_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{冷帯分布 (図中の水色の領域)}
\end{figure}


\subsection{寒帯}

図 4.9 はモデル地球と現実地球の寒帯の分布を表す. 前項で述べたが, グリーンランド中部に注目すると, モデル地球では寒帯に区分されていない(冷帯, 図4.4(a) 参照)のに対し, 現実地球では寒帯に区分されている. 南極大陸は概ね同じ領域に表現されている.


\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/E_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.22]{figs/E_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{寒帯分布 (図中の灰色の領域)}
\end{figure}

\newpage
\section{考察}
前節において, モデル地球と現実地球で異なる気候区分に表現された領域について, その理由を考察する.

\subsection{中国北部}
中国北部はモデル地球では冷帯に区分されているが, 現実地球では乾燥帯に区分されている領域である. $3$ 章で述べた気候区分の定義から, 冷帯と乾燥帯の区分の違いは降水量の違いに起因しており, 実際, 図4.10 からモデル地球の年平均降水量が現実地球の年平均降水量を大きく上回っていることが分かった. また, 各月ごとの降水量を調べると, 図4.11 で示すように, 特に $8$ 月の月平均降水量が大きく異なることが分かった. 図4.12 を見ると, モデル地球では平滑化した地形を用いており, 橙色で囲った領域の $1000\ \rm{m}$前後の山脈が表現されていない, さらに赤色で囲った領域の南側のヒマラヤ周辺の標高が現実地球より低く表現されている. 基本的に, 海洋からの風は大陸からの風より湿っているため, 海洋からの風の影響が及ぶ領域は大陸からの風の影響が及ぶ領域より降水量が多くなる. このことを踏まえると, 図4.13 が示すように, モデル地球では現実地球と異なり, 夏季の南東モンスーンが山脈に遮られることなく内陸まで流入してくるため, 現実地球より降水量が多くなったと考えられる.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.28]{figs/China_Model_PRCP.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.26]{figs/China_Real_PRCP.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{中国周辺の年平均降水量分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 気象庁, 世界の天候図表 (\url{https://www.data.jma.go.jp/gmd/cpd/monitor/climfig/?tm=normal&el=tn}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.34]{figs/China_August_Model_PRCP.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.34]{figs/China_August_Real_PRCP.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{$8$ 月の中国北部周辺の月平均降水量分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 気象庁, 世界の天候図表 (\url{https://www.data.jma.go.jp/gmd/cpd/monitor/climfig/?tm=normal&el=tn}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}


\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.4]{figs/China_geo_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.35]{figs/China_geo_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{中国周辺の地形データ. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 国土地理院, 地理院地図 (\url{https://maps.gsi.go.jp}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}


\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.4]{figs/China_August_Wind_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.53\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.4]{figs/China_August_Wind_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{$8$ 月の中国周辺の月平均風分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (a) は$\sigma =1$の高度の風, (b) は$1000\ \rm{hPa}$ 高度の風を表している. (b) は NCEP の再解析データを用いて描画した.}
\end{figure}

\subsection{アラビア半島南部}
アラビア半島南部はモデル地球では温帯に区分されているが, 現実地球では乾燥帯に区分されている領域である. $3$ 章で述べた気候区分の定義から, 温帯と乾燥帯の区分の違いは降水量の違いに起因しており, 実際, 図4.14 からモデル地球の年平均降水量が現実地球の年平均降水量を大きく上回っていることが分かった. また, 各月ごとの降水量を調べると, 図4.15 で示すように特に $9$ 月の月平均降水量が大きく異なることが分かった. 図4.16 を見ると, モデル地球では平滑化した地形を用いており, 橙色で囲ったエチオピア, ソマリア周辺の山脈の標高が現実地球より低く表現されている. また, アラビア半島南部の南西の山脈もモデル地球は現実地球に比べ, 標高が低く表現されている. 基本的に, 海洋からの風は大陸からの風より湿っているため, 海洋からの風の影響が及ぶ領域は大陸からの風の影響が及ぶ領域より降水量が多くなる. このことを踏まえ, 図4.17 を見ると, モデル地球では, 夏季の南西モンスーンがアラビア半島南部からみて風上側にあたるエチオピア, ソマリア周辺の山脈, また, アラビア半島南部の南西の山脈に遮られることなく流入してくるため, 現実地球より降水量が多くなったと考えられる.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.53\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.59]{figs/Arabic_PRCP_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.59]{figs/Arabic_PRCP_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{アラビア半島南部周辺の年平均降水量分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 気象庁, 世界の天候図表 (\url{https://www.data.jma.go.jp/gmd/cpd/monitor/climfig/?tm=normal&el=tn}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.6]{figs/Arabic_September_PRCP_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.47]{figs/Arabic_September_PRCP_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{$9$ 月のアラビア半島南部周辺の月平均降水量分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 気象庁, 世界の天候図表 (\url{https://www.data.jma.go.jp/gmd/cpd/monitor/climfig/?tm=normal&el=tn}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.5]{figs/Arabic_geo_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.37]{figs/Arabic_geo_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{アラビア半島南部周辺の地形データ. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 国土地理院, 地理院地図 (\url{https://maps.gsi.go.jp}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.37]{figs/Arabic_September_Wind_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.5\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.37]{figs/Arabic_September_Wind_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{$9$ 月のアラビア半島周辺の月平均風分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (a) は$\sigma =1$の高度の風, (b) は$1000\ \rm{hPa}$ 高度の風を表している. (b) は NCEP の再解析データを用いて描画した.}
\end{figure}


\newpage
\subsection{グリーンランド中部}
グリーンランド中部はモデル地球では冷帯に区分されているが, 現実地球では寒帯に区分されている領域である. $3$ 章で述べた気候区分の定義から, 最暖月平均気温が 10 $\rm{{}^\circ C}$未満であれば寒帯, 10 $\rm{{}^\circ C}$以上ならば寒帯以外の区分となる. ここで 図4.18 を見ると, $7$ 月の月平均気温がグリーンランド中部において現実地球では 10 $\rm{{}^\circ C}$を下回っているのに対し, モデル地球では, 10 $\rm{{}^\circ C}$ 以上となっていることがわかる. 次に, 図4.19(a) を見ると, モデル地球において, グリーンランド中部のアルベドが $1$ 月は $0.6$ となっており, これは積雪あるいは氷河に覆われていることを示す. 一方, (b) を見ると, モデル地球において, $7$ 月のアルベドが $0.2$ となっており, これは積雪あるいは氷河が溶けていることを示す. グリーンランドは現実地球では $1$ 年を通して氷が陸地の約 $80\ \%$ を覆っている. つまり, モデル地球では夏季のアルベドが現実地球よりも小さく計算された結果, 気温が上昇し, 寒帯ではなく冷帯に区分されたと考えられる.

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.45\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.37]{figs/Greenland_July_Temp_Model.png}
    \subcaption{モデル地球}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.52\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.79]{figs/Greenland_July_Temp_Real.png}
    \subcaption{現実地球}
  \end{minipage}
  \caption{$7$ 月のグリーンランド周辺の月平均気温分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている. (b) は 気象庁, 世界の天候図表 (\url{https://www.data.jma.go.jp/gmd/cpd/monitor/climfig/?tm=normal&el=tn}) を用いて作成し, 一部加工している.}
\end{figure}

\begin{figure}[htbp]
  \begin{minipage}[b]{0.48\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.72]{figs/Greenland_January_Albedo.png}
    \subcaption{$1$ 月}
  \end{minipage}
  \begin{minipage}[b]{0.48\linewidth}
    \centering
    \includegraphics[keepaspectratio, scale=0.71]{figs/Greenland_July_Albedo.png}
    \subcaption{$7$ 月}
  \end{minipage}
  \caption{モデル地球の $1$ 月, $7$ 月のグリーンランド周辺の月平均アルベド分布. 赤色で囲った領域がモデル地球と現実地球で気候区分が異なっている.}
\end{figure}

%\end{document}                  
%%%%%%%%              Text End                  %%%%%%%%
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%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
%%%%%%%%              Sample                    %%%%%%%%

%\begin{figure}[h]
%  \begin{center}
%    \includegraphics[width=10cm]{fig6_2.PNG}
%    \caption{\footnotesize{}}
%  \end{center}
%\end{figure}

%extractbb ***.PNG
