PowerPoint プレゼンテーション

第134回NEC C&C システム SP研究会

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） 2015年9月25日 三田ＮＮビル地下1階多目的ホール

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

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 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） 竜巻

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 15.4-28.5 m s-1 _{17.5-32.4 m s}-1 Typhoon 28.5-58.8 m s-1 _{32.4-66.9m s}-1 Super-typhoon 58.8 m s-1以上 _{66.9 m s}-1以上 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-1 _{19 m s}-1 強い 33－44 m s-1 _{37.5－50 m s}-1 非常に強い 44－54 m s-1 _{50－61 m s}-1 猛烈な 54 m s-1以上 _{61 m s}-1以上

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

 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。 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 スーパー台風とは何か Super-typhoon Haiyanによるフィ リピンの災害 24-120時間の進路の誤差（NHC） 24-120時間の最大風速の誤差

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

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。

解像度の違いによるシミュレーション結果の違い

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

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

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)

The Japan Time (2009.9.8)

革新プログラムの成果の記事 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

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

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。

スーパーセル 積乱雲が解像 されている 10km 200km 雲解像モデルCReSSを用いた、竜巻 のシミュレーション

_{集中豪雨をもたらした積乱雲群の構造（雲解像モデルCReSS）}

雨

雲水

雲氷

あられ

雪

正極雷

_負極雷

台風 T0423

(豪雨により多くの災害をもたらした。)

T0423, 2004. 10. 20, 01UTC

T0423 (TOKAGE)：近畿地方などに豪雨をもたらし、

気象庁レーダー

降水強度(mm/hr)

地上観測点

棒グラフ：観測

実線：CReSS

破線：静力学モデル

降水強度 (mm/hr)

Rainfall intensity (mm/hr)

Time (UTC)

棒グラフ：観測

実線：CReSS

あられ

雪

災害をもたらした記録的台風

室戸台風 1934年9月21日 911.6 hPa(室戸岬) 死者・行方不明者3,036人 枕崎台風 1945年9月17日 916.1 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 929.2 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

伊勢湾台風(1959)

急速発達

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

赤実線：シミュレーション

黒実線：観測（気象庁）

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

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。

伊勢湾台風 (格子間隔 2km)：放射過程のon/offの比較

放射なし

放射あり

観測された世界平均地上気温（陸域＋海上）の偏差（1850～2012年）

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) ）

1880年から2012年 の期間に0.85 ℃上 昇している

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）

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。

Emanuel, 1985 現在気候における 台風の到達可能最 低中心気圧（MPI) 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 880 hPa 825 hPa

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 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。） データ領域 対象領域

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

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)

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 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

温暖化気候で発生したスーパー台風のトラック

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

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

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

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)

台風の通過

領域

OHC(Ocean Heat Content)の定義

ρ： 水の密度

Cp: 水の定圧比熱

D26： 水温が26℃となる水深 Toc(Z)：深度zにおける水温

CReSS

(Cloud Resolving Storm Simulator) DX=4km, Nagoya Univ.

NHOES

(Nonhydrosta c Ocean model for ES) DX=4km, JAMSTEC SST Heat & Water flux Wind Speed Surface

Current Dissipa on-induced

Body Force Wave Stress Surface Roughness Surface Wave (Donelan et al., 2012) DX=4km, Miami Univ. Skin Stress t = tskin + k w SDIS 大気・海洋・波浪結合モデルにおける各種物理量の連携図

color: wave height (m) contour: wind speed

台風による10m高風速（コンター m/s）と波浪の有義 波高（色 m）の分布

Color: SST

Contour: Sea Surface Height

T0505 Haitang (2005.07.14-) （b） case with wave

(a) case without wave

(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台風の再現実験の結果。色は海面水温（℃）、コンターは海面高度。

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

Surface Wave Model

Donelan et al., 2012 JGR

s

E

q

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) distributed in 4-dimensional space:

high computational cost

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。

アルゴ観測とモデルの比較（水温の鉛直分布） 22.18N, 128.34E

アルゴ観測とモデルの比較（塩分の鉛直分布） 22.18N, 128.34E

水深51mの初期値からの水温偏差(℃)

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

衛星観測

北緯22.5度の水温偏差(℃)の鉛直断面

[SOULIK (T1307) ] Comparison of sea surface temperature

AMSR2

1-dim. ocean

3-dim. ocean

Coupled with

wave

 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。

まとめ