雲の連結階層シミュレーション
雲の形成と降雨を精密に数値シミュレーションするために、「超水滴法」と言う新しい計算手法を開発しました。精度の高い気象予測、人工降雨の事前評価、温暖化予測の精度向上などに貢献する事が期待されます。
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図 1: 独自に開発した「超水滴微物理モデル」と「非静力大気力学モデル」の連結による、雲形成のシミュレーション結果。
図 2: 地球規模の大気現象と局所的な現象を連結してシミュレーションすることを目指しています。この図は連結階層シミュレーションのイメージ図です。左は AFES（Atomosphere for Earth Simulator）により得られた、日本近海における梅雨前線の様子です。超水滴法により、雲の中の微小な水滴が凝結や衝突併合により大きくなる過程を計算し、雲形成と降雨の正確な予測を行います。
背景
地球の気候システムにおいて雲は極めて重要な役割を果たしており、前線や台風の活動及び、温暖化予測の研究を進める上で、雲をどのように予測モデルに取り込むのかは大きな課題になっています。
雲の形成や降雨、降雪、落雷現象を支配する物理法則は、大きく２つの部分に分けることができ、それぞれ「雲の力学過程」、「雲の微物理過程」と呼ばれています。「雲の力学過程」は大気の流れなど、流体力学によって扱うことの出来る部分です。雲は、大気に浮かぶ微粒子(エアロゾル)を核とした水や氷の粒により構成されます。「雲の微物理過程」には、エアロゾルや雲粒・降水粒子の、風や重力による運動、凝結成長、衝突併合、相変化、帯電などが含まれます。この２つの過程は相互に影響を及ぼし合い、全体として複雑なシステムを作り上げていると考えられています。
「力学過程」のシミュレーションについては、地球シミュレータに代表されるスーパーコンピュータの劇的な進歩により、計算の精度が急速に向上しているのに対して、「微物理過程」の計算の信頼性はこれまで十分ではありませんでした。雲は１立方メートルあたり10億個程度のおびただしい数の雲粒により構成されており、その複雑な変化を厳密に計算することは、現存するいかなるコンピュータを用いても実現不可能であり、また今後もそうしたコンピュータが出来る見通しはありません。
このため、これまでのシミュレーションでは、雲の状態変化を経験的なパラメタによって表現する方法（パラメタリゼーション）が広く利用されてきました。しかし、特定の現象を最も良く再現できるようにパラメタを調整する従来の方法では、未知の現象に対する精度の高い予測を実現することは難しいと考えられており、内外の研究機関において新しい雲モデルを開発する努力が続けられています。
成果
上記のような背景のもと、地球シミュレータセンターでは「超水滴法」と名付けた全く新しい雲微物理計算アルゴリズムの開発を独自に行ないました。超水滴法は雲を構成するエアロゾル・雲粒・降水粒子の運動と変化を, 粒子法を使って統一的に計算する方法であり、経験的なパラメタを使わずに原理的な物理法則に基づいて状態変化を計算することができます。また、超水滴法では大きさや雲凝結核などに関して性質の似た多数のエアロゾル・雲粒・降水粒子を１つの仮想粒子として取り扱うことにより、計算速度を大幅に高速化し、従来不可能であった雲の粒子計算に成功しました。さらに、ミクロスケールの雲微物理を計算する超水滴モデルとマクロスケールの大気運動を計算する流体モデルを相互につなげる事によって、雲の形成から降雨, 雲の消失までを連続して計算することが可能になりました。
図1は超水滴法を使って地球シミュレータで計算された積雲の形成と降雨に関するシミュレーション結果です。空気塊の上昇運動に伴って形成された雲が、降雨をもたらした後消失する過程が、雲内部の複雑な乱流運動と共に再現されています。
応用と発展
雲微物理を原理的な物理法則に基づいて計算することができる超水滴法は、エアロゾルと水滴の複雑な性質を容易に取り込むことができるため、降雨量などに関する精度の高い気象予測、雷雲成長のメカニズムを探る研究、人工降雨の事前評価、などを大きく発展させると考えられます。さらに、超水滴法と大気流体モデルとの連結階層シミュレーションをより長期的・広域的な現象へ拡張する事により、地球温暖化を初めとする長期的な気候変動の予測性が向上すると期待されます(図2)。また、超水滴法は噴霧など液滴を伴う様々な現象のシミュレーションにも応用できると考えられます。
