PowerPoint プレゼンテーション

統一気象予測ソフトウェアの開発
～その理想と実態～
ＧＦＤセミナー平成１３年８月２４日
気象研究所予報研究部第一研究室
室井ちあし
mailto:[email protected]
目次
•
•
•
•
数値予報の概要
予報モデルの共同開発
非静力学モデル
気象庁非静力学モデル関連トピックス
2
天気予報の流れ
観測
データ収集・デコード
品質管理ＱＣ
ラジオゾンデ、地上、船舶、航空機、衛星、レーダーなど
アジア周辺のデータが集まるまでおよそ２時間
観測データが正しいとは限らない
データ同化
観測があるところは観測、ないところは予報・・
近年、変分法の導入など進歩が激しく、予報精度に影響
予報モデル
全球モデル、領域モデル
プロダクト作成・翻訳
天気予報作成
ＦＡＸ作成、オンライン送信、
モデルの予報変数から、天気予報要素への変換
予報官・予報士による判断・修正
3
数値予報
• 物理法則を数値的に解く
観　測　デ　ー　タ
太陽
数値予報モデル
流
熱
雲
水蒸気
＊
＊
＊
＊
＊
＊
＊
＊
＊
体
学
水蒸気
大気との熱交換
水の蒸発
大陸
力
雲
･
＊
＊
＊
＊
＊
大
気
の
運
動
海洋
＊＊＊＊＊
＊
＊＊＊
＊＊＊
雪
＊＊＊
＊＊
＊
＊＊
＊＊
＊＊
雨
＊＊
＊＊
＊＊
＊＊
熱
力
学
海氷
数値予報
4
数値予報モデルの種類と用途(平成13年3月)
モデル名称
（略称）
目
的
水平格子間隔
格子数
(計算領域)
鉛直層数
最上層面
予報回数
予報期間
備考
全球モデル
（ＧＳＭ）
週間予報
航空気象予報
約55km
640×320
(全地球)
40層
0.4hPa
2回／日
216時間
1ヶ月ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ
予報モデル
１ヶ月予報
約110km
320×160
(全地球)
40層
0.4hPa
２回／週
34日
初期値は
26例
週間ｱﾝｻﾝﾌﾞﾙ予
報モデル
週間予報
約110km
320×160
(全地球)
40層
0.4hPa
１回／日
216時間
初期値は
25例
有害物質輸送
モデル
核事故等の場合に、
汚染物質の流跡線、
被爆量、地表面沈
着量について3日先
まで予報する。
約55km
640×320
(全地球)
40層
0.4hPa
要請時
72時間
領域モデル
（ＲＳＭ）
天気予報
時系列･分布予報
航空気象予報
20km
325×257
（アジア領域）
40層
10hPa
2回／日
51時間
台風モデル
（ＴＹＭ）
台風進路
･強度予報
24km
271×271
(台風を中央)
25層
10hPa
4回／日
84時間
メソモデル
（ＭＳＭ）
降水6時間予報
防災気象情報
10km
361×289
(日本付近)
40層
10hPa
４回／日
18時間
最大2個の
台風
5
気象庁のスーパーコンピューター
および主な数値予報モデルの変遷
IBM704
1959.3
HITAC5020F
1967.4
HITAC8800
1973.8
HITAC M200H
1982.3
HITAC S810K
1987.12
HITACHI S3800
1996.3
HITACHI SR8000E1
2001.3
72.5
北半球バランスバロトロピックモデル(381km)
70.4
北半球バランスモデル(381kmL3)
75.1
北半球プリミティブモデル NHM(381kmL4)
NHM(381kmL8)
83.3
北半球スペクトルモデル(T42L12)
70.4
88.3
全球スペクトルモデル GSM(T63L16)
アジア準地衡風モデル(304.8kmL4)
89.11
GSM(T106L21)
73.10
GSM(T213L30)
アジアファインメッシュモデル(FLM152.4kmL6)
GSM(T213L40)
FLM(127kmL10)
83.3
FLM(127kmL12)
88.3
領域スペクトルモデルASM(75kmL16)
RSM(20kmL36)
83.3
ベリーファインメッシュモデルVFM(63.5kmL11)
84.11
RSM(20kmL40)
VFM(63.5L13)
98.3
88.3
JSM(40kmL19)
92.3
MSM(10kmL36)
MSM(10kmL40)
JSM(30kmL23)
図10.1.1 気象庁の数値解析予報システムのスーパーコンピューターと大気数値予報モデルの略歴
（台風モデル、週間アンサンブル予報、１か月予報支援用モデルは除く）
6
60
50
40
30
20
Geopotential height
全球モデルスコアの変遷
Ave(24h)
72h_Fcst
48h_Fcst
Ave(72h)
24h_Fcst
Ave(48h)
00UTC/12UTC
GSM Z500(20N-90N) RMSE
80
70
10
0
01
20
00
20
99
19
98
19
97
19
96
19
95
19
94
19
93
19
92
19
91
19
90
19
89
19
88
19
87
19
86
19
85
19
84
19
SM
SM
-G
0L
_4
SM
-G
0L
_3
SM
-G
0L
_3
SM
-G
0L
_3
SM
-G
0L
_3
SM
-G
0L
_3
SM
-G
1L
_2
SM
-G
1L
_2
SM
-G
1L
_2
SM
-G
1L
_2
SM
-G
1L
_2
SM
-G
1L
_2
SM
-G
6L
_1
SM
-G
6L
_1
SM
-H
2L
_1
SM
-H
2L
_1
SM
-H
2L
_1
-H
2L
_1
7
気象庁数値予報課提供
重点開発課題の変遷（１）
• モデルの力学フレーム（～1990s）
–
–
–
–
–
プリミティブモデルの登場
スペクトルモデルの台頭
高解像度化（→予報精度向上）
分散主記憶型並列計算機への対応
セミ・ラグランジュアン法
• モデルの物理過程（1980s～）
– 対流スキーム
8
重点開発課題の変遷（２）
• モデルを用いたアプリケーション（1990s～）
– アンサンブル予報
– 輸送モデル
• データ同化（1990s～）
–
–
–
–
初期値の重要性が再認識
変分法
衛星データ
メソスケール予報にふさわしい観測網（レーダー、プロ
ファイラ等）の拡充
9
スペクトル法の黄昏?!
分散型並列計算機の台頭ノード間通信のオーバーヘッド
高解像度化に伴うルジャンドル変換のコスト増（M3）
まだまだ負けない．．．
・T1000程度でもスペクトル法が優位
・高速ルジャンドル変換が出現するかも
・非スペクトルモデルの評価検証用
10
統一気象予測ソフトウェアとは
• 天気予報のための現業モデルとして
• 気象研究のためのツールとして
開発を効率よく集中的に行うことを目的
11
予報モデルを用いた研究
• ４次元的な均一データが得られる
• 気候予測からメソスケール擾乱解析まで
幅広く行われる
• 最近は、化学・海洋・陸面等とのカップリン
グ・モデルが増加傾向にある
• シミュレーションに対する批判も当然ある
12
気象研究によく使われるモデル
資料：2001年日本気象学会春季大会講演予稿集
自ら（もしくはグループで）モデルを実行したと思われるもの
予報結果や再解析データを利用した、としたものは除く
CCSR/NIES GCM
17
JMA GSM,MJ98
16
11
MRI/NPD NHM
MRI GCM
5
4
JMA RSM
NCAR/CSU MM5
2
ARPS RAMS
2
0
5
モデルを用いた研究数
１０４件／４３２件（２４％）
10
15
20
13
業務用予報モデル
• モデル作成自身がお仕事
• おきて
–
–
–
–
異常終了してはならない
高速でなければならない
再現性がなければならない
正確でなければならない
14
研究用「ツール」
•
•
•
•
モデルを作ることはお仕事にならない
やって示さなければならない
プレゼンには力を入れる
ソースコードにはアピール力がない
15
よいモデルとは
立場はいろいろ・・
• よく検証されている。
• よくメンテ（更新）されている。
• 拡張性・互換性が高く、使いやすい。
• フリーである。
16
両立するか？
• 利害関係の一致が前提
• 現業モデルとして、統合・検証する。
• 研究モデルとして、拡張性を備える。
• フリーは困難であるが、モデルコミュニ
ティーを拡張することによりメリットを享受
できる。
17
気象庁・気象研の場合
• 全球モデルGSM、非静力学モデルNHMで
共同開発
• 具体的な取り組み
– メーリングリスト
– CVSリポジトリ（非静力学モデル）
– コーディングルール
• 「モデル公開」によりコミュニティの輪を広
げつつある
18
互換性を高めるために
• Linux から「地球シミュレータ」まで
– スカラとベクトルで最適化するのは難しい
• コーディングルールクリックしてね
– 読みやすいコード
– コードの交換を容易にする
19
しかし実際には・・
• 統一されていない
– 並列本庁版、並列研究所版、逐次（非並列）版の３つ
が存在
– 「ちょっとだけ異なる」雲物理過程や放射過程
– 統一されるのは、メインプログラムだけ?!
• コーディングルールは守られない
– 特に研究者
• 共通のインフラ確保が容易でない
20
よその事例
• 日本で他にあったら教えてほしい
• 外国の例
– WRF（統一メソスケールモデル）
– ECMWF, Meteo France（全球予報モデル、
データ同化システム）
21
Weather Research and
Forecasting(WRF) 計画
• WRF計画:現業機関と研究機関の協力になる領
域モデルシステムの開発計画
• 参加機関:NCEP/EMC、NCAR、NOAA/FSL、
USAF/AFWA、CAPSなど
• 用途:Rapid Update Cycle(RUC)モデル、NCEPで
領域モデル(Eta)のネストモデルまたは新領域モ
デル、(おそらくNCAR/MM5の後継)コミュニティ
モデルとして公開、など。
22
WRFの動機
• メソスケール数値予報には改善の余地が大きい。
• 最先端の数値予報システムを開発する。
－これまでに開発されてきたモデル技術の最良の
部分を使う。
• 研究側の成果を直接現業予報の改善に反映で
きるようにする。
• 研究部門と現業部門との関係を強化する。また
人事交流を容易にする。
23
WRF計画の概要
• 変分法による解析や非静力技術、セミラグラン
ジュスキームなどの最先端の技術を取り入れた
モデリングや、データアーカイブ、検証やアンサ
ンブル予報への利用に、現業予報者の訓練まで。
• いくつかのWGを作って、各機関の開発者が共
同作業。
• 予報モデルの作成はNCEPとNCARとで独立に
進められている。
24
http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/1.html
25
http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html
26
WRF at NCAR(1)
• 任意のアーキテクチャの計算機で実行できるように設計。
– 共有メモリ～patch；プロセッサ～tile
– サブルーチンの内容による階層分け
• フラックス形式、完全圧縮方程式系、オイラーモデル、荒
川C格子
• スプリットエクスプリシット法を適用し、3次ルンゲ・クッタ
法を用いる。
• 積雲対流、放射から微物理、地表面
27
WRF at NCAR(2)
• リアルタイムでのEtaモデルとの比較が行われて
いる(http://rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.html)。
– モデルの仕様：完全圧縮型のフラックス形式の方程式、
水平解像度30km、時間ステップ200秒、水平差分の
精度は5次、鉛直差分の精度は3次、Kain-Fritschの積
雲パラメタリゼーション、NCEPの3型の氷の微物理、
NCEP/MRFの境界層スキーム、5層の地面温度
– 2001.8月現在、仕様が変更されていて、たとえば水平
解像度も22km版（時刻刻み120秒）と10km版があり、
対流パラメタリゼーションも改められている。今後も随
時変更があると思われる。
28
22kmWRFによる予想例
2001.8.14.00初期値の36h予報
アメリカ合衆国の
海面更正気圧と6
時間降水量。点
線の範囲につい
て、さらに解像度
10kmでの予報を
実施している。
http://rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.html
29
10kmWRFによる予想例
2001.8.14.00初期値の36h予報
アメリカ合衆国中
部の海面更正気
圧と3時間降水量。
30
http://rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.html
問題点として指摘されていること
• 力学コアが複数あることがモデルの共有化という
目的と相容れないという見方もある。また力学コ
アが異なる場合は、変数や格子系も異なること
があり、｢共有｣は困難なのではないか。物理過
程でも同様。
• いろいろなスキームを試して最善の選択をすると
いう意志もあったはずだが、実際には複数のコア、
複数のスキームを実装しようとしている。
• 人的開発資源から見ても複数のコアを開発する
ことは容易ではない。
31
WRFのこれから
• 2004年ころに業務化される予定
– 研究用としてはNCAR版が既に公開されている。
• 客観解析については3次元変分法が2002年秋に
研究用の版が、2006年にはそれを更に高度化し
た版が予定されている。
• 4次元変分法については、やや懐疑的だが、
2003年には最初の版が発表される見込み。
– 3次元変分法を短い時間間隔で実行することによりゲ
インはほとんど尽くされる(本当か？)。
• NCEP版とNCAR版とが共存する、か。
32
非静力学モデル
Non Hydrostatic Model
• 運動方程式
• 状態方程式
du 1 p

 DIF.u
dt  x
du 1 p

 DIF.u
dt  x
p  RT
• 連続の式（質量保存の式）
• 熱力学の式
 u w


0
t
x
z
d
Q

 DIF.
dt C p
33
大気中の波動
 コリオリ力（の緯度変化）を復
元力とする波
位相速度速い
・ロスビー波
・慣性振動
バランスモデル
 重力を復元力とする波
・ケルビン波
プリミティブモデル
・（混合ロスビー重力波）
・（慣性重力波）
・重力波
重
力
波
の
扱
い
 圧力傾度力を復元力とする波
・ラム波
・音波
非静力学モデル
重
力
波
・
音
波
の
扱
い
34
弾性と非弾性
• 非弾性モデル
– 連続の式で、大気の圧縮性を認めない
– 流体・工学分野では多用される
– 密度変化が大きい場合は使えない
• 弾性モデル
– 連続の式で、大気の圧縮性を認める
– 完全圧縮系では、気圧を陽に予報する
– 数値計算の誤差に細心の注意が必要
35
弾性モデルにおける音波の取り扱い
• HE-VE
– すべての項を陽的(explicit)に時間積分する
– 時間積分間隔は音波の伝播速度(～300m/s)に制約される
• HE-VI
– 音波を鉛直方向に対しては陰的(implicit)に解く
– 音波を小さな時間ステップで、残りの項を大きな時間ステップで
解く方法が「タイムスプリット法」で、これと併用したものが「スプ
リット・イクスプリシット法」
• HI-VI
– 音波を鉛直・水平方向ともに陰的に解く
– ３次元楕円方程式を解く必要がある
36
スプリット・イクスプリシット時間積分法
(HE-VI)
•
•
•
•
•
•
音波から生じるタイムステップの
制限を回避
音波を水平に Explicit, 鉛直に
Implicit に扱う
音波項を分離し短いタイムステッ
プΔτで、その他の項を長いタイム
ステップΔｔで積分
多次元マトリックス計算が不要
並列計算機への適合性がよい
セミ・ラグラジアン法の適用は困難
Δｔ
Δτ
37
なぜ非静力学モデルか？
• 雲解像モデル（＜1kmメッシュ）
– 小スケールの現象理解のため（対流実験など）
– 初期場は単純、狭い予報領域
• メソスケールモデル（1kmメッシュ < 10kmメッ
シュ）
– 気象情報の高度化のため必要
– リアルデータでのメソ降水現象の再現・予測、台風・竜
巻のシミュレーション、広い予報領域
– 将来は、全球（・領域統一）非静力学モデル
38
気象庁非静力学モデル
基礎方程式系
座標系
格子構造
時間積分法
音波の取扱
乱流
雲物理
積雲
地表面過程
大気放射
地面温度
上部境界条件
側面境界条件
初期化
計算拡散
完全圧縮方程式系（非弾性、準圧縮、静力学近似）
ポーラーステレオ、z* （直線直交座標）
Arakawa-C, Lorenz
リープフロッグ、タイムフィルター
水平・鉛直ともインプリシット
（水平はスプリット・イクスプリシット、非弾性による除去）
レベル 2.5 乱流クロージャーモデル
水蒸気・雲水・雲氷・雨・雪・あられの混合比（数密度）
陽に扱う（対流調節）
Monin-Obukhov の相似則
RSM と同じ
（雲水量の光学的厚みで評価）
RSM と同じ
（地面斜度を考慮）
固定壁、レーリー摩擦による吸収層
放射ネスティング、レーリー吸収層
（開放、周期、摩擦なし）
内挿
（変分客観解析、非弾性近似による気圧場）
４次の線形拡散
（非線形拡散）
39
いくつかの事例紹介
•
•
•
•
•
•
2001年松山豪雨
1999年福岡豪雨
1997年寒気吹き出し（筋状層積雲）
1991年台風19号
並列化効率
全球
40
2001年6月19日の愛媛県の大雨
NHM（１０ｋｍメッシュ非静力学格子モデル）では、
レーダー・アメダス合成図では
MSM（10kmメッシュ静力学スペクトルモデル）では、
北九州～瀬戸内海、紀伊半島付近に降水集中帯
紀伊半島から南西に強い降水域がのびている
瀬戸内海にも強い降水を表現している
気象庁数値予報課提供
41
1999年6月29日福岡豪雨
地上天気図
アメダス実況
42
線上の豪雨域のシミュレーション
（加藤, 1999）
43
寒気吹き出し時の層積雲のケース
（永戸ほか、2000）
Surface Weather Map
00UTC 22 JAN. 1997
GMS-5 Visible image
03UTC 22 JAN. 1997
44
層積雲シミュレーション
気象庁RSMにネスティング、1997年１月22日06JSTを初期値
氷相を含むフルモデル、雲の放射を雲水量及び雲氷量から直接計算する
放射過程を新たに導入
S3800 Dx=2km (122×122×38)、水平領域 240km 四方
GMS-5 VS
03UTC 22 Jan.
1km - MRI-NHM
Liquid Water Pass(gm-2)
0330UTC 22 JAN. 1997
GMS-5 Visible image
0341UTC 22 JAN. 1997
鉛直積算雲水量(g/m2)
45
航空機観測とモデルとの比較
Liquid Water Content(gm-3)
Observation
Model
GMS-5 Visible image
03UTC 22 JAN. 1997
Flight path
46
感度実験
9時間予報値(22日12JST）
130E以西の地形を除去
Control
47
台風のシミュレーション（１）
1990年台風19号（村田, 1999）
GMS IR
5kmメッシュNHM 1990年9月15日12UTCイニシャル
（初期値はJSMより内挿）
鉛直積算雲水量[0.1kg/m2]の４時間予報
48
台風のシミュレーション（２）
1991年台風19号（益子, 2000）
気象庁合成レーダー
1991年9月25日8時
5kmメッシュNHMによる6時間
予報（前1時間降水量）
49
並列ソフトウェアの開発
• 地球シミュレータ等の大規模並列計算機上で最
適に動作することを目的
• きめ細かくかつ精度の高い予報が求められるメ
ソスケール予報は、高速に実行される必要があ
る
• Fortran90 と MPI を使用
– HPFはまだちょっと・・
• 結果の再現性のためには慎重な配慮が必要
– 総和計算など
50
並列化手法
全予報領域
ノード毎の予報領域
halo region
halo region
send
receive
51
並列化効率
(HITACHI SR8000E1, Δx=10km, 361x289x38)
50
Peak
NHM(HE)
40
並
列 30
化
効 20
率
21.42
10
12.89
0
0
23.81
15.1
23.6
17.5
8.83
7.27
10
20
30
40
50
ノード数
52
並列化の課題
• （縦方向の格子数）/6 がノード数の限界
→ ２次元分割
• 初期値作成等の前処理・後処理の並列化
→ モデル本体に組み込む
• データ出力
– 計算が終わっても出力に時間がかかる
• 負荷アンバランス
→ 動的に領域を変化させる？（どうやって？）
53
本庁で進行中のプロジェクト
• リアルタイムデータによる検証、比較
• 簡略化した雲物理過程の改良
• 精度の高い移流過程の開発
• モジュール化、倍精度化
• 物理モニタ等、データ出力環境の整備
• アジョイント・モデルの作成
54
全球非静力学モデル
（斉藤, 2000）
• 等緯度経度座標
1.5度×1.5度
• 極の値は周囲か
ら内挿
• スイッチ一つで領
域モデル
• 並列化はまだ
1999年3月1日00UTC初期値
海面更正気圧36時間予報
55
まとめ
• 気象庁内、および大学・研究機関等との連携強
化が必要と考え、取り組みを推進してきた。
• 実際には、考え方や必要性の違いなどから、「一
致協力して」と言えるには遠い。
• しかしながら、正しい方向に進んでいると“ほぼ”
確信しているので、今後も取り組みを強化してい
きたい。NHMではないかもしれないが。
56

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