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ふさこがうん
6 years ago
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1 第 134 回 NEC C&C システム SP 研究会 2015 年 9 月 25 日三田 NN ビル地下 1 階多目的ホール地球シミュレータによる台風研究の発展坪木和久 ( 名古屋大学地球水循環研究センター )

2 世界の熱帯低気圧の分布 (1985 年から 2005 年までの全ての熱帯低気圧の経路 ) 台風ハリケーンサイクロン

3 熱帯低気圧 ( 台風 ) の構造眼の壁雲と ( スパイラル ) レインバンド竜巻最大風速台風を特徴付ける量強度 : 中心気圧最大地上風速大きさ : 風速 15m/sの半径 ( 大型超大型 ) 経路移動速度発生数 ( 他に上陸数や接近数 )

4 台風とは北西太平洋 ( 赤道より北で東経 180 度より西の領域 ) または南シナ海の風速 17m/s 以上の風速を持つ熱帯低気圧台風の階級 10 分平均風速 (m/s) 1 分平均風速 (m/s) 台風 17 m s m s -1 強い m s m s -1 非常に強い m s m s -1 猛烈な 54 m s -1 以上 61 m s -1 以上米国での西太平洋の熱帯低気圧の名前 10 分平均風速 (m/s) 1 分平均風速 (m/s) Tropical Depression <15.4 m s -1 < 17.5 m s -1 Tropical Storm m s m s -1 Typhoon m s m s -1 Super-typhoon 58.8 m s -1 以上 66.9 m s -1 以上

スーパー台風とは何かスーパー台風とは最も強い台風のカテゴリーで気象庁の猛烈な台風

これは大気中のもっとも激しい気象システムでありそれに伴う強風と大雨は洪水や高潮などを引き起す

進路予測精度が年々向上しているのに対して強度予測はほとんど精度が向上していない 24-120

Haiyan の可視画像 2013 年 11 月 07 日 15 時 00 分 (JST)

5 スーパー台風とは何かスーパー台風とは最も強い台風のカテゴリーで気象庁の猛烈な台風ハリケーンのカテゴリー 5( 最も強いハリケーン ) に相当する台風であるこれは大気中のもっとも激しい気象システムでありそれに伴う強風と大雨は洪水や高潮などを引き起すスーパー台風などの強い台風は低頻度であるが一旦上陸すると極めて影響の大きな事象でありその強度予測の高精度化と温暖化気候における台風の最大可能強度推定は影響評価研究や防災対策における重要な情報である防災の観点から台風の強度予測は極めて重要で進路予測精度が年々向上しているのに対して強度予測はほとんど精度が向上していない時間の進路の誤差 (NHC) 時間の最大風速の誤差 Super-typhoon Haiyan の可視画像 2013 年 11 月 07 日 15 時 00 分 (JST) Super-typhoon Haiyan の経路と 2013 年 11 月 07 日の海面水温分布 Super-typhoon Haiyan によるフィリピンの災害

6 台風の強度は何が決めるのか環境要因海面水温 ( 海洋上部の貯熱量 ) 大気の鉛直シア ( 下層と上層の風速差 ) 対流圏上部の気温海洋の構造大気の熱力学的構造 ( 安定度湿度 ) 内的要因眼の構造 ( 形や壁雲の入れ替わり ) スパイラルレインバンドメソ渦その他 : 台風の移動速度海洋の波

7 台風の数値シミュレーションの困難台風全体のスケールは 1000km に及ぶこのため全体の構造や移動を表現するためには広い計算領域が必要台風を駆動するエネルギー源は大きさが数キロメートルから数 10km 程度の積乱雲とその群であるこのため台風の駆動源を表現するためには高解像度の計算が必要積乱雲の水とエネルギー循環はそのなかの雲降水過程が規定するこのため詳細な雲物理が必要台風の数値予報は非常に大規模な計算になる

8 解像度の違いによるシミュレーション結果の違い 1km 解像度のシミュレーション 100m 解像度のシミュレーション共立出版 : 計算科学講座第 10 巻第 3 章気象のシミュレーション ( 坪木, 2010) より引用

9 雲解像モデル Cloud Resolving Storm Simulator CReSS 雲スケールからストームスケールの現象のシミュレーションを地球シミュレーターなどの大規模並列計算機で行うことを目的とした雲解像領域気象モデル大規模並列計算機に最適な純国産の雲解像領域モデルを開発することを目標として 1998 年より CReSS の開発を行なってきた

CReSS Cloud Resolving Storm Simulator) 非静力学雲解像シミュレーションモデル

2002年 Ver.1(振興調整費住教授) 2007年 Ver. 2 (HyARC共同研究) 2011年 Ver.

of Oklahoma) 国内利用機関組織京大防災研東大東北大山梨大岩手大福島大会津大京都産業大

カナダ台湾韓国中国バングラデシュベトナム他主要プロジェクトプログラム 21世紀気候変動予測革新プログラム

主要論文 CReSSを用いた査読付論文 21編 Tsuboki, K and A.

10 CReSS Cloud Resolving Storm Simulator) 非静力学雲解像シミュレーションモデル台風竜巻豪雨豪雪スーパーセル積乱雲などのシミュレーション開発者坪木和久榊原篤志 1998年開発開始 2002年 Ver.1(振興調整費住教授) 2007年 Ver. 2 (HyARC共同研究) 2011年 Ver. 3(革新プログラム坪木) 国内外の対抗するモデル MRI-NHM(気象庁 WRF(NCAR) ARPS(U. of Oklahoma) 国内利用機関組織京大防災研東大東北大山梨大岩手大福島大会津大京都産業大愛媛大長崎大 JAMSTEC 防災科研土木研国土地理院東京海上日動明星電気東芝中電CTI他国外利用国カナダ台湾韓国中国バングラデシュベトナム他主要プロジェクトプログラム 21世紀気候変動予測革新プログラム文部科学省国土交通省XバンドMPレーダプロジェクト国土交通省気候変動リスク情報創生プログラム文部科学省他主要論文 CReSSを用いた査読付論文 21編 Tsuboki, K and A. Sakakibara, 2002:High Performance Computing Iwabuchi, H. and K. Tsuboki, 2004: Journal of Visualizations (SGI賞) Akter, N. and K. Tsuboki 2012:Monthly Weather Review The Japan Time ( ) 革新プログラムの成果の記事

11 雲のシミュレーションにおける計算格子の配置と並列計算における計算領域の分割と PE 間の通信

12 モデルにおける雲降水物理学過程の概念図

13 雲解像モデル CReSS を用いた台風 0613 号の解像度 500m のシミュレーション台風全体のなかに降雨帯さらそれを構成する積乱雲が解像されている 200km 雲解像モデル CReSS を用いた竜巻のシミュレーション 10km スーパーセル積乱雲が解像されている

14 集中豪雨をもたらした積乱雲群の構造 ( 雲解像モデル CReSS) 雲氷雲水あられ雪正極雷雨負極雷

15 台風 T0423 ( 豪雨により多くの災害をもたらした ) T0423 (TOKAGE): 近畿地方などに豪雨をもたらし洪水など大きな災害をもたらした T0423, , 01UTC

16 Best track of T0423 (central pressure; hpa)

17 気象庁レーダー降水強度 (mm/hr)

18 CReSS: Press Rain Wind

19 24 時間総降水量

20 地上観測点延岡

21 降水強度 (mm/hr) 棒グラフ : 観測実線 :CReSS 破線 : 静力学モデル Time (UTC)

22 Rainfall intensity (mm/hr) 棒グラフ : 観測実線 :CReSS 破線 : 静力学モデル Time (UTC)

23 高度 6000m, 降水混合比

25 あられ雪雨

26 災害をもたらした記録的台風室戸台風 1934 年 9 月 21 日 hpa( 室戸岬 ) 死者行方不明者 3,036 人枕崎台風 1945 年 9 月 17 日 hpa( 枕崎 ) 死者行方不明者 3,756 人洞爺丸台風 1954( 昭和 29) 年 971 hpa ( 鹿児島市 ) 死者行方不明者 1,761 人狩野川台風 (Ida) 1958( 昭和 33 年 ) 神奈川県に上陸死者 888 名行方不明者 381 名伊勢湾台風 1959 年 9 月 25 日 hpa ( 潮岬測 ) 死者行方不明者 5,098 人第 2 室戸台風 1961 年 9 月 16 日 925hPa( 室戸岬西方 ) 死者 194 名行方不明者 8 名 1979 年第 20 号 (Tip) 10 月 19 日 965 hpa( 和歌山 ) 死者 110 名行方不明者 5 名 1990 年第 19 号 9 月 19 日 945 hpa 死者 41 人, 被害 1,300 億円以上 1991 年第 19 号 ( リンゴ台風 ) 9 月 27 日 940 hpa ( 佐世保市付近 ) 死者 62 人, 被害額 5,700 億円以上 1999 年第 18 号 9 月 24 日 960hPa( 熊本県北部 ) 死者 31 名, 高潮, 竜巻 2004 年 18 号 9 月 7 日 945hPa 死者 43 名行方不明者 3 名 2004 年第 21 号 9 月 29 日 970hPa( 鹿児島 ) 死者 26 名行方不明者 1 名 2004 年第 23 号 10 月 20 日 955hPa 死者 95 名行方不明者 3 名

27 第 2 室戸台風 (1961)

28 狩野川台風 (1958)

29 伊勢湾台風 (1959) スーパー台風急速発達

30 気象庁資料より

31 伊勢湾台風の観測経路とシミュレーション実験の経路の比較赤実線 : シミュレーション黒実線 : 観測 ( 気象庁 )

32 伊勢湾台風のシミュレーションの中心気圧の時間変化赤実線 : シミュレーション黒実線 : 観測 ( 気象庁 )

33 伊勢湾台風のシミュレーション : 期間最大地上風速総降水量期間最大地上風速総降水量赤実線 : シミュレーション黒実線 : 観測

34 雲解像モデル CReSS で再現された伊勢湾台風の立体表示 ( 上陸 12 時間前 )

35 伊勢湾台風 ( 格子間隔 2km): 放射過程の on/off の比較放射あり放射なし黒 : ベストトラック赤 : CReSS ( 放射なし ) 紫 : CReSS ( 放射あり ) 放射があるほうが上陸直前の位置が観測に近い中心気圧の時間変化放射ありのほうが : 中心気圧が 15hPa 程度高く顕著に観測値に近くなっている

36 二酸化炭素の増加する様子

37 観測された世界平均地上気温 ( 陸域 + 海上 ) の偏差 (1850~2012 年 ) 1880 年から 2012 年の期間に 0.85 上昇している 3 つのデータセットによる 1850~2012 年の陸域と海上とを合わせた世界平均地上気温偏差の観測値上図 : 年平均値下図 :10 年毎の平均値 ( 黒色のデータセットについては不確実性の推定を含む ) 偏差は 1961~1990 年を基準とする ( 出典 :IPCC AR5 WGⅠ SPM Fig. SPM.1(a) )

38 現在気候 (2005 年観測値 ) と将来気候 (2076 年 ) の海面水温 (9 月平均値の例 ) 2005 年 9 月の平均海面水温 2076 年 9 月の平均海面水温

39 台風の最大強度の理論台風とは海を高熱源対流圏上層を冷熱源とするカルノーサイクルと考えるそれらの温度差によって決まる熱力学的効率が大きいほど台風の強度は大きくなる

40 880 hpa 現在気候における台風の到達可能最低中心気圧 (MPI) 825 hpa 二酸化炭素が 2 倍になった気候における台風の到達可能最低中心気圧 Emanuel, 1985

41 GCM の現在気候温暖化気候の台風についての雲解像実験気象研究所 20kmGCM を用いた現在気候近未来気候温暖化気候の前期実験後期実験で抽出された台風のうち次の条件で選択した台風について雲解像モデル CReSS を用いたシミュレーション実験を実施した ( ただし近未来気候は後期実験のみで事例数が少なくここでは示さない ) 1. 台風のライフタイムの中で最低中心地上気圧が 970hPa 以下になること ( 発達した強い台風であること ) 2. そのときの中心の位置が東経度北緯度の領域 ( 図中の緑の枠 ) にあること ( シミュレーションを行うために十分データがある領域に最発達時があること ) 現在気候 :30 事例の台風温暖化気候 :30 事例の台風計算期間対象領域データ領域

42 雲解像モデルを用いた現在温暖化近未来気候の台風実験計算領域 : 移動する台風を十分おおう領域水平格子解像度 : 2 km 鉛直格子数 : 67 鉛直格子間隔 : 200 ~450 m 積分期間 : GCMで最低気圧になる時刻から3 日前または 970hPa 到達前から 1~2 日後まで積分地形とSST: 実地形 GCMの出力 SST 初期値境界値 : MRI GSM 20km 前期後期実験雲物理過程 : 冷たい雨のバルクパラメタリゼーション放射過程 :MSTRNX 海洋モデル : 1 次元拡散モデル (60 layers, 30m) 陸面モデル : 1 次元熱伝導モデル (60 layers, 9m)

43 台風の生涯での最低中心気圧台風の生涯での最大地上風速現在気候と将来気候の最も強い各 30 個の台風を強度でソートして比較した最低中心気圧と最大地上風速台風の番号

44 観測史上最低気圧を記録したスーパー台風 TIP(1979)

45 温暖化気候で発生したスーパー台風のトラック太赤線部 : 風速 67 m/s 以上

46 温暖化気候においてスーパー台風の強度を維持して日本に上陸する台風 ( 後期実験の一事例 ) 中心気圧 880hPa

47 GCM 温暖化気候の台風の CReSS 実験 : 台風 SF1809 による総降水量 (mm) スーパー台風 SF1809

48 GCM 温暖化気候の台風の CReSS 実験 : 台風 SF0508 による総降水量 (mm) 東北地方の主要な降水の最大は 500~800mm

49 2014 年 7 月の台風 8 号のシミュレーション : 地上気圧風降水分布

50 2014 年 7 月の台風 8 号のシミュレーション :OHC( 海の熱エネルギー ) OHC(Ocean Heat Content) の定義 ρ: 水の密度 Toc(Z): 深度 zにおける水 Cp: 水の定圧比熱 D26: 水温が26 となる台風の通過領域

非静力学大気海洋波浪結合モデル SST CReSS (Cloud Resolving Storm

Skin Stress NHOES (Nonhydrosta c Ocean model for

Surface Current Surface Roughness Wave Stress

DIS 大気海洋波浪結合モデルにおける各種物理量の連携図 (a) case without

と波浪の有義 color: wave height (m) 波高 ( 色 m) の分布

51 非静力学大気海洋波浪結合モデル SST CReSS (Cloud Resolving Storm Simulator) DX=4km, Nagoya Univ. Skin Stress NHOES (Nonhydrosta c Ocean model for ES) DX=4km, JAMSTEC Heat & Water flux Wind Speed Surface Current Surface Roughness Wave Stress Surface Wave (Donelan et al., 2012) DX=4km, Miami Univ. Dissipa on-induced Body Force t = t skin + k w S DIS 大気海洋波浪結合モデルにおける各種物理量の連携図 (a) case without wave (b) case with wave 台風による10m 高風速 ( コンター m/s) と波浪の有義 color: wave height (m) 波高 ( 色 m) の分布 contour: wind speed (a) 波浪なし大気海洋結合モデルと (b) 波浪あり大気海洋結合モデルのそれぞれによる T0505 Color: 台風の再現実験の結果色は海面水温 SST ( ) コンターは海面高度 T0505 Haitang

52 NHOES (NonHydrostatic Ocean Model for the ES) MITgcm (Marshall et al., 1997) based z-level model, 3-D non-hydrostatic model Non-compressible, Boussinesq fluid Horizontal mixing: Smagorinsky Vertival mixing :Mellor-Yamada-Nakanishi- Niino model Arakawa s C-grid, leap-flog Platform:ES2, Altix Fortran90, MPI

54 Surface Wave Model Donelan et al., 2012 JGR E(x, y, θ, σ) distributed in 4-dimensional space: high computational cost E q s Wave energy Wave direction [rad] 24 grid Wave frequency [1/s] 36 grid Spectral distribution of wave energy at a fixed point southwest of a hurricane translating north-westward (green arrow) Wave direction (contour) is not the same as wind direction (red arrow)

55 非静力学海洋モデルの結合のインパクト 2012 年台風 15 号 (BOLAVEN) を例として台風の経路についてはほぼ同じ SST 固定と比較して約 35hPa 1 次元モデルと比較して約 15hPa 中心気圧が高くなる SST の低下の程度が顕著に異なる

56 アルゴ観測とモデルの比較 ( 水温の鉛直分布 ) 22.18N, E (T1215) アルゴ観測とモデルの比較 ( 塩分の鉛直分布 ) 22.18N, E

57 2009 年台風 14 号 (T0914) Choi-Wan のシミュレーション実験 :10 日目の結果気象庁ベストトラック衛星観測水深 51m の初期値からの水温偏差 ( ) 北緯 22.5 度の水温偏差 ( ) の鉛直断面

58 [SOULIK (T1307) ] Best Track

59 [SOULIK (T1307) ] Comparison of sea surface temperature AMSR2 3-dim. ocean 1-dim. ocean Coupled with wave

60 まとめ台風は日本を含む東アジア地域に水資源をもたらすとともに強風や大雨さらに高潮などにより甚大な災害をもたらす 1959 年の伊勢湾台風は東海地方を中心に大きな災害をもたらした気象衛星もレーダーもなかったので伊勢湾台風の実態は不明な点が多い現在の最先端の技術 ( コンピュータデータ解析 ) と雲解像モデルCReSSを用いて伊勢湾台風を再現しその特徴を明らかにした台風の強度の上限すなわち最大強度はどこにあるのかこの問題は大気科学として興味深いだけでなく防災の観点からも大きな問題である地球温暖化に伴いスーパー台風の強度の増大が懸念される雲解像モデルを用いた実験では温暖化気候において最も強い台風は 860hPa 85~90m/sに達するこのようなスーパー台風が地球温暖化に伴い本州のような中緯度にまで達することが示された将来伊勢湾台風を超える強度のスーパー台風が襲来することは十分想定される現在の気候や将来の気候における台風の強度をより正確にシミュレーションするために非静力学大気海洋結合モデルを開発している

雲解像モデルCReSSの紹介とそれを用いた台風の研究

雲解像モデルCReSSの紹介とそれを用いた台風の研究 CReSS と連携プログラムの紹介 * 加藤雅也坪木和久名古屋大学地球水循環研究センター雲解像モデル Cloud Resolving Storm Simulator CReSS 雲スケールからストームスケールの現象のシミュレーションを地球シミュレーターなどの大規模並列計算機で行うことを目的とした雲解像領域気象モデル大規模並列計算機に最適な純国産の雲解像領域モデルを開発することを目標として 1998