1 / 25

全球海上風・海面応力格子データセットの 構築および精度検証と 大気・海洋相互作用研究への応用

全球海上風・海面応力格子データセットの 構築および精度検証と 大気・海洋相互作用研究への応用. 指導　　 轡田　邦夫教授 5AOOM009 　森本　直樹. 海上風による海面応力⇒　海洋へ運動量を輸送⇒　海洋表層を駆動（風成循環流） 海上風　⇔　海流　：風成大循環理論・・・ Sverdrup(1947) 高空間解像度を有する海上風データセット ⇒　 衛星データ　 、　 数値気象予報 (NWP) データ. Aqua/AMSR-E. ADEOS-2/SeaWinds. ERS-1&2. ADEOS-1/NSCAT. QSCAT/SeaWinds.

swain
Download Presentation

全球海上風・海面応力格子データセットの 構築および精度検証と 大気・海洋相互作用研究への応用

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. 全球海上風・海面応力格子データセットの 構築および精度検証と 大気・海洋相互作用研究への応用 指導　　 轡田　邦夫教授 5AOOM009 　森本　直樹

  2. 海上風による海面応力⇒　海洋へ運動量を輸送⇒　海洋表層を駆動（風成循環流）海上風による海面応力⇒　海洋へ運動量を輸送⇒　海洋表層を駆動（風成循環流） 海上風　⇔　海流　：風成大循環理論・・・Sverdrup(1947) 高空間解像度を有する海上風データセット ⇒　衛星データ　、　数値気象予報(NWP)データ Aqua/AMSR-E ADEOS-2/SeaWinds ERS-1&2 ADEOS-1/NSCAT QSCAT/SeaWinds 1990 2000 背景 　衛星データ ・海上風観測衛星は1990年代から現在まで、連続したデータを提供 　衛星観測海上風データから全球海上風・海面応力格子データを構築 J-OFURO【Japanese Ocean Flux data sets with Use of Remote sensing Observations】 各種熱Fluxデータと共に継続して構築・配布(Kubota to al., 2002) NWPデータ ・現場観測・衛星データを取り込み、仮想大気の場から海上風・海面応力を算出 　データに欠測が無く、期間が長い ⇒　長期変動解明、海洋大循環モデルの駆動力に多く使用。 過去、衛星・NWPデータを使用した研究 ・Wunsh(1998)　･･･　南極周極流にて複数の衛星・NWPデータからSv流量を算出し、 　　　　　　　　　　　　　　海上風による運動量輸送の重要性を報告。 ・Qiu and Chen(2006）　･･･　NWPデータを大循環モデルの駆動力とし、 　　　　　　　　　　　　　　　　　　黒潮続流域の亜熱帯モード水変動を解析

  3. 衛星データ　・・・　マイクロ波散乱強度から、間接的に風速・風向を決定衛星データ　・・・　マイクロ波散乱強度から、間接的に風速・風向を決定 NWPデータ　・・・　現場や衛星観測データを取り込んだ、仮想大気の場から算出 ⇒現実の場を再現している保障は無い。 衛星・NWPデータの精度検証の必要性 現場観測データ（船舶・ブイ）との精度検証が必要 過去の海上風・海面応力精度検証を行った研究 ・ Ebuchi et al(1996) 　・・・　衛星観測データとブイデータとの精度検証 ・ Kutsuwada(1998)　・・・　衛星格子データセットの作成とブイデータとの精度検証 ・ Bourassa et al(2002) 　・・・　太平洋中緯度での 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　衛星観測データと船舶観測データとの精度検証 ・ 笠原ほか(2003)　・・・赤道・アメリカ沿岸ブイデータと 　　　　　　　　　　　　　　 衛星格子・NWPデータの精度検証および、 　　　　　　　　　　　　　　 中・高緯度でのデータセット間の相互比較

  4. NDBC TAO/TRITON PIRATA 衛星・NWPデータの精度検証において 衛星データに比べ、NWPデータはブイとの系統・ランダム誤差が大きい データセットの相互比較 しかし、 ・ブイは赤道に集中 ・船舶観測は期間・海域が様々 現場観測データの少ない中・高緯度では、現場データとの比較が困難 　⇒　各データセット間の相互比較 笠原(2004)による相互比較結果 ① ② (a) 衛星データ：QSCAT/J-OFURO NWPデータ：NRA-1 ⇒海上風、海面応力にて QSCAT/J-OFURO< NRA-1 (b) 図 ①: 海上風東西成分の2000年平均場 (a):QSCAT/J、(b):NRA-1 図 ②: 2000年での緯度平均した東西成分海上風の南北プロファイル

  5. 新たなNWPデータ NRA-1・・・アメリカNCEP/NCARが作成、配布しているNWPデータ 近年、NRA-1に存在した既知のエラーを修正した、「NRA-2」データを作成・配布 しかし、NRA-2データは、 「次世代データとして考えておらず、いくつかの要素はNRA-1よりも良くない可能性がある。NRA-1と2の二つを継続して作成していくことにより、比較を簡単に行える。」 (Kanamitsu et al., 2002) ⇒NRA-2データ傾向の把握のため、精度検証が必要　 新たな現場観測データ Kuroshio Extension Observatory(KEO) ブイ ・・・　近年、NOAA/PMELが北西太平洋黒潮続流域にブイを設置。 　・期間：2004年6月16日 　・位置：144.5oE-32.3oN ⇒現場観測データが少ない太平洋中緯度での精度検証が可能。

  6. 近年新たに設置されたKEOブイを利用し、 これまで困難であった太平洋中緯度の衛星・NWPデータの精度検証を行う。 新たに作成されたNRA-2データセットの傾向把握、また、衛星・ブイの期間が延長していることから、赤道ブイを中心とする現場観測データとの精度検証を行い、再度精度を確認、NRA-2を含めた相互比較を行う。 ⇒データセット選択の指標・注意を喚起 新たに作成、精度を検証した高解像度衛星データを用いて、 近年注目される、海洋から大気への作用検出を試みる ①　・・・ ②　・・・ ③　・・・　 目的 使用データ 衛星格子データ ・QSCAT/J-OFURO ・QSCAT/IFREMER ・QSCAT/LEVEL-3 NWPデータ ・NRA-1 ・NRA-2 ⇒主な違いは格子作成方法 J-OFURO・・・荷重平均法(Kutsuwada,1998) IFREMER・・・最適内挿法 LEVEL-3・・・単純平均 海面応力データはNCEPから提供されるMomentum Fluxを使用 以後それぞれ、NRA-1/FLUX、NRA-2/FLUXと記す

  7. 太平洋中緯度において KEO・太平洋NDBCブイとの比較結果から ・QSCAT/J-OFURO　・・・　平均差≒0 ・NRA-1　・・・　海上風・海面応力を過大評価 ・NRA-2　・・・　海面応力を過大評価＞NRA-1 中緯度外洋にて、データ間の相互比較 QSCAT/J-OFURO NRA-2/FLUX NRAデータは中緯度の広域で海上風・海面応力を過大評価 a b 結果②を含め、太平洋・大西洋にて ・南北成分を顕著に過大評価 ・KEO比較結果と傾向一致 ⇒KEOブイ測点は中緯度評価に重要 130E-140W海域平均した海面応力南北プロファイル(a:東西、b：南北)

  8. 太平洋中緯度において KEO・太平洋NDBCブイとの比較結果から ・QSCAT/J-OFURO　・・・　平均差≒0 ・NRA-1　・・・　海上風・海面応力を過大評価 ・NRA-2　・・・　海面応力を過大評価＞NRA-1 Curl-tauを算出し比較 NRA-2・FLUX QSCAT/J-OFURO NRAデータはCurl-tauを過大評価 NRAデータのCurl-tau過大評価は Sverdrup流量にも影響(Aoki and Kutsuwada,2007) データの信頼性⇒継続的な精度検証・相互比較

  9. ブイとの精度検証・相互比較の結果 ・QSCAT/J-OFURO　・・・　海上風・海面応力を精度良く評価 ・NRA-1　・・・　海上風・海面応力を過大評価⇒ 過去の比較と一致 ・NRA-2　・・・　 ①・②結論 ・東西成分FLUX平均差　＞NRA-1 ・海上風平均差　＜　NRA-1 ・RMSD＞ NRA-1　⇒スペクトル解析により、ブイとの変動が大きく異なる NRA-1⇒NRA-1/FLUX NRA-2⇒NRA-2/FLUX ⇒それぞれデータの傾向が違う NRA-2/FLUXの東西成分平均差が大 ≠ a b データ選択に注意 ⇒海上風に対する海面応力の傾きが大きい＞NRA-1 図：縦軸NRA/FLUX、横軸NRA海上風 （a:NRA-1、b:NRA-2）

  10. 衛星・NWPデータの大気海洋相互作用への応用 　近年、衛星・NWPデータを利用した、新たな大気海洋相互作用現象が報告 Chelton(2004) ・・・　Gulf-Stream海域にて、海面水温高温域と正のCurl-tauが正相関 Xie(2004) ・・・　黒潮続流域にて、海面水温と海上風速が正の関係 従来の大気⇒海洋への作用とは逆の関係 海洋から大気への作用のメカニズム ・従来　・・・　海上風　⇒　風成循環流　＝　大気から海洋への作用（総観規模現象） ・近年　・・・　海洋から大気への作用（局所的現象） 海面水温の高い海域では、海洋からの蒸発によって鉛直混合が発生、大気上方から下方に運動量が輸送され、海上風が強化される 海洋⇒大気への作用 海上風は大気上方につれ て指数関数的に上昇 Curl-tau>0

  11. (c) (a) (b) 海洋⇒大気への作用解明・・・高解像度データが必要 高解像度データの必要性 Chelton(2004)より High-pass Curl-tau & SST (a):QSCAT/Curl-tau (b):NRA-1/Curl-tau (c):SST(Color)、Tau(Vector) ・格子間隔の粗い海上風データを使用した場合、 　局所的な現象である海洋⇒大気への作用検出が困難 ・大循環モデルの駆動力に入力される海上風において、 　入力する海上風データの特性により、結果に差異が生じる ⇒　データセットの特性把握・選択が必要　←　精度検証 信頼性ある、高空間解像度データが必要

  12. 高解像度QSCAT/J-OFUROデータを用いて、海洋から大気への作用検出高解像度QSCAT/J-OFUROデータを用いて、海洋から大気への作用検出 結果③　高解像度データの大気海洋相互作用現象への応用として 使用データ ＜海上風＞ ・QSCAT/J-OFURO　・・・　局所的な現象検出のため、格子間隔を0.5°とした ・Aqua/AMSR-E ・・・　衛星観測海上風速のみ（風向は観測していない） RSSより取得。0.25°格子、期間：2002年～ ＜海面水温＞ ・MergedSST・・・東北大学大気海洋センターより取得。 0.005°格子、日本近海のみ、期間2003/6～ ・TRIMM/TMI・・・RSSより取得、0.25°格子、期間：1998年～ 海面水温データ処理 ・それぞれの緯度により、緯度平均値からの偏差を算出 　⇒総観規模の海面水温場を除去

  13. １年平均場にて海洋⇒大気への現象を検出 J-OFUROによるCurl-tau・海上風速(Contour)とMergedSST海面水温偏差(Color) ⇒同海域の３ヶ月平均場にて検出を試みるが、季節的な特性は把握できず Xie(2004)より、3ヶ月平均場、局所的に現象検出が報告 Chelton(2004)より、海面水温勾配が大きい海域は作用が大 ⇒期間の長いTMI海面水温にて、海域・季節依存性特定のため 海域を限定して月ごとにAMSR-E海上風と比較(小山,2007) 季節によらず、正の関係が検出。しかし、特定の月では低相関 ⇒季節風の卓越により大気⇔海洋現象が卓越、検出困難 Xie(2004) より 上:海面水温(℃)、 下:海上風速(m/s) (2001年4-7月平均場)

  14. ＜海洋⇒大気への作用検出への応用＞ 　・高解像度J-OFUROデータセットは、現象把握に有効 　⇒NRAデータでは、格子間隔の粗さから検出が困難 　・黒潮続流域では、季節依存性なく現象検出 　⇒海面水温勾配の高い海域では、高い正の関係 　・季節風が卓越する時期は大気⇒海洋への現象も活発、 海洋⇒大気への作用のみ検出は困難 ③結論 ＜今後の課題＞ ・海上風のHigh-passフィルター方法 ⇒Chelton(2004)と同様？ ・海面水温勾配による比較 ⇒海面水温High-passフィルターは緯度平均からの偏差でよいか？

  15. ・衛星格子データの異常日 KEOブイとの比較過程にて、QSCATデータにブイと正負（風向）が逆転する日が存在。 付録 ⇒QSCAT/SeaWindsの観測がKEO上で少ない 　　＋風向が1日のうちに大きく変化 ⇒J-OFURO、IFREMERは異常日が異なる QSCATデータのKEOブイとの異常日 ○:異常日 ●:QSCAT/J-OFURO1度格子のみ異常日 △:ブイ海上風と5m/s以上差がある ×:異常日ではない

  16. 衛星観測個数の問題 ・北半球中緯度は、全球において観測数が少ない（a） ・QSCAT/SeaWindsにて、降雨時（Rain Flag）の観測は精度が低下するため、 欠測値としている（b） ⇒Rain Flagを含め、観測数を増加・空間荷重範囲を小さく⇒異常日はなくなる？ 4パターンのJ-OFUROを作成 b a

  17. J-OFURO荷重平均観測数　00-05ave(L) SD(R) 観測数・・・赤道：多、北半球の中・高緯度：少 変動・・・太平洋中緯度では、衛星軌道に沿った菱形の高SD海域が存在 衛星データの異常値は気象条件と衛星観測数が関係していると考えられる。 また、NRA/WNDはNRA/FLUXに比べ統計結果が悪い。 これらについて、 ・KEOブイから、NRA/WNDと同じ0,6,12,18時から作成したKEO/6hrを作成。 ・同様に衛星観測がおおよそ同じ海域で1日2回なので、6,18時からKEO/12hrを作成。 意図的にサンプリング数を減らした二つのデータと比較して、 観測時間の違いによって精度の変化があるのかを調べた。

  18. 新たな大気-海洋相互作用のメカニズム ・従来　・・・　海上風　⇒　風成循環流　＝　大気から海洋への作用（総観規模現象） ・近年　・・・　海洋から大気への作用（局所的現象） 大気⇒海洋への作用 Curl-tau > 0 海上風は大気上方につれ て指数関数的に上昇 海上風の回転により表層の海水が発散し、深層の海水が湧昇、 海面水温を下げる。 海面水温の高い海域では、 海洋からの蒸発によって鉛直混合が発生、 大気上方から下方に運動量が輸送され、海上風が強化される 海洋⇒大気への作用 Curl-tau > 0 海面水温が高い海域の上空の大気で対流活動が盛んになり、海上風の低気圧性運動が起こる。

  19. 結果① KEOブイ観測値と、統計値にて比較した結果、海上風では ⇒平均差QSCAT≒0、NRA-1,2>0 海面応力比較結果では ⇒ Tx平均差:NRA-1<NRA-2、RMSD：NRA-1 > NRA-2 ・・・海上風と傾向が違う

  20. ①・②まとめ ブイとの精度検証・相互比較の結果 ・QSCAT/J-OFURO　・・・　海上風・海面応力を精度良く評価 ・NRA-1　・・・　海上風・海面応力を過大評価⇒過去の比較と一致 ・NRA-2　・・・　 ・FLUX平均差＞NRA-1 ・海上風平均差　＜　NRA-1 ・FLUX・海上風RMSD＞ NRA-1 ・東西成分平均差　＞　WND NRA-2/FLUXの平均差が大 RMSDが大 a b ⇒海上風に対する海面応力の傾きが大きい＞NRA-1 図：縦軸NRA/FLUX、横軸NRA海上風 （a:NRA-1、b:NRA-2） ⇒現場観測データと変動が大きく異なる 図：各海面応力データでのスペクトル （データ期間：KEOデータの存在する500日）

  21. NRA海面応力について NRA/FLUXはモデル内で算出 一般的に海面応力は、下記のバルク式により10分毎平均値から算出される τ：海面応力 CD:抵抗係数 ρ：大気密度 W：海上風 データの傾向が　NRA ≠NRA/FLUX　・・・　大気密度×抵抗係数が起因？ バルク式によるCDの決定⇒抵抗係数算出式 NRA6時間毎海上風から、抵抗係数に海上風のみが作用する Large and Pond (1981)を用いたNRA/WNDを作成、 以降比較　⇒NRA-2のエラーの修正によるFLUXへの影響を確かめる Report of the Working Group on Air Sea Fluxes　より ⇒NRA-2/FLUXはWNDと比較して東西成分平均差を大きくする

  22. NDBCPIRATA b a QSCAT/J-OFURO NRA-2/FLUX 70W-10E海域平均した 海面応力南北プロファイル(a:東西、b：南北) ・太平洋と同様に、NRA-1,2は中緯度で海上風・海面応力を過大評価 ・赤道域では±10oでNRA-2/FLUXが顕著に大きい NRA-2は赤道海域で、強い収束帯を形成する傾向にある

  23. NDBC TAO/TRITON PIRATA 過去に検証が行われた、ブイデータ ・TAO/TRITON・・・太平洋赤道 ・NDBC・・・大西洋アメリカ沿岸 ・PIRATA・・・大西洋赤道 ⇒NRA-2の傾向把握、過去の比較からブイ期間を延長して比較 TAO/TRITON QSCAT/J-OFURO NRA-１/FLUX NRA-2/FLUX ⇒NRA-1南北成分が赤道（2oN付近）で顕著に負、南部でNRA-1,2共に正に大きい NRA-2は10～15oN付近で負に大きい

  24. 海上風観測衛星 ・QSCAT/SeaWinds　・・・1999/7 – 2007/2～ ・ADEAS-2/SeaWinds・・・2003/4 – 2003/9 ⇒短期間であるが、2つの同測器を持つ衛星 QSCAT/SeaWinds ADEOS-2/SeaWinds 笠原(2004)　・・・　二つの観測データを合わせ、観測密度を倍にして高解像度データを作成 高解像度：　従来1.0°格子　⇒0.5°格子 比較のため、QSCAT/SeaWinds単一での高解像度データを作成 QS＆AD-2/J QS/J 図：Curl-tau平面分布図(x10-6N/m3) ⇒QSCAT/J-OFURO-05 ≒QSCAT&ADEOS-2/J-OFURO-05 QSCAT/SeaWinds単一でのJ-OFURO 1.0→0.5度格子化は欠測なく、信頼性を維持

More Related