地球の雲対流

相変化の諸々の効果を一つずつに加えていくことにより
通常の熱対流と「雲対流」の繋がりの理解を目指す。

可逆的雲対流 通常の熱対流との違いの第一は凝結が生じることである。 では、逆に「凝結のみ」を導入した場合の対流の様相はどこまで変わるか？ 数値実験中の実装として、雲物理の式で雨水の生成率をゼロとする。 このとき、唯一の液相である 「雲」は、落下せず凝結蒸発は瞬間的なので、気液間の相平衡が常に保たれることになる。 これは可逆的雲対流と呼ぶのがふさわしい。 結果の特徴 運動： 鉛直流の強さは上昇・下降で大体同じ。 セルサイズは対流層の深さと同程度。 ほぼ定常である。 水物質の分布： 「雲」は水平一様に全領域を覆う。混合比は上ほど多い。 水蒸気も水平一様。混合比は下ほど多い。 結局、凝結を入れても「可逆」ならば運動の特徴は通常の熱対流と同じ である ことがわかる。

LOWHIGH 図 5: 雨の生成を抑止した場合の地球の雲対流のスナップショット。 領域：256km x 23 km。 左上：鉛直流(-10〜10m/s)、 右上：雲水混合比(0〜0.05)、 左下：温位偏差(基本場は地球熱帯大気：-10〜10K)、 右下：水蒸気混合比(0〜0.03)。

雨の除去 凝結物重力分離の効果の一部を導入する。すなわち： 雨の生成・落下(凝結物の重力分離)を導入 雨の蒸発(落下先のパーセルに与える熱的影響)は除去 雨による空気の引きずり(落下先のパーセルに与える力学的影響)を除去 という設定をする。 これらの設定の結果、凝結物が速やかに除去されるので、下降流での蒸発 (すなわち「負の凝結」)は起こらず、系は条件付不安定となる。 結果の特徴 ムービーはこちら。 ムービー拡大版	LOWHIGH 図 6: 凝結物が除去される場合の雲対流。 上昇流が強い時刻のスナップショットである。 領域：1024km x 23 km。 左上：鉛直流(-10〜10m/s)、 右上：雨水混合比(0〜0.0025)、 左下：温位偏差(基本場は地球熱帯大気：-1〜5K)、 右下：水蒸気混合比(0〜0.025)。
運動の特徴： 鉛直流は上昇・下降が非対称。すなわち： 上昇流は狭く強い。凝結を伴う。 その周囲は平均的に、広範囲の弱い下降流。凝結・蒸発無し。 対流は定常でない。大体固定した場所で、下から間欠的にサーマル状の上昇流が生じる。 水物質の分布の特徴： 凝結物は上昇流の近傍のみ存在。上昇流が止まれば無くなる。 水蒸気は、下層は水平一様。上層は雲の近傍以外では乾燥している。 すなわち、凝結物の重力分離は上昇・下降の非対称を生む。 これは条件付不安定の結果である。

　

現実的雲対流 さらに雨の蒸発・ひきずり効果を加えることにより、現実的雲物理の全てを導入する。 結果の特徴 大まかな特徴は雨と空気の相互作用を除外した実験と共通。 細部および時間発展は相当異なる。 そこで、時間発展を見る。ここには雲の lify cycle が現れる。 すなわち： T=109h：下層から局所的に凝結を伴う上昇流が発生。 T=110h：上昇流が中層まで成長する一方、雨の地上への落下が始まる。 T=111h：雨水の蒸発に伴い、 上昇流の下で下降流し、乾燥空気が下降する。 地面付近に冷たい空気が生じる。 T=112h：上昇流は消滅。下層冷気は左右に広がる。 もっと広い領域・長い時間の時間発展を見ると、ひとつひとつの雲が独立でないことがわかる。 ムービーはこちら。 ムービー拡大版 右の雨・下層気温の時間空間分布を見ても： 雲の成長は雨の生成をもたらす。 雨が落下して蒸発し、下降流と地面近傍の冷気を生成する。 冷気が gravity current として広がり、周囲の空気を押しのける その周辺の下層の暖湿気塊が持ち上げられ、近傍に新しい雲の生成する。 1 に戻る という因果的に結ばれている系列が見て取れる。 これは、雲集団の自己構造化の一例である。

LOWHIGH 図 7: 現実的雲物理をいれた場合の雲対流の時間発展。 領域：1024km x 23 km。 上昇流の近傍300kmを切り出している。 時間は一時間おき。 左上：鉛直流(-5〜5m/s)、 右上：雨水混合比(0〜0.0025)、 左下：温位偏差(基本場は地球熱帯大気：-1〜3K)、 右下：水蒸気混合比(0〜0.025)。 　 　 LOWHIGH 現実的雲物理：大規模長時間の構造。 下層温度偏差と降水量の時間空間分布。

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