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
林 祥介 (神戸大学 大学院理学研究科)
Yoshiyuki Hayashi
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。
火星では、 常時大気中にダストが浮遊しており、 ダストストームが頻繁に発生している。 このダストは、 火星大気循環と温度構造に非常に重要な影響を及ぼしている。 我々は、 観測によっては直接観測が困難な中小規模擾乱に伴う風の寄与に注目し、 高解像計算で中小規模擾乱を陽に表現することによって中小規模擾乱の描像と、 それらのダストの巻き上げへの寄与を明らかにすることを目指す。 昨年度までに北半球の夏と秋の短期間に焦点を当てて計算を行なってきた。 今年度は、 火星の一年にわたる長期間積分を行うことで、 ダスト循環の季節進行の理解を得ることを目指した。
金星大気大循環はスーパーローテーションという強い自転方向の東西風によって特徴づけられており、 このスーパーローテーションの維持機構の解明を目指す。 これまでの研究によると、 金星の大気大循環を正確にモデリングするには、 大気安定度の低い雲層付近を適切に取り扱うことが必要であった。 また、 現実的な太陽加熱を設定した精密な放射モデルによる金星GCMの高精度化を達成し、 大気スーパーローテーションの生成・維持機構を解明するためには、 低安定度層における大気スーパーローテーションの振る舞いを調べることが重要な課題となっていた。 このため、 高解像度計算によって、 金星大気中の波動擾乱あるいは波動以外の中小規模擾乱の存在とそれらの構造を明らかにし、 スーパーローテーションの形成と維持における役割の解明を目指した。 今年度は、 金星大気用AFESの高精度化を推進し、 現実的な太陽加熱の存在下での、 雲層における中規模擾乱に着目した高解像度の数値実験を行うことにした。
当初予定通り、 中解像度実験も含む多数の大規模な火星計算に多くの計算資源を使用している。 金星計算においては、 上記計画のための新しい物理過程の導入と試験的な計算を行い、 本格的な高解像度実験を行う環境を整えてきた。
昨年度までの高解像度（水平格子間隔 ~11 km）での短期間積分に続き、 火星一年間を通した中解像度（水平格子間隔 ~44 km）での実験を試みた。 また、 比較対象として低解像度（水平格子間隔 ~89 km）での実験も実施した。 現状では、 一年積分の 2/3 程度が終了したところであり、 現在も計算を実施しているところである。 これまでに終了した範囲（北半球の秋から初夏）においては、 実験を行った二つの解像度の結果の比較により、 中解像度実験の方が低解像度実験より広い領域でのダスト巻き上げが確認された。 特に夏半球においてダストが巻き上げられる領域面積が広くなっており、 昨年度までに明らかになった対流活動に起因すると考えられる小規模擾乱の効果を反映していると考えられる。 今後、 一年積分を完了し、 火星一年に渡る季節進行を明らかにしたい。
金星大気用AFESの高精度化を行った。 金星大気中には雲層付近（高度約45-70 km）に大気安定度の低い領域が全球的に広がっているが、 GCMを用いたこれまでの金星大気研究ではこの特徴が無視され、 全層にわたって安定成層した大気を基本場とする数値計算が行われてきた。 しかしながら、 子午面循環の構造や熱潮汐波の鉛直伝播が大気安定度の鉛直分布に強く影響されることは明らかである。 また、 スーパーローテーションの再現のために、 下層で強すぎる太陽加熱を与えることも頻繁に行われてきた。 本研究では、 観測に基づく大気安定度分布を包含し、 熱潮汐波を含む現実的な太陽加熱スキームを実装した。 そして、 初期に理想化したスーパーローテーションを設定し、 太陽加熱等のパラメータを変化させ、 その力学的安定性に着目した研究を行った。 その結果、 大気安定度の弱い雲層付近で、 線形論で予想されていた傾圧不安定モードが見られ、 その成長率も線形論とおおむね一致することが示された。 金星大気中で傾圧不安定が観測された報告は未だないため、 本研究はその存在を示唆するものとして重要である。 また、 太陽加熱を加えた長時間積分実験の結果、 熱潮汐波のあるなしに関わらず、300年積分後にもスーパーローテーションが維持された。 これより、 本実験にはスーパーローテーションの形成・維持に関わる過程が内在している可能性が高い。 今後はES2およびAFESの能力を最大限生かした高解像度計算を行い、 傾圧不安定波に伴う熱や運動量輸送を詳細に調べ、 大気スーパーローテーションの形成・維持に対する効果を明らかにする予定である。
(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)
達成度 60%
火星計算においては、 予定していた一年計算が未だ終了しておらず、 現在も実行中である。 金星計算においては、 物理過程を新規導入に時間を費やしているものの、 傾圧不安定モードの存在に関する重要な知見と、 現実的な太陽加熱設定によるスーパーローテーションの維持結果を得た。
特に長期間積分を実施している火星計算において、 計算結果を随時確認しながら実施してきたため、 やや利用時間が少なくなっている。 しかし、 現在も計算を実施中であり、 予定通りのスケジュールに戻りつつある。
(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)
該当なし。
該当なし。
該当なし。