平成22年度 地球シミュレータ利用報告会

AFESを用いた地球型惑星の大気大循環シミュレーション

発表資料 (840KB)

1. プロジェクト名

AFESを用いた地球型惑星の大気大循環シミュレーション

Simulations of atmospheric general circulations of Earth-like planets by AFES

2. プロジェクト責任者名

林 祥介 (神戸大学大学院理学研究科)

Yoshiyuki Hayashi

3. プロジェクトの目的

惑星半径に比べて薄い大気を持ち, 大気層下端が地面によって明確に定義されるという共通性のある地球, 火星, 金星といった惑星の大気大循環の特徴を統合的な枠組みの上に位置づけていくことを目指し, 地球シミュレータセンターで改良がなされてきた大気大循環モデル AFES に各惑星に適した物理過程モジュールを開発導入することで, 地球型の惑星大気を統合して扱える枠組みを構築するとともに, 各惑星大気の計算から各惑星の特徴の力学的理解を進めることをめざす.

4. 今年度当初の計画

火星と金星の大気循環の計算を以下のように行うことを目指した.

1) 中小規模擾乱の実態とダスト供給過程の解明を目指した高解像度火星大気大循環実験

火星大気中の中小規模擾乱の実態と, それらが火星大気中に常時浮遊するダスト巻き上げに及ぼす影響を調べるため, 高解像度の火星大気大循環計算を実施する. 特に, これまでに計算を行ってきたプログラムのエラーを修正し, これまでの計算結果を確認する. さらに, 起伏の大きい地形などの外的要因が与える影響を明らかにするため, 計算に与える地形などの地表面条件を変更した実験を多数実施し, それらの結果の比較を行う.

2) 精密な放射モデルを用いた現実的な加熱率分布を与えた金星大気大循環実験

金星大気大循環の大きな謎であるスーパーローテーションと呼ばれる自転方向の高速東西風の維持機構を明らかにすることを目指し, 金星大気循環計算においてこれまでに大きな困難となっていた,現実的な放射過程を導入した計算を実現するべく,これまでに構築してきた精密な金星大気放射モデルのチューニングを完了し, それを AFES に組み込む. そしてそのモデルを用いた金星大気大循環計算を実施する.

5. 研究計画に沿った利用状況

計算コードの最適化などに時間を要したものの, 火星大気計算に関しては目標とする解像度（昨年度までに実現していた計算の2倍の空間解像度）での計算を実施することが可能となったなど, 結果として火星計算に関しておよそ研究計画に沿って利用してきている. 金星計算においては, AFES への放射モデルの導入に時間を要したため, 初期計算を実行した状態にある.

6. 今年度得られた成果，および達成度

成果

1) 中小規模擾乱の実態とダスト供給過程の解明を目指した高解像度火星大気大循環実験

目標とする最高解像度（昨年度までに行ってきた計算よりも 2 倍高い解像度）での火星大気大循環計算を, 北半球の秋の条件において実施した. この計算での解像度は, AFESの枠組み, すなわち, 静水圧近似モデルにおける限界解像度付近の水平格子点間隔約 11 km であり, 世界で最も解像度の高い火星大気大循環計算である. また, この高解像度計算に加え, 水平格子点間隔 89, 44, 21 km での計算, および地表面特性（地形の起伏, 地表面のアルベドと熱慣性）の分布を除いた計算も実施し, 解像度依存性と地表面特性の有無を通して,火星の中小規模擾乱のいくつかの姿が見出された. 地球大気で知られるような対流の組織化現象は見られないようである.

2) 精密な放射モデルを用いた現実的な加熱率分布を与えた金星大気大循環実験

金星大気に適用可能な精密な赤外放射モデルを AFES に組み込み, 現実的な条件下で金星大気大循環の数値シミュレーションを実行できる準備を整えた. 太陽光加熱の日変化のない条件で行った数値実験の結果, 高度 50 km より高高度では平均東西流（スーパーローテーション）が形成されたが, それより低高度の風速は小さいままであった. スーパーローテーションの維持機構を考える上での重要なポイントであると考えられる平均子午面循環は, 鉛直方向にいくつかのセルに分離していた. これらはニュートン冷却と非現実的に強い太陽加熱を用いたこれまでの研究とは異なる結果であり, 金星下層大気の循環に対する放射輸送の重要性を示すと考えられる.

達成度

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．

全体で 70%.

  • 1) 中小規模擾乱の実態とダスト供給過程の解明を目指した高解像度火星大気大循環実験 80%
    （報告時において投稿論文にまとめるべきデータの収集が完了していない）
  • 2) 精密な放射モデルを用いた現実的な加熱率分布を与えた金星大気大循環実験 60%
    （予定した高解像度実験に至っていない）

7. 計算機資源の利用状況

計算機資源の利用状況

※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.

夏まではまとまった作業時間を取れなかったこと, およびローカルな環境での最適化に時間を要したため, 利用が進まなかった. しかし, 夏以降に集中的に地球シミュレータの使用を進めたため, 現在は概ね予定通りの利用状況に追いついてきたと考えている.

チューニングによる成果

※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.

当初, プログラムインフォメーションなどの情報から重点的に最適化すべきポイントを絞れなかったが, 相談窓口での相談の結果, if 文の整理や, ほとんど必要のない出力の削除などの変更を行うことで, 十分に並列化率を高めることができた.

計画的に利用できていない場合, その理由

夏までは所属機関の業務などに時間を取られ, なかなかまとまった時間を取りにくかった.