The spectral element (SE) and local Galerkin (LG) methods may be regarded as variants and generalizations of the classic Galerkin approach. In this study, the second-order spectral element (SE2) method is compared with the alternative LG scheme referred to as o2o3, which combines a second-order field representation (o2) with a third-order representation of the flux (o3). The full name of o2o3 is o2o3C⁰C¹, where the continuous basis functions in C⁰-space are used for the field representation and the piecewise third-order differentiable basis functions in C¹-space are used for the flux approximation. The flux in o2o3 is approximated by a piecewise polynomial function that is both continuous and differentiable, contrary to several Galerkin and LG schemes that use either continuous or discontinuous basis functions for flux approximations. We show that o2o3 not only has some advantages of SE schemes but also possesses third-order accuracy similar to o3o3 and SE3, while SE2 possesses second-order accuracy and does not show superconvergence. SE3 has an approximation order greater than or equal to three and uses the irregular Gauss-Lobatto collocation grid, whereas SE2 and o2o3 have a regular collocation grid; this constitutes an advantage for physical parameterizations and follow-up models, such as chemistry or solid-earth models. Furthermore, o2o3 has the technical simplicity of SE2. The common features (accuracy, convergence, and numerical dispersion relations) and differences between these schemes are described in detail for one-dimensional homogeneous advection tests. A two-dimensional test for cut cells indicates the suitability of o2o3 for realistic applications.

　熱帯成層圏における準二年振動(QBO)の十年規模変動を1950年代から2019/2020年までのシンガポールと再解析のデータを使って調べた。その結果、QBOは周期と同様に振幅も十年規模の時間スケールで変調されていることが判明した。これら２つの十年規模変動は1980年代以前には正相関であったが、1980年代以降は負相関を示していた。1950年代から2014年までの期間において、QBO振幅には４つの極大値(QBO_max)が1967、1983、1995、2005年ころにあり、３つの極小値(QBOmin)が1973、1988、2000年ころにあった。これらのQBO_maxとQBO_minのコンポジット解析を行ったところ、QBO十年規模振幅変動は鉛直断面で最大値は20hPa面において約3m s^-1であった。一方、水平構造において最大値は赤道上に位置せず、その値は20hPa面では北緯5度で3.5m s^-1、50 hPa面では南緯5度で1.8m s^-1であった。QBO十年規模振幅変動はNiño 3.4域の海面水温偏差や太平洋十年規模振動(PDO)指数の十年規模成分と正の高い相関になっており、太平洋中央の熱帯海面水温偏差が十年規模のタイムスケールでQBOに実質的な影響を及ぼしていることを示している。

　Xバンド水平偏波レーダー反射因子(Z_h)と降雪強度水当量(R)の関係式を６種類の固形降水粒子種(クラス)について示す。これらの関係式は、日本の新潟県における同時観測によって得られたZ_h、R、及び降水粒子種を比較することによって求められた。式の形はZ_h = B R^1.67を仮定し、Bを観測により決定される係数とした。Rの値と降水粒子種は、それぞれ、風よけネット内に設置された高分解能降水強度計と光学式ディスドロメーターを用いて求められた。平均Z_hは地上観測点風上側に位置する約100 km²の解析領域について求められた。3冬季にわたる48事例について、卓越する降水粒子種、代表的な粒径と落下速度、Z_h、R、Bの平均値が得られた。濃密雲粒付雪片のBの平均値は雲粒付雪片の値より小さかった。最も大きなBの値は雲粒無し樹枝状結晶の雪片(unrimed-Dクラス)の事例について、最も小さいBの値は雲粒無し低温型結晶の雪片(unrimed-Cクラス)が降っていた事例について得られた。霰事例のBの平均値は、雲粒付及び濃密雲粒付雪片の値に対して大まかに２倍程度であり、unrimed-Dクラスの値よりも小さかった。Xバンドにおいては、雪片の単位降水強度あたりの後方散乱が霰よりも強いか弱いかは、ライミングの程度と構成雪結晶の種類に依存していた。

Meiyu front precipitation makes the region prone to frequent floods, mudslides, landslides, and other disasters and has been the focus of ongoing and challenging meteorological research. Investigation of the Raindrop size distribution (RSD) is essential for exploring the characteristics and underlying physical precipitation processes. In this study, the precipitation characteristics in Lushan mountainous areas during the Meiyu season were investigated using laser disdrometer observed RSD data from 2016 to 2020. For the average spectra of five rain rate classes, the concentrations of large raindrops (> 0.5 mm) increased with rain rate (R), whereas the concentrations of small raindrops (< 0.5 mm) increased only under rain rates higher than 10 mm h⁻¹. The gamma distribution parameters of N₀ (intercept parameter) and Λ (slope parameter) increased/decreased with rain rate, and the shape parameter µ exhibited negative values in different rain rate classes. The distribution pattern features were N(D) =721D^−1.79e^−1.20D. Distributions of the frequency for mass-weighted mean diameter (D_m) and the logarithm of the generalized intercept parameter (log₁₀ N_w) both showed a unique bimodal type, and an exceptionally high N_w (log₁₀N_w > 4.5) subset with small D_m was determined. The stratiform and convective rains of RSD were also investigated. D_m–R and N_w–R showed similar variations in two types of precipitation. The lower µ values resulted in higher primary and constant coefficients in the quadratic polynomial fitting for the µ–Λ relationship (Λ = 0.0347µ² + 1.180µ + 2.495). The Z–R relationship (Z for radar reflectivity factor) in stratiform precipitation characteristics was Z = 203R^1.59. Further investigations showed that high N_w values usually occurred in persistent precipitation. The RSD can be characterized as high concentrations of the first two diameter classes with a narrow spectrum width (< 1 mm), which were captured during in-cloud rain with a low but continuous rain rate (< 5 mm h⁻¹). The mountainous topography plays an important role in reshaping the characteristics of RSD and physical processes of precipitation.

　乾季（6月～11月）におけるインドネシアの降水量の年々変動および数十年スケール変動について、1939年から2016年までのClimate Research Unit（CRU）および1979年から2016年までのGlobal Precipitation Climatology Project（GPCP）の降水データを用いて解析した。 CRUデータとGPCPデータの両方のEOF第一主成分（PC1）は、標準的なEl Niño-Southern Oscillation（ENSO）、ENSO Modoki、およびIndian Ocean Dipole（IOD）が、インドネシアの降水量の年々変動に影響を与える主要な気候モードであることを示した。また、Interdecadal Pacific Oscillation（IPO）が降水量の十年スケール変動に影響を及ぼす主要な要因であることも示された。さらに、IPOは、インドネシアの降水に対するIODの影響を変化させ、1979年から1997年の正のIPOフェーズではIODの影響が弱く、1939年から1978年と1998年から2016年の負のIPOフェーズではIODの影響が強くなることが明らかになった。また、標準的なENSOおよびENSO Modokiの影響のIPOフェーズ依存性は全般的には不明瞭ではあるものの、1998～2016年の負のIPOフェーズでは、それ以前の期間と比較して、ENSO Modokiの影響がより重要になる一方で、標準的なENSOの影響はそれほど明確ではなくなっていた。

Early morning precipitation (EMP) events occur most frequently during January and February over the northern coast of West Java and are characterized by propagating systems originating from both inland and offshore. The timing of EMP is determined by the initial location, direction, and speed of the propagating precipitating system. This study explores processes that characterize such propagating precipitation systems by performing composite analysis and real-case numerical simulations of selected events using the Weather and Research Forecasting (WRF) model with a cloud-permitting horizontal resolution of 3 km. In the composite analysis, EMP events are classified according to the strength of the northerly background wind (V_BG), defined as the 925 hPa meridional wind averaged over an area covering western Java and the adjacent sea. We find that under both strong northerly (SN) and weak northerly (WN) wind conditions, EMP is mainly induced by a precipitation system that propagates from sea to land. For WN cases, however, precipitating systems that propagate from inland areas to the sea also play a role. The WRF simulations suggest that mechanisms akin to cold pool propagation and advection by prevailing winds are responsible for the propagating convection that induces EMP, which also explains the dependence of EMP frequency on the strength of V_BG. On the basis of the WRF simulations, we also discuss the roles of sea breeze and gravity waves in the initiation of convection.

　太平洋・日本（Pacific–Japan; PJ）パターンの形成に及ぼす日本の東海上で生ずるロスビー波砕波の寄与の重要性を、熱帯大気海洋変動の寄与と比較しながら定量的に調べた。まず、正及び負の位相を持つPJパターンのそれぞれの事例を、砕波が発生した事例と発生しなかった事例に分類した。その結果、砕波によって引き起こされた正位相のPJパターン事例数は、正位相全事例の約20％を占めることが分かった。また、砕波を伴う正位相のPJパターン事例数は、砕波を伴う正負両位相事例の約80％を占めていた。次に、砕波を伴う正位相のPJパターン事例について、ラグ合成図を用いたQベクトルに基づく診断を行った。その結果、日本の東海上での砕波が、北西太平洋亜熱帯域へ向かう南西方向への高渦位大気の進入と、それによって北西太平洋亜熱帯域で力学的に惹起される強い対流活動を通して、PJパターンの形成を促進することが示された。このPJパターンの形成メカニズムは先行研究で示されたものと一致する。一方、砕波を伴う負位相のPJパターン事例を対象とする合成図解析によって、砕波と関連する対流圏上層での東西方向に延伸した大気循環場偏差、及びインド洋全体での正の海面水温偏差が北西太平洋亜熱帯域での対流活動を弱化させたために、砕波の発生にも拘わらず、負位相のPJパターンが形成されたことが示された。最後に、砕波を伴わない正負両位相のPJパターン事例では、北西太平洋亜熱帯域での対流活動域が、時間とともに北西進してPJパターンの形成を促すことが合成図解析の結果より示された。砕波を伴わないPJパターンは、熱帯での海面水温偏差や北半球夏季季節内振動の位相と密接に関連し、「純粋な」熱帯の影響によって形成されることが明らかとなった。

　2015年9月1日に日本海の南西部の海上で突風を発生させ、その結果海難事故を引き起こしたメソβスケール渦（meso-β-scale vortex: MBV）の発達のために重要な大気条件を理解するために、アンサンブルカルマンフィルター（LETKF）を用いた101メンバー（一つのアンサンブル平均を含む）のアンサンブル実験を行った。最もMBVが強くなった8メンバー（STRG）と最も弱くなった10メンバー（WEAK）における、MBVの構造と周りの大気条件の違いを明らかにするために、コンポジット解析を行なった。ここで、2つの強いメンバーは他の８メンバーと比べて早く発達していたことから、解析から取り除いた。解析の結果、STRGにおける、MBV中心より北東域及び南域の地表付近の低気圧性シアは、WEAKよりも強かった。加えて、STRGにおける下層の水蒸気及び水蒸気フラックスは、MBV南東域におけるより大きな対流有効位置エネルギーに寄与し、結果として、MBV周辺の強い対流を生じた。アンサンブル感度解析によって、コンポジット解析の結果は統計的に支持された。地表付近の水平シアは、MBVが埋め込まれた温帯低気圧の構造に強く関係していた。STRGにおける温帯低気圧の強さはWEAKと同程度であったが、温帯低気圧の北東象限における風の低気圧性水平シアは、STRGの方がWEAKよりも強くなっていた。

The role of extratropical forcing on the summertime tropical synoptic-scale disturbances (TSDs) in the western North Pacific has been investigated by conducting parallel integrations of the Regional Climate Model. The suite of experiments consists of a control run (CTRL) with European Centre for Medium-Range Forecasts Reanalysis data as boundary conditions, and an experimental run (EXPT) with the same setting, except that signals with zonal wavenumber > 6 were suppressed at the northern boundary (located at 42°N) of the model domain. Comparison between CTRL and EXPT showed that without extratropical forcing, there is weaker TSD activity in the June-to-August season, with reduced precipitation over the TSD pathway. Associated with suppressed TSD, southeastward-directed wave activity is also reduced, leading to less active mixed Rossby gravity waves in the equatorial western Pacific area. Further analysis revealed that extratropical forcing and associated circulation changes can modulate the TSD wavetrain and its coherence structure, in relation to low-level vorticity in the far western North Pacific. In CTRL, west of about 140°E, TSD-related circulation tends to be stronger; in EXPT, vorticity signals and vertical motions are found to be slightly more coherent in the more eastern portion of the TSD wavetrain. The latter enhanced coherency of TSD east of 140°E, from the EXPT simulations, might be due to changes in wave activity transport channeled by modulated upper-level mid-latitude westerlies in EXPT. Our results serve to quantify how extratropical forcing and related general circulation features influence western North Pacific summertime TSD activities. Implications on the understanding of the initiation of TSD are discussed.

　中心気圧が960hPaで関東地方に上陸した台風Faxai (1915)に関して、非静力学モデルを用いて格子間隔1kmでの数値シミュレーションを行なった。Faxaiは上陸まで軸対称的な構造を維持し、強風により甚大な被害をもたらした。シミュレーションの結果、上陸前後の48時間の現実的な経路・強度が再現された。計算された強度は上陸まで強く、渦の水平方向の大きさは小さかった。計算されたFaxaiの構造は、熱帯海洋上における発達した熱帯低気圧（TC）のように、軸対称的で目の壁雲が存在していた。中心付近で海面の潜熱フラックスは上陸まで300W m^-2を超えていて、高度1.5-12 kmでの鉛直シアーは中緯度としては比較的弱く、9m s^-1よりも低かった。

　台風の環境場パラメータからポテンシャル強度（MPI）を算出した。計算されたTCの強度もベストトラックの強度も、上陸12時間前からMPIよりも大きいsuperintense状態にあった。これは、内部コア域で超傾度風化していたことによるもので、強い強度や軸対称な構造が原因と考えられる。計算されたTCは、成熟期において傾度風平衡を除いたMPIの式に必要な近似を良く満たしており、これはTCの構造が熱帯で発達したものと類似していたためと考えられる。

　今回の解析から、Faxaiは、好ましい環境条件と渦構造によって強い強度を維持したと考えられる。

　エアロゾル湿性沈着の雲内洗浄過程は、特に微小粒子のシミュレーションに大きな不確定性を生じさせる。本研究では、非静力学正20面体格子大気モデルであるNICAMに、４つの異なる雲内洗浄スキームを導入して、2011年3月に起きた福島第一原子力発電所事故に伴う放射性セシウム137（Cs-137）の粒子動態に関するモデル相互比較を実施した。導入した雲内洗浄スキームの１つは、全球気候モデル（GCM）で用いられる手法であり、単純なチューニング変数を用いて除去定数を決めるものである（GCM-Type）。２つめは、降水の予報変数化や現実的な鉛直輸送を考慮した雲解像モデル（CRM）に最適化したスキームである（CRM-Type）。３つめは、地表面降水フラックスを用いて擬一次近似の仮定で表現した伝統的なスキームである（CONV-Type）。４つめは、オフライン化学輸送モデル（CTM）で用いられており、雲・降水フラックスや簡略化されたパラメータ分析アプローチを用いたものである（CTM-Type）。多くの実験結果では、シミュレーションしたCs-137を観測結果と比較すると、±30%のバイアス、0.6-0.9の相関係数、67-112Bq m^-3の不確実性、<40%の精度（1/10から10倍の範囲に収まる値の割合）となった。CRM-typeでは最適な結果が得られたが、その結果を得るためにチューニング変数の下限値を用いる必要があった。GCM-typeとCONV-typeでは適切なチューニング変数を設定すれば、適用可能なスキームであることもわかった。CTM-typeでは相関が良く、不確実性が小さかったが、大きな負のバイアスが存在した。これらの解析から、NICAMで計算している雲粒から雨粒への変換効率が過大評価であることが示唆された。しかし、これは単純に雲微物理モジュールを変えるだけでは解決しない問題である。エアロゾル雲内洗浄スキームの感度は、雲微物理の取り扱いの感度よりも、Cs-137への影響が大きいこともわかった。したがって、観測で得られたCs-137の空間分布を再現するためには、適切な雲内洗浄スキームの利用と共に、より良い気象場を利用することが不可欠である。

　気象庁では、降雪量および、雨や雪などの降水種別の面的予測において鍵となる要素の一つである地上気温を予測するため、格子形式の気温ガイダンスを運用している。運用中の気温ガイダンスではカルマンフィルタを用いており、入力として地上気温の観測値と観測地点周辺の数値予報モデル出力値のみ利用している。そのため、数値予報モデルで前線の予測に位置ずれがある場合や、極端な低温または高温が観測されるような場合には、気温を適切に予測することが困難となっている。

　本研究では、関東周辺での面的な地上気温の予測手法として、エンコーダー・デコーダーモデルに基づく畳み込みニューラルネットワークを提案する。検証の結果、提案手法は運用中の気温ガイダンスの予測精度を大幅に改善するとともに、前線の位置ずれや極端な気温予測においても数値予報モデルのバイアスを修正しうることがわかった。

Retrograde long waves in the higher latitudes of the Northern Hemisphere can episodically attain large amplitudes and sustain coherent phase propagation for 2–3 weeks. The potential influence of such waves on extendedrange weather forecast has been conjectured but not systematically quantified. Using a set of ensemble reforecast data, this study examined the predictability associated with an extraordinary retrograde-wave episode in the 1979–80 winter. Quantified by the anomaly correlation of the 500 hPa geopotential height in the 40–70°N latitudinal band, increased week-2 predictability was found within the subperiod with the presence of coherent retrograde waves. Some individual forecasts made within the retrograde-wave event exhibited the behavior of “return of skills”. The results suggest a future investigation into the relation between the elevated level of anomaly correlation in week-2 and detailed dynamics of the retrograde waves.

　大気の数値モデルにおける接地層スキームは、そのモデルに導入される大気境界層スキームに矛盾しないことが望ましい。この研究では、Monin‒Obukhovの相似則に基づいて、安定な接地層における運動量と熱量に対する安定度関数φ_mとφ_hをMellor–Yamada–Nakanishi–Niino（MYNN）スキームから導いた。得られた安定度関数は、運動量と熱量のフラックスを求めるために高度zに関して解析的に積分できるように、それぞれφ_m=1+4.8z/Lとφ_h=0.74+6.0z/Lの関数形に近似した。ここで、LはObukhovの長さである。こうして求めたフラックスを過去の研究で提案された４つの安定度関数から得られるフラックスと比較した。その結果、MYNNスキームによるフラックスは４つのうちの２つとほとんど同じであり、ほかの２つよりも、海氷上で行われたSurface Heat Budget of the Arctic Ocean experiment（SHEBA）で得た観測結果とよく一致した。MYNNスキームの結果とSHEBAデータの詳しい比較から、氷が乾雪に覆われた「冬」の期間に観測されたフラックスの著しいばらつきは、観測サイト周辺の粗度の大きな変動によって起こっていることが示唆された。MYNNスキームの安定度関数によると、バルク・リチャードソン数とフラックス・リチャードソン数はz/L→∞の極限で、それぞれ0.26と0.21の臨界値に近づくことが示された。これらの臨界値はMYNNスキームにおける乱流散逸にコルモゴロフ仮説が適用された結果であり、コルモゴロフ乱流から非コルモゴロフ乱流への遷移に対応すると考えられる。

　本研究は、日本における冬季極端降雪と極端降水の発生に対してマッデンジュリアン振動 (MJO)が有意な影響を及ぼしている事を、観測データ及び地球温暖化対策に資するアンサンブル気候予測データベース（d4PDF）を用いた解析により明らかにした。d4PDFの全球および高解像度の領域モデルによる大規模アンサンブルシミュレーションの解析により、MJOに伴う日本における極端気象の発生確率を定量的に評価し、地理的分布の違いを明らかにする事が初めて可能となった。d4PDFの全球シミュレーションは、MJO及び、北太平洋域から北米領域におけるMJOテレコネクションを良く再現する事を示した。

　MJOの位相ごとに冬季極端降雪（降水）の発生確率を評価したところ、以下の3つの結果が得られた。(1) 北西日本域における日本海側(SJA)の極端降雪発生確率は、MJOが海大陸から西太平洋で活発な位相で有意に約20%増加し、MJOがインド洋で活発な位相で30−40％減少する; (2) 日本の太平洋側 (PAC)の極端降水は、MJOがインド洋で活発な位相で40-50%増加し、MJOが西太平洋で活発な時は約30％減少する; (3) 関東地方(Kanto) の極端降雪は、MJOが東部インド洋から海大陸で活発な位相で30-45%増加する。

　3つの領域（SJA, PAC、及びKanto）における極端現象は、MJOに関係した異なるプロセスで発生する。MJOにより東シベリア域でブロッキングの頻度が増加し、シベリアから日本への上層トラフを伴う顕著な寒気移流が強化されることにより、SJAの極端降雪が促進される。PACの極端降水やKantoの極端降雪の発生には、MJOに伴う水蒸気フラックス収束の強化による、ストームトラック活動や南岸低気圧の急発達を促進する効果が重要である。さらにKantoの降雪は、MJOに関係したブロッキングからの寒気流入が部分的に寄与している。