Challenge to a global cloud-resolving climate modeling

• Project Area: Challenge to the new generation cloud-resolving climate simulation
• Project/Area Number: 20H05728
• Research Category: Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Review Section: Transformative Research Areas, Section (II)
• Research Institution: Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology
• Principal Investigator: 小玉 知央 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 副主任研究員 (90598939)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 山田 洋平 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 特任研究員 (40637352) ; 中野 満寿男 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 地球環境部門(環境変動予測研究センター), 研究員 (40713954)
• Project Period (FY): 2020-10-02 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥50,960,000 (Direct Cost: ¥39,200,000、Indirect Cost: ¥11,760,000); Fiscal Year 2022: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000); Fiscal Year 2021: ¥16,510,000 (Direct Cost: ¥12,700,000、Indirect Cost: ¥3,810,000); Fiscal Year 2020: ¥17,940,000 (Direct Cost: ¥13,800,000、Indirect Cost: ¥4,140,000)
• Keywords: 全球雲解像モデル / 大気海洋結合モデル / 気候シミュレーション

Outline of Research at the Start

全球非静力学モデルを用い、全球雲解像気候実験の先駆けとなる10kmメッシュ以下での10年積分という世界初の気候実験を実施する。再現性の調査、既存モデルとの比較、感度実験、および大気海洋結合テスト実験により全球雲解像気候モデル実現に向けた課題を世界に先駆けて特定し、その解決に挑戦する。これにより、気候システムにおける雲・気候の相互作用の理解と予測に革新をもたらす全球雲解像気候モデルを獲得する。

Outline of Annual Research Achievements

DNA（Deep Numerical Analysis）気候学の開拓を目指し、全球非静力学モデルNICAMおよび大気海洋結合モデルNICOCOを信頼できる次世代全球気候モデルとして確立するため、本年度はスーパーコンピュータ「富岳」において、主に14kmメッシュのNICAMを用いた年スケールの感度実験を多数実施してモデルの標準設定を検討した。具体的には、これまで56-14kmメッシュ気候実験で用いてきた実験設定をコントロールとし、新たに乱流拡散効果を導入することで中層の乾燥バイアスおよび降水過剰バイアスが抑制できることが分かった。また、鉛直層を38層から78層へほぼ倍増することで、熱帯対流圏上層の高温バイアスや亜熱帯ジェットの高緯度バイアスが低減することを見いだした。加えて、研究協力者らが作成した季節内振動向けのモデルパラメータを参考にしながらコントロールの雲微物理スキームのパラメータを見直し、平均場の再現性を保ちながら季節内振動の再現性を高めることに成功した。以上を踏まえて、全球雲解像気候実験を行うための現時点で最適な標準設定を決定し、これを用いて3.5kmメッシュNICAMで気候実験を実施するための準備を行った。並行して、大気14kmメッシュ、海洋1度メッシュのNICOCOを用いて1年テスト積分を実施し、全球平均した海水面温度が1年で1K程度上昇すること、地表面への短波入射が過剰であることを確認した。また、気候モデルMIROCとNICOCOの風応力や水温について比較を行った。これらの結果をAGU（アメリカ気象学会）、JpGU（日本地球物理学連合）、日本気象学会などにおいて発表するとともにNICAM開発者会議において集中的に議論することで、新しい標準設定について議論を深めた。

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

全体として研究実施計画通りに進捗しているが、特に平均場と擾乱場、双方をバランスよく再現可能なモデルの標準設定を決定できたことは大きな進展である。また、大気14kmメッシュのNICOCOを用いた1年積分に初めて成功し、気候場の特徴が明らかになり始めたことも当初の想定以上の進展である。

Strategy for Future Research Activity

基本的には当初の計画通り研究を推進するが、気候実験は当初想定していた7kmメッシュから3.5kmメッシュのNICAMへ変更する。これは、富岳における3.5kmメッシュの実現可能性、7kmメッシュNICAMにおける気候バイアスの問題と雲解像に一歩足りないメッシュサイズの中途半端さ、複数のモデルセンターが数年内に3.5kmメッシュレベルの気候実験を達成する計画を掲げている点、などを課題内で検討した結果、3.5kmメッシュの気候実験にリソースを割くべきであると判断したためである。

Research Products

• [Journal Article] The Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model for CMIP6 HighResMIP simulations (NICAM16-S): experimental design, model description, and impacts of model updates. (2021)
  • Author(s): Kodama, C., Ohno, T., Seiki, T., Yashiro, H., Noda, A. T., Nakano, M., Yamada, Y., Roh, W., Satoh, M., Nitta, T., Goto, D., Miura, H., Nasuno, T., Miyakawa, T., Chen, Y.-W., and Sugi, M.
  • Journal Title: Geosci. Model Dev. Volume: 14 Issue: 2 Pages: 795-820
  • DOI: 10.5194/gmd-14-795-2021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] MJO Initiation Triggered by Amplification of Upper‐Tropospheric Dry Mixed Rossby‐Gravity Waves (2021)
  • Author(s): Takasuka Daisuke、Kohyama Tsubasa、Miura Hiroaki、Suematsu Tamaki
  • Journal Title: Geophysical Research Letters Volume: 48 Issue: 20 Pages: 1-11
  • DOI: 10.1029/2021gl094239
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] MJO Initiation Triggered by Amplification of Upper-tropospheric Dry Mixed Rossby-gravity Waves (2022)
  • Author(s): Takasuka, D., T. Kohyama, H. Miura, T. Suematsu
  • Organizer: AMS2022
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Improvement of NICAM toward the achievement of global cloud-resolving climate simulations (2022)
  • Author(s): Takasuka, D., C. Kodama, T. Suematsu, T. Seiki, T. Ohno, H. Yashiro, H. Miura, A. T. Noda, Y. Yamada, M. Nakano, T. Nasuno, T. Miyakawa
  • Organizer: 3rd PAN-GASS meeting understanding and moreling atmospheric processes
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HighResMIP climate simulations with NICAM and beyond on supercomputer Fugaku (2021)
  • Author(s): Kodama, C., Y. Yamada, T. Ohno, T. Seiki, H. Yashiro, A. T. Noda, M. Nakano, W. Roh, M. Satoh, T. Nitta, D. Goto, H. Miura, T. Nasuno, T. Miyakawa, Y.-W. Chen, and M. Sugi
  • Organizer: EGU General Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] HighResMIP climate simulations with NICAM and beyond on supercomputer Fugaku (2021)
  • Author(s): Kodama, C., Y. Yamada, T. Ohno, T. Seiki, H. Yashiro, A. T. Noda, M. Nakano, W. Roh, M. Satoh, T. Nitta, D. Goto, H. Miura, T. Nasuno, T. Miyakawa, Y.-W. Chen, M. Sugi
  • Organizer: JpGU Meeting 2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Spatio-temporal representation of the Amazonian mesoscale convective systems by the Non-hydrostatic Icosahedral Atmospheric Model (NICAM) (2021)
  • Author(s): Rehbein, A., T. Ambrizzi, M. Satoh, and C. Kodama
  • Organizer: CPM2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Overview of NICAM activity on the supercomputer Fugaku (2021)
  • Author(s): Kodama, C., H. Yashiro, M. Nakano, T. Suematsu, D. Takasuka, Y. Takano, R. Masunaga, Y. Yamada, T. Arakawa, H. Miura, T. Nasuno, T. Seiki, W. Roh, A. T Noda, T. Ohno, T. Miyakawa and M. Satoh
  • Organizer: AGU2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Mesoscale Convective Systems Simulated by a High-Resolution Global Nonhydrostatic Model over the United States and China (2021)
  • Author(s): Na, Y., Q. Fu, L. Ruby, and C. Kodama
  • Organizer: AGU2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 全球雲解像気候実験に向けたNICAMの標準設定の見直しと改良 (2021)
  • Author(s): 高須賀大輔, 小玉知央, 末松環, 清木達也, 大野知紀, 八代尚, 三浦裕亮, 野田暁, 山田洋平, 中野満寿男, 那須野智江, 宮川知己
  • Organizer: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [Presentation] 対流圏上層の混合ロスビー重力波が励起するMJO発生機構 (2021)
  • Author(s): 高須賀大輔, 神山翼, 三浦裕亮, 末松環
  • Organizer: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [Presentation] Improvement of NICAM toward the achievement of global cloud-resolving climate simulations (2021)
  • Author(s): Takasuka, D., C. Kodama, T. Suematsu, T. Seiki, T. Ohno, H. Yashiro, H. Miura, A. T. Noda, Y. Yamada, M. Nakano, T. Nasuno, T. Miyakawa
  • Organizer: AGU2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] MJO Initiation Triggered by Amplification of Upper-tropospheric Dry Mixed Rossby-gravity Waves (2021)
  • Author(s): Takasuka, D., T. Kohyama, H. Miura, T. Suematsu
  • Organizer: AGU2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] NICOCOによる高解像度気候計算に向けた基礎調査 (2021)
  • Author(s): 高野雄紀, 小玉知央, 中野満寿男, 三浦裕亮
  • Organizer: 日本気象学会2021年度秋季大会
• [Presentation] Evaluating performances of one-year simulation by using 3.5 km mesh global nonhydrostatic model (2021)
  • Author(s): Yamada, Y., C. Kodama, A. T. Noda, M. Satoh, M. Nakano, T. Miyakawa, H. Yashiro, T. Nasuno
  • Organizer: EGU General Assembly 2021
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Challenge to a global cloud-resolving climate simulation with NICAM (2021)
  • Author(s): Kodama, C., H. Yashiro, M. Nakano, T. Suematsu, D. Takasuka, Y. Takano, R. Masunaga, Y. Yamada, T. Arakawa, H. Miura, T. Nasuno, T. Seiki, W. Roh, A. T. Noda, T. Ohno, T. Miyakawa, and M. Satoh
  • Organizer: CPM2021
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Remarks] DNA気候学 成果
  • URL: https://dna-climate.org/publications/