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
野田 彰 (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
本研究は、平成21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
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）。
温暖化予測実験のための海氷モデルや凍土モデルを開発する。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）と組み合わせることにより、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。昨年度高解像度化に成功した氷床モデル IcIES を用いて温暖化実験を行い南極氷床やグリーンランド氷床の応答の再現実験を行い、またさらなる最適化および高速化のモデルへと改良する。
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。海洋モデルのスキーム改良に関しては、座標系の特異点が南極点、ユーラシア大陸北部、アラスカ北部に存在するような三極座標系を新たに導入する。これにより北極海の除く大半の領域を球面座標系で表現できることになり、計算結果の解析が容易になると同時に、緯度線に沿った波動等の表現精度向上も期待できる。その他、移流項の空間差分法に関して、現在使われているものより高精度の差分法を導入し、差分に起因する数値拡散を減少させることにより、物理現象の表現精度を向上させる。 陸面モデルに関しては、陸面状態が気候に及ぼす影響の感度調査を、LAI値や土地利用変化に伴うエアロゾル変化が気候に及ぼす影響の評価、および凍土過程の全球への影響の評価の観点で行う。また、陸面モデルの改良について、積雪過程の改良：サブグリッド被覆率、物理特性値(密度・熱伝導率・アルベド)などの推定方法や、凍土過程の精緻化などを実装する。
開発したモデルが温暖化予測においてどの程度の気候感度があるか調査する。非定常な重力波パラメタリゼーションを組み込まなくとも赤道準2年振動（Quasi-biennial oscillation: QBO）が再現可能な気候モデルを用いて、地球温暖化時の積雲対流活動、対流圏―成層圏の大規模循環場及びQBOの変化について研究を行う。上部対流圏から成層圏の鉛直解像度を500mにし、水平解像度はT106及びT213で実験を行う。積分期間は解像度に応じて30年から90年とする。昨年までの実験によりQBOは温暖化すると周期が伸び、特に下部成層圏での振幅が弱くなるという成果が得られたが(Kawatani et al. 2011, JAS)。今年度はQBOの変化に対して海面水温の上昇と二酸化炭素濃度の増加の、どちらの効果が支配的なのかを調べる実験を新たに行う。また、地球温暖化時の積雲対流活動及び重力波励起に対する積雲対流パラメタリゼーション依存性を調べる為の実験も合わせて行う。これらの実験により、地球温 暖化時のQBOの変化がより包括的に理解されると考えられる。
古気候研究では、昨年度に引き続き、氷期−間氷期の気候変動のメカニズムを探り、温暖化研究に用いられるMIROCモデルの性能をテストするために、様々なシミュレーションを進める。IPCC 第五次報告書に貢献することを目指し、地球システムモデルMIROC-ESMを用いてモデル比較プロジェクト(PMIP3/CMIP5)に提出する、最終氷期や過去2000年間のシミュレーションを行い、解析する。さらに大気海洋結合GCM MIROCを用いた、氷期の状態を再現するための様々な感度実験を進め、融氷期や前の間氷期以後の海洋に淡水が流入したことによって引き起こされたと考えられる気候変動を再現し、その変動メカニズムを探る研究を進める。また、間氷期を想定したシミュレーションを行い過去に地球が暖かかった時の気候変化とそのメカニズム解明のために解析を進める。
物理モデルの開発： 0.8万ノード時間
温暖化時のQBO実験： 1.6万万ノード時間
古気候シミュレーション: 1.5万ノード時間
氷床モデルは今後の高解像度実験のために、主要な二方程式の内の一つについて並列化版を実装した。領域分割にはブロックサイクリック分割を採用し、並列化、ベクトル化の効果を調査した。今後のさらなる最適化が必要である。
海洋モデルに関しては、モデルに三極座標系を導入し、この座標系での物理パフォーマンスを検証する目的で気候再現実験を実施した。また、高精度な差分法である２次モーメント法のパフォーマンスを検証する為に気候再現実験を実施した。大部分の領域で緯度経度座標系であり、特異点を大陸上に配置することが可能な三極座標系を海洋モデルに導入し、気候を良好に再現できることを検証した。また高精度な2次モーメント空間差分法を導入し、予報精度が向上することを検証した。
陸面モデル開発に関しては、土地利用変化によるエアロゾル発生量変化が気候に及ぼす影響について、大気海洋結合モデルを用いて産業革命以前から現在までの期間で4種類のタイムスライス実験を行った。その結果、アジア域では、エアロゾル発生量の変化による直接効果（光学的厚さの増減）がプレモンスーン期に現れることが明らかになった。ただし、モンスーン期を中心とする降水量の変化との因果関係は顕著には見られなかった。陸面過程では、土地利用や葉面積指数（LAI）の全球分布を外部データとして与えているが、その推定方法には不確定性がある。今後、推定方法の違いによる影響を見積もるために、土地利用分布や葉面積指数に対する感度実験を行い、その影響を調査する。また、大気や土壌への熱的な影響の大きい積雪過程の高度化については、現在、全球オフライン実験を行って影響の詳細を調査しており、今後、アルベドスキームの高度化の影響と合わせて、気候への影響を評価する。また、長期の気候変動で重要な影響を持つ凍土過程の高度化については、土壌の物理パラメタに関する感度調査を1次元陸面モデルを中心に進めており、今後、積雪の物理パラメタの改良と合わせて、全球モデルへの適用と影響評価を進める。
QBO に関連した実験では、地球温暖化時のQBO及び対流圏－成層圏循環場の変化に対する、海面水温及び二酸化炭素濃度の変化の影響を個別に評価し、結果を論文投稿し受理された。またESを利用した高解像度気候モデル実験データによる論文が複数受理された。
古気候に関連した実験では、気候モデル(MIROC)に加えてオフライン海洋炭素循環モデルを用いた氷期再現実験を行い、最終氷期や氷期サイクルに関する実験を推し進め、海洋循環のこれまで氷期再現が多くの大気海洋結合モデルで失敗していた原因を突き止めた。氷期数十ppmの大気中二酸化炭素分圧低下の要因について、溶存効果、海洋循環の効果、光合成や再無機化過程を介した生物効果など海洋炭素循環に与える影響を定量的に明らかにした。
(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。)
海洋モデルへの三極座標系の導入 100%
海洋モデルの空間差分法の高度化 100%
温暖化時の QBO 95%
古気候実験 90%
陸面モデルの改良 90%
氷床モデルの並列化 80%
年度末や節電などに対応した利用制限時に利用が集中しないように、プロジェクト全体で計画的に前倒して利用した。
(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。)
気候モデル、および海洋モデルは既に、ベクトル化、並列化を十分に実施してあるモデルを用いているので、今年度は特にチューニングは実施していない。
氷床モデルは今期並列化を開始し、本格的な運用に向けて最適化を実施している。
該当なし。
該当なし。