平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

地球温暖化予測研究のための高精度気候モデルの開発研究

発表資料 (2.7MB)

1. プロジェクト名

地球温暖化予測研究のための高精度気候モデルの開発研究

Development of a high-quality climate model for global warming projection study

2. プロジェクト責任者名

野田 彰 (独立行政法人海洋研究開発機構 地球環境変動領域 地球温暖化予測研究プログラム)

Akira Noda

3. プロジェクトの目的

本研究は、昨年度まで地球シミュレータ共同研究プロジェクト「気候システム研究のための高精度大気・海洋・陸面結合大循環モデルの開発」を継続するものである。前回までのプロジェクトでは、雲を直接解像する全球雲解像像大気モデルならびに中規模渦を直接解像する全球渦解像海洋モデルの開発を含めていたが、今回は研究の対象を絞り、温暖化予測のための各種物理モデルの開発を進めながら、地球環境の変動メカニズムの解明のための研究を展開する

4. 今年度当初の計画

上記プロジェクトの目的を達成するために、以下の研究開発を行う（複数年計画）。

1) 氷床モデル・凍土モデル・海氷モデルの開発

氷床モデルや凍土モデルなどの新しい物理モデルを新規に開発する。また、温暖化予測実験のための海氷モデルを開発する。寒冷圏に関わるモデルの重要性は年々高まっており、これらを地球シミュレータ上で開発されてきた大気・海洋・陸面結合大循環モデル（CCSR/NIES/FRCGC大気海洋陸面結合大循環モデル：MIROC)に組込み、気候システムにおける熱や水の循環をより精密に再現できるようにする。

2) 大気、海洋、陸面の物理過程の評価と改良

MIROCに含まれる、気候感度に影響を与える雲・降水システム、放射、積雪などの物理過程を、観測データや雲解像モデルとの比較を行いながら、改良する。その他の大気、陸面、海洋の物理スキームについても同様のアプローチにより改良する。

3) 地球温暖化予測ならびに古気候再現に関わる気候モデルの感度実験

開発したモデルが温暖化予測においてどれ程の気候感度があるか調査する。さらに、新・旧バージョンのMIROCを用いて、古気候の再現や、季節的な気候状態の再現に重要と考えられる成層圏の波動が温暖化によってどのように変化するかなど、地球温暖化予測にとって基礎的・新規性のある研究テーマに取り組み、開発する大循環モデルの気候モデルとしての信頼性を高める。

5. 研究計画に沿った利用状況

  • 物理モデルの開発 : 0.8 万ノード時間
  • 古気候シミュレーション : 0.9 万ノード時間
  • 温暖化時のQBO実験 : 0.9 万ノード時間

6. 今年度得られた成果，および達成度

成果

1）氷床モデル・凍土モデル・海氷モデルの開発

物理モデル(氷床モデル・凍土モデル・海氷モデル)の開発については、海氷モデルを従来の 2 カテゴリモデルに替えてより高度化されたマルチカテゴリモデルを大気海洋結合モデルに組み込んだ。モデルは安定に動作し、特に北極海での海氷厚再現性が向上した。また厚い氷のみの被覆率など、海氷場のより詳細な解析が可能となった。

2）大気、海洋、陸面の物理過程の評価と改良

陸面過程については、積雪や土壌物理の改良を進めている。積雪被覆率の算定に地形と植生の効果を考慮したスキームの組み込みを試み、シベリアやアラスカで被覆率が改善する傾向が見られた。今後の課題として、長期積分における安定性を確保する為の導入方法を検討する。また、積雪表面への大気中エアロゾルの沈着によるアルベド低下の効果を組み込んだ。この結果、春季の融雪の遅れが改善することが期待される。土壌物理については、熱物理定数の算定式の改良や有機層の考慮によって地表気温等のバイアスが改善する見通しが得られた。今後、MIROCの気候感度実験によりさらに改良を進めたい。

3）地球温暖化予測ならびに古気候再現に関わる気候モデルの感度実験

古気候シミュレーション については MIROCを用いて、氷期、間氷期と、融氷期を想定したシミュレーションを行った。それぞれの時代に大陸氷床からのとけ水が海洋に流入した状況を想定したシミュレーションを行った結果、同じ淡水流入でも、気候場によって海洋の深層循環に及ぼす影響が異なることがわかった。また、MIROCの気候場を与え、炭素循環モデルを用いて、氷期の気候場における炭素循環の応答を調べ、また、同位体モデルを用いて大気の水循環場の変化を調べた。その結果、氷期における北大西洋深層水の停滞と海氷の拡大が、大気中の二酸化炭素分圧の低下に寄与することがわかった。

温暖化時のQBO実験については、高解像度気候モデルを用いて、成層圏QBOを駆動する波の同定を行った。赤道波、内部重力波、中緯度ロスビー波の寄与について、高度毎およびQBOの位相毎に詳細に調べた。更にwave forcingの3次元分布も調べた。その結果、西風位相と東風位相で、平均流加速を引き起こす波の種類およびスケールが異なること、また経度方向に強い依存性があることが明らかになった。以上の研究成果を2本の論文としてまとめ、受理された。また、同モデルデータを用いた中層大気力学に関する共同研究も行い、対流圏界面構造に果たす波動の役割、中間圏の波動起源、4日波、および南半球の成層圏重力波に関する考察を行い、それぞれ論文としてまとめた。また地球温暖化時のQBOの変化について調べるために、解像度を落とした気候モデルによる長期積分を行うためのモデル設定、チューニング、実験・解析を継続している。

達成度

  • 海氷モデルについては、マルチカテゴリモデルを大気海洋結合モデルに組み込み、海氷厚の再現性を向上させた。(達成度100%)
  • 古気候シミュレーションについては、ほぼ予定通り研究が進み、年度末で予定していたシミュレーションが終わるように配分して進めている。 (達成度 80%)
  • 地球温暖化時のQBOの振る舞いの違いについて、二酸化炭素濃度変化と海面水温変化の違いを明らかにするために、感度実験を複数行った。当初予定されていた計算はほぼ終わった。(達成度95%)

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)

  • Tatsuo Suzuki, Fuyuki Saito, Teruyuki Nishimura and Koji Ogochi (2009), Coupling procedures of heat and freshwater fluxes in MIROC(Model for Interdisciplinary Research on Climate) version 4 , JAMSTEC Rep. Res. Dev, 9 1-9.
  • Chikamoto, Abe-ouchi, Oka, Ohgaito. Marine carbon cycle sensitivity to background glacial climate states, Paleoceanography submitted
  • Kawatani, Y., M. Takahashi, K. Sato, S. P. Alexander, and T. Tsuda, 2009: Global distribution of atmospheric waves in the equatorial upper troposphere and lower stratosphere: AGCM simulation of sources and propagation, J. Geophys. Res, 114, D01102, doi:10.1029/2008JD010374.
  • Kawatani, Y., K. Sato, T. J. Dunkerton, S. Watanabe, S. Miyahara, and M. Takahashi: The roles of equatorial trapped waves and internal inertia-gravity waves in driving the quasi-biennial oscillation. Part I: zonal mean wave forcing, J. Atmos. Sci, DOI: 10.1175/2009JAS3222.1, in press
  • Kawatani, Y., K. Sato, T. J. Dunkerton, S. Watanabe, S. Miyahara, and M. Takahashi: The roles of equatorial trapped waves and internal inertia-gravity waves in driving the quasi-biennial oscillation. Part II: Three-dimensional distribution of wave forcing, J. Atmos. Sci, DOI: 10.1175/2009JAS3223.1, in press
  • S. Watanabe, Y. Tomikawa, K. Sato, Y. Kawatani, K. Miyazaki, and M. Takahashi, 2009: Simulation of the Eastward 4-day Wave in the Antarctic Winter Mesosphere Using a Gravity Wave Resolving General Circulation Model, J. Geophys. Res., 114, D16111, doi:10.1029/2008JD011636, 2009.
  • K. Sato, S. Watanabe, Y. Kawatani, Y. Tomikawa, K. Miyazaki, and M. Takahashi, 2009: On the origins of mesospheric gravity waves, Geophys. Res. Lett., 36, L19801, doi:10.1029/2009GL039908.
  • K. Miyazaki, S. Watanabe, Y. Kawatani, Y. Tomikawa, K. Sato, and M. Takahashi, Transport and mixing in the extratropical tropopause region in a high vertical resolution GCM. Part I: Potential vorticity and heat budget analysis, J. Atmos. Sci., in press
  • K. Miyazaki, K. Sato, S. Watanabe, Y. Tomikawa, Y. Kawatani, and M. Takahashi,　Transport and mixing in the extratropical tropopause region in a high vertical resolution GCM. Part II: Relative importance of large-scale and small-scale dynamics, J. Atmos. Sci., in press
  • M. J. Alexander, M. Geller, C. McLandress, S. Polavarapu, P. Preusse, F. Sassi, K. Sato, S. Eckermann, M. Ern, A. Hertzog, Y. Kawatani, M. Pulido, T. Shaw, M. Sigmond, R . Vincent, S. Watanabe, A Review of Recent Developments on Gravity Wave Effects in Climate Models and the Global Distribution of Gravity Wave Momentum Flux, Q. J. R. Meteorol. Soc., submitted
  • K. Sato, S. Tateno, S. Watanabe and Y. Kawatani, Gravity wave characteristics in the Southern Hemisphere revealed by a high-resolution middle-atmosphere general circulation model, J. Atmos. Sci., submitted

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • 河谷芳雄, 佐藤薫, T. J. Dunkerton, 渡辺真吾, 宮原三郎, 高橋正明, 2009: “成層圏QBO に於ける赤道波と３次元重力波の役割　～高解像度気候モデルを用いた考察～”, 第3回赤道大気レーダーシンポジウム, 2009年9月, 京都大学生存圏研究所（印刷中）

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

  • Tanaka, Y. and H. Hasumi (2009): Temporal residual-mean velocity in the Southern Ocean evaluated using output of an eddy resolving ocean model, European Geosciences Union General Assembly 2009, Vienna, Austria, April, 2009.
  • Tanaka, Y. and H. Hasumi (2009): Temporal residual-mean velocity in the Southern Ocean evaluated using output of an eddy resolving ocean model, Workshop on Ocean Mesoscale Eddies, Exeter, England, April, 2009
  • 小室　芳樹、低解像度モデルにおける南極底層水形成過程の現実的再現に向けて～全球モデルとウェッデル海領域モデルの結果の比較から、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に向けて」、2009/7/7。
  • 田中　幸夫、南大洋モデリングからわかる渦の役割、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に向けて」、2009/7/7
  • Sakamoto, T. T., H. Hasumi, and T. Suzuki, Variability of the Atlantic meridional overturning circulation in an eddy-permitting OGCM simulation, MOCA09, July　2009.
  • 坂本 天、羽角 博康、鈴木 立郎、全球渦許容海洋大循環モデルを用いた経年変動実験における北大西洋深層水流量の10 年スケール変動、2009年度日本海洋学会秋季大会、2009 年9 月。
  • 鈴木立郎、MIROC3.2における地球温暖化にとも会う海面水位分布の変化、日本海洋学会秋季大会ポスター発表、2009年9月28日、京都.
  • Tatsuo Suzuki, Understanding geographical distribution of future sea level projections in a Model for Interdisciplinary Research on Climate version 3.2 (MIROC 3.2), AGU fall meeting, 17 DEC 2009.
  • Tsugawa M and H. Hasumi, “Generation and Growth mechanism of the Natal Pulse”, submitted to JPO.
  • Motohiko Tsugawa, “Development of a cubic grid ocean general circulation model for parallel computers”, CHPC conference, Johanesburg, South Africa, Dec. 2009, (invited).
  • R Ohgaito, A. Abe-Ouchi, N. Kurita d18O-temeprature relationships modeled in the paleoclimate simulations using MIROC AGCM　 PAGES 3rd Open Science Meeting
  • 大垣内 るみ、阿部彩子、 栗田直幸 大気大循環モデルによる氷期シミュレーションで得られた酸素同位体比- 気温の関係 ２００９年度　日本地球化学会年会
  • R Ohgaito, A. Abe-Ouchi, N. Kurita d18O-temeprature relationships modeled in the LGM and mid-Holocene simulations using MIROC AGCM, AGU Fall Meeting 2009
  • 村上 茂教, 大垣内るみ, 阿部彩子 氷期気候系のエネルギー論・その2 日本気象学会春季大会
  • 近本 めぐみ、阿部彩子, 岡顕, 大垣内るみ 氷期の気候場に対する海洋炭素循環の応答　2009年度地球化学会年会
  • 近本 めぐみ, 阿部彩子, 大垣内るみ, 岡顕 氷期におけるベーリング海峡と北太平洋の海洋循環の関係 2009年度日本海洋学会秋季大会
  • 近本 めぐみ, 岡顕, 阿部彩子, 大垣内るみ 氷期の大気海洋循環場に対する海洋炭素循環の応答２００９年度日本海洋学会春季大会
  • 近本 めぐみ、阿部彩子, 岡顕, 大垣内るみ Simulations of ocean carbon cycle based on the glacial climate fields of a full coupled atmosphere-ocean GCM 日本地球惑星科学連合2009年大会
  • 村上 茂教, 大垣内るみ, 阿部彩子 氷期気候系におけるエネルギー変換の空間分布 日本気象学会２００９年度秋季大会
  • MO Chikamoto, A Abe-Ouchi, A Oka, R Ohgaito Marine carbon cycle sensitivity to background glacial climate states AGU 2009 Fall Meeting
  • A Abe-Ouchi, F. Saito, K. Kawamura, R. Ohgaito, M. O. Chiakmoto, A. Oka, M. Yoshimori, Y. Yokoyama Modelling the climate, ice sheet and thermohaline circulation during the ice age termination AGU Fall Meeting 2009
  • 河谷芳雄、佐藤薫、T. J. Dunkerton、渡辺真吾、宮原三郎、高橋正明: The roles of 3-dimensional propagating gravity waves and equatorial trapped gravity waves on driving the Quasi Biennial Oscillation: A study of high resolution atmospheric general circulation model、地球惑星科学連合2009年度連合大会、幕張、2009年5月21日
  • Kawatani, Y., K. Sato, T. J. Dunkerton, S. Watanabe, S. Miyahara, and M. Takahashi, The roles of 3-dimensional propagating gravity waves and equatorial trapped gravity waves on driving the Quasi Biennial Oscillation: A study of high resolution atmospheric general circulation model, 17th Conference on Atmospheric and Oceanic Fluid Dynamics and 15th Conference on Middle Atmosphere, Stowe, USA, 10 June 2009
  • Kawatani, Y., K. Sato, T. J. Dunkerton, S. Watanabe, S. Miyahara, and M. Takahashi, The roles of 3-dimensional propagating gravity waves and equatorial trapped gravity waves on driving the Quasi Biennial Oscillation: A study of high resolution atmospheric general circulation model, MOCA-09, Montreal, Canada, 23 July 2009
  • 河谷芳雄, 佐藤薫, T. J. Dunkerton, 渡辺真吾, 宮原三郎, 高橋正明, 2009: “成層圏QBO に於ける赤道波と３次元重力波の役割　～高解像度気候モデルを用いた考 察～”, 第3回赤道大気レーダーシンポジウム, 2009年9月11日, 京都大学生存圏研究所
  • 河谷芳雄, 佐藤薫, T. J. Dunkerton, 渡辺真吾, 宮原三郎, 高橋正明, 2009: “成層圏QBO に於ける赤道波と３次元重力波の役割　～高解像度気候モデル を用いた考察～”,　熱帯気象研究会2009、2009年9月30日、北海道大学
  • Kawatani, Y., K. Sato, T. J. Dunkerton, S. Watanabe, S. Miyahara, and M. Takahashi, The roles of 3-dimensional propagating gravity waves and equatorial trapped gravity waves on driving the Quasi Biennial Oscillation, IGAC-SPARC Joint Workshop, Kyoto, 25 October 2009

(ポスター発表)

講演

  • 坂本 天、温暖化実験のはなし（招待講演）、 第7 回地球システム・地球進化ニューイヤースクール、2009 年1 月。

e. 新聞、雑誌での掲載記事

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