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1 1 / 17 20km-NHM と WRF-ARW による熱帯域および日本域の短期予報の統計的精度検証とその比較 気象研究所予報研究部林修吾

2 2 / 17 目次 0. はじめに 1. 目的 2. モデルの紹介と実験の設定 3. 結果 I: 顕著事例での再現性確認 4. 結果 II: 統計的精度検証 5. まとめ

3 3 / はじめに 本研究の目的は, 昨年度から始まった科振費 東南アジア地域の気象災害軽減国際共同研究 において, 災害軽減システムの一部をなす予報モデル (NHM) の東南アジア域での精度を確認することである. このために, 水平解像度 20km の気象庁非静力学モデル (20km- NHM) をもちいて, 東南アジア ( インドネシア周辺 ) と日本域で短期予報 (36hr) を行った. 期間は,2007 年 7 月前半と 2008 年 1 月前半の各 15 日間で, 各地域での雨季 乾季 冬季を含む時期である. これらの結果を, ゾンデおよび全球降水データ (CMORPH) といった観測結果, さらに, 同条件による WRF-ARW の予測結果と比較し, 精度検証 比較を行った結果を報告する.

4 4 / "20km" 解像度の理由 20km 解像度で NHM を使った場合の予報精度はどのくらいか? そもそも, なぜ 20km 解像度なのか? 対象とする領域が東南アジアのため, 初期値境界値は必然的に全球モデルからとなる. そして公開されている全球モデルデータ (NCEP-GFSやJRA25 等 ) は0.5~1.25 度解像度のものがほとんど. ネストのギャップを考えると数十 km 程度が妥当となる, 対象諸国の広さ ( 数千 km 程度 ) に対して, それらの国で使える計算機資源を勘案すると, 短期予報 (1~3 日 ) が現実的な時間で終わるには, 数百 2 ( の下の方 ) 格子程度が限度か? そして, 予報システムとして使うために,case studyだけではなく, ある程度統計的な精度を示しておきたい.

5 5 / ここでの目標は? そこで, 日本域と熱帯域でどのくらい精度が変わるのかを確認 まずは同じ設定でモデルを実行して, 地域 ( 緯度帯 ) が違うだけでどのくらい差があるのか確認. モデルの設定はルーチンの MSM5km とほぼ同じ ( この設定を 20km 用の設定として公開している ). 設定を変えずに走らせることを想定. そして, その統計的な精度はよそのモデル ( とりあえずここでは WRF-ARW が対象 ) と比べて遜色ないのか? WRFより制約が多いのに, 精度まで負けてたら使ってくれない また, 領域 季節による差はあるか? たとえば熱帯域でNHMの精度が悪かったときに, それはうちだけの問題か, よそのモデルも抱えている問題かを知っておくと言い逃れしやすい ( どちらにせよ原因は追究しないといけないが...)

6 6 / 実験領域と計算期間 3000km x 3000km 四方, 2 地域, 2 季節 (?). 東南アジア域 ( インドネシア中心, 以降 "Tr") 日本域 ( 以降 "Jp") 初期時刻は 00Z で 36hr 予報. 以降の解析には 24hr (FT=12~36hr) を利用. 115E 120E 45N 40N 35N 150E 30N 25N 2007-Jul-01 00z ~ Jul-15 00z initial (15 days) 台風 0704 (MAN-YI in Jp ), 梅雨期 ( JP ), インドネシアは乾季 (in "Tr") 2008-Jan-01 00z ~ Jan-15 00z initial (15 days) 日本は冬季で大雪もあり (in Jp ), インドネシアは雨季 (in "Tr") 日々実験 : E 130E 135E 140E 145E E 100E 105E 110E 115E 10N 5N 0N 5S 10S 15S

7 7 / 17 モデルの設定 NHM ver.2007-dec-19 WRF-ARW Domain size and forecast hour Initial / Boundary Condition 150 x 150 x 40 grid (in x, y, z), dx = 20km, model top = 22km (~ 45hPa), forecast hour = 36hr, (dt = 75sec, 1728steps) NCEP-GFS forecast 00UTC, 0-36hr (every 3hr), 1 x 1degree global (free to download from the Internet) Experimental setting Using same namelists Jp and Tr Default values in the recommended namelists (Nhm/Ss/RF20km/fcst.sh, WSM6(similar), KF, MY3, Leapfrog ) * These settings are the same as JMA routine run with 5km. Default values in the recommended namelists (WRFV2/test/em_real/name list.input, WSM3, KF, YSU, RK3rd )

8 8 / 17 計算機環境 Machine, OS and Software NHM ver.2007-dec-19 WRF-ARW Intel Xeon Quad E5335 (2.0GHz) x 2, using only 4 core with 4MPI CentOS5.1, Ifc , gcc 4.1.2, lam (This machine is similar to an personal computer. We bought this machine for $3,000, 2 year ago) 140min. (8413sec) 104min. (6266sec) Elapse time Memory size The selected physical processes in NHM are more complex than in WRF. (e.g. WSM6 in NHM, WSM3 in WRF) 2.5GB (620MB x 4MPI) double precision (default) 2.2GB (560MB x 4MPI) double precision (change default (single)) Output format & file size (using default output interval) NuSDaS (JMA original) 1.2GB (3D:1hour interval SFC: 30min interval) NetCDF 3.3GB (1hour interval)

9 9 / 顕著事例 ( 台風 , z 初期値 ) Typhoon MAN-YI 2007-Jul-15.12z 24hr.Prec (Obs. = "CMORPH" = global precipitation map by satellite) RAM Obs. NHM WRF 2007-Jul-14.09z 3hr.Prec(FT9) RAM MSM NHM GSM

10 10 / 統計的精度検証 T,RH, 風といった物理量の鉛直分布をゾンデ観測により検証 ゾンデ観測は 12 時間に一度 同領域サイズ内に日本域は25 点以上, 東南アジアは10 点程度 指定気圧面データをモデルの直近の4 点内挿で直接比較 地上降水量を CMORPH( 衛星観測 ) により検証 モデル 観測ともに,40kmの検証格子を作成し,3 時間降水量で検証 ( ただし観測はスナップショット, モデルは積算量 ). 境界付近各 300kmをのぞく2400km 四方で比較 FT15-36の後半 24 時間 (3 時間降水量 ) が検証対象 降水分布, 強度別頻度, 強度別スレットスコアを算出

11 11 / 17 積算降水量(日本域) FT12-36 x 15日分 2007-Jul in Jp Radar Obs. NHM WRF NHM WRF 2008-Jan in Jp Radar Obs. 東南アジア減災科振費 第二回国内ワークショップ

12 バイアススコアとスレットスコア ( 日本域 ) 2007-Jul in Jp NHM.Jp.07 WRF.Jp NHM.Jp.07 WRF.Jp / 17 Bias Score Threat Score Precipitation Threshold (mm/3hr) NHM.Jp.01 WRF.Jp Jan in Jp Precipitation Threshold (mm/3hr) NHM.Jp.01 WRF.Jp.01 Bias Score Threat Score Precipitation Threshold (mm/3hr) Precipitation Threshold (mm/3hr)

13 13 / 17 積算降水量(熱帯域) 2007-Jul in Tr Obs. NHM WRF 2008-Jan in Tr Obs. NHM WRF 東南アジア減災科振費 第二回国内ワークショップ

14 バイアススコアとスレットスコア ( 熱帯域 ) 2007-Jul 0.15 in Tr NHM.Tr.07 WRF.Tr NHM.Tr.07 WRF.Tr / 17 Bias Score Threat Score Precipitation Threshold (mm/3hr) Jan 0.15 in Tr NHM.Tr.01 WRF.Tr Precipitation Threshold (mm/3hr) NHM.Tr.01 WRF.Tr.01 Bias Score Threat Score Precipitation Threshold (mm/3hr) Precipitation Threshold (mm/3hr)

15 Mean Error ゾンデ検証 : 日本域 (T と RH)FT=36hr T RMSE 2007-Jul in Jp NHM --- WRF --- Mean Error RH RMSE 15 / Jan in Jp Mean Error RMSE Mean Error RMSE T RH

16 ゾンデ検証 : 熱帯域 (T と RH)FT=36hr 2007-Jul in Tr T RH 16 / 17 Mean Error RMSE Mean Error RMSE NHM --- WRF Jan in Tr Mean Error RMSE Mean Error RMSE T RH

17 17 / まとめ 日本域の梅雨期は, モデルの降水の再現性はよい. 冬季もよさそう (CMORPH 側に問題が ) WRF-ARWとの比較では,NHMがほんの少し良い 5km-NHMとのゾンデ検証と比べると, オーダーと傾向は似ている. それほど大きくは悪化していない 熱帯域は, まったく同じ設定で計算した場合でも日本域の半分程度の ( 降水 ) スコア 雨季 乾季の差は小さい WRF-ARW でも同様に熱帯域はスコアが低下する 問題点とこれからの研究 熱帯向けの調整が必要か? 両モデルが悪いが, 親モデルのせいでは? 解像度をあげる ( 例えば5km) とどのくらい変わるか?

18 18 / 17 顕著事例 ( 今回の検証期間外だが 20kmGSM とも比較 ) 2008-Feb-27.15z 3hr.Prec(FT15) 2008-Jul-08.00z 3hr.Prec(FT24) RAM MSM RAM MSM NHM GSM NHM GSM

19 19 / 17 顕著事例 ( 冬季日本海 熱帯の豪雨 ) 冬型降雪 2008-Jan-02.12z. 24hr.Pr RAM NHM WRF (Obs. = "CMORPH" = global precipitation map by satellite) Flood in Jakarta 2008-Jan-02.12z. 24hr.Pr Obs. NHM WRF 東南アジア減災科振費予報研究部コロキウム第二回国内ワークショップ

20 20 / 17 CMORPH? CMORPH とは? z-21z の 3hrly の 8 回合計降水量 NOAA 作成の全球 (60N-60S) 降水観測データ ( 低軌道 ) 衛星搭載マイクロ波放射計データによる降水分布と, 静止気象衛星のIRデータによる水平移動量を組み合わせた, ほぼ全球の降水データ (GSMaP_MVKとほぼ同様?) 使われている衛星 :DMSP 13, 14 & 15 (SSM/I), the NOAA-15, 16, 17 & 18 (AMSU-B), and AMSR-E and TMI aboard NASA's Aqua and TRMM 雨量の観測は不等間隔かつスナップショットデータ 0.25 度 3 時間毎のデータが200212から現在まで使える. (8km 解像度のデータもあるが直近のみしかストアされていない ) 原理的に雪は苦手 ( 冬季の陸上はマスクされてる?)

21 冬の CMORPH の観測データ 21 / 17 2 種類のデータセット mwcomb: combined microwave estimates (no advection) mm/hr cmorph : advected precip. (mm/hr) z の描画 上段がmwcomb 下段がcmorph 白抜きは欠測値 今回, 統計検証に利用したのは cmorph MWCOMB CMORPH

22 22 / 17 Typhoon MAN-YI # Best Track Map 2008-Jun-16 東南アジア減災科振費 AOGS2008 第二回国内ワークショップ AS06 Central Pressure Time Series

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