四次元変分法データ同化システムを用いた海洋環境再現実験及び、観測システム研究のための感度解析・シミュレーション実験
Improved Ocean State Estimation and Sensitivity Analysis Experiments for the Optimal Observing System, by Using a 4D-VAR Ocean Data Assimilation System.
増田 周平 (海洋研究開発機構 地球環境変動領域 海洋環境変動研究プログラム)
Shuhei Masuda
多様な海洋観測データを四次元変分法データ同化手法を介して海洋大循環モデルに同化するシステムを用い、海洋環境統合データセットを作成する。作成したデータセットの力学的整合性を最大限活かし、全球規模での気候変動研究を推進する。また、海洋同化システムを応用した結合予報実験、アジョイント感度解析実験を実施することで、気候変動現象のメカニズムを解明するとともに効率的な海洋観測システムを提案し海洋観測研究に資する。
今年度の研究計画は以下３つの研究課題からなる。
（独）海洋研究開発機構で研究開発された四次元変分法海洋データ同化システムを用い、多様な海洋観測データを同化することで海洋環境統合データセットを作成する。得られた再現場について観測事実との整合性などを評価し、気候変動研究に資するべくデータセットを公開する。また、今年度は同化システムを一部アップグレードし、生物化学パラメータについての長期間のデータ同化実験を行いそのパフォーマンスを評価する。
データ同化手法を用いた気候変動研究。得られた海洋環境統合データセットを用いて再現された季節―経年変動に関する力学解析を行うことで気候変動研究を推進し新たな科学的知見を得る。その際、最適化された海洋環境を初期値としたアンサンブルハインドキャスト実験なども実施し、それらの結果も併用することで変分法同化システムならではのユニークな研究成果を獲得する。
アジョイント感度解析（同化システムを運用した逆解析）実験を実施し、その結果に基づき観測システム研究を行う。海盆スケールにおける水温・塩分などの物理量変動に対してその感度を時間をさかのぼって追うことで、時空間的にみて効率的な観測システム網を提案し、既存の観測網との定量的な比較を行う。
1957年から2009年までの53年間を連続した1つの同化ウィンドウとして設定し、四次元変分法海洋データ同化システムを運用することで海洋物理環境の再現実験を行った。今年度は統合データセットの精度を向上させるため約50回の同化イテレーションを実施した。また、その物理場をベースとして生物化学変数の同化実験を行った。ここではGreen's関数法を応用するために複数回の予報計算を実施し、最適なパラメータを同定した。また、昨年同様、機構内で取得された観測データや気象庁・気象研プロダクトとの相互比較の共同研究に参画するため時間各の短い出力実験などを実施するとともに、国際的な相互比較プロジェクトに参加するためいくつかのメトリクス出力・診断実験を行った。
昨年度に引き続き得られた海洋環境統合データセットを用いて力学解析、観測との比較研究、物質輸送量の評価、予報精度向上研究など、機構内部で部署横断的に解析研究を行った。特に熱帯域での気候変動予測の高精度化に資するため、最適化された海洋初期値場を用いたアンサンブル大気海洋結合ハインドキャスト実験などを行い、エネルギー解析などを実施した。
昨年度に引き続き太平洋を対象としたアジョイント感度解析実験を行い、その感度の大きさを一つの指標とした統計解析を実施した。特に今年度は亜熱帯、赤道太平洋域に緯度経度10度ｘ20度ごとに展開させていた対象海域を亜寒帯域まで広げ、太平洋全域でのモデル感度を検証した。
四次元変分法海洋同化システムをもちいて1956年から2009年の53年間にわたる高精度な海洋環境統合データセットを作成するとともにこのデータセットを用い、気候変動研究を推進した。データットの一部をCLIVAR/GSOPの国際相互比較プロジェクトに提供し、日本のデータ同化技術のプレゼンスを示すことに資した。また、生物化学変量に関する全球規模での長期データ同化実験を行い、既存の気候値観測データなどと矛盾しない海洋環境場を含むプロトタイプ統合データセットを得ることができた。 科学的知見の獲得としては、観測のみでは解析の困難だった南太洋域における流量変動の評価に用いることで、気候変動のシグナルをより明瞭にとらえることに貢献しており、また、北太平洋10年スケール変動の力学解析なども進められている。同時に気候変動適応プログラムなどを通じて、漁獲資源量変動研究などにこのデータセットが用いられ、社会貢献にも一定の成果を上げている。以上、得られた成果の一部は国内外の学会で公表されており、国際誌へと投稿されている。 観測システム研究では太平洋全域での水温変化のアジョイント感度解析実験を通して得られた深度や時間スケールごとの感度マップを用いて既存の等方的な観測システムと感度の高い海域を重点的にカバーするような最適化された観測システムの定量的な比較を行い、例えば1000mの水温場モニタリングに関してより効率的な観測システムを構築できる可能性を明らかにした。これについても現在投稿論文を国際誌に執筆中である。
(年度当初の研究計画を全て達成した場合を100% / 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記載)
1) 海洋環境再現実験 : 90%
2) データ解析 : 85%
3) 観測システム研究 : 90%
※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.
コード開発、最適化等は昨年度のシステムを踏襲しているためスムーズに進めることができた。もっとも資源を必要とする海洋環境再現実験（研究計画(１)）は年度当初からはじめ、繁忙期を避けることで上半期中に大半を終了した。アジョイント感度解析（研究計画(2)）についても上半期での実験を心がけ、リソースのほとんどを夏前に利用させていただいた。
(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)
今年度はメインの同化システムについての大幅なアップデートはなかったので昨年度同様の最適化されたコードで運用している。一部、外注での専門家によるソースコード、シェルスクリプトの改良を行うことでより効率的な実験設定が可能となり、従来に比べ資源を有効に利用できた。
該当なし．
該当なし．