平成21年度 地球シミュレータ利用報告会

全球雲解像モデルを用いた雲降水プロセス研究

発表資料 (2.3MB)

1. プロジェクト名

全球雲解像モデルを用いた雲降水プロセス研究

Study of cloud and precipitation processes using a global cloud-system resolving model

2. プロジェクト責任者名

佐藤 正樹 (独立行政法人海洋研究開発機構・地球環境変動領域・全球雲解像モデリング研究チーム チームリーダー)

Masaki Sato

3. プロジェクトの目的

全球の雲・降水現象の正確な将来予測のためには、現在気候における全球的な雲降水現象のプロセス解明が極めて重要である。本課題では、全球雲解像モデルNICAMを用いた数値実験を行なうことにより、日から季節程度の時間スケールの降水現象における主要な雲・降水プロセスを明らかにすることを目的とする。この目的のために長期積分（半年程度）および最高解像度を用いた短期積分（数日から週）を複数ケース実施し、現在進行中の大規模な国際観測プロジェクト（YOTC, AMY）と連携しつつ計算結果の定量的評価を行なう。また、雲・降水に関連する物理スキームの大幅な更新も実施する。得られた計算結果について、観測の他これまでに行なった計算結果も有効利用して比較検討することにより、プロセス解明およびモデルの精度向上を推進する。

4. 今年度当初の計画

本研究プロジェクトを遂行するに当たり、本年度は、前期と後期に分けて計画する。但し、前期に計画されている予備試験の進捗に応じて、後期の実験開始を前倒しさせることも有り得る。

前期 (4月～9月)：数値モデルの改良/予備試験の遂行とプロダクトランの遂行

本年度の実験に備えて、雲物理過程、乱流過程、大気放射過程、陸面/海面過程の物理的計算手法改善とともに鉛直方向の空間的な解像度の高度化に向けた準備も推進してきた。プロダクトランの遂行に向け、これらの修正によって得られるモデル性能の向上を十分に引き出すためには各過程に伴う大気応答の変化を確認し包括的な検討を行なう必要がある。更に、それらの結果に応じてプログラムコードの修正を加える必要性も視野に入れる。全球超高解像度実験に伴って発生し得る数値的不安定の回避手法への対策へも資源を随時充当する。前期にはモデル改良に伴うこれら予備実験へ資源を重点的に充当する。計算機資源を節約するため、試験は主に全球14kmモデルを用いて行なう。一連の検討作業が終了次第、全球7kmモデル実験を開始する。

後期 (10月～3月)：プロダクトランの遂行

前期で確認された計算プログラムを用いて、全球3.5kmモデルを含むプロダクトランを遂行する。なお、前期での計算準備が早い時期に遂行されれば、プロダクトランの遂行は前倒しで行う。

5. 研究計画に沿った利用状況度

前期（4月～9月）での実験中に、モデル計算が度々破綻することにより計算計画が多少遅延することが起こった。しかし、この遅延は我々のプログラムのバグではなく、新地球シミュレータのMPIシステムに重大なバグがあったことによるものであった。本研究の課題とは直接関係のないことであるが、最終的に我々のグループの詳細なデバッグ作業を運用部へフィードバックしたことにより、当該バグがフィックスされたことをここに付記しておきたい。後期からは順調に利用できている。地球シミュレータでしか行えない計算を実施しており、1月時点では計画通りである。解析も随時行っており、来年度に向けて継続的に成果が見込める状態である。

6. 今年度得られた成果、および達成度

成果

今年度前期 (4-9月)

昨年度来から、全球雲解像モデルNICAMの雲微物理過程、境界層過程、海洋混合層モデル、陸面モデルについて随時アップデートを行ってきた。今年度前期（4月―9月）では、それらをすべて結合させて、異なる解像度の感度実験を行った。熱帯域での降水の日変化の再現は、全球雲解像モデルのパフォーマンス向上の勘所の一つである。そこで、モデルのパフォーマンス向上の第一歩として、降水プロセスの日変化に注目し解析を行った。熱帯域での観測TRMM 3B42との比較を行ったところ、海洋上では、14km、7km格子ともに早朝に降水のピークを迎えることがきちんと再現された。ただし、全体の降水量はモデル結果のほうが多めであり、このバイアスは現在課題としている。一方、陸面上では、観測結果と比べて、午後の降水ピークの時間帯が若干遅れるものの、この遅延は解像度を高めることによって大きく改善されることが分かった。解像度を上げたとき降水の日変化の位相特性がよくなる原因をフーリエモードに分解して解析したところ、陸面では第1、第2モードともに、改善に寄与していることが分かった。より高解像度化することで、大幅な改善が見込まれる。

今年度後期（10月～）

10月からは、本研究課題でのプロダクトランの一環として、2008年6月17日に発生した台風0806号（通称Fengshen）の再現実験を行った。台風発生過程は、MJO,偏東風波動等の全球規模の現象と相互作用することが多く、発生過程のシミュレーションは全球雲解像モデルならではのものである。また、この台風は、JAMSTECの集中観測PALAU2008でも捉えられている。同時に大規模な国際プロジェクトYOTC（Year of Tropical Convection）期間中のものであり、当プロジェクトでは実績のある世界唯一のglobal CRMとして貢献が期待されている。従って、本研究課題での材料として相応しい現象である。NCEP再解析データ、ECMWF YOTCデータを使った初期値による感度実験、また、台風再現にとって特に重要と思われる境界層過程について異なったスキームを使った感度実験を行った。2010年12月現在、14km格子、7kmおよび3.5km格子（水平ストレッチ格子を使用）についての計算が終わったところである。現時点での解析によると、台風の強度については、境界層スキームに大きく依存することが分かった。また、より高度な境界層スキーム(MYNN レベル2.5)を使用すると、台風の経路が極めてよく改善されることが確認された（米軍合同台風警報センター予報との比較による）。台風強度（中心気圧）については、MYNN 2.5を使用すると、他スキームと比べて、若干弱い傾向があるものの、解像度を上げると強まる傾向にあり観測に近づくことが分かった。本計算結果を使って、台風の構造を含めた雲降水システム（全球の雲・降水鉛直速度などの統計）を1月-3月の期間で詳細解析する予定である。また、昨年度以前から旧地球シミュレータで行った大規模実験の計算結果とCalipso/CloudSAT等の衛星データとの突合せを行い、これらは画期的な成果の第一歩として、複数の論文に纏め上げた。今後、今年度に行った実験結果も使用して、衛星データを更に有効利用し全球雲解像モデルのパフォーマンス評価が見込まれる。

達成度

数値モデルの改良/予備試験の遂行

100%

プロダクトランの遂行

1月時点で、70%

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)

(付記)　本研究課題は、平成20年度課題「気候システム研究のための高精度大気・海洋・陸面大循環モデルの開発」（代表：野田彰）からの延長課題として独立し、平成21年度に新規に採用されたものである。この意味で、本研究課題は、上記の課題の一部の延長的あるいは拡張的意味合いを持っている。従って、今年度の計算に基づく成果のみならず、昨年度までに上記課題の中で行った計算結果の最終成果として今年度出版された論文および学会発表をも含んでいる。今年度の計算による成果は来年度以降、最終的に様々なところで同様な形で発表される見込みであることを付記したい。

a. 原著論文 (査読あり)

  • 1. Nasuno, T. and M. Satoh, 2010a: Properties of precipitation and in-cloud vertical motion in a global nonhydrostatic aquaplanet experiment. J. Meteor. Soc. Japan, in revision.
  • 2. Nasuno, T. and M. Satoh, 2010b: Statistical relation between maximum vertical velocity and surface precipitation of convective clouds in a global nonhydrostatic aquaplanet experiment. J. Meteor. Soc. Japan, in revision.
  • 3. Noda, A. T., K. Oouchi, M. Satoh, H. Tomita, S. Iga, and　Y. Tsushima., 2010: Importance of the subgrid-scale　turbulent moist process: Cloud distribution in global　cloud-resolving simulations. Atmos. Res.,　doi:10.1016/j.atmosres.2009.05.007. (in press)
  • 4. Tomita, H. (2009) Analysis of Spurious Surface Temperature at the Atmosphere-Land Interface and a New Method to Solve the Surface Energy Balance Equation. J. Hydorometeor. 10. 833-844.
  • 5. Satoh, M., Matsuda, Y. (2009) Statistics on high-cloud areas and their sensitivities to cloud microphysics using single-cloud experiments. J. Atmos. Sci., 66, 2659-2677, DOI: 10.1175/2009JAS2948.1.
  • 6. Sato, T., Miura, H., Satoh, M., Takayabu, Y. N., Wang, Y. (2009) Diurnal cycle of precipitation over the tropics simulated by a global cloud resolving model. J. Clim., 22, 4809-4826; DOI:10.1175/2009JCLI2890.1.
  • 7. Nasuno, T., Miura, H., Satoh, M., Noda, A. T., Oouchi, K. (2009) Multi-scale organization of convection in a global numerical simulation of the December 2006　MJO event using explicit moist processes. J. Meteor. Soc. Japan, 87, 335-345, doi:10.2151/jmsj.87.335.
  • 8. Miura, H., Satoh, M., Katsumata, M. (2009) Spontaneous onset of a Madden-Julian oscillation event in a cloud-system-resolving simulation. Geophys. Res. Lett., 36, L13802, doi:10.1029/2009GL039056.
  • 9. Oouchi, K., Noda, A. T., Satoh, M., Wang, B., Xie, S.-P., Takahashi, H., Yasunari, T. (2009) Asian summer monsoon simulated by a global cloud-system resolving model: Diurnal to intra-seasonal variability. Geophys. Res. Lett., 36, L11815, doi:10.1029/2009GL038271.
  • 10. Oouchi, K., Noda, A.T., Satoh, M., Miura, H., Tomita, H., Nasuno, T., Iga, S.-I. (2009) A simulated preconditioning of typhoon genesis controlled by a boreal summer Madden-Julian Oscillation event in a global cloud-resolving mode. SOLA, 5, 065.068, doi:10.2151/sola.2009.017.
  • 11. Liu, P., Satoh, M., Wang, B., Fudeyasu, H., Nasuno, T., Li, T., Miura, H., Taniguchi, H., Masunaga, H., Fu, X., Annamalai, H. (2009) An MJO Simulated by the NICAM at 14-km and 7-km Resolutions. Mon. Wea. Rev., 137, 3254-3268, DOI: 10.1175/2009MWR2965.1.
  • 12. Satoh, M., Inoue, T., and Miura, H. (2009) Evaluations of cloud properties of global and local cloud-system resolving models using CALIPSO/CloudSat simulators. J. Geophys. Res., in press.
  • 13. Inoue, T., Satoh, M., Hagihara, Y., Miura, H., and Schmetz, J. (2009) Comparison of high-level clouds represented in a global cloud-system resolving model with CALIPSO/CloudSat and geostationary satellite observations. J. Geophys. Res., in press.
  • 14. Kubokawa, H., Fujiwara, M., Nasuno, T., Satoh, M. (2009) Analysis of the tropical tropopause layer using the Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model (NICAM): 1. Aqua-planet experiments. J. Geophys. Res., doi:10.1029/2009JD012686, in press.
  • 15. Yasunaga, K., T. Nasuno, H. Miura, T. N. Takayabu, and M. Yoshizaki, 2009: Afternoon precipitation peak simulated in an Aqua-planet global cloud-resolving model (Aqua-planet-NICAM). J. Meteor. Soc. Japan, in press.

b. 原著論文 (査読なし、および雑誌等寄稿)

  • Nasuno, T. and M. Satoh, 2009: Properties of precipitation and in-cloud vertical velocity in global cloud-system resolving simulation. The EathCARE Workshop 2009 Proceedings,219-225.

c. 学会等発表 (ポスターセッションの場合はその旨記載)

口頭発表
  • 1. M. Satoh (2009) Global cloud-resolving model development and evaluations of cloud properties using satellite. Fifth Japan-EU Workshop on Climate Change Research, Tokyo, 6-7 July 2009.
  • 2. M. Satoh (2009) Overview of NICAM: global cloud-resolving simulations and development. Workshop on "High-Resolution Climate Modeling", August 10 - 14, 2009 Adriatico Guesthouse - Kastler Lecture Hall. The Abdus Salam International Center for Theoretical Physics, Trieste, Italy.
  • 3. M. Satoh (2009) Status of global cloud-resolving simulations with NICAM. Asia Science Seminar 2009, High-Impact Weather in Changing Climate October 5 - 10, 2009, International Conference Room, Seoul National University, Seoul, Korea.
  • 4. M. Satoh, H. Fudeyasu, Y. Wang, H. Taniguchi, T. Nasuno, H. Miura, W. Yanase (2009) Tropical cyclone simulations with the Global Cloud-Resolving Model. International Workshop on Advancement of Typhoon Track Forecast Technique 30 Nov.-2 Dec. 2009, The Nippon Foundation Building, Tokyo, JAPAN.
  • 5. H. Fudeyasu, Y. Wang, M. Satoh, T. Nasuno, H. Miura, W. Yanase (2009) Multiscale Interactions on the Lifecycle of a Tropical Cyclone Simulated in a Global Cloud-System-Resolving Model. 4th China-Korea-Japan Joint Conference, Nov. 8-10, 2009, Tsukuba, Japan.
  • 6. T. Nasuno et al., 2010: Global cloud-system resolving simulation of Fengshen (TY0806), Monsoon Intraseasonal Variability Modelling Workshop, Busan, 2010/6/15-18.（予定）
  • 7. Noda, A. T., and the NICAM development team, 2010: Recent progresses of the NICAM research. CMMAP team meeting, San Diego, CA, U.S.A, 12-14 Jan 2010. (La Jolla Shores hotel)(予定)
  • 8. Noda, A. T., and NICAM development members, 2009: Seasonal-scale experiments with a global cloud-resolving model -Resolution dependency in a 7 km- and 14 km-mesh experiments. CFMIP/GCSS Boundary-layer WG WS, Vancouver, Canada, 8-12 June, 2009. (University of British Colombia, talked on 6/8)
  • 9. W. Yanase, H. Taniguchi and M. Satoh(2009)： Large-scale environmental field assoicated with tropical cyclogeneses over the Bay of Bengal. Fourth Japan-China-Korea Joint Conference on Meteorology, (Tsukuba, Japan, 2009.11.8-10)
  • 10. H.Tomita and M. Satoh : The Impact of Rainfall Sedimentation Scheme on the Mesoscale Cloud System 8th International SRNWP Workshop on Nonhydrostatic Modelling, 26 - 28 October 2009, Bad Orb, Germany.
  • 11. 佐藤正樹 (2009) 全球雲解像モデルと雲・降水衛星観測との連携, 赤道周回衛星の提案. 日本気象学会春季大会, 2009年5月28日.
  • 12. 那須野 智江・佐藤 正樹, 2009: 全球非静力学水惑星数値実験における雲内鉛直流. 日本気象学会2009年春季大会, つくば, 2009/5/28-31.
  • 13. 筆保 弘徳・Wang Yuqing・佐藤 正樹・那須野 智江・三浦 裕亮・柳瀬 亘, 2009: 全球非静力学モデルで再現された台風発生メカニズム. 日本気象学会2009年春季大会, つくば, 2009/5/28-31.
  • 14. 佐藤正樹, 井上豊志郎, 三浦裕亮 (2009) NICAMの雲特性について. 非静力学モデルワークショップ 2009, 弘前大学 2009年9月24-25日.
  • 15. 那須野 智江・三浦 裕亮・佐藤 正樹・野田 暁・大内 和良, 2009: 全球非静力学モデルを用いた2006年12月 MJO 再現実験　第３報 --- 雲内鉛直流の特性と対流の組織化における役割 ---. 日本気象学会2009年秋季大会, 福岡, 2009/11/25-27.
  • 16. 久保川 比呂鎮・藤原 正智・那須野 智江・佐藤 正樹, 2009: 全球・非静力学モデルNICAMの2006年12月 MJO 実験データを用いた対流圏界面領域の解析(1). 日本気象学会2009年秋季大会, 福岡, 2009/11/25-27.
  • 17. 山田洋平(JAMSTEC), 大内和良(JAMSTEC), 佐藤正樹(CCSR), 富田浩文(JAMSTEC), 柳瀬亘(海洋研)：全球非静力学モデルを用いた熱帯低気圧の解析, 第23回数値流体力学シンポジウム、仙台、12月16日- 18日、2009年.
  • 18. M. Satoh, T. Inoue, H. Miura (2009)：Evaluation of cloud properties of the global cloud-resolving model using satellite simulators. EarthCARE First JADE meeting, Space EXPO, Noordwijk, Netherland, 22 Apr. 2009.
  • 19. H.Tomita , Y. Niwa, and M.Satoh: Further improvement of NICAM dynamical core toward the PETAFLOPS computing　The 2009 Workshop on the Solution of Partial Differential Equations on the Sphere , SantaFe, 27-30 Apr. 2009.
  • 20. Liu, P., M. Satoh, B. Wang, H. Fudeyasu, T. Nasuno, T. Li, H. Miura, H. Taniguchi, H. Masunaga, X. Fu, and H. Annamalai, 2009: An MJO Simulated by the NICAM at 14-km and 7-km Resolutions. The 9th annual IPRC symposium, Honolulu, 1-2 June 2009.
  • 21. M. Satoh, T. Inoue, H. Miura (2009) Evaluation of cloud properties of the global/local cloud-resolving models using the split window analysis and the CloudSat/Calipso simulators. The EarthCARE workshop 2009, Kyoto Royal Hotel & Spa, Kyoto, Japan, 12 June 2009.
  • 22. Nasuno, T. and M. Satoh, 2009: Properties of precipitation and in-cloud vertical velocity in global cloud-system resolving simulations. The EarthCARE Workshop 2009, Kyoto, 10-12 June 2009.
  • 23. M. Satoh, T., Inoue, H. Miura, (2009) Global cloud-resolving model development and evaluations of cloud properties using satellite. The University Allied Workshop on Climate and Environmental Changes, Seoul Royal Hotel, Seoul, Korea, 22-24 June 2009.
  • 24. M. Satoh (2009) Contributions of Global cloud-resolving model simulations to YOTC. YOTC Implementation Workshop 13-15th July 2009 East West Centre, University of Hawaii.
ポスター発表
  • 25. 柳瀬亘（東京大学・海洋研究所）,山田広幸,佐藤正樹,野田暁 2009: 台風Fengshen(2008)の発生過程のシミュレーション. 日本気象学会春季大会, つくば, 2009年5月28日-31日
  • 26. 宮川 知己・高藪 縁・那須野 智江・三浦 裕亮, 2009: NICAMのMJO（2006年12月）事例におけるレインバンドの走行分布およびレインバンドに伴う運動量輸送の解析. 日本気象学会2009年春季大会, つくば, 2009/5/28-31.
  • 27. Kubokawa, H., M. Fujiwara, T. Nasuno, and M. Satoh, 2009: Analysis of the tropical　tropopause laer using the Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model (NICAM). IGAC-SPARC Joint Workshop, Kyoto, 2009/10/25-26.
  • 28. K. Terasaki and H. Tanaka: The differences in energy spectrum of NICAM by different horizontal resolutions, Fourth Japan-China-Korea Joint Conference on Meteorology, Tsukuba, Japan, 8-10 November 2009

d. 講演

  •  

e. 新聞、雑誌での掲載記事

  • 2009年1月 1日 : 日本経済新聞朝刊「環境技術で温暖化阻止 気候の変動正確に予測」
  • 2009年1月 6日 : 毎日新聞朝刊「台風：発生・進路・降雨、２週間前に予測 海洋機構が成功」
  • 2009年8月21日 : テレビ朝日スーパーJチャンネル出演