JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2021年2月～2022年1月)

報告書番号: R21JR2402

利用分野: 宇宙技術

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• 責任者: 沖理子, 第一宇宙技術部門地球観測研究センター
• 問い合せ先: 可知美佐子(kachi.misako@jaxa.jp)
• メンバ: 可知 美佐子, 大石 俊

事業概要

近年の衛星やアルゴフロートなどの観測網の発展に伴い, 水温・塩分・海面高度がより高頻度・高解像度で観測されるようになった. しかし, 衛星は雨域を観測できず, アルゴフロートの観測数も全球海洋内部の時空間変動を正確に捉えるほど十分ではない. データ同化はシミュレーションと観測を融合しながら, 欠損値のない精度の高い3次元の海洋場を再現できる. そこで, 本研究ではJAXA Supercomputer System Generation 3(JSS3)にて衛星・現場観測値をアンサンブルカルマンフィルタで同化する海洋データ同化システムを構築する.

参照URL

「海洋領域 – JAXA 第一宇宙技術部門 Earth-graphy」参照.

JAXAスーパーコンピュータを使用する理由と利点

海洋モデルを用いた高解像度アンサンブルシミュレーションおよびアンサンブルカルマンフィルタによるデータ同化の計算は非常に大規模な計算である. そのため, JSS3のような大規模計算設備を用いることで, アンサンブルカルマンフィルタを実装した海洋データ同化システムの計算が初めて可能となる.

今年度の成果

2020年度に, 日毎に衛星・現場観測を同化する海洋データ同化システムを用いた感度実験を行い, 最適な共分散膨張法と解析値の挿入法を調べた. その結果, relaxation-to-prior perturbations (RTPP; Zhang et al. 2004)とincremental analysis update(IAU; Bloom et al. 1996)を組み合せることで, 力学バランスと解析値の精度の両方が改善されることを実証した. しかし, その感度実験において, 黒潮続流域の水深500-1000mの中層に分布する低塩分水の構造が壊れていることがわかった. 前線や中規模渦が分布する黒潮続流域は予報値と観測値の差(イノベーション)が大きく, 表現誤差が大きいことが示唆される. 大気データ同化システムにおいて全天候赤外放射輝度を同化する際, 晴天域と雲域の大きな輝度温度差に起因して, 大きなイノベーションが生じることが問題となる. Minamide and Zhang (2017)はその影響を緩和するため, 動的に観測誤差を膨張させる手法「adaptive observation error inflation (AOEI)」を提案し, その有効性を示した. そこで, 本研究では, 海洋データ同化システムにAOEIを実装したAOEI実験と実装しないCTL実験の結果を比較し, 低塩分水の構造に着目しながら, AOEIの有効性を調べた.

CTL実験において, 黒潮続流域で水温・塩分の解析インクリメントが密度成層を弱めることで, 鉛直拡散係数を大きくしていた. そのため, 強い塩分の鉛直拡散が生じ, 低塩分水の再現性が悪化していた(図1a, c). 一方, AOEI実験では黒潮続流域で観測誤差が膨張したことに伴い, 水温・塩分の解析インクリメントが減少した. その結果, CTL実験でみられた悪化メカニズムが抑えられ, 低塩分水構造が維持されていた(図1b, d). さらに, AOEI実験では解析値の力学的バランスや水温・塩分・流れ場の精度がCTL実験より有意に改善していた.

今後は本研究で高度化した海洋データ同化システムを用いて, 高い精度を持つアンサンブル海洋解析プロダクトを作成する予定である.

図1: 2015年7月の(a) CTL実験, (b)AOEI実験における150°Eに沿った塩分(色)・ポテンシャル密度(等値線)の南北断面図. (c), (d)(a), (b)と同様, ただし2015年12月.

成果の公表

-口頭発表

1. 大石俊, 三好建正, 可知美佐子, 「アンサンブルカルマンフィルタを用いた海洋データ同化システムの開発:AOEIによる海洋内部の塩分構造の改善」, 第25回海洋データ同化夏の学校, オンライン, 2021年8月

2. 大石俊, 三好建正, 可知美佐子, 「高頻度海洋アンサンブルデータ同化システムにおける適用型観測誤差膨張の有効性」, 日本海洋学会2021年度秋季大会, オンライン, 2021年9月

3. 大石俊, 三好建正, 可知美佐子, 「高頻度海洋アンサンブルデータ同化システムにおける適用型観測誤差膨張の有効性」, 名古屋大学宇宙地球環境研究所 研究集会「宇宙地球環境の理解に向けての統計数理的アプローチ」, オンライン, 2021年12月

-ポスター

1. 大石俊, 三好建正, 可知美佐子, 「高頻度海洋アンサンブルデータ同化システムにおける適応型観測誤差膨張の有効性」, 第12回データ同化ワークショップ, オンライン, 2022年2月

2. 大石俊, 三好建正, 可知美佐子, 「高頻度海洋アンサンブルデータ同化システムにおける適応型観測誤差膨張の有効性」, 「富岳」成果創出加速プログラム 防災・減災に資する新時代の大アンサンブル気象・大気環境予測 2021年度成果発表会, オンライン, 2022年3月

JSS利用状況

計算情報

• プロセス並列手法: MPI
• スレッド並列手法: 自動並列
• プロセス並列数: 4 – 400
• 1ケースあたりの経過時間: 200 分

JSS3利用量

総資源に占める利用割合※1(%): 0.44

内訳

JSS3のシステム構成や主要な仕様は、JSS3のシステム構成をご覧下さい。

※1 総資源に占める利用割合：3つの資源(計算, ファイルシステム, アーカイバ)の利用割合の加重平均.

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

ISV利用量

※2 資源の利用割合：対象資源一年間の総利用量に対する利用割合.

JAXAスーパーコンピュータシステム利用成果報告(2021年2月～2022年1月)