発表要旨
1. プロジェクトの目的
本プロジェクトでは，地球シミュレータの能力を最大限に活用し、気象、1-2年にわたる比較的短期的な変動現象を含む全球的な気象、気候現象など，異なるスケールの現象をシームレス結び付けた超高速シミュレーションを可能にする、非静力・大気海洋結合シミュレーションコードを開発する。本研究開発は，地球シミュレータが存在することによって初めて現実的に考えることか可能となる、時間的・空間的に異なるスケール間相互作用メカニズムを結び付けようとするものであり、学術的に意義のあるアプローチであると同時に、気象の時間スケールからより長期的な気象現象の予測可能性の限界に挑戦する予測シミュレーションである。
地球シミュレータ上において、大気、海洋、陸面、都市モデルなど、個々のモデルに加えて、各モデル間の相互作用について、最新の結果をと入れたモデル開発、および高精度な数値計算技術を開発、実装することで，従来よりもさらに高精度に現象を再現できる、予測シミュレーションを目指す。特に、台風や集中豪雨などの気象災害など、社会生活に直接影響を与える予測シミュレーションの精度向上、都市型気象・気候とそれをとりまくメソスケールの現象の予測シミュレーション、さらにメソスケール、全球スケールの大気海洋相互作用の影響を考慮した予測シミュレーションモデルの研究開発を行う。環境産業への応用や都市環境設計，環境アセスメント等への高精度の予測シミュレーションに利用可能な、広い適用範囲をもつシミュレーションコードの開発を目指す。
2. 今年度当初の計画
2006年度は、本プロジェクトで開発してきた全球-領域・非静力学・大気海洋結合コード（Multi-Scale Simulator for Geoenvironnment: MSSG）を用いて、
(1) モデル開発としては、
- 高精度数値解法の開発と実装：CIP-CSLR等の先進的な計算スキームを開発し、MSSGに統合して地球シミュレータ上において実装する。
- 海氷モデルと高度化した陸面もモデルをMSSGへ導入し、地球シミュレータ上に実装する。
(2) MSSGモデルの検証シミュレーションとして、
- メソスケールと都市スケール統合モデルの物理的検証。
- メソスケール－都市型気象の事例シミュレーションの試み。
- 台風、集中豪雨の事例再現実験と予測シミュレーションの実施。精度の評価。
- より長時間積分への拡張、
を行うことを目標とした。加えて、
(3) 動的適合格子の導入を行うことを目標とした。
3. 今年度得られた成果
(1)モデル開発としての成果として、以下の成果が挙げられる。
①高精度数値解法の開発とMSSGとの統合において：
- (i) CIP-CSLRのMSSGへの実装を完了し、計算精度の検証を行った結果、高い精度での非線形移流項の計算が可能となった。
- (ii) 鉛直方向z座標を導入し、メソスケールのシミュレーションで有用である鉛直座標系z*との統合をMSSG上で実現し、ES上に実装した。
- (iii) 都市スケールにおける3次元放射輻射過程モデルの開発を行い、MSSGに導入するとともにES上に実装した。
- (iv) 都市域のビル群域における日陰率の計算についての新たな解法を開発し、MSSGに導入するとともにES上に実装した。
- (v) ビル壁面と大気間の熱伝導モデルのMSSGへの導入とES上への実装を行った。
②物理過程モデルの開発と高度化、MSSGとの統合において：
- (i) 雲微物理モデル（バルク法）に乱流による粒子衝突効果を加えたモデルを、MSSG上で統合した。
- (ii) 雲微物理モデル（ビン法）をMSSGに導入し、加えて、乱流効果を考慮した粒子間衝突モデルを統合した。
③新たなモデルコンポーネントの導入とMSSGとの統合において：
- (i) 海氷モデルの導入し、地球シミュレータ上における実装を完了した。
- (ii) 陸面モデルの高度化：複数層の土壌熱伝導、水蒸気、水文フラックス移動計算の高度化を行った。
- (iii) 放射過程モデルの高度化：雲微物理過程を採用している高解像度シミュレーションに適用した雲粒子の異なる相の影響が反映される放射過程のMSSGへ導入し、地球シミュレータ上に実装した。
④計算性能最適化において：
新たな数値計算スキーム、および新たな物理課程モデル（雲微物理過程、放射過程モデルなど）の導入と実装に際する各段階において、ベクトル化効率、並列化効率、通信量削減と隠蔽化、使用メモリの効率化、データハンドリングの容易性などについての検討を行い、最適化を進めた。その結果、新たなスキームやコンポーネントの導入後においても、導入以前の高い計算性能を保持できることを確認している。
(2) 予測シミュレーションの実施と事例検証実験を行い、下記の成果を得た。
①2006年台風12号、13号、14号、16号、17号の予測シミュレーションの実施と精度評価：
各台風における72時間予測シミュレーションを行い、台風の進路と強度に関する精度評価を行った。転向域における進路のずれ、発達時における強度の相違などは、大気の初期値の設定に影響を受けるとともに、大気海洋の相互作用を通してのエネルギー輸送についても考慮する必要があることが示唆された。
②梅雨前線と豪雨の再現シミュレーションを実施：
本年度導入したCIP-CSLRを用いて、梅雨前線による豪雨の再現実験の結果、移流の計算精度が降雨領域に影響を与えることが示唆された。
③乱流効果を考慮した雲微物理課程モデルのインパクト：
MSSGもでるにおいてビン法とバルク法の二つの雲微物理モデルを導入し、2つの微物理モデルそれぞれに対して、乱流効果を加えた粒子衝突モデルを考えた結果、ビン法、バルク法ともに、山岳における地形性降雨の降雨開始時間、降水領域、降水の強度分布に、欄流行歌を考えない微物理過程を用いた結果と比較して、降雨量が多くなる優位な差を認めた。大気境界層の乱流拡散過程の効果が、降雨課程に影響を与えることが示唆された。
④メソスケールの高解像シミュレーションによる気象日変化の再現：
会津、いわき、磐梯山域における50メッシュシミュレーションを行い、会津地域に特有な気象特性を再現できることを示した。特に、対象日において、夕方から夜間にかけての風、温度や湿度の変化は、山岳地形の特徴による影響が大きいことが示唆された。
⑤東京都23区の都市スケールシミュレーションを実行し、現実の観測データとの比較検証を実施：
沿岸域の日変化の特徴を精度よく再現できることを確認した。都市部については、都市排熱等の都市特性を導入することが必要であることが示唆された。
⑥1.9ｋｍ（水平解像度）のMSSG全球・非静力学・大気モデル(MSSG-A)によるシミュレーション：
1.9ｋｍの全球シミュレーションにより、降雨分布の日変化をより詳細に捉えることが可能であることが示唆された。
⑦MSSG-Aによるアンサンブル季節シミュレーション（水平解像度として、40ｋｍ, 20ｋｍ, 10km, 5kmを実施、鉛直32層）：
夏季（6月、7月、8月）の季節シミュレーションを行い、MSSG-Aの長期積分の可能性について検討した。導入した放射過程モデルの地表面低温バイアスの改善、地表面初期値の改良を行った。
⑧MSSG全球海洋モデル(MSSG-Ｏ)による、強風時（2005年台風14号）の日本領域の海洋シミュレーション（ネスティングを実施し、日本領域水平解像度は700ｍ）：
海洋においても高解像度でのネスティングが使用可能であることを示した。特に、黒潮領域から湾内への渦の輸送や、島による流速分布への影響などが詳細に捕らえられる可能性が示唆された。