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
佐藤 正樹 (海洋研究開発機構 地球環境変動領域/東京大学 大気海洋研究所)
Masaki Satoh
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。
今年度当初は以下の研究計画を立案した。以下の計算は総て全球非静力学モデルNICAMを用いて行う。
目的： 全球雲降水特性の衛星比較検証
1) では、昨年度までに実施した台風の事例を対象とする計算をベースに雲降水過程に関する感度計算（物理過程アンサンブル）として行う。
目的： 熱帯季節内変動（観測プロジェクトなど対象）
目的： 熱帯季節内変動（2.の参照実験）
2), 3)では季節内振動/MJOを対象とする国際集中観測（YOTC,CINDY）の推奨ケース・2004年夏季の比較実験ケースの中から選定した事例について行い、季節内変動の再現性の評価や解像度依存性の調査に用いる。MJOの進行のメカニズムを解明するための「水惑星実験」も昨年度に引き続いて行う。4) では雲降水に関係する物理過程の全球的な影響を正しく評価しモデルの改善を行うために欠かせない一連の計算を行う。何れのケースもすぐに開始できる状態にあるのでシステムの混雑状況を参照しながら並行して行う。
目的： 物理過程に関する感度調査・精緻化
今年度の上半期は3月に発生した震災の影響で電力供給状況が不透明だったため、主に下半期に計算機を利用するよう計画を調整した。5. に挙げた課題のうち、1) については雲物理スキームの設定を変更した感度実験（3日積分）を実施した。2) および3) については、MJOに関する国際モデル比較プロジェクトの設定で計算を実施中である。また、JAMSTECが主導する国際集中観測プロジェクトCINDY2011（2011/10月-2012/1月）の特別集中観測期間を対象とする再現計算にも着手した。MJOの進行メカニズムを理解するための理想化計算「水惑星計算」についても14㎞格子の6か月積分を実施済である。4) については、降水のバイアスを除去する目的で感度計算を実行した。本格利用の開始は遅らせたものの、12月１か月で約10,000ノード時間を利用しており、研究課題に対する主要な結果は得られている。年度末までに計算資源の総てを有効利用して計画を達成することは確実である。
昨年度は3.5 km格子を用いた台風Fengshenの発生事例に関する計算を行った。昨年度に継続して計算データと現場観測データを用いた解析を進め、台風発生メカニズムに関する研究成果について学会等で発表した（論文投稿準備中）。衛星シミュレータを用いた雲降水特性の検証も昨年度に継続して行い、今年度は雲物理過程に関する感度調査のため、氷から雪への変換率や氷の落下速度に関するパラメタ値を変更した感度実験を行った。その結果、外向き長波放射などの物理量に大きな感度が見られたが、雲・降水特性に関するモデルのバイアスの傾向は同様であることが分かった。また、最適なパラメタ値はモデルの解像度に合わせて選択する必要があることも示唆された。
熱帯季節内変動（ISV/MJO）は、地球上の雲降水現象の中でも最も大規模で影響範囲の広い現象である。これまでにNICAMを用いて幾つかの事例計算を行ってきたが、今年度は国際モデル比較計算プロジェクトで取り上げられているYOTC観測期間中のMJO事例（2009/10月-2010/2月に連続して発生）に関する数値計算を行った。14 km格子を用い、初期値アンサンブル計算を実施中である。今後、計算データを提出してプロジェクトに貢献すると同時に、MJOにおける潜熱加熱率を中心とした解析を進める。CINDY2011（2011年10月から実施中）特別集中観測期間中には、典型的なMJOが連続して発生し（YOTCの事例と類似）、また台風の発生も多数観測された（5個以上）。そこで即刻14 km格子および7 km格子を用いた再現計算を開始した。年度末までに1－2か月分の計算を実施し、メカニズムを理解するための感度計算等も並行して行う。
観測されるスーパークラスターとMJOは、両方とも赤道対称モードの水平構造をもつにも拘らず、異なる速度を持って共存する。両者のメカニズムの違いを理解するために、昨年度に引き続き、14 km格子を用いて全球海面（水惑星）の設定の理想化数値実験を行った。海面水温には波数１の東西変動を振幅ΔT（度）で与える。昨年度の計算では、ΔTを大きくすると停滞性の東西循環（ウォーカー循環）が生成されたが、ゆっくり東進する擾乱（MJOに相当）は不明瞭であった。今年度はΔT=4.5を与えて180日積分を行った結果、高海面水温域の西側にゆっくり東進する擾乱が発現した。この結果から、スーパークラスターは準平衡な環境場で発現する‘自由対流モード’であるのに対し、MJOはウォーカー循環が強制される中で発現する‘強制対流モード’であることが分かった。
14 kmもしくは7 km格子は積雲を始めとする小規模な対流を解像することは難しい。この様な対流による熱輸送の寄与を考慮することで降水空間分布の再現性の向上を目的として積雲対流パラメタリゼーション(Chikira scheme, Chikira and Sugiyama 2010)を導入し、その感度解析を行った。まず、現在のMIROCモデルで採用されているパラメータ設定で感度解析を行った後、主要なパラメータの感度依存性を調べた。一連の実験でインド洋上での過剰降水の軽減や南部太平洋のITCZ周辺での降水の強化などの特徴の変化が確認された。
(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。)
1) 全球雲降水特性の衛星比較検証 80%
2) 熱帯季節内変動 70%
3) 熱帯季節内変動（参照実験） 70%
4) 物理過程に関する感度調査・精緻化 80%
6. に述べたように、震災後の状況を考慮して計画調整を行ったため、計算資源の利用は下半期に集中したものの、調整後の計画は順調に進行している（H23年12月末までに約22,000ノード時間利用）。以下に記すベクトル化効率の改善を徹底することにより、更に効率的に計算資源を活用できる。DISK領域（20 TB）の使用状況に関しては、計算データの速やかな転送やポスト処理の割愛などの工夫を行い、最大限有効利用している。
(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。)
昨年度からモデル（NICAM）のソースコードの解析を行い、ESにおける最適化の検討を重ねている（地球シミュレータセンター及び日本電気株式会社と協力）。昨年度は負荷の大きいルーチンを特定し、コードの修正を行って演算効率の改善を確認した（16 GFLOPSが19 GFLOPSに改善）。今年度はこの修正をモデル本体に反映して動作確認を行い、以後のプロダクト計算において用いた。この最適化はESだけでなくスカラマシンにおいても計算効率を5%軽減する効果をもつことが確認された。また、並列化において１ノード当たりの問題規模を大きくするとより実行効率が上がることが分かった（14㎞格子の場合、分割レベル３から分割レベル２にすることにより、実行性能が11 GFLOPSから15 GFLOPSに改善）。
上に述べたように、震災後の状況において計算機の利用を自粛したため（計算データの転送先のサーバの運用等も含め）、計算資源の利用が当初計画より遅くなった。②および③の課題についてはCINDY2011の特別集中観測期間（10月－11月）の結果を待ってケースを選択する必要があったため、資源の利用が下半期に集中した（1) および水惑星実験は早期に実施）。
2011年8月16日 : 朝日小学生新聞「温暖化によって強力になる台風」