統一気象予測ソフトウェアの開発
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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. 天気予報の流れ. 観測. ラジオゾンデ、地上、船舶、航空機、衛星、レーダーなど. データ収集・デコード. アジア周辺のデータが集まるまでおよそ2時間. 品質管理 QC. 観測データが正しいとは限らない. 観測があるところは観測、ないところは予報・・

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Presentation Transcript

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


天気予報の流れ

観測

ラジオゾンデ、地上、船舶、航空機、衛星、レーダーなど

データ収集・デコード

アジア周辺のデータが集まるまでおよそ2時間

品質管理 QC

観測データが正しいとは限らない

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

データ同化

予報モデル

全球モデル、領域モデル

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

プロダクト作成・翻訳

天気予報作成

予報官・予報士による判断・修正


数値予報

  • 物理法則を数値的に解く


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ヶ月アンサンブル予報モデル

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

週間アンサンブル予報モデル

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

最大2個の台風

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

数値予報モデルの種類と用途(平成13年3月)


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


全球モデルスコアの変遷

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


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


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


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


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


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

モデルを用いた研究数

104件/432件(24%)


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


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


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。


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。


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


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


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


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)


Weather research and forecasting wrf
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。


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。


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。


http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/1.htmlhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/1.html


http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.htmlhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html


Wrf at ncar 1
WRF at NCAR(1)http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


Wrf at ncar 2
WRF at NCAR(2)http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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。


22kmwrf 2001 8 14 00 36h

http://rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.htmlhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

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。


10kmwrf 2001 8 14 00 36h

http://rain.mmm.ucar.edu/mm5/pages/wrf.htmlhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

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。


問題点として指摘されていることhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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。


WRFhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html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。


Non hydrostatic model
非静力学モデルhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.htmlNon Hydrostatic Model

  • 運動方程式

  • 状態方程式

  • 連続の式(質量保存の式)

  • 熱力学の式


大気中の波動http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • コリオリ力(の緯度変化)を復元力とする波

    ・ロスビー波

    ・慣性振動

  • 重力を復元力とする波

    ・ケルビン波

    ・(混合ロスビー重力波)

    ・(慣性重力波)

    ・重力波

  • 圧力傾度力を復元力とする波

    ・ラム波

    ・音波

バランスモデル

重力波の扱い

重力波・音波の扱い

プリミティブモデル

位相速度速い

非静力学モデル


弾性と非弾性http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


弾性モデルにおける音波の取り扱いhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


He vi

Δhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.htmlt

Δτ

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


なぜ非静力学モデルか?http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


気象庁非静力学モデルhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

基礎方程式系 完全圧縮方程式系 (非弾性、準圧縮、静力学近似)

座標系 ポーラーステレオ、z* (直線直交座標)

格子構造 Arakawa-C, Lorenz

時間積分法 リープフロッグ、タイムフィルター

音波の取扱 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)

乱流 レベル 2.5 乱流クロージャーモデル

雲物理水蒸気・雲水・雲氷・雨・雪・あられの混合比(数密度)

積雲 陽に扱う (対流調節)

地表面過程Monin-Obukhov の相似則

大気放射RSM と同じ (雲水量の光学的厚みで評価)

地面温度RSM と同じ (地面斜度を考慮)

上部境界条件 固定壁、レーリー摩擦による吸収層

側面境界条件 放射ネスティング、レーリー吸収層 (開放、周期、摩擦なし)

初期化 内挿 (変分客観解析、非弾性近似による気圧場)

計算拡散 4次の線形拡散 (非線形拡散)


いくつかの事例紹介http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


2001 6 19
2001http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html年6月19日の愛媛県の大雨

レーダー・アメダス合成図では

北九州~瀬戸内海、紀伊半島付近に降水集中帯

MSM(10kmメッシュ静力学スペクトルモデル)では、

紀伊半島から南西に強い降水域がのびている

NHM(10kmメッシュ非静力学格子モデル)では、

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


1999 6 29
1999http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html年6月29日福岡豪雨

地上天気図

アメダス実況


線上の豪雨域のシミュレーションhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html(加藤, 1999)

Radar-AMeDAS

RSM(20 km)

RSM(20 km)

2km-NHM


寒気吹き出し時の層積雲のケースhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html(永戸ほか、2000)

Surface Weather Map

00UTC 22 JAN. 1997

GMS-5 Visible image

03UTC 22 JAN. 1997


層積雲http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html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

S3800Dx=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)


航空機観測とモデルとの比較http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

Liquid Water Content(gm-3)

Model

GMS-5 Visible image

03UTC 22 JAN. 1997

Observation

Flight path


感度実験http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

9時間予報値(22日12JST)

Control

130E以西の地形を除去


1990 19 1999
台風のシミュレーション(1)http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html1990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


1991 19 2000
台風のシミュレーション(2)http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html1991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)


並列ソフトウェアの開発http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


並列化手法http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

全予報領域

ノード毎の予報領域

halo region

halo region

send

receive


Hitachi sr8000e1 x 10km 361x289x38
並列化効率http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html(HITACHI SR8000E1, Δx=10km, 361x289x38)


並列化の課題http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • (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?)


本庁で進行中のプロジェクトhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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


等緯度経度座標http://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

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

全球非静力学モデル(斉藤, 2000)

1999年3月1日00UTC初期値 海面更正気圧36時間予報


まとめhttp://www.wrf-model.org/PRESENTATIONS/2001_02_NCEP_Presentations/intro/3.html

  • 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。


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