中解像度版大気海洋結合モデルによる海氷分布の再現

中解像度版大気海洋結合モデルによる
海氷分布の再現
小倉知夫 (東京大学気候システム研究センター PD)
, CCSR/NIES/FRSGC モデル開発グループ
背景：
共生第一グループの結合GCM開発 (20030417)
(1) 高解像度版 OAGCM
大気 T106 L56 , 海洋 1/4x1/6 L48
(2) 中解像度版 OAGCM
大気 T42 L20 , 海洋 (1/2-1)x1.4 L43
⇒ 暫定版（CMIP用)で動作確認
８０年積分（標準、CO2 1%漸増）完了。
発表内容：
1. 中解像度版モデル（CMIP用暫定版）
- OAGCM のスペック
- OAGCM の出力
2. 低解像度版モデルについて
（CMIP版の原型：～2001）
（3. 海氷モデルの仕組み）
1.中解像度版モデル
中解像度版： MIROC3.1 (CMIP版)のスペック
 大気 CCSR/NIES AGCM 5.7
スペクトル T42 (～2.8°) 20層
トレーサー格子移流，雲水予報，
エアロゾル直接・間接効果
 海洋 COCO 3.3
(0.5-1.0)°×1.4°43層自由表面
モデル北極をグリーンランドに座標回転
海底境界層，斜め移流
 海氷
(0.5-1.0)°×1.4°力学・熱力学
 陸面 MATSIRO バケツモデル
～2.8°植生キャノピー，多層積雪
 河川 TRIP ～2.8°
中解像度版：必要な計算機資源
大気、海洋ともに32PEによる東西方向帯状
分割
32PE (4 ES nodes) / 1 ラン
(ES 全資源の～0.6%)
計算時間１ヶ月で～400年積分の見込み
仮に海洋のデータを30日毎に出力した場合、
11GB/日・ラン
全球・年平均地表面気温の時系列
Surface temperature
[℃]
CO2 increase integration
CT02502
Control CT02501
[years]
標準実験はほぼ安定（ドリフト～+0.6℃/100yr）
他グループの結合モデル結果と comparable.
全球・年平均SST
観測 WOA 1998
OAGCM
OAGCM
ー観測
[℃]
[℃]
他グループの結果と comparable.
(北太平洋・北大西洋・東部熱帯太平洋等に顕著なバイアス)
海氷密接度（２月）
観測(SSM/I, NSIDC,
1995-1999)
OAGCM
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
全体的に良く再現（ラブラドル海でやや過大評価.）
海氷密接度（8月）
観測(SSM/I, NSIDC,
1995-1999)
OAGCM
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
全体的に良く再現（スカンジナビア北岸でやや過大評価）.
海氷密接度（8月）
観測(SSM/I, NSIDC,
1995-1999)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
ウェッデル海東部で過小評価？（ポリニア域に対応）
海氷密接度（8月）
観測(SSM/I, NSIDC,
1995-1999)
0.9
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0
全体的に良く再現（西南極沿岸でやや過小評価）.
北大西洋子午面流線関数（年平均）
Depth [m]
NADW 極大19 [Sv]
赤道南下 13 [Sv]
AABW 赤道北上 4 [Sv]
北大西洋深層水(NADW)形成維持される.
南極底層水(AABW) やや過大評価.
年平均SSS
Levitus
[psu]
OAGCM
全体的に過大評価の傾向.
⇒ 水収支閉じないバグ
要・再検討.
まとめ：
・ ES 用OAGCM 中解像度版で 80年積分完了.
（標準、CO2 1%漸増）
・ SST, 海氷分布の再現性は他グループのモデルと
比べて同じ程度(UKMO, NCAR, COLA etc).
・ NADWの再現性良好.
＃バグが原因の可能性あり.（要検証）
+ 2003年10月結合試験終了を目指して開発続行中。
2.低解像度版モデル
（MIROC2.1, 2001年）
低解像度版： MIROC2.1 のスペック
 大気 CCSR/NIES AGCM 5.6
スペクトル T21 (～5.6°) 11層
トレーサー格子移流，雲水予報，
 海洋 COCO 2.1
2.8°×2.8°20層 RIGID-LID
 海氷
2.8°×2.8°
熱力学：Semtner 0 layer
力学： EVP rheology (Hunke and Dukowicz)
 陸面
～5.6° バケツモデル
 河川
～5.6°流路MAP
標準実験 300年積分完了。 51-150年目を平均して解析に使用。
大気海洋結合GCM：標準実験で観測をどの程度再現できるか？
年平均SST
観測(Levitus)
結合GCM (51-150年目平均)
結合GCM－観測
高温バイアス:熱帯東太平洋,熱帯大西洋
北太平洋西部
低温バイアス:北大西洋
大気海洋結合GCM：標準実験で観測をどの程度再現できるか？
海氷密接度
観測
結合GCM
(SSM/I,1995-1999,NSIDC)
冬季（2月）
夏季（8月）
過大評価：北大西洋と北太平洋
大気海洋結合GCM：標準実験で観測をどの程度再現できるか？
海氷密接度
観測
結合GCM
(SSM/I,1995-1999,NSIDC)
夏季（2月）
冬季（8月）
観測を良く再現できている。（夏季にやや過少評価）
感度実験紹介: 海氷分布に対する力学過程の影響を評価
冬季／南極(8月）：海氷力学過程の影響は？
海氷面積
Offlineモデル
力学あり
力学なし
＋大気海洋
結合過程
結合GCM
力学あり
力学なし
十年規模変動の抑制作用。大気海洋結合過程により現れる。
冬季／南極(8月）： No‐Drift 10年規模変動の起こる場所は？
海氷縁（青線）と海洋Convection Depth
力学あり
（95-110年目）
力学なし（No-Drift）
95 年目
112 年目
ウェッデル海で海氷縮小がconvection活発化を伴って起こる。
冬季／南極(8月）： No‐Driftの海氷縮小の起こる仕組みは？
力学なし（No-Drift） Year 105
水温 (ウェッデル海)
力学あり
[m] 0
力学あり
水深
500
80S
Year 112
緯度
45S
[℃]
Convectionにより表層に熱が供給される。
冬季／南極(8月）：何故Controlの海氷は安定に維持される？
塩分濃度 (冬季８月、Weddell海)
水深
[m] 0
力学あり（Control）
500
80S
緯度
力学なし
Year 105
45S
[psu]
海氷縁辺部の海面塩分がより低いことが一因。
冬季／南極(8月）：何故Controlでは海面塩分低く保たれる？
海面水フラックス・海氷縁（黄線）
力学あり（Full-Stress）力学なし（91－100年目）力学あり－なし
海洋へ淡水流入塩分流入
力学過程を入れる
海氷縁辺部で淡水排出
まとめ：
・低解像度版 OAGCM (大気T21、海洋海氷2.8x2.8)
⇒ 標準実験 300年積分完了
・海氷分布は北半球で過大評価。
（SSS 過少評価・NADW形成の弱化と関係あり）
・海氷分布は南半球で再現性良好。
モデルの海氷を安定に維持することに
海氷力学過程は重要な役割を果たす。
(Brine rejection, Freshwater release 促進)
・付録：海氷モデルの仕組み
（スライド 7枚分）
海氷モデルの仕組み : 「海氷分布」をどのように表現するか。
100km
A:海氷密接度（０～１）
h: 平均海氷厚
g(h): 海氷厚分布
（サブグリッドのばらつきを表現）
モデルの海氷分布（L=100km）はA, h, g(h) で表現。
海氷モデルの仕組み : 「海氷分布」を予報する方法
質量保存則（＋経験則）より、
A( x, y , t )
   ( Au )  K A2  A  S A
t
h( x, y , t )
   ( hu )  K h 2  h  Sh
t
g ( x, y , h, t )
 ( fg )
   ( g u )  Y 
 FL
t
h
( Y:再分配関数、 f:凍結率、 FL: 水平融解率）
初めに「あった」海氷の収束(含む ridging)・発散を表現。
海氷の熱力学的生成・融解は Source term で表現。
海氷モデルの仕組み : 「海氷分布」を予報する方法（続き）
エネルギー保存則より Source term 求める。
E
S
Lm
 Cp
T(x, y, z, t) 
T
 ( k )  FSW I O (1    e- z
t
z z
海氷の熱力学的生成・融解を表現。⇒「熱力学海氷モデル」
複数のモデルがある。（表現するプロセスの多寡による）
海氷モデルの仕組み : 「海氷分布」を予報する方法（続き）
運動量保存則より海氷流速場を求める。
u
1
1
  ( u  ) u  f k  u 
( AI   IO ) 
    g H
t
h
h
内部応力項の役割（模式図）
風・海流応力、内部応力の影響を表現。
内部応力モデルが複数提案されている。「力学海氷モデル」
気候モデルへの適用の現状 : 熱力学過程の簡単化
熱力学海氷モデル
Full-Spec 例
(Ebert and Curry 1993)
簡単化モデル例
(Semtner 0 layer)
Melt ponds
Brine pockets
短波の透過
氷の熱容量
熱力学モデルを簡単化する（計算コスト削減のため）。
気候モデルへの適用の現状 : サブグリッド海氷分布の簡単化
サブグリッドの海氷厚分布
g(h) 例：15 category
2 category
1 category
0.4
0.2
0
2
4
6
[m] 0
2
4
6
[m] 0
2
4
6
[m]
＜イメージ＞
サブグリッド海氷厚分布を簡単化する（計算コスト削減のため）。
気候モデルへの適用の現状: 力学過程の簡単化
力学過程
u
1
1
  ( u  ) u  f k  u 
( AI   IO ) 
    g H
t
h
h
内部応力項の役割（模式図）
Elastic Viscous Plastic(EVP)
Viscous Plastic(VP)
Granular Material(GRAM)
Cavitating
fluid(CAV)
Free
Drift
力学過程を簡単化する（計算コスト削減のため）。
力学なし
気候モデルへの適用の現状: 力学過程簡単化の影響
海氷密接度
観測
OAGCM（力学あり） OAGCM（力学なし）
力学なしでは Flux adjustment 不可避。
Free Drift は欲しい。内部応力は、、、？？

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