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メソアンサンブル予報について

予報研究部コロキウム 2006.1.24. メソアンサンブル予報について. 予報研究部第二研究室　斉藤和雄. メソアンサンブル予報と海外の動向 1.1 　なぜメソアンサンブル予報か 1.2 　海外予報センターの動向 2 ． WWRP 北京オリンピック予報実証研究開発実験について 3 ．メソモデルによる全球アンサンブル予報のダウンスケール実験 3.1 平成 16 年新潟・福島豪雨のケース 3.2 平成１６年台風２２号のケース 3.3 まとめと今後. 1.1 　なぜメソアンサンブル予報か. ・ 2001 年３月、気象庁メソ数値予報 (MSM; L40) を開始、

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  1. 予報研究部コロキウム 2006.1.24 メソアンサンブル予報について 予報研究部第二研究室　斉藤和雄 • メソアンサンブル予報と海外の動向 • 1.1　なぜメソアンサンブル予報か • 1.2　海外予報センターの動向 • 2．WWRP北京オリンピック予報実証研究開発実験について • 3．メソモデルによる全球アンサンブル予報のダウンスケール実験 • 3.1 平成16年新潟・福島豪雨のケース • 3.2 平成１６年台風２２号のケース • 3.3 まとめと今後

  2. 1.1　なぜメソアンサンブル予報か ・2001年３月、気象庁メソ数値予報(MSM; L40)を開始、 ‥積乱雲群などメソbスケールの現象が数値予報の予報対象に 　　　「防災気象情報の高度化の支援」を目的 2001年６月　ウィンドプロファイラデータ同化開始 2002年３月　メソ４次元変分法（inner20kmL40）導入 2002年８月　国内ACARSデータ利用開始 2003年６月　領域４次元変分法導入 2003年10月　衛星マイクロ波放射計(SSM/I, TMI)可降水量/降水強度同化開始 2004年３月　非静力学メソモデル試験運用開始 2004年７月　衛星(QuikSCAT)マイクロ波散乱計海上風同化開始 2004年９月　非静力学メソモデル本運用開始 2004年11月 衛星マイクロ波放射計(SMSR-E)可降水量/降水強度同化開始 2005年３月　ドップラー動径風同化開始 2006年３月 物理過程改良、5km５０層化、１日８回運用開始（予定）

  3. 気象庁メソ数値予報モデルの降水予測精度 （2001年3月～2005年12月） • スレットスコア40km 5mm/6hr • スレットスコア10km 10mm/3hr NHM導入 4D-Var導入 4D-Var導入 NHM導入 NHM導入により冬季のバイアスは改善 メソ4D-Var導入によりスコア向上 長期的には降水予測は前進

  4. 気象庁メソ数値予報モデルの降水予測精度 （2001年3月～2005年12月） • 空振り　10km 10mm/3hr • 見逃し　10km 10mm/3hr NHM導入 4D-Var導入 4D-Var導入 NHM導入 実況の約６割を見逃し 予報の約７割が空振り 場所と時間を特定した強雨の事前予測はまだ出来ていない

  5. ・（メソ）数値予報の精度を決める要素 1) モデル（精度、解像度、領域） 2) 初期値　（短期予報では最も重要） ‥観測データの利用と同化手法の高度化 3) 境界条件にも依存 ・雲解像モデルの進歩　（幻想？） →対流系の微細構造などモデルの再現能力は向上する →メカニズム研究の進展 ↔豪雨を正しく再現出来ないケースも多い 高解像度化による再現能力向上はスコアには必ずしも反映しない

  6. Pre-experimental Daily Forecast on PC Cluster for Aviation • Sep 2004- • Horizontal Resolution 2km • Number of grid points 151x151 • Number of vertical layers 60 • Time Step 12 sec • Forecast Length 12 hour • 2 Times a Day (09,21UTC) • Cloud Microphysics with the 3 ice phase • No Cumulus Parameterization • Nested within the forecasts of 5km-NHM. • Computational time 6 hour KANTO AREA H：Haneda N：Narita PC Cluster for Aviation 7 CPUs of Itanium2(900MHz) 数値予報課　中山さんの調査 4

  7. RA 2-km NHM FT=4 FT=5 FT=6 5-km NHM 2004年12月５日 FT=7 FT=8 FT=9

  8. Standard Verification of Precipitation Warm Period : Sep 2004 and Apr to Aug in 2005 Bias Score Threat Score Cold Period : Oct 2004 to Mar 2005 Bias Score Threat Score 5 検証格子 20km

  9. ・メソ現象の決定論的予測可能性の限界 １）個々の対流雲など ‥現象の時間スケールの短さによる本質的な予測可能性の無さ ２）強制の弱い場でのメソ対流系による降水 ‥予報結果が初期値の僅かな違いに敏感 →初期値決定精度（～測器の精度）の限界による実用的な予測可能性の低さ モデル予測が、空振り、見逃しが避けられない中で、 予報現場でどう防災情報を出すのか

  10. 航空予報技術検討会　2005/11/24-25　より 新しい航空気象予報業務系列における予報作業について ＜説明内容＞ ・航空予報担当官署の予報作業等の計画・枠組み ・平成18年度以降の支援情報 ・地域航空官署を主体とする作業の流れと連携方法 ・当面実施予定の支援内容 航空予報室空域予報班　　加藤　敏彦

  11. 中央指示報 地方指示報 指示 連携 全国航空予報中枢 （航空予報室空域予報班） ＡＴＭｅｔＣ 地域航空予報中枢 （地域航空官署） 新千歳・仙台・東京・関西・福岡・那覇 主要航空官署 （国際・FSC対応航空官署） 解説航空官署（予報対象空港官署、カテゴリー予報空港官署） 各航空官署の連絡系統イメージ図

  12. 連絡報 解説報 本庁・地域航空官署から提供する支援情報 • 「指示報」の性格を持つ • 予報の要点について、認識・判断の共有を図ることを目的 • 実況・予報に関する具体的な解説 • 悪天現象や量的見込みに対する留意点を明記 • 部外ユーザーへの解説を主な目的 全国空域解説報 全国飛行場解説報 地域飛行場解説報 飛行場解説報（予報官コメント） 中央航空連絡報 地域航空連絡報

  13. ①中央航空連絡報 全国航空予報中枢からの支援情報 （目的） • 空域・飛行場予報に関する全国指示 • 地域航空官署の地域航空予報支援を念頭にした連絡／指示を行う。 （内容） • 総観スケールでの国内・洋上空域の状況と今後12時間程度先までの見通し • 国内スケールでの24時間程度（直近のTAF-L対象時間）先までの飛行場予報の要点 • サイドストーリー構築のための留意点を連絡／指示 • ソラレンラクを発展させたものとしての位置づけ • 現業に関する運用連絡・指示についても、必要に応じて臨時に発表する。 （配信時刻） • 1日３回（TAF-L発表前の時刻、おおよそ19UTC、01UTC、06UTC） （配信先） • 　全航空官署 （配信方法） • 電文配信（データ種類コード：ソラレンラク）

  14. ①　地域航空連絡報 地域航空官署からの支援情報 （目的） • 担当地域内に影響する悪天現象に関する要点を示す • 各解説航空官署と予報担当者の協議に用いる。 （内容） • 担当地域内の24時間程度先までの飛行場予報に影響する悪天現象の要点 • 想定されるサイドストーリーのための留意点を示す • 地域航空官署の班長が作成 （配信時刻） • 1日３回（TAF-L発表前の時刻、おおよそ早朝20UTC、午前中02UTC、夕方07UTC） （配信先） • 　管内の解説航空官署・主要航空官署、ATMetC、本庁（空域予報班） （配信方法） • メール報

  15. 地域航空官署からの支援情報 ③飛行場解説報（予報官コメント） （目的） • TAF対象解説航空官署で、場内ユーザーに解説する際の支援資料に用いる （内容） • 各空港の悪天現象の状況等と今後の見通し • 発表された飛行場予報、情報・警報の要点や根拠 • 今後の留意点や気象状況の変化についてのサイドストーリー等を簡潔に解説 • 必要に応じて、その他の要素の量的見込みについて解説（例えば、降雪量や最低気温の見込み等） • 対象解説航空官署と連絡を取りつつ、対象地方指示報、府県指示報を参考 • 地域航空官署の各空港担当者が作成 （配信時刻） • TAF発表後、および警報発表後を想定 （配信先） • 　管内解説航空官署、場内航空ユーザー （配信方法） • メール報、　Metair・FAX等（場内航空ユーザー） ※その他の官署への周知は掲示板利用の可能性あり

  16. （前回）予報の発表 【引継ぎと予報の確認】 中央指示報の確認　　・　中央航空連絡報の確認 担当地域の気象の概観把握　　　地域航空連絡報作成のための管内担当との調整 前回までの予報の検証（実況・予想・GDCのずれの確認） ＲＳＭ地点時系列・ＧＤＣの確認と各予報要素への翻訳の確認 目先の注意点の確認 最悪の気象を想定した情報・警報の案文作成と発表手順の確認 【実況の監視】 リアルタイムデータ（６秒値）・監視カメラ（ＩＴＶ）・メターシーケンス 気象衛星画像・レーダー・アメダス・降短等の監視 担当域を対象とした局地天気図の解析と関連する予報要素の監視 　　　　　なし 顕著現象の予兆 　　　　　　　　　　　　　 　　　　あり 　　　想定した警報・情報案文の修正 　　　予報のずれを加味した時系列修正の可能性の判断と修正の準備 遠隔飛行場予 報作業手順１ (地域航空 予報中枢)

  17. 　　　　　　　　　　　　　 　　　　あり 　　　想定した警報・情報案文の修正 　　　予報のずれを加味した時系列修正の可能性の判断と修正の準備 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 　　　　　なし 顕著現象の発生 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　あり 【顕著現象の発生】 現象の継続時間・量的予想と警報・情報の発表 　　　現地官署との調整（夜間は省略）　　　現地の上級官署との調整（警報のみ） 　　　警報・情報発信　　　　　必要に応じて印刷出力/FAX送信/保管 　　　送達確認（警報のみ）　　　　　必要に応じて現地で手交・確認 時系列の修正と予報修正報（AMD）の発表 【予報の発表】 新たな数値予報資料の検討 新たなＧＤＣの読み込みと現予報への置き換えの判断 ＲＳＭ時系列等を参考にした個別空港毎の新たな時系列予報の作成 実況の推移や予測とのずれを加味した主に目先部分の修正 TAFコードへの自動変換 （次回）予報の発表 遠隔飛行場予報作業手順２ (地域航空予報中枢)

  18. ・モデル予測に、空振り、見逃しが避けられない中で、・モデル予測に、空振り、見逃しが避けられない中で、 予報現場でどう防災情報を出すのか 顕著現象がモデルで予報された時、その予報がどの程度信頼できるかは深刻な問題 大気の状態が不安定な総観場においては、モデルに強い降水が予測されていない時でも、最悪の場合どの程度の現象が生じうるかを想定しておくことは防災情報を適切に出す上で大変重要（サイドストーリーの構築） モデル信頼度や誤差の幅について、客観的な判断の材料は、殆ど提供されていない →どの程度までを想定の範囲内におくかは、予報官の経験や勘にゆだねられている モデル信頼度や誤差の定量化が必要 予測可能性が低い一週間以上の予報ではアンサンブル予報が一般的 →メソ数値予報へのアンサンブル手法の適用 ・モデル（解像度、精度）、初期値、アンサンブルに計算資源をどう割り当てるか

  19. 1.2　海外予報センターの動向 1.2.1 主要予報センターでの現業メソ数値予報システム(as of October 2005)

  20. UKMOLimited area models

  21. Aladin/France variational system • Ensemble-derived B matrix statistics • Continuous assimilation cycle, 6 hour frequency, long cut-off assimilation cycle and short cut-off production, coupled with Arpège, Analysis=Model gridmesh=9.5km • Incremental 3D-VAR, using 80-90 % of the common Arpège/IFS code • Observations in operations (Aladin-only): • Surface pressure, SHIP winds, synop T2m and RH2m • Aircraft data • SATOB motion winds • Drifting buoys • Soundings (TEMP, PILOT) • Satellite radiances: AMSU-A, AMSU-B, HIRS, Meteosat-8 SEVIRI • No QuikSCAT • Digital filter initialisation • Arpège surface analysis (no Aladin surface assimilation)

  22. Global model GME Grid spacing: 40 km Number of layers: 40 Forecast range: 174 h from 00 and 12 UTC 48 h from 18 UTC Grid cell area: 1384 km2 Local model LME Grid spacing: 7 km Number of layers: 40 Forecast range: 78 h from 00, 12 and 18 UTC Grid cell area: 49 km2

  23. Model domain of LME

  24. North American Mesoscale NCEP • Final Eta / EDAS Upgrade • 3D-Var Analysis • Begin use of Level II.5 radial winds – superobs generated onsite • 2D-Var for overland sfc temp obs using anisotropic covariance • Precip Assimilation • simplification / streamlining makes for a more robust system • obs precip applied directly to Land-surface physics • NOAH LSM upgrades + more land/veg classes • Reduce summer daytime warm/dry bias+drying trend in PW • Reduce winter cold bias at night and over snow • Improved Cloud + Radiation physics • Radiation scheme sees thicker clouds • More partial cloudiness in cloud fraction field • Improved (visibility) & increased NAM outputs old new veg

  25. 575 X 641 points 432 X 565 (66%) in uniform region 0.1375° resolution in uniform region Resolution limited to a minimum of 3° in variable portion of grid MS Canada GEM15: variable grid

  26. LAM-2.5km, MSC 560 X 494 24 h forecast from 12UTC Initial & boundary conditions at every hour from GEM15 00UTC

  27. Operational Limited Area Models JMA • Mesoscale model(MSM) • Nonhydrostatic • 10 kmL40 18 hour • Updates: 4 times a day • Regional model (RSM) • Hydrostatic • 20 kmL40 51 hour • Updates: 2 times a day • Typhoon model (TYM) • Hydrostatic • 24 kmL25 84 hour • Updates: 4 times a day

  28. Operational models at BoM • The global assimilation and prediction system (GASP), TL239L29 • The limited area prediction system (LAPS), 0.375o x 0.375o x L29 • TLAPS, 0.375o x 0.375o x L29 • MesoLAPS, 0.125o x 0.125o x L29 • TCLAPS, 0.15o x 0.15o x L29 • AAQFS, 0.05o x 0.05o x L29 • Predictive Ocean Atmosphere Model for Australia (POAMA), T47L17

  29. 1.2.2 主要予報センターでのメソ/領域アンサンブル予報への取り組み/計画

  30. Short Range Ensemble Forecasting (NCEP) 　マルチモデルアンサンブル　 2001年４月から • 摂動を８７時間予報 • RSM（NCEP領域スペクトルモデル）：　40km28層、５メンバー • Etaモデル：　32km60層、10メンバー • 初期値摂動BGM法 • 異なる境界条件を週間アンサンブル予報から与えるとともに、積雲対流スキームとしてRSMには二種類のArakawa- Schubertを、EtaモデルにはBetts-Miller-JanjicとKain-Fritschスキームを用いる • WRF-NMM (40km50層) 、３メンバー • WRF-ARW (45km35層) 、各3メンバー を２００５年12月に追加

  31. MOGREPS (MetOffice Global and Regional Ensemble Prediction System) (UKMO) ・北大西洋・ヨーロッパ域を対象に領域アンサンブルを試験運用 ・24km、24メンバー、36時間先まで ・境界条件用に90km分解能全球アンサンブル予報 を72時間先まで運用 ・アンサンブル変換カルマンフィルター (ETKF)で観測誤差を用いて摂動の大きさを調整 ・積雲対流スキームの不確定パラメータなどを変更する物理過程摂動

  32. LAPS Ensemble System (BMRC) ・0.5度29層、24メンバー、72時間先まで ・境界条件全球アンサンブル予報 ・12 sets of perturbed observations, 2 combinations of physics, stochastic physics ・Perturbations of TC bogus

  33. COSMO-LEPS (イタリア他） • ECMWFの週間アンサンブル予報をコミュニティメソモデルCOSMO（LMのコミュニティモデル版）でダウンスケールするを2001年から運用している。週間アンサンブル予報からクラスタ解析によって代表的な5メンバーを選び出して5日予報を行い、代表メンバーのクラスタに応じた重みを付けた確率予報 SREPS (スペイン、INM） • DWD, UKMO, ECMWF, NCEPの４つの全球モデルの解析と予報を初期・境界条件としてドイツ気象局(DWD), UKMO, ヨーロッパ, NCARの４つメソモデル（LM、UM、HIRLAM、MM5)でダウンスケール • 72時間予報を６時間おきに行って、直近３回の予測を含むLAF法により、64メンバーのスーパーアンサンブル予報を行う。

  34. GME (DWD) UM (UKMO) UM (UKMO) UM (UKMO) HRM (DWD) MM5 (NCAR) MM5 (NCAR) HiRLAM HiRLAM HRM (DWD) IFS (ECMWF) GFS (NCEP) UM (UKMO) UM (UKMO) MM5 (NCAR) HRM (DWD) HiRLAM MM5 (NCAR) HRM (DWD) HiRLAM SREPS: Short Range EPS • Multi-model, multi-analyses regional EPS

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