大気中の水蒸気とその輸送について

その後2005年まで部分的に改訂しましたが、全般に情報が古くなっています。 谷田貝(2007)の解説に、関連する新しい情報があります。 また、JRA25 (日本の気象庁と電力中央研究所による再解析)については 大野木(2007), Onogi et al. (2007)に解説があります。

[おことわり]

1. 大気中の水蒸気輸送の概観

• Peixoto (1973): それまでのまとめ [Starr and Peixoto 1958; Peixoto 1970; Rasmusson 1967 etc.]
• Peixoto and Oort (1983, 1992): 例のデータは主にOort (1983)によるゾンデの統計
• Oki (1999): 例のデータは主にECMWF現業解析
• Trenberth and Guillemot (1996, 1998): NCEP/NCAR再解析によるデータ報告

2. 水蒸気の全球データセット: NVAP (NASA Water Vapor Project)

ゾンデ観測と衛星観測を総合した格子点データ。
鉛直積分した気柱水蒸気量(可降水量)と、 それを3層(地表---700 hPa, 700 --- 500 hPa, 500 --- 300 hPa)に分けたもの。 空間分解能は緯度経度1度。

主要メンバーの所属はColorado State Univ. Cooperative Institute for Research in the Atmosphere. 1988年から2001年までdailyに作られている。 ただし2000年以降のぶんはNVAP NG (next generation)と呼ばれ、 データ源や品質が違う。 1999年までのデータに対応する解説は Randel et al. (1996)。 NASA Langley Research Center (http://eosweb.larc.nasa.gov/) から配布されている(無料だが登録が必要)。 地球フロンティアでは内部利用用として1999年までのぶんを取り寄せてある。

1999年までのデータ源は

• ゾンデ: Ross and Elliott [NOAA Air Resources Lab.] が編集したもの。 おもに陸上。5層。
• Passive microwave: DMSP (F8, F11, F10, F13) SSM/I、海上だけ。全1層。
• 赤外線リモートセンシング: NOAA TOVS。 NOAA NEDSISの現業retrievalを利用。海陸とも。3層。 注: 1988年9月16日に現業retrievalのプログラムが変更されている。

3層に分けたデータは、海上では、鉛直積分量をSSM/I、分配をTOVSによっている。 また、雲水量のデータも作っているが、これはSSM/Iだけによるものである。

Randel et al. のゾンデに関するコメント: インド(塩化リチウム)や中国の水蒸気センサーは応答が遅いので、 そのまま使うと水蒸気の過大評価になる。

1999年までを収録した2003年発行のCD-ROMのドキュメントによれば、 1995年以後のSSM/Iの較正にバイアスが残っており、 収録された値をそのまま使ってtrendや年々の偏差の議論をするのはむずかしい。

2000年以降のデータ(NVAP NG)は、 以前よりも多数の衛星センサーのデータを使う一方、ゾンデは使っていない。

3. 4次元同化 (再解析、現業解析)

観測値と数値予報を組み合わせて、なるべく物理的につじつまの合った場の量を得る。 最近までの同化方式はほとんど間欠式。 つまり、予報モデルを一定時間(現在、ふつう6時間)動かして得られた予報値と、 観測値を空間内挿したものとの線形結合で、 格子点値(NCEP Reanalysisでは球関数の係数)を作る。 (現在では、観測時刻から値を求めたい時刻までの時間発展をも計算する 「4次元変分法」も使われはじめたが、上の表にあげたものには使われていない。)

水蒸気量(比湿 specific humidity: 空気中の水蒸気の質量比)は予報変数だが、 風・気温・等圧面高度に比べると、観測による制約が少なく、 予報値の影響が大きい。 NCEP/NCAR再解析(Kalnay et al., 1996)では、 得られる変数を観測値と予報値の役割によって階級分けしているが、 水蒸気に関する状態量は「A」ではなく「B」である。 FGGEデータ同化のころ(1983年ごろ)の技術では、 ゾンデ観測が豊富な地域以外は圧倒的に予報値だったが、 今では大部分の地域で衛星による観測値も使われている。

鉛直積分した水蒸気量に関する比較 [二村・安成・谷田貝(1998 気象学会発表):] ERA15、NCEP/NCAR再解析、NVAPを西太平洋について比較した。 NCEP/NCARの水蒸気量は少なめである。

鉛直分布については、まだデータ間の差が大きい。 たとえば、NCEP Reanalysis 2では、 (特に熱帯西太平洋で)対流圏上部の水蒸気が少なくなりすぎ、 大気上端から出ていく地球放射(OLR)が大きくなりすぎた という(Yang et al., 2000; Kanamitsu et al., 2002)。

水蒸気移流の収束発散は、データ間の差が大きい。 特に東太平洋のITCZの水蒸気収束が、NCEP/NCARでは、ERA15に比べて弱い (Yatagai and Masuda, 2000)。 しかしNCEP Reanalysis 2ではERA15と同程度である。

不確かなのは、どちらかといえば水蒸気量よりも風である。 風ベクトルを回転成分と発散成分に分けると、 回転成分は、赤道上を除いて、力学的関係で等圧面高度・気温と 連立させて解くことができるが、 発散成分にはそのような制約がないので、求めるのがむずかしい。

また、河川流域ごとに水蒸気収束量と流量を比較してみると、 特に熱帯や乾燥地帯で、かなり食い違う。 (寒冷地帯の大河川では差は小さい。) その理由のうち予報値側の問題として、 予報モデルの降水分布の現実とのずれ、および、 モデルの地形が平滑化されているために現実には山でさえぎられる 湿った風が山を越えてしまうことがあると思われる。

参考文献

• Gibson J.K., Kallberg P., Uppala S., Hernandez A., Nomura A. and Serrano E., 1997: ERA description. ECMWF Re--Analysis Project Report Series, 1, (European Centre for Medium-range Weather Forecasts, Reading, UK), 72 pp.
• 二村 紀子, 安成 哲三, 谷田貝 亜紀代, 1998: 客観解析データによるアジアモンスーン地域における大気水収支法の比較解析. 日本気象学会1998年度春季大会講演予稿集, 346.
• Kalnay E., Kanamitsu M., Kistler R., Collins W., Deaven D., Gandin L., Iredell M., Saha S., White G., Woollen J., Zhu Y., Chelliah M., Ebisuzaki W., Higgins W., Janowiak J., Mo K.C., Ropelewski C., Wang J., Leetmaa A., Reynolds R., Jenne R. and Joseph D., 1996: The NCEP/NCAR 40-year reanalysis project. Bull. Amer. Meteorol. Soc., 77, 437 - 471.
• Kanamitsu M., Ebisuzaki W., Woolen J., Yang S.-K., Hnilo J.J., Potter J. and Fiorino M., 2002: NCEP-DOE AMIP-II Reanalysis (R-2). Bull. Amer. Meteorol. Soc., 83, 1631 - 1643.
• Oki, T., 1999: The global water cycle. Global Energy and Water Cycles (ed. Browning, K.A. and Gurney, R.J.), Cambridge Univ. Press, 10 - 27.
• 大野木 和敏, 2007: 長期再解析JRA-25。 天気 (日本気象学会), 54, 773 - 776 (9月号)。 オンライン版は http://s-ws.net/tenki/cont/54_09/co.htmlからリンクされている。
• Onogi K., Tsutsui J., Koide H., Sakamoto M., Kobayashi S., Hatsushika H., Matsumoto T., Yamazaki N., Kamahori H., Takahashi K., Kadokura S., Wada K., Kato K., Oyama R., Ose T., Mannoji N. and Taira R., 2007: The JRA-25 Reanalysis. Journal of the Meteorological Society of Japan, 85, 369 - 432.
• Oort A.H., 1983: Global Atmospheric Circulation Statistics, 1958 -- 1973. NOAA Professional Paper 14, U.S. Government Printinc Office, Washington DC, 180 pp.
• Peixoto J.P., 1970: Pole to pole divergence of water vapour. Tellus, 22, 17 -- 25.
• Peixoto J.P., 1973: Atmospheric vapour flux computations for hydrological purposes. Reports on WMO/IHD Projects, WMO - No. 357, World Meteorological Organization, 83 pp.
• Peixoto J.P. and Oort A.H., 1983: The atmospheric branch of the hydrological cycle and climate. Variations of the Global Water Budget, Reidel, 5 -- 65.
• Peixoto J.P. and Oort A.H., 1992: Physics of Climate, American Institute of Physics, 520 pp.
• Randel D.L., Vonder Haar T.H., Ringerud M.A., Stephens G.L., Greenwald T.J. and Combs C.L., 1996: A new global water vapor dataset. Bull. Amer. Meteorol. Soc., 77, 1233 -- 1246.
• Rasmusson E.M., 1967: Atmospheric water vapor transport and the water balance of North America. Monthly Weather Review, 95, 403 -- 425.
• Simmons A.J. and Gison J.K., 2000: The ERA-40 Project Plan. ERA-40 Project Report Series, 1, (European Centre for Medium-range Weather Forecasts, Reading, UK), 62 pp.
• Starr V.P. and Peixoto J.P., 1958: On the global alance of water vapor and the hydrology of deserts. Tellus, 10, 189 -- 194.
• Trenberth K.E. and Guillemot C.J., 1996: Evaluation of the atmospheric moisture and hydrologiccal cycle in the NCEP reanalysis, NCAR Tech. Note NCAR/TN-430+STR, 308 pp.
• Trenberth K.E. and Guillemot C.J., 1998: Evaluation of the atmospheric moisture and hydrologiccal cycle in the NCEP / NCAR reanalysis, Climate Dynamics, 14, 213 - 231.
• Yang S.-K., Kanamitsu M., Hou Y.-T., Ebisuzaki W. and Campana K., 2000: Upper tropospheric humidity from NCEP Reanalyses and its impact on radiation fluxes. Proc. Second WCRP International Conf. on Reanalyses, WCRP-109, WMO/TD No. 985, World Meteorological Organization, 95 -- 98.
• 谷田貝 亜紀代, 2007: 水循環解析 -- データの作成と利用。 天気 (日本気象学会), 54, 999 - 1002 (12月号)。
• Yatagai A. and Masuda K., 2000: Seasonal change of the Intertropical Convergence Zone seen from the latent heat source computerd by the reanalyses data. Proc. Second WCRP International Conf. on Reanalyses, WCRP-109, WMO/TD No. 985, World Meteorological Organization, 317 -- 320.