「21世紀気候変動予測革新プログラム」
2008年1月18日
成果報告会:チーム雲解像
A④ (チーム名:雲解像モデリング)
「雲解像モデルの高度化と
その全球モデル高精度化への利用」
研究代表者:坪木和久(名古屋大学 地球水循環研究センター)
参画研究者:増永浩彦(名古屋大学 地球水循環研究センター)
篠田太郎(名古屋大学 地球水循環研究センター)
渡部雅浩(東京大学気候システム研究センター)
青木尊之(東京工業大学 学術国際情報センター)
榎本剛(海洋研究開発機構地球シミュレータセン
対流セル積算出現率(%;総観測個数約 25,000 個)
背景(観測)
東アジア域の暖候期に名大レーダーで観測された対流
セルの出現率と、それらの数値モデルによる解像限界
積乱雲などの対流セル
の表現には1km~500m
の格子解像度が必要。
沖縄周辺 (海洋上)
雲解像モデルの利用が
上海周辺 (海岸部)
中国内陸部
(大陸上)
不可欠。
2km解像度モデ
ルの解像限界
1km解像度
モデルの解像限界
500m解像度モデルの限界
対流セルの面積(大き
さ)
背景
Oouchi et al. (2006), JMSJ
研究目的
雲を精度よくシミュレーションできるように雲解像モデ
ルを高度化し、その利用、及び全球モデルとの結合によ
り全球モデルの高精度化に寄与すること。
雲解像モデル高度化:雲解像モデルの改良と高度化。
雲物理過程の改良(完全2モーメント化、雹、氷晶生成)
力学過程の改良(セミラグランジュ化)
パラメータ改良:雲解像モデルの計算から得られるデータを利
用して、全球モデルの雲についてのパラメータを改良する。
非斉一モデル結合:非静力学雲解像モデルと静力学全球モデ
ルを結合し、全球モデルの高精度化を図る。
1格子埋め込み(スーパーパラメタリゼーション)
領域埋め込み結合(双方向通信)
比較検証実験:現在気候と温暖化気候における全球モデル出
力値を用いて、主に台風の雲解像実験を行いGCMの検証を行う。
雲解像モデル “CReSS”
Cloud Resolving Storm Simulator
雲スケールからストームスケールの現象のシミュ
レーションを地球シミュレーターなどの大規模並列計
算機で行うことを目的とした、非静力学・圧縮方程式
系の雲解像モデル。
地球シミュレータに最適化した純国産の雲解像領域
モデルを開発することを目標として、1998年より雲解
像モデルの開発を行なってきた。(一からの開発)
詳細な雲物理過程の導入。
地球シミュレータでの実績。高精度で高効率の並列化。
多様なシミュレーション:台風、集中豪雨、雪雲、竜巻など。
毎日の気象予報実験。国内外での利用。
計画の概要
H19年度
(2007)
H20年度
(2008)
H21年度
(2009)
H22年度
(2010)
H23年度
(2011)
雲解像モデル改良
パラメータ改良
非斉一モデル結合
比較検証実験
雲物理の2モーメン
ト化(雲水・雨水)
セミラグ法導入
広領域予報実験、 雲解像モデルの重
パラメータ抽出
並列化
衛星による検証 双方向通信の方法
の検討
観測された台風
の実験と検証
(衛星・地上によ
る検証)
1次氷晶改良、2次
氷晶導入
セミラグ法のパラ
メータ調整
高解像度の予報
実験、パラメータ
抽出
衛星による検証
雲解像モデルの
GCMとの1格子点結合
領域結合の試行と
予備的な実験
観測された台風
と現在気候の台
風の実験(衛星・
地上による検証)
雹のカテゴリーの導
入と豪雨や降雹への
インパクト検証
予報実験継続
パラメータの解
像度依存性検討
1格子点結合による 現在気候と温
長期積分
暖化気候の台風
領域結合による東ア の実験
ジア域の実験
雲物理の検証実験
GCMの雲表現
パラメータ改良
1格子点結合の実
験の継続と検証
領域結合による熱
帯の実験
現在気候と温
暖化気候の台風
の実験(台風発生
に重点)
雲物理の検証実験
GCMの雲表現
改良のインパクト
検証
1格子点結合による
GCM改善の検証
任意領域の領域結
合による実験
現在気候と温
暖化気候の台風
発生と熱帯の雲
の高解像度実験
平成19年度の研究計画
雲解像モデル高度化:
雲物理過程の改良(完全2モーメント化)
力学過程の改良(セミラグランジュ化)
パラメータ改良:日本周辺において2000km×2000km以上の
領域を対象として、毎日の予報実験を実施する。またこの結
果の検証を衛星データを用いて行う。
非斉一モデル結合:非静力学雲解像モデルと静力学全球モ
デルを結合し、全球モデルの高精度化を図る。
1格子埋め込み(スーパーパラメタリゼーション)のための重並列化
領域埋め込み結合(双方向通信)の検討
比較検証実験:実際に観測された台風について、いくつか
の事例を選び、雲解像モデルを用いて1km~500m程度の解像
度で実験を行い、全球モデルの結果と降水量や風の強度につ
いて比較検証する。
人事:上記の研究遂行のため研究員を1人雇用。
モデル高度化
雲水・雨水の2モーメント化について:これらの数濃度の物
理過程を定式化しモデルに導入した。結果の比較を始めた。
全2モーメント雲物理過程をCReSS Ver.3に導入した。
氷晶の観測データの収集している。
セミラグランジュ法をコーディングし、をCReSS Ver.3に導入
した。ただし、境界の扱いで問題が残る。
モデル高度化
CReSSの雲物理過程とその改良点
水蒸気
雲水
(qc,
(混合Nc)
比)
氷晶
(qi, Ni)
雪(降
水)
(qs, Ns)
雹(降
水)
(qh, Nh)
2次氷晶
雨(降
霰(降
水)
水)
(qr,
Nr)
(混合
(qg, Ng)
比)
◎力学過程の改良:セミラグランジュ法の導入
セミ・ラグランジュ法の導入とテスト
初期値
セミ・ラグ
Leap-flog法
1次風上
パラメータ改良
広域予報実験:東シナ海領域等で、解像度4kmの実験を
毎日実施。
過去の予報実験を用いて、GCM 格子スケールで以下の
パラメータを算出し、 GCM の格子毎の値との比較を行なうこ
とにより、その特徴を把握する。
・ 大規模凝結過程
・ 総水量の確率密度分布
・ 凝結水量と雲量
衛星データによる検証:1事例について、予報実験の結果
と衛星データを比較。
CReSSを用いた毎日のシミュレーション実験(結果の例)
2005年2月1日
名古屋市内大雪
2006年6月10日
梅雨前線帯が沖縄付近に
停滞。沖縄本島で大雨。
2005年9月6日
台風14号が九州西岸を
北上。九州各地で大雨。
CReSS シミュレーション実験結果の大規模凝結過程への適用
CReSSの計算結果:
対応するGCM格子、鉛直各層における
・GCM格子平均の値に相当する
総水量(Qttl)
・総水量の頻度分布
GCM格子点におけるPDFの例
衛星データを用いたシミュレーション実験の検証(雲頂温度)
右下:GOES 雲頂輝度温度
・梅雨前線に伴う雲域の形状は合っている。
・日本海西部の降水を伴わない雲域の形状
も合っている。
・モデルの雲頂温度は一様(やや雲頂高度
が高すぎる)。
千葉大 樋口さんより提供
非斉一モデル結合
雲解像モデルCReSSの重並列化:コーディングを完了。
GCM:CCSR/NIES/FRCGC GCM5,7bとの結合 :環境省
推進費(代表:渡辺雅浩北大准教授)の範囲で、1格子1方
向結合を実施中。
AFESとの結合の検討:AFESの内挿法を開発。これについ
ては、榎本さんが報告予定。
非斉一モデル結合
非斉一モデル結合(1格子・領域)によるGCMとCReSSの結合
雲解像モデルの重並列化による
任意領域、任意形状の埋め込み
初期値から5日目の
降水強度(mm/hr)の
分布。
赤線は気象庁ベスト
トラック。
黒線はCReSSによる
台風の中心位置。
中心位置の誤差は
数10km程度。
ベストトラックとシミュレーションの中心位置との差
非斉一モデル結合のための補間法
•
•
•
双方向ネスティ
ング
異なる格子系
高精度補間法の
必要性
全球モデル
雲解像モデル
高精度補間法の比較
初期値からのずれ
非内挿法
双3次補間 (スペクトル)
双3次補間 (セミスペクトル)
双5次Lagrange補間
Enomoto, accepted in SOLA
•
•
•
簡便, 高速かつ高精度な補間法を開発.
スペクトル微係数を双3次補間に利用.
移流項の計算だけでなく,
ダウンスケーリングにも適用可.
台風の比較検証実験
観測された台風との比較・検証:台風0423, 0418, 0515,
0422, 0704, 0711, 0712, 0715について、シミュレーション実験
を実施。観測と比較を実施中。
特に0418, 0704, 0711, 0712, 0715について、重並列化によ
るタイル張り拡張領域を用いた方法での実験を実施(または
検討)中 。
AMeDASデータを用いたシミュレーション実験の検証
台風T0418(2004年9月5日)のケース
水平解像度は 2 km
・ CReSSを用いたシミュレーション結果と
AMeDAS による地上観測の結果
(風、気温、降水量)の比較の時系列。
・ 今後、散布図を作り、シミュレーションの
特性(バイアスなど)を示す。
台風0406号
(2004年)
気象庁ベストトラック
CReSS 降水強度(mm/hr)
台風0406号
(2004年)
気象庁ベストトラック
レーダーAMeDAS
Best track of T0423 (central pressure; hPa)
Total rainfall (mm)
for 24hrs
延岡
Rainfall intensity (mm/hr)
Bars:Observation
Solid line: CReSS
Dashed line: RSM
Time (UTC)
Rainfall intensity (mm/hr)
Bars:Observation
Solid line: CReSS
Dashed line: RSM
Time (UTC)
Threat score of rainfall intensity (30 mm/hr)
Black line: CReSS
Blue line: RSM
Time (UTC)
H19年度計画の達成度(12月1日現在)
研究内容
達成度
研究項目
雲物理の2モーメント化(雲水・雨水)
雲解像モデル改良 セミラグランジュ法導入
パラメータ改良
広領域予報実験、パラメータ抽出
衛星による検証
雲解像モデルの重並列化
非斉一モデル結合 双方向通信の方法の検討
比較検証実験
観測された台風の実験と検証 (衛星・
地上による検証)
60%
80%
60%
50%
100%
50%
80%
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