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中解像度版 大気海洋結合モデルによる

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。.

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中解像度版 大気海洋結合モデルによる

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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。

  3. 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）

  4. 1.中解像度版モデル

  5. 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 ～2.8°植生キャノピー，多層積雪 • 河川TRIP～2.8° バケツモデル

  6. 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

  7. 全球・年平均地表面気温の時系列 [℃] CO2 increase integration CT02502 Surface temperature 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.

  8. 全球・年平均SST 観測　WOA 1998 OAGCM ー 観測 OAGCM [℃] [℃] 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)

  9. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 海氷密接度（２月） 観測(SSM/I, NSIDC, OAGCM 1995-1999) 全体的に良く再現（ラブラドル海でやや過大評価.）

  10. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 海氷密接度（8月） 観測(SSM/I, NSIDC, OAGCM 1995-1999) 全体的に良く再現（スカンジナビア北岸でやや過大評価）.

  11. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 海氷密接度（8月） 観測(SSM/I, NSIDC, 1995-1999) ウェッデル海東部で過小評価？（ポリニア域に対応）

  12. 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 海氷密接度（8月） 観測(SSM/I, NSIDC, 1995-1999) 全体的に良く再現（西南極沿岸でやや過小評価）.

  13. 北大西洋 子午面流線関数（年平均） NADW 極大19 [Sv] 赤道南下 13 [Sv] Depth [m] 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.

  14. 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.

  15. 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。

  16. 2.低解像度版モデル （MIROC2.1, 2001年）

  17. 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：Semtner0 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。

  18. 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

  19. 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

  20. 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）

  21. 海氷分布に対する力学過程の影響を評価 感度実験紹介:

  22. 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。

  23. 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 力学なし（No-Drift） 力学あり 95　年目 （95-110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。

  24. 冬季／南極(8月）： No‐Driftの海氷縮小の起こる仕組みは？ 水温 (ウェッデル海) 力学なし（No-Drift） Year 105 力学あり [m] 0 力学あり 水深 Year 112 500 80S45S 緯度 [℃] Convectionにより表層に熱が供給される。

  25. 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) Year 105 水深 力学あり（Control） 力学なし 0 [m] 500 80S45S 緯度 [psu] 海氷縁辺部の海面塩分がより低いことが一因。

  26. 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　－　なし 力学あり（Full-Stress） 力学なし（91－100年目） 海洋へ淡水流入 塩分流入 海氷縁辺部で淡水排出 力学過程を入れる

  27. 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)

  28. ・付録：海氷モデルの仕組み （スライド 7枚分）

  29. 海氷モデルの仕組み : 「海氷分布」をどのように表現するか。 A:海氷密接度（０～１） h: 平均海氷厚 100km 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。

  30. 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、 ( 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。

  31. 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。 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）

  32. 「海氷分布」を予報する方法（続き） 海氷モデルの仕組み : 運動量保存則より　海氷流速場を 求める。 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」

  33. 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 簡単化モデル 例 (Ebert and Curry 1993) (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）。

  34. 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）。

  35. 気候モデルへの適用の現状: 力学過程の簡単化 力学過程 内部応力項の役割（模式図） Elastic Viscous Plastic(EVP) Cavitating Free Viscous Plastic(VP) 力学なし fluid(CAV) Drift Granular Material(GRAM) 力学過程を簡単化する（計算コスト削減のため）。

  36. 力学過程　簡単化の影響 気候モデルへの適用の現状: 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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