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
平成23年度までの地球シミュレータ共同プロジェクトに引き続き開発してきた、数年から数千年に及ぶ気候変動を再現できる大気・海洋・陸面結合大循環モデルを改良するとともに、氷床モデル等の開発を行い、最先端の気候システム研究を実施する。これらの成果に基づいて、地球温暖化予測に係わる地球環境の変動メカニズムを解明することを目的として研究を推進する。
本研究は、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。具体的には以下の研究を行う。
温暖化予測実験のための海氷モデルや氷床モデルを開発する。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。昨年度一部並列化を実装した氷床モデル IcIES を完全並列化し、高解像度実験にむけて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。
海洋モデルに関しては、開発したマルチカテゴリ海氷モデルを全球気候モデルに導入し、その物理パフォーマンスを評価する。マルチカテゴリ海氷モデルでは、カテゴリ毎にグリッド内の海氷の被覆率（密接度）と厚さを予報することができるので、海氷厚に依存する熱力学特性の差が緻密に表現できる。例えば、一年氷（薄い）と多年氷が混在する北極海において、温暖化の進行で夏に氷が融けて薄い氷の割合が増え、氷が熱的融解に対してより脆弱になるといった過程が現実的に再現できると考えられる。そこで、このマルチカテゴリ海氷モデルの物理パフォーマンスを評価するために、全球気候モデルに、この海氷モデルを導入し、衛星観測による海氷密接度、潜水艦・船舶観測による海氷厚さ分布などの観測データとモデルの計算結果を比較することにより、この海氷モデルの南北両極における物理パフォーマンスを評価する。
陸面モデルについては、地表面アルベドや土壌物理定数の算定方法などについて、凍土過程も考慮して改良したスキームの組み込みを行い、改良による全球気候への影響を調査する。また、陸面パラメタの不確定性や地上気象要素の変動が、地表面熱水収支などの広域分布や気候再現性に与える影響を調べるために、感度実験などを行って、誤差や変動の要因解明を進める。
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。高解像度気候モデルを用いて現在気候実験、将来気候実験、二酸化炭素濃度のみ将来にした実験・海面水温実験のみ将来にした実験、及びENSO実験を行い、温暖化時の降水、子午面循環、赤道成層圏準2年振動、半年振動、成層圏突然昇温の現象の変化を調べ、その変動メカニズムを明らかにする。大気波動の変化を陽に表現させる為、重力波抵抗パラメタリゼーションは組み込まず、モデルで陽に表現される重力波で以って上記現象を再現させる。赤道域において熱帯域の積雲対流や雲クラスターから、どのような波長・位相速度・運動量フラックスを持った重力波が励起され、砕波することによって循環場をどの程度変え得るのか、定量的な評価を各実験に関して行い比較する。成層圏突然昇温に関しては昇温時の対流圏―成層圏―中間圏の力学結合と、その結合が生じるための条件を系統的に明らかにする。現在実験については、各種観測データを可能な限り集め、モデル結果と比較・検討することによって数値実験と現実大気の相補性を取る。成果は複数の科学論文として発表する。
古気候実験では、昨年度に引き続き、氷床変動が気候システム動作特性に強くかかわる古気候現象、具体的には、氷期ー間氷期の気候変動のメカニズムの解明に取り組む。温暖化研究に用いられるMIROCモデルと、当課題で開発している氷床モデルを組み合わせて活用し、様々な数値実験を進める。まず、大気海洋結合 GCM MIROCを用いた、氷期の状態など、現在と異なる氷床分布を持つような気候状態の形成要因を探るために、様々な感度実験を進める。また、融氷期や前の間氷期以後の海洋に、氷床融解を起源とする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D-O サイクルなどの急激な気候変動を再現し、その変動メカニズムを探る研究を進める。さらに、必要に応じて氷床モデル実験結果と組み合わせ、前の間氷期を想定した数値実験を行い過去に両極の氷床が融解して海水準が現在より高かった時代の気候と氷床変動とそのメカニズム解明をし、将来予測に制約を与える実験解析を進める。
QBO実験： 1.2万ノード時間
古気候実験： 0.5万ノード時間
海洋モデル開発: 0.5万ノード時間
昨年度に引き続き、氷床モデルの並列化を進めた。今年度は、昨年度に残された課題である熱力学過程の並列化に着手した。それに加えて今までのIcIES に新機能である棚氷過程を導入し、並列化、最適化の試験をした。モデルは動作には問題ないが、最適化という観点では改良の余地があるので今後の課題である。
マルチカテゴリー海氷モデルを大気海洋結合モデルに導入し、カテゴリー数を変えて気候再現実験を実施した。海氷モデルを、従来良く使用されている２カテゴリー海氷モデルから、マルチカテゴリーに高度化した。このパラメタリゼーションの効果を検証するために、結合モデルにおける厚さ別の海氷分布をシミュレーションした。その結果、北極海の８－１０月の海氷厚分布が観測と同様に１ｍ海氷厚を谷にして２ピーク構造になっていることが再現された。このことは、高度化されたマルチカテゴリー海氷モデルの海氷厚再現性が現実的であることを示している。
陸面モデルに関しては、地表面アルベドに土壌水分を考慮するスキームをGCMに組み込んで、動作を確認するテスト実験を行った。また、地表面熱水収支の広域分布の再現性を調べるために、ES2で計算された20世紀再現実験の結果を用いて気候湿潤度を算定して、年々変動の特徴などを解析した。土壌水分が増加すると地表面アルベドが低下し、想定したふるまいをしていることを確認した。その結果、地表気温の高温バイアスを緩和する可能性があることが分かった。気候湿潤度(WI)による解析では、WIの気候値は乾湿の全球分布と良く一致し、地域的な長期変動の特徴の幾つか（20世紀後半にサヘルで乾燥化するトレンドなど）も表現できていることが分かった。
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QBOや半年振動（Semiannual oscillation: SAO）の変化について研究を行った。上部対流圏から成層圏の鉛直解像度を500mにし、モデル上端を90kmと50kmにした2つのモデルで実験を行った。積分期間はそれぞれ50年と80年とする。また、QBOの再現についての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行った。これらのデータでは成層圏突然昇温の解析も可能となる。これらの実験により、地球温暖化時のQBO・SAOの変化やそれが他の現象に及ぼす影響について調べる事が可能になる。
地球温暖化時のQBO変化に関する論文が出版された。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について、南半球の重力波活動に関する研究と成層圏突然昇温の解析に関する研究論文が受理された。
古気候モデルに関しては、氷期ー間氷期の気候変動のメカニズムを解明するために、大気海洋結合 GCM MIROCを用いて様々な条件下での古気候実験、感度実験を進め解析した。
また、GCM MIROC により得られた古気候実験の結果を氷床モデルの入力として、Eemian 間氷期や現在よりも温暖な Holocene におけるグリーンランド氷床の再現実験を行い、氷床変動に伴う海水準変動とそのメカニズムの理解に向けた解析を進めた。
(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)
結合モデルでの海氷モデリングの評価 90%
陸面モデル 85%
温暖化時のQBO 90%
古気候実験 85%
氷床モデル開発 70%
年度末など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)
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。
氷床モデルは並列化を開始し、最適化を実施しているが、またチューニングの余地があると思われる。
該当なし。
該当なし。