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「21世紀気候変動予測革新プログラム」
2009年1月16日
成果報告会：チーム雲解像
A④ （チーム名：雲解像モデリング）
「雲解像モデルの高度化と
その全球モデル高精度化への利用」
研究代表者：坪木和久（名古屋大学地球水循環研究センター）
参画研究者：増永浩彦（名古屋大学地球水循環研究センター）
篠田太郎（名古屋大学地球水循環研究センター）
渡部雅浩（東京大学気候システム研究センター）
青木尊之（東京工業大学学術国際情報センター）
榎本剛（海洋研究開発機構地球シミュレータセン
研究目的
雲を精度よくシミュレーションできるように雲解像モデ
ルを高度化し、その利用、及び全球モデルとの結合によ
り全球モデルの高精度化に寄与すること。
雲解像モデル高度化：雲解像モデルの改良と高度化。
雲物理過程の改良（完全２モーメント化、雹、氷晶生成）
力学過程の改良（セミラグランジュ化）
パラメータ改良：雲解像モデルの計算から得られるデータを利
用して、全球モデルの雲についてのパラメータを改良する。
非斉一モデル結合：非静力学雲解像モデルと静力学全球モデ
ルを結合し、全球モデルの高精度化を図る。
１格子埋め込み（スーパーパラメタリゼーション）
領域埋め込み結合（双方向通信）
比較検証実験：現在気候と温暖化気候における全球モデル出
力値を用いて、主に台風の雲解像実験を行いGCMの検証を行う。
雲解像モデル “CReSS”
Cloud Resolving Storm Simulator
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、非静力学・圧縮方程式
系の雲解像モデル。
地球シミュレータに最適化した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年より雲解
像モデルの開発を行なってきた。（一からの開発）
詳細な雲物理過程の導入。
地球シミュレータでの実績。高精度で高効率の並列化。
多様なシミュレーション：台風、集中豪雨、雪雲、竜巻など。
毎日の気象予報実験。国内外での利用。
計画の概要
H19年度
(2007)
H20年度
(2008)
H21年度
(2009)
H22年度
(2010)
H23年度
(2011)
雲解像モデル改良
パラメータ改良
非斉一モデル結合
比較検証実験
雲物理の２モーメン
ト化（雲水・雨水）
セミラグ法導入
広領域予報実験、 雲解像モデルの重
パラメータ抽出
並列化
衛星による検証 双方向通信の方法
の検討
観測された台風
の実験と検証
（衛星・地上によ
る検証）
１次氷晶改良、２次
氷晶導入
セミラグ法のパラ
メータ調整
高解像度の予報
実験、パラメータ
抽出
衛星による検証
雲解像モデルの
GCMとの1格子点結合
領域結合のための
モデル改良
観測された台風
と現在気候の台
風の実験（衛星・
地上による検証）
雹のカテゴリーの導
入と豪雨や降雹への
インパクト検証
予報実験継続
パラメータの解
像度依存性検討
１格子点結合による 現在気候と温
長期積分
暖化気候の台風
領域結合による東アの実験
ジア域の実験
雲物理の検証実験
ＧＣＭの雲表現
パラメータ改良
１格子点結合の実
験の継続と検証
領域結合による熱
帯の実験
現在気候と温
暖化気候の台風
の実験（台風発生
に重点）
雲物理の検証実験
ＧＣＭの雲表現
改良のインパクト
検証
１格子点結合による
GCM改善の検証
任意領域の領域結
合による実験
現在気候と温
暖化気候の台風
発生と熱帯の雲
の高解像度実験
平成20年度の研究実施内容
雲解像モデル高度化：
雲物理過程の改良（1次氷晶過程・2次氷晶過程）
力学過程の改良（セミラグランジュ法の改良）
パラメータ改良：
水平解像度4km程度での毎日の予報実験（広領域実験）。
水平解像度1km程度での毎日の予報実験（狭領域実験）。
非斉一モデル結合：非静力学雲解像モデルと静力学全球モ
デルを結合し、全球モデルの高精度化を図る。
１格子埋め込みの実験的実行。
領域埋め込み結合のための全球・領域モデル改良。
比較検証実験：
実際に観測された台風について、事例数を増やし比較・検
証を行う。現在気候で全球モデルが再現した台風について、
比較・検証を行う。
2km解像度の雲解像モデルによる台風の実験
実台風
GCM 現在気候
GCM 温暖化気候
2004年8月 16号* 1980年9月 P0437 2087年6月 F2716
2004年9月 18号* 1988年9月 P2496 2076年8月 F0508
2004年10月 23号 1985年8月 P1691 2087年8月 F2747
1991年9月 P3275 2078年7月 F0922
1990年9月 P3034
＊4km解像度
1985年8月 P1692
1980年7月 P0364
初期値から3時間目の
地上気圧と降水および
気象庁ベストトラック。
積分時間：14日間
タイル数：94枚
Track of T0416
解像度：4km
海洋：50層,20m
Track of T0418 実地形・観測SST
気象庁全球解析
地球シミュレータ
94 nodes
T0417
T0416
2004年8・9月の台風16・18号の実験：地上気圧（等値線）と降水（カ
ラー）
T0418の中心地上気圧の時間変化
JMA Global Aanlysis
CReSS
JMA Best Track
Time (UTC) from 00UTC 25 August 2004
T0418の中心地上気圧の時間変化：海洋モデルの効果
CReSS SST を予報
JMA Best Track
CReSS SST を固定
45hPaの差
雲解像モデルの結果と観測の比較：初期値から312時間 (13日目)
台風0418号は長崎県西方海上に中心がある。降水量の比較。
CReSS Simulation
Radar-AMeDAS Observation
2004年10月台風23号の2km解像度4日積分から得られた総降水量
主要な降水の最大は400～500mm
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・温暖化気
候の各10年で抽出された台風（現在気候：266個、温
暖化気候：176個）のうち、次の条件で、CReSSを用
いた雲解像実験を行うための台風を選択した。
1.
2.
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。）
そのときの中心の位置が、東経
120－150度、北緯20－45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：33事例の台風
温暖化気候：32事例＋1事例
対象領域
データ領域
雲解像モデルを用いた現在・温暖化気候の台風実験
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 ～360 m
積分期間: GCMで最低気圧になる時刻から３日前を初
期値とし、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 GCM 20km 実験出力（6時間）。
雲物理過程: 冷たい雨
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)
計算機: 地球シミュレータ (64 nodes)
GCMと雲解像モデルの台風の最低中心気圧の比較
現在気候の台風
温暖化気候の台風
(a) Minimum pressure (1979-1993)
(b) Minimum pressure (2074-2087)
950
974
970
960
950
940
947
943
946
933
930
920
915
910
900
920
910
930
940
950
960
GCM minimum pressure (hPa)
970
CReSS minimum pressure (hPa)
CReSS minimum pressure (hPa)
980
945
940
930
924
920
910
903
900
890
880
870
860
900
866
905
910
915
920
GCM minimum pressure (hPa)
925
GCMと雲解像モデルの台風の最大地上風速の比較
温暖化気候の台風
現在気候の台風
(a) Wind Speed (1979-1993)
(b) Wind Speed (2074-2087)
90
CReSS wind speed (m/s)
CReSS wind speed (m/s)
90
80
70
60
50
40
30
80
super-typhoon
70
60
50
40
30
30
40
50
60
70
80
GCM wind speed (m/s)
90
30
40
50
60
70
80
GCM wind speed (m/s)
90
GCM現在気候の台風P1691・P1692の地上気圧（等値線）と降水（カ
ラー）
GCM現在気候の台風P1691・P1692の地上気圧（等値線）と降水（カ
ラー）
P1692
P1691
現在気候の台風 P1692
現在気候の台風 P1691
中心気圧
中心気圧
CReSS
GCM
GCM
CReSS
最大地上風速
最大地上風速
GCM
CReSS
GCM
CReSS
GCM温暖化気候の台風F0508の実験：地上気圧（等値線）と降水（カラー）
GCM温暖化気候の台風F0508の実験：地上気圧（等値線）と降水（カラー）
F0508
GCM温暖化気候の台風F0508の実験：中心気圧のCReSSとGCMの比較
CReSS
35hPaの差
MRI-GCM
GCM温暖化気候の台風シミュレーション：台風F0508による総降水量(mm)
主要な降水の最大は500～800mm
GCM温暖化気候の台風F2716の実験：地上気圧（等値線）と降水（カラー）
初期値から３日目
最も気圧が低下したとき
最低中心気圧866hPa
200km
GCM温暖化気候の台風F2716の実験：中心気圧のCReSSとGCMの比較
MRI-GCM
36hPaの差
CReSS
最低気圧866hPa
cf: Typhoon Tip (1979) 870hPa, Hurricane Wilma (2005) 882hPa [NOAA]
GCM温暖化気候の台風F2716の実験：最大地上風速のCReSSとGCMの比較
最大地上風速：80m/s
CReSS
MRI-GCM
温暖化気候の台風F2716：高度1kmの風速（等値線）と雨水混合比（カ
ラー）
最大風速:110m/s
コリオリ力 << 遠心力：旋衡風平衡
100km
温暖化気候の台風F2716の実験：地上気圧（等値線）と海面水温偏差（カ
ラー）
初期値から３日目
最も気圧が低下したとき
の初期値からの海面水温偏差
実台風についての４日～１４日の長期シミュレーションを
「タイリング領域法」を用いて行い、経路・中心位置・中心気
圧が観測とよく対応することが示された。
長期間の計算でも降水について観測と量的によく対応した。
GCMの現在気候・温暖化気候で現れる台風について雲解像
モデルを用いた実験を行うためそれぞれ33事例を抽出した。
それらについて、現在気候7事例、温暖化気候4事例の4～5日
シミュレーションを実施した。
最低中心気圧はGCMの結果と大きく異なり、雲解像モデル
がより気圧が下がるものと逆に高いものの両方がみられた。
地上風速は多くの場合、雲解像モデルの方が大きくなった。
温暖化気候ではsuper-typhoonに達するものがあった。
温暖化気候における台風では、北日本でも総降水量が
1000mmを超えるなど、現在気候では起こりにくい降水がみら
れた。
温暖化気候で最も気圧の下がった台風は最低中心気圧866hPa
に達し、コリオリ力より遠心力がはるかに大きい異常な台風と
なった。（ほとんど旋衡風バランスをしていた。）
H20年度計画の達成度（1月13日現在）
研究項目
雲解像モデル改良
パラメータ改良
非斉一モデル結合
比較検証実験
研究内容
達成度
１次氷晶過程・２次氷晶過程
セミラグランジュ法の改善
60%
50%
広領域予報実験、パラメータ抽出
狭領域予報実験、パラメータ抽出
80%
80%
1格子モデル結合の実験
50%
領域結合の双方向通信のためのモデル改 30%
良
観測された台風の実験。GCMの現在気候・ 120%*
温暖化気候の台風の実験。
＊次年度分を前倒しで今年度実施した。
GCM温暖化気候の台風F2716の実験：渦度（等値線）と地上降水（カラー）
最大渦度:0.01/s
コリオリ力 << 遠心力：旋衡風平衡
モデル高度化
CReSSの雲物理過程とその改良点
水蒸気
雲水
（qc,
（混合Nc）
比）
氷晶
(qi, Ni)
雪（降
水）
(qs, Ns)
雹（降
水）
(qh, Nh)
2次氷晶
雨（降
霰（降
水）
水）
（qr,
Nr）
（混合
(qg, Ng)
比）
◎力学過程の改良：セミラグランジュ法の導入
Time variation of the central sea-level pressure of T0416
JMA Global Aanlysis
CReSS
JMA Best Track
Tiling Domain Technique
Domain Decomposition
grid points of inner domain
grid points at boundary
partition lines of sub-domains
partition lines of tiles
Number of tiles:
3
Number of sub-domains in each tile: 4
Total number of sub-domains:
12
Tiling Domain Technique
Communication using MPI
grid points of inner domain
grid points at boundary and halo region
grid points of halo region
between sub-domains (world 0)
grid points of halo region between tiles
(world 1)
Verification of TD technique: 2km-resolution at 6 days from initial.
Tiling Domain Technique
All Domain
GCM温暖化気候の台風シミュレーション：台風F2747による総降水量(mm)
2. AFES-CReSS結合モデルのグループ構成
・・・
Single
AFES Domain
・・・
Mノード
Single
CReSS Domain
Nノード
・ MPI_COMBINE_COMM_WORLDはAFESとCReSSの結合を司る
cress.grd.pe0000.bin
AFESdata0001
AFESdata0002
cress.grd.pe0001.bin
AFESdata00M
データ変換
cress.grd.pe0002.bin
…
…
AFES-data0000
cress.grdpe00nn.bin
・ AFESの出力を補間し、CReSSの境界値として渡す
・データ変換には、CReSSの初期値作成ルーチン“gridata”を改良して用いる
3. AFES～CReSS間での
グリッド交換テーブルの作成
AFESの領域分割
n+1
n
n-1
CReSSの領域
1
0
・雲解像モデルCReSSの領域は、通
常、全球モデルAFESの複数のノード
にまたがる。
・そのため、CReSS上の任意のgrid
と、対応するAFESのノードを明らか
にしておく必要がある。
CReSS(nノード)の領域がAFES3ノード(M-1～M+1)にまたがった場合
全球モデルのノード番号
M+1
M
雲解像モデルの領域
M-1
CReSSの各格子点が通信するAFESのノード番号の対応表
広領域予報実験の実験領域。パラオ周辺域（緑）と台湾・沖縄域
（赤）水平解像度4 kmでのCReSSの広領域シミュレーション実験
狭領域予報実験の実験領域。濃尾平野域。水平解像度１ kmで
のCReSSの狭領域シミュレーション実験
T0418の中心地上気圧の時間変化：海洋モデルの効果
CReSS SST を予報
JMA 客観解析
JMA Best Track
CReSS SST を固定
45hPaの差

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