海洋微細構造が生み出す気候形成・変動メカニズムの解明
Understanding Roles of Oceanic Fine Structures in Climate and its Variability
大淵 済 (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)
Wataru Ofuchi
近年の人工衛星観測の発展および我々が行ってきた高解像度シミュレーション研究の成果から，黒潮等の西岸境界流に伴う海面水温前線や高緯度海域における海氷分布などの海洋局所構造の変動が，全球規模大気循環の形成・変動に果たす役割が認識されはじめている．また，海洋の中規模渦よりもさらに細かい数km程度の構造が，より大規模な海洋循環の形成や生態系の変動に与える影響も注目を集めている．そこで本プロジェクトでは，全球大気・海洋・結合大循環モデルおよび領域非静力学大気・海洋モデルを用いた高解像度データセットの構築と数値実験を通じて，海洋微細構造による全球的な気候の形成とその短期的変動のメカニズムおよび影響を解明する．
前年度まで実行してきた解像度0.1度(10 km相当)のOFESを実際の大気データで駆動した準全球海洋渦解像シミュレーションの継続，衛星観測を取り込んだ高解像度海面水温データを境界条件とするAFESでの高解像度全球大気シミュレーションを実施する．さらに気候の形成や短期的な変動に重要な大気海洋結合過程を陽に含むデータセットを，CFESを用いた全球大気海洋結合シミュレーションにより構築する．これらのデータセットを相補的に解析し，海洋の中規模渦・西岸境界流に伴う微細構造の変動が大規模な大気海洋循環に及ぼす影響を同定し，それらの影響が気候の形成や短期的な変動に寄与する実態を把握する．
北太平洋域を対象とした解像度1/30度(3km相当)のOFESを用いて，数km規模の『サブメソスケール』現象や海峡・島嶼を解像可能なシミュレーションを実施し，これらの現象・地形に伴う局所的な循環が，生態系を含む大規模場に与える影響を明らかにする．また，アンサンブル渦解像シミュレーションを実施することにより，大規模な大気強制に起因する変動と渦活動に伴う海洋の自励的な変動とを切り分け，海洋モデルを用いて海流・生物資源変動の過去再現実験および予測を行う際の不確定性を同定する．一方，これまでの海洋大循環シミュレーションでは考慮されてこなかった海峡部で生じる潮汐混合の素過程を理解するため，NHOES を用いた100m-1km格子の非静力海洋シミュレーションを実施する．インドネシア通過流などの大循環とのスケール間相互作用を考慮する為に外部境界条件としてOFESの出力結果を利用，潮汐混合パラメタリゼーションをCFESに組み込み気候形成に与える影響を調べる等，モデルを連携して使う.
AFESの境界条件となる海面水温や海氷分布に偏差を与え，その応答を詳しく解析することにより，大気循環の形成維持および変動の鍵となる海域や季節を同定し，そのメカニズムや影響範囲を明らかにすることで，短期気候変動の予測可能性を調査する．またCFESで得られた海洋・海氷変動をAFESに与える実験も行い，CFESで再現された海洋フロント変動に対する大気応答や北半球海氷変動シーソーパターンのメカニズムを調査する．
台風，海洋上の対流雲，集中豪雨を引き起こす前線などのメソスケール現象について，非静力気象モデルCReSSと非静力海洋モデルNHOESを3次元的に結合したモデルを用い，海洋も含む広い計算領域を設定し大気の海洋との相互作用を考慮したシミュレーションを行うことにより，メカニズムを解明することを目指す．台風については発達・衰弱・移動経路への海洋の微細構造の影響を明らかにし，予測可能性に関する基礎的知見を得る．
OFESを用いた準全球海洋渦解像シミュレーションの過去再現実験の継続はNCEP再解析を用いた実験を2009年末まで, QuikSCAT衛星風応力データを用いた実験を2009年10月末まで延長した．
中解像度版CFESの標準実験を20年延長積分し, 海洋前線と大気の総観規模擾乱を解像する合計160年の全球大気海洋結合シミュレーションデータセットを構築した. また, 中解像度及び高解像度版CFESの標準実験データの更新に向けて, 最新のソースコードを用いたテスト実験, 海洋当密度面混合の簡素実験等を延べ40年間行った.
北太平洋域を対象とした解像度1/30度(3km相当)で海洋大循環モデルOFESを用いて，数km規模の『サブメソスケール』現象や海峡・島嶼を解像可能な海洋シミュレーションを開始し, 2000年始めより1年10ヶ月の計算を行った. サブメソスケール現象がほぼ平衡状態に達すると予想される2002年1月より海洋生態系モデルを組み込み, 計算を継続する予定である.
北太平洋域を対象とした解像度1/10度(10km相当)で海洋大循環モデルOFESを用いて，異なる初期値から同一の経年変動をする大気場を外力として与えたアンサンブル過去再現実験を1979年から85年の7年間にわたり, 3ケース行った．
インドネシア海域の潮汐によって励起される非静力重力波のエネルギー収支を詳細に調べた. インドネシア通過流（背景流）を加味した数値実験を行い, 衛星観測によって得られた内部重力波の強度の季節変化を検証した.
AFESで実施予定であった海面水温前線に対する感度実験は, 今年度後半から採択された文部科学省科学研究費補助金新学術領域研究「気候系のhot spot」の有償利用枠で行ったため, 本研究の計算資源では実施しなかった. そのかわり, 海面水温へのより現実的な大気応答を再現するため, 大気応答の主要な過程である積雲対流パラメタリゼーションの改良を実施した.
台風Haitang (2005), Morakot (2009), Choiwan (2009)を対象に結合実験を行い大気海洋結合作用の有無による台風強度の変化を比較した. 東シナ海で観測された強い沿岸湧昇を検証するために, 数値実験の結果を解析した. また台風が海洋内部に励起する非静力重力波の解析を行った. 大気海洋結合実験において海洋モデルの水平解像度を4km, 1km, 500m, 300mと段階的に細かくして結果を比較した.
これまで実行してきた解像度0.1度(10km相当)のOFESを実際の大気データで駆動した準全球海洋渦解像シミュレーションを継続してデータセットを整備した.
高解像度大気海洋結合モデルCFESの23年積分結果を用いて, 海洋の中・深層に存在する東西帯状流と風応力カールの微細構造との関係を調べた. 南太平洋を例にとり, 風応力カールの南北微細構造によって駆動された深い構造の海洋ジェットが, CFESで再現されていることを確認した. 更に, 風応力カールの微細構造は, 海洋の中・深層の海洋ジェットが海面水温にもシグナルを残し, 大気境界層の応答を通じて形成されている可能性が示された.
北太平洋1/30度OFESはスピンアップが中途であるが, 数kmスケールの渦やフィラメント状のサブメソスケール現象を現実的に再現できた. また, 海洋生態系モデル(Nutrient-Phytoplankton-Zooplankton-Detritus)を組込んだ10日積分の短期テストシミュレーションを実施した. その結果, 衛星観測の海色データで観測されるサブメソスケール現象に応答した海面植物プランクトン分布と同等の分布を再現できた.
大気変動に依存しない海洋の自励的変動の大きさを，異なる初期値から同一の大気場で駆動した複数積分を比較して調べた．黒潮続流の流速においては大気変動による経年変動と同程度と大きく予測可能性を限定しうるが，黒潮続流域の最主要変動パターンにおいては，その影響は小さいことが示唆された．
NHEOSシミュレーションに関しては，インドネシア海域の非静力重力波列に関する論文が受理された.
積雲対流パラメタリゼーションにおいて, 積雲対流の発達高度に上空の乾燥した大気の取り込み（エントレインメント）を反映させる改良を行い, 熱帯域の降水分布および水蒸気の鉛直分布の再現性が改善された.
結合モデルにおいて台風の進路の再現性が改善した.台湾に豪雨による土砂崩れの災害をもたらしたMorakot(2009)について結合モデルを用いた量的解析を行い, 結合モデルによる降水量の抑制が見られたことを, 台湾で開催された国際会議SoWEXにおいて報告した. 台風の東側の海洋内部に強い重力波が励起され, 非静力学特有の波列パターンを形成しながら周囲に伝搬することを初めて確認した.
年度当初の研究計画を全て達成した場合を100%として数値で示してください．複数の目標があった場合は，それぞれについて達成度を数値で示してください．
※計画的に計算機資源を利用できているか, 状況を記載してください.
2011/1/7現在，割り当てられた26,000ノード時間のうち，22,000ノード時間を使用し，ほぼ計画通りに利用している．
※ベクトル化, 並列化チューニング等, 計算機資源を有効利用するために行ったこととその効果を記載してください.
チューニングは昨年度までに終了
解析作業の遅れ, ディスクスペース不足