平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

気候変動に適応可能な環境探索のためのマルチスケールシミュレーション

発表資料 (2.6MB)

1. プロジェクト名

気候変動に適応可能な環境探索のためのマルチスケールシミュレーション

Simulations of Adaptation-Oriented Strategy for Climate Variability

2. プロジェクト責任者名

高橋 桂子 (独立行政法人海洋研究開発機構 地球シミュレータセンター)

Keiko Takahashi

3. プロジェクトの目的

地球温暖化に伴いエルニーニョ，インド洋ダイポールなどの気候変動が変化し，さらに台風や豪雨，都市環境などなどの局所的な気象や気候変動がどのような変化を受けるのかについては，社会的な関心が非常に高い。気候変動に適応するための身近な環境をどう構築してゆくか，という課題については，学術的にもますます関心が高く，積極的な研究開発が世界的に展開されようとしている。

本プロジェクトは，この社会的に高い要請に応えるために，地球シミュレータ上で高い計算性能を達成した全球/領域に対応可能な非静力学大気海洋結合モデルMSSGを使用して，規模な気候変動とその異常が，日本近海域や港湾，および都市域の環境にどのような影響を与えるかを，マルチスケールシミュレーションを実施して評価する。気候変動による環境変化に適応するための施策について具体的な事例を想定し，その施策がより広域の環境にどのように影響を与えるかについてのアップスケーリングシミュレーションについても挑戦する。

4. 今年度当初の計画

(1) 初年度の研究計画に基づき，大気コンポーネントMSSG-A, 海洋コンポーネントＭＳＳG-Ｏ,大気海洋結合バージョンMSSGそれぞれについての，地球シミュレータにおける季節から年々変動のシミュレーションを実施し，現実可能な問題規模の同定と計算性能評価，および計算性能最適化を行う。

(2) 上記と併行して，各コンポーネントとMSSGに対する最大問題規模を同定し，地球シミュレータ上における最大解像度の同定と計算性能についての限界を同定する。

(3) 上記(1)で同定された問題設定に対して，高精度物理モデルの選定のための理想系でのシミュレーションと選定決定のための大規模サーベイシミュレーションを実施する。

(4) 上記(1)で同定された問題設定に対して，高速計算アルゴリズム，高精度計算スキームの選定のための条件サーベイシミュレーションと，計算性能評価および計算性能最適化を行う。

(5) 上記2課題の結果を基盤に，MSSG-A, MSSG-O, MSSGそれぞれに対する季節から年々スケールのテストシミュレーションを実施し，基礎的な物理性能評価を実施する。

5. 研究計画に沿った利用状況

本年度配分された利用ノード時間は，現時点までで，既にほぼ90％以上を使用終了した。以下に，各サブテーマで使用したノード時間を示す。いずれも，当初予定した使用ノード時間であり，サブテーマ（5）については年度末までに100％使用する予定である。

区分２：26,000ノード時間の使用内訳：

(1) 約1000ノード時間（100％完了），(2) 約10,000ノード時間（100％完了），(3) 約5,000ノード時間（100％完了），(4)約 1,000ノード時間（100％完了），(5) 約8,000ノード時間（約88％完了）。

6. 今年度得られた成果，および達成度

成果

本年度は，サブテーマ（1）～（4）は，ES2上における計算性能最適化であり，ベクトル超，通信に関わる並列化性能の問題点をコンポーネントごとに詳細な性能解析を行い，MSSGの大気，海洋，および結合バージョンそれぞれについての計算性能最適化を行った。本稿では詳細については割愛するが，下記に計算性能結果（21年11月時点）を示す。理論ピーク性能値に対して，約20％の計算性能を達成した。

計算性能

また，計算性能最適化の過程において，各コンポーネントの実装上変更が物理的性能への影響を与えないか，またの基礎実験，および季節～年々変動の再現実験を行い（これらは現在も継続中），計算性能最適化の影響がないことを検証し，また来年度以降本格的な予測実験に向けたES2上での予測計算実行の見積もり，および短期～季節および年々変動再現実験の設定の再考，予備的実験を実施し，予備的実験においては観測結果と比較して良好な結果を得ることができた。

以下，物理的性能向上のためのモデル開発成果の一部を紹介する。

(i) MSSG-Aにおける雲物理計算手法の高度化

都市エアロゾルが対流雲の発達への影響評価を行い，乱流衝突効果がGCCNもともに有意なインパクトを与えることを明らかにした。

(i) MSSG-Aにおける雲物理計算手法の高度化

(ii) MSSG-Oにおける非定常擾乱発達過程の検証

60日後の海面温度の変化の様子を示す。波の発達など擾乱の発達していく様子よく再現されており，他のモデルとの比較においても何ら遜色がないことを示した。

(ii) MSSG-Oにおける非定常擾乱発達過程の検証

(iii) 大気境界層内に密度成層が存在する場合の都市スケールの水平・鉛直混合過程の解明

熱フラックスによりシアー支配から対流支配へと遷移する過程において特徴的渦構造があることを明らかにした。

(iii) 大気境界層内に密度成層が存在する場合の都市スケールの水平・鉛直混合過程の解明

達成度

各サブテーマに関する本年度の達成度は以下のとおりである。

  • (1) 100%
  • (2) 100%
  • (3) 100%
  • (4) 100%
  • (5) 75% (今年度終了時までに，継続中の検証実験とそれらの比較解析を残している。)

8. 研究成果一覧 (投稿中の論文、予定講演の場合はその旨記載のこと)

a. 原著論文 (査読あり)

  • Keiko Takahashi, Ryo Onishi and Takeshi Sugimura, Ultra high performance computation in MSSG and CIP-CSLR scheme for cloud micro physics, J. NMF. (accepted)
  • Keiko Takahashi, Multi-Scale Simulation in the Earth Simulator and its impacts, Multiscale Phenomena in Biology, Proceedings of the 2nd Conference on Mathematics and Biology, Okinawa, Japan, 4-6 November 2008 (2009).
  • Ryo Onishi, Keiko Takahashi and Satoru Komori, Influence of gravity on collisions of monodispersed droplets in homogeneous isotropic turbulenc, Physics of Fluids. (accepted)
  • Ryo Onishi, Takeshi Sugimura and Keiko Takahashi, Condensation / evaporation calculation method for cloud droplets using the CIP-CSLR scheme, Journal of Environment and Engineering (accepted)
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2009), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas, J. Geophys. Res., 114, C06016, doi:10.1029/2008JC005150.
  • Daria J. Halkides, Tony Lee, and Shinichiro Kida (2009), The mechanism controlling seasonal mixed layer temperature of the Indonesian Seas in an ECCO assimilation product, submitted to Ocean Dynamics.
  • H. Annamalai, Shinichiro Kida, and Jan Hafner (2009), Potential Impact of the tropical Indian Ocean – Indonesian Seas on El Niño Characteristics, submitted to Journal of Climate.

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • Keiko Takahashi, Ryo Onishi, Takeshi Sugimura, Yuya Baba and Koji Goto, Hiromitsu Fuchigami, Seamless Simulations in Climate Variability and HPC, Proceeding of TeraFlops2008.(accepted)
  • Baba, Y., Takahashi, K., “High performance scheme and characteristics for fully compressible flows resolving buildings in urban area”, The 7th International Conference on Urban Climate, Pacifico Yokohama, Japan, CDROM (2009).
  • Baba, Y., Takahashi, K., “High performance fully compressible scheme for atmospheric flows over real urban area”, 6th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 6 (THMT’09), Roma, Italy (2009), pp.885-888.
  • Baba, Y., Takahashi, K., “Ultra high resolution and high performance simulation of compressible atmospheric flows over urban area”, 14th SIAM Conference on Parallel Processing and Scientific Computing, Seattle, Washington, (ページ数不明) (2010).
  • Watanabe, H., Tanno, K., Baba, Y., Kurose, R., Komori, S., “Large-eddy simulation of coal combustion in a pulverized coal combustion furnace with a complex burner”, 6th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 6 (THMT’09), Roma, Italy (2009), pp.1027-1030.
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2010), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. Ocean Sciences Meeting, Feb, 2010
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2009), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. 15th Pacific-Asian Marginal Sea Meeting, May, 2009
  • JAMSTEC Report of Research and Development, Volume 9, Number1, March 2009, pp.76-135.
  • 高橋桂子，気候変動および気象予測と超大規模・超高速シミュレーション，RIST　NEWS　（2010）.
  • 高橋桂子，地球シミュレータによる大規模シミュレーション、大規模シミュレーションの現状と課題・将来展望, 化学工学誌（5月号）（2009）.
  • 高橋桂子，気象・気候変動予測シームレスシミュレーション，東京大学情報基盤センタースーパーコンピューティングニュース』特集号，(2009).
  • 大西　領，高橋桂子，小森　悟, 雲シミュレーションにおける混相流計算の高度化（豪雨予測の高度化を目指して），混相流，2009年9月号23巻3号276-283
  • 大西　領，高橋桂子, MSSG-ビン法を用いた高度な雲シミュレーション ，イノベーションニュース Vol.11, 2009/9
  • 大西領，高橋桂子，巨大雲凝結核の存在が雲の発達に与える影響，第23回数値流体力学会シンポジウム，仙台市民会館，2009年12月17日．
  • 馬場雄也, 高橋桂子, “完全圧縮解法を用いた安定・不安定境界層下での建物回り流れのシミュレーション”, 第23回数値流体力学シンポジウム, 仙台市民会館, CDROM (2009).
  • 木田新一郎、高橋桂子、月刊海洋特集「南極海の深層水形成と海氷過程（仮題）」 (2010)　にて「南極底層水と沿岸流の相互作用」 (執筆予定)
  • （学会発表アブストラクト）Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2009), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. 2009年度日本海洋学会春季大会予稿集

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • Keiko Takahashi, Yuya Baba, Ryo Onishi, Takeshi Sugimura, Ultra-high resolution and nonstationary simulations to understand heat storage mechanism in urban area, The 7th International Conference on Urban Climate (ICUC-7), Yokohama, Japan, 29June-3 July, 2009.
  • Ryo Onishi and Keiko Takahashi, Impact of urban aerosols on convective precipitations, The 7th International Conference on Urban Climate (ICUC-7), Yokohama, Japan, 29June-3 July, 2009 .
  • Ryo Onishi, Takeshi Sugimura and Keiko Takahashi, CIP-CSLR scheme for condensation and evaporation calculations in spectral-bin cloud microphysics, 15th International Conference on Finite Elements in Flow Problems (FEF09), Tokyo, Japan, 1-3 April, 2009 .
  • Ryo Onishi and Keiko Takahashi, Spectral-bin cloud microphysics scheme in MSSG and its applications, 2nd OFES international workshop and ESC-IPRC joint workshop on Computationally-intensive modeling of the climate system, Honolulu, US, 9-10 December, 2009.
  • Ryo Onishi, Seamless Simulations with Multi-Scale Simulator for the Geoenvironment (MSSG), NUG XXI, Sendai, Japan, 19-22 April, 2009(4/22発表)
  • Takeshi Sugimura, Keiko Takahashi, Makoto Iida. Numerical wind analysis on complex topography using multiscale simulation model, The 7th International Conference on Urban Climate, 29.June-3.July, 2009, Yokohama, Japan.
  • Takeshi Sugimura, Keiko Takahashi, Takashi Yabe, Global Fluid Simulation for Fully Compressible Fluid using Adaptive Soroban Grid, 15th International Conference on Finite Elements in Flow Problems, 1-3 April, 2009, Tokyo Japan.
  • Baba, Y., Takahashi, K., “High performance scheme and characteristics for fully compressible flows resolving buildings in urban area”, The 7th International Conference on Urban Climate, Pacifico Yokohama, Japan, 7/1 (2009).
  • Baba, Y., Takahashi, K., “High performance fully compressible scheme for atmospheric flows over real urban area”, 6th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 6 (THMT’09), Roma, Italy, 9/17 (2009).
  • Baba, Y., Takahashi, K., “Ultra high resolution and high performance simulation of compressible atmospheric flows over urban area”, 14th SIAM Conference on Parallel Processing and Scientific Computing, Seattle, Washington, 2/26 (2010).
  • Watanabe, H., Tanno, K., Baba, Y., Kurose, R., Komori, S., “Large-eddy simulation of coal combustion in a pulverized coal combustion furnace with a complex burner”, 6th International Symposium on Turbulence, Heat and Mass Transfer 6 (THMT’09), Roma, Italy (2009), pp.1027-1030.
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2010), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. Ocean Sciences Meeting, Feb, 2010 (Poster)
  • Shinichiro Kida and Keiko Takahashi (2009), The impact of open ocean circulation on marginal sea overflows, ESC-IPRC workshop Dec, 2009
  • Shinichiro Kida and Keiko Takahashi (2009), The role of the Indonesian Seas on tropical climate, APL workshop, Dec, 2009
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2009), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. 15th Pacific-Asian Marginal Sea Meeting, May, 2009
  • 大西　領，雲に見られる混相乱流現象ー雲粒の乱流衝突成長ー，火山現象の数値計算研究，東京大学地震研究所，2009/11/16.
  • 大西　領，MSSGビン法による乱流雲解像気象シミュレーション，電中研情報交換会，電力中央研究所（千葉県我孫子地区），2009/8/4.
  • 大西　領，地球～地域～都市の丸ごと気象シミュレーション－Seamless simulations for global/regional/urban scales－，第８回産学官連携推進会議，京都国際会議場（京都），2009/6/20-21.
  • 杉村剛, 高橋桂子, CIP法における方向分離計算の安定性解析, 第22回計算力学講演会, 金沢, 2009年10月.
  • 馬場雄也, 高橋桂子, “完全圧縮解法を用いた安定・不安定境界層下での建物回り流れのシミュレーション”, 第23回数値流体力学シンポジウム, 仙台市民会館, 12/16 (2009).
  • Shinichiro Kida and Keiko Takahashi (2009), 縁辺海と外洋の相互作用, 日本海洋学会秋季大会, Sep, 2009.
  • Shinichiro Kida and Keiko Takahashi (2009), 南極底層水と沿岸流の相互作用, ワークショップ「海氷生成とそれに伴う高密度水・底層水形成過程：今後の南大洋の観測とモデリングへ向けて」, Jul, 2009.
  • Shinichiro Kida and Kelvin J. Richards (2009), Seasonal Sea Surface Temperature variability in the Indonesian Seas. 2009年度日本海洋学会春季大会.
  • 河野直紀, 黒瀬良一, 小森悟, 道岡武信, 馬場雄也, “液相反応乱流場のLarge-eddy simulation (Flameletモデルの適用)”, 日本流体力学会年会2009 (2009).

講演

  • Keiko Takahashi, Ultra-high resolution climate model development for societal applications using the Earth Simulator, Symposium on Climate Variations in Southern Africa and Roles of Subtropical Oceans, Tokyo, 3rd Dec (2009).
  • 高橋桂子，小森悟，矢部孝，足永靖信，災害予測シミュレーションの高度化，平成21年度CREST公開シンポジウム，東京，11月12日 (2009).
  • 高橋桂子，温暖化（気候変化）が進む中，気候変動と異常気象に適応できるか，地球シミュレータシンポジウム，東京，11月19日（2009）.
  • 大西　領，「未来を予測するって、どういうこと？」－シミュレーションでお天気や地球温暖化を予測する－，青少年のための科学の祭典2009特別講演，神戸市立青少年科学館，2009/9/5.