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2018 年度 実績報告書

アンサンブルデータ同化のための最適摂動手法に関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 16H04054
研究機関東京大学

研究代表者

齊藤 和雄  東京大学, 大気海洋研究所, 客員教授 (70391224)

研究分担者 川畑 拓矢  気象庁気象研究所, 予報研究部, 主任研究官 (80354447)
福井 真  東北大学, 理学研究科, 学術研究員 (30756557)
伊藤 耕介  琉球大学, 理学部, 准教授 (10634123)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワードアンサンブル予報 / データ同化 / 摂動手法 / 豪雨 / 再解析 / 非静力学モデル
研究実績の概要

本研究では、データ同化の解析精度やアンサンブル予報の精度を向上させるためアンサンブル摂動手法について調査を行う。平成30年度は、アンサンブル変換カルマンフィルタ(LETKF)などで広く用いられているアンサンブル変換法の問題点の調査について、雲解像非静力学数値予報モデル(JMA-NHM)を用いた場合について調べるとともに、アンサンブル変換行列の特性について理論的な考察を継続するとともに共分散膨張の特性を調べ論文投稿した。またLETKFにおいて、降水が予測されていない点に大気場と相関を持つ反射強度のアンサンブル摂動を与えて同化することにより、全アンサンブルメンバーで降水が予測されていない点でも反射強度の同化に伴って大気場が修正されて降水予報が改善し得ることを示し、論文にまとめた。さらに非線形予報モデルを繰り返し計算するアンサンブル変分同化法(En4DVarと4DEnVar)について、モデルが非線形でアンサンブル摂動の大きさが適切である場合に4DEnVarがEn4DVarより有望であることや、局所化半径の小さい4DEnVarではEn4DVarに比べて最小値探索が困難であるという結果を得た。
NHM-PFのリサンプリング時の摂動について、気候学的摂動を付加する手法を開発した。この摂動は、夏季の不安定性降水が発生した事例についてシミュレーションを行い、様々な時刻の間で差分をとって作成したものである。これを付加することでアンサンブルスプレッドが維持され、有効に働くことを確認した。
アンサンブルに基づく新たな感度解析手法を、従来手法と比較した結果、期待される通り理想的な状況下で両者が整合的になることを確認した。
従来型観測のみをNHM-LETKFを用いて同化する長期領域再解析システムの構築について論文にまとめ発表した。また、領域再解析の豪雨や台風の事例に対する再現性能について検討した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

本研究の主眼であるアンサンブル変換の問題点に関する具体的な調査が進展し、非静力学領域数値予報モデルでの調査やアンサンブル変換行列の性質についての理論的な考察が行えた。またアンサンブルカルマンフィルタを用いたり実験やアンサンブル予報に基づく感度解析、非静力学数値予報モデルに基づく粒子フィルタの開発と数値実験、豪雨事例に関する高解像度アンサンブル予報の実験も進捗している。研究遂行にあたって、研究参加者による研究会を、豪雨災害が発生した北海道十勝地方(帯広市)と九州北部(福岡市)の公共施設で開催し、理化学研究所や海洋研究開発機構、東京大学大気海洋研究所などから科研費研究参加者以外の参加もあった。
査読付き国際誌等に多数論文の解説を発表するとともに、招待講演を含む多数の国内外での学会発表を行った。

今後の研究の推進方策

①LETKFで用いるアンサンブル変換における変換行列非対角成分の問題点について整理し、雲解像モデルを含む非静力学モデルのアンサンブル予報やアンサンブルデータ同化への影響を調べ、その成果をとりまとめる。
②粒子フィルタ等他のアンサンブル同化法における初期値摂動手法の調査を行う。NHM-PFのリサンプリング時の摂動について、観測誤差の動的推定を行うことによりフィルターの安定を図り、これによって気候学的摂動の付加を取りやめることを検討する。成果についてとりまとめる。
③アンサンブル摂動に基づく感度解析手法の適用により得られた成果を国内外の学会発表や論文発表にまとめる。
④従来型観測のみを用いた領域再解析の観点から最適なアンサンブル摂動を与える手法を検討した成果をとりまとめる。
⑤2018年7月西日本豪雨の事例で、まず解像度5kmで100メンバーのアンサンブル予報実験を行い、その結果から豪雨が発生しそうな地域を特定し、その地域をネスティングして解像度500mでダウンスケールし、高解像度によって確率予報の予報精度が向上するか調べる。

  • 研究成果

    (62件)

すべて 2019 2018

すべて 雑誌論文 (6件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (56件) (うち国際学会 19件、 招待講演 3件)

  • [雑誌論文] Verification in the presence of observation errors: Bayesian point of view2018

    • 著者名/発表者名
      Le Duc, Kazuo Saito
    • 雑誌名

      Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society

      巻: 144 ページ: 1063-1090

    • DOI

      https://doi.org/10.1002/qj.3275

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Cloud resolving simulation of a local heavy rainfall event on 26 August 2011 observed in TOMACS2018

    • 著者名/発表者名
      Kazuo SAITO, Masaru KUNII, Kentaro ARAKI
    • 雑誌名

      Journal of the Meteorological Society of Japan

      巻: 96 ページ: 175-199

    • DOI

      https://doi.org/10.2151/jmsj.2018-027

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] A feasibility study on the high-resolution regional reanalysis over Japan assimilating only conventional observations as an alternative to the dynamical downscaling2018

    • 著者名/発表者名
      Shin FUKUI, Toshiki IWASAKI, Kazuo SAITO, Hiromu SEKO, Masaru KUNII
    • 雑誌名

      Journal of the Meteorological Society of Japan

      巻: 96 ページ: 565-585

    • DOI

      https://doi.org/10.2151/jmsj.2018-056

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Improving short-term rainfall forecasts by assimilating weather radar reflectivity using additive ensemble perturbations2018

    • 著者名/発表者名
      Yokota, S., H. Seko, M. Kunii, H. Yamauchi, and E. Sato
    • 雑誌名

      Journal of Geophysical Research Atmosphere

      巻: 123 ページ: 9047-9062

    • DOI

      http://dx.doi.org/10.1029/2018JD028723

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 2008年8月首都圏局地豪雨のGPSデータ同化実験と雲解像アンサブル予報2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄・小司禎教・折口征二・LeDuc
    • 雑誌名

      気象研究ノート

      巻: 236 ページ: 250-265

  • [雑誌論文] 2011年8月26日首都圏豪雨の雲解像アンサンブル実験2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄・国井勝・荒木健太郎
    • 雑誌名

      気象研究ノート

      巻: 236 ページ: 266-282

  • [学会発表] LETKF Perturbations by Ensemble Transform in a Cloud Resolving Model.2019

    • 著者名/発表者名
      Saito, K., L. Duc, S. Yokota, and T. Matsunobu
    • 学会等名
      23rd Conference on Integrated Observing and Assimilation Systems for the Atmosphere, Oceans, and Land Surface (IOAS-AOLS)
    • 国際学会
  • [学会発表] LETKF Perturbations by Ensemble Transform in a Cloud Resolving Model.2019

    • 著者名/発表者名
      Saito, K., L. Duc, S. Yokota, and T. Matsunobu
    • 学会等名
      7th International Symposium on Data Assimilation (ISDA2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of long-term high-resolution regional reanalysis system over Japan with NHM-LETKF nested in JRA-552019

    • 著者名/発表者名
      Fukui, S., T Iwasaki, K. Saito, H. Seko
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Data Assimilation(ISDA2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] 4DEnVar with Iterative Calculation of Nonlinear Nonhydrostatic Model Compared to En4DVar2019

    • 著者名/発表者名
      Yokota, S., K. Koizumi, M. Kunii, and K. Ito
    • 学会等名
      7th International Symposium on Data Assimilation (ISDA2019)
    • 国際学会
  • [学会発表] The diagonally predominant property of the positive symmetric ensemble transform matrix and its application in ensemble forecast2019

    • 著者名/発表者名
      Duc, L., K. Saito, and D. Hotta
    • 学会等名
      American Meteorological Society annual meeting
    • 国際学会
  • [学会発表] Analysis and design of covariance inflation methods from functional viewpoint2019

    • 著者名/発表者名
      Duc L., K. Saito, and D. Hotta
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Data Assimilation
    • 国際学会
  • [学会発表] On the Ensemble Transform Perturbation: (2) NHM-LETKF.2018

    • 著者名/発表者名
      Saito, K., S. Yokota, L. Duc, T. Kawabata, M. Kunii, T. Matsunobu, and T. Kurihana
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2018 (JPGU2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Mesoscale Weather Prediction for Disaster Prevention.2018

    • 著者名/発表者名
      Saito, K.
    • 学会等名
      Seminar at Viet Nam Hydrological and Meteorological Administration.
    • 招待講演
  • [学会発表] LETKF Perturbations by Ensemble Transform in a Cloud Resolving Model.2018

    • 著者名/発表者名
      Saito, K., L. Duc, S. Yokota, and T. Matsunobu
    • 学会等名
      5th International Workshop on Nonhydrostatic Models (NHM2018).
    • 国際学会
  • [学会発表] Tokyo Metropolitan Area Convection Study (TOMACS) -- achievements and lessons on convection initiation.2018

    • 著者名/発表者名
      Saito, K.
    • 学会等名
      Seminar at Institute of Hydrology and Meteorology Science and Climate Change. (December 6, Hanoi, Viet Nam)
    • 招待講演
  • [学会発表] Strategy to improve weather forecast information for disaster prevention.2018

    • 著者名/発表者名
      Saito, K.
    • 学会等名
      Seminar at Viet Nam Hydrological and Meteorological Administration.
    • 招待講演
  • [学会発表] 京コンピュータによる豪雨事例の超高解像度広領域数値予報実験.2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄
    • 学会等名
      東京大学大気海洋研究所気候システムセミナー
  • [学会発表] アンサンブルデータ同化のための摂動手法(4)NHM-LETKF.2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄, 横田祥, Le Duc, 川畑拓矢, 國井勝, 松信匠, 栗花卓弥
    • 学会等名
      2018年度日本気象学会春季大会
  • [学会発表] Cloud resolving simulation of a local heavy rainfall event on 26 August 2011 observed in TOMACS2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄、国井勝、荒木健太郎
    • 学会等名
      東京大学大気海洋研究所メソ気象セミナー.
  • [学会発表] LETKFアンサンブル摂動雲解像モデルの場合.2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄, Le Duc, 横田祥, 川畑拓矢, 松信匠
    • 学会等名
      東京大学大学院理学系研究科セミナー
  • [学会発表] 豪雨事例を対象とする広領域超高解像度数値再現実験と対流コアサイズの解像度依存性2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄、大泉伝、伊藤純至、Le Duc
    • 学会等名
      グレイゾーン研究会
  • [学会発表] LETKFアンサンブル摂動 雲解像モデルの場合.2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤 和雄、Le Duc、横田 祥、川畑拓矢、松信 匠
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会.
  • [学会発表] 雲解像LETKFのアンサンブル摂動2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄, Le Duc, 横田祥, 川畑拓矢,松信匠
    • 学会等名
      2018年度日本気象学会秋季大会
  • [学会発表] ハノイ滞在報告およびベトナム中部での豪雨(12/8-9)と数値予報、解析雨量.2018

    • 著者名/発表者名
      斉藤和雄
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] A storm-scale particle filter for investigating predictability of convection initiation and development2018

    • 著者名/発表者名
      Kawabata, T., and G. Ueno
    • 学会等名
      Workshop on Sensitivity Analysis and Data Assimilation in Meteorology and Oceanography
    • 国際学会
  • [学会発表] Development of a storm-scale particle filter for investigating predictability of convection initiation and development2018

    • 著者名/発表者名
      Kawabata, T., and G. Ueno
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2018 (JPGU2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Non-Gaussian PDFs on Convection Initiation with a Particle Filter2018

    • 著者名/発表者名
      Kawabata, T., and G. Ueno
    • 学会等名
      データ同化ワークショップ
  • [学会発表] 積乱雲の発生・発達に関する非ガウス確率分布とその起源を探る試み2018

    • 著者名/発表者名
      川畑拓矢・上野玄太
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 台風の予測精度向上に資する先端的研究の現状2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤耕介
    • 学会等名
      第11回気象庁数値モデル研究会
  • [学会発表] 気象庁非静力学モデルを用いた台風進路予報の大外し事例の研究2018

    • 著者名/発表者名
      比嘉 未雅, 伊藤耕介
    • 学会等名
      日本気象学会沖縄支部研究発表会
  • [学会発表] 線形データ同化の基礎2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤耕介
    • 学会等名
      固体地球科学データ同化に関する研究会
  • [学会発表] 2017年台風第21号の航空機観測を用いた強度解析と予測実験2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤耕介
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 台風進路に関する近年の基礎研究2018

    • 著者名/発表者名
      伊藤耕介
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] Impacts of assimilating the typhoon best-track data on the regional reanalysis of the Kanto-Tohoku heavy rainfall in September 20152018

    • 著者名/発表者名
      Fukui, S., T Iwasaki, K. Saito, H. Seko
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2018 (JPGU2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Towards a long-term high-resolution regional reanalysis over Japan by using NHM-LETKF.2018

    • 著者名/発表者名
      Fukui, S., T Iwasaki, K. Saito, H. Seko
    • 学会等名
      The 5th International Workshop on Nonhydrostatic Models(NHM2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] 従来型観測のみを用いた領域再解析の冬季降水の再現2018

    • 著者名/発表者名
      福井真, 岩崎俊樹, 斉藤和雄, 瀬古弘
    • 学会等名
      日本気象学会2018年度秋季大会
  • [学会発表] NHM-LETKFを用いた領域再解析システムの冬季降水再現性について2018

    • 著者名/発表者名
      福井真
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 従来型観測のみを用いた領域再解析における台風関連データの同化の検討2018

    • 著者名/発表者名
      福井真
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 4DEnVar with Iterative Calculation of Nonlinear Nonhydrostatic Model Compared to En4DVar2018

    • 著者名/発表者名
      Yokota, S., K. Koizumi, M. Kunii, and K. Ito
    • 学会等名
      The 5th International Workshop on Nonhydrostatic Models (NHM2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] State-dependent additive covariance inflation for radar reflectivity assimilation2018

    • 著者名/発表者名
      Yokota, S., H. Seko, M. Kunii, H. Yamauchi, and E. Sato
    • 学会等名
      8th EnKF Data Assimilation Workshop
    • 国際学会
  • [学会発表] 現業メソ同化システムを用いた4DVar, En4DVar, 4DEnVarの比較2018

    • 著者名/発表者名
      横田祥, 小泉耕, 國井勝, 伊藤耕介
    • 学会等名
      日本気象学会2018年度秋季大会
  • [学会発表] 現業メソ同化システム(JNoVA)を用いた4DVar,En4DVar,4DEnVarの比較2018

    • 著者名/発表者名
      横田祥
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 非線形予報モデルを繰り返し計算する4DEnVarの特徴:Lorenz1963モデルとJNoVAによる考察2018

    • 著者名/発表者名
      横田祥
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] Numerical simulation of a heavy rain event in Hiroshima city on 19-20 August 20142018

    • 著者名/発表者名
      T. OIZUMI, K. SAITO, L. DUC, and J. ITO
    • 学会等名
      Japan Geoscience Union Meeting 2018 (JPGU2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Ultra-high-resolution Numerical Weather Simulations of Heavy Rain Events2018

    • 著者名/発表者名
      T. OIZUMI, K. SAITO, L. DUC, and J. ITO
    • 学会等名
      15th Annual Meeting of Asia Oceania Geosciences Society (AOGS2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] High resolution simulation of the west Japan heavy rainfall in July 20182018

    • 著者名/発表者名
      T. OIZUMI, K. SAITO, J. ITO and L. DUC
    • 学会等名
      5th International Workshop on Nonhydrostatic Models (NHM2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] 2014年8月広島での豪雨の再現実験2018

    • 著者名/発表者名
      大泉伝, 斉藤和雄, Le Duc, 伊藤純至
    • 学会等名
      日本気象学会2018年度春季大会
  • [学会発表] 西日本豪雨の広領域超高解像度数値再現実験2018

    • 著者名/発表者名
      大泉伝
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 平成30年7月豪雨の広領域高解像度再現実験2018

    • 著者名/発表者名
      大泉伝, 斉藤和雄, 伊藤純至, Le Duc
    • 学会等名
      平成30年7月豪雨に関する緊急対応研究会
  • [学会発表] 西日本豪雨の高解像度再現実験2018

    • 著者名/発表者名
      大泉伝
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] A 4D-EnVAR data assimilation system without vertical localization2018

    • 著者名/発表者名
      Duc L., and K. Saito
    • 学会等名
      15th Annual Meeting of Asia Oceania Geosciences Society (AOGS2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Development and validation of a diagonal ensemble transform Kalman filter2018

    • 著者名/発表者名
      Duc L., K. Saito, and D. Hotta
    • 学会等名
      5th International Workshop on Nonhydrostatic Models (NHM2018)
    • 国際学会
  • [学会発表] Application of diagonal ensemble transform matrices into ensemble forecast2018

    • 著者名/発表者名
      Duc L., K. Saito, and D. Hotta
    • 学会等名
      日本気象学会2018年度春季大会
  • [学会発表] The diagonal ensemble transform Kalman filter as an inflation method2018

    • 著者名/発表者名
      Duc, L.
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] Inflation functions: a theory on covariance inflation methods2018

    • 著者名/発表者名
      Duc, L.
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] 7月豪雨の理研システムでの検討状況について2018

    • 著者名/発表者名
      三好建正
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] Local Particle Filter (Penny&Miyoshi)手法の紹介2018

    • 著者名/発表者名
      三好建正
    • 学会等名
      平成30年度第2回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] モデル空間局所化での事後アンサンブル生成方法についての考察2018

    • 著者名/発表者名
      堀田大介
    • 学会等名
      平成30年度第1回高解像度豪雨予測とアンサンブル同化摂動手法に関する研究会
  • [学会発表] Observing System Experiment using T-PARCII dropsondes and JMA Global Forecasting System and Development of Sensitivity Analysis Guidance for Tropical Cyclone Intensity2018

    • 著者名/発表者名
      山口宗彦, 石橋俊之, 中澤哲夫, 伊藤耕介, 山田広幸, 大東忠保, 篠田太郎, 高橋暢宏, 坪木和久
    • 学会等名
      2018年度日本地球惑星科学連合大会
  • [学会発表] 気象庁全球数値予測システムとT-PARCIIドロップゾンデを用いた2018年台風第24号を対象とした観測システム実験2018

    • 著者名/発表者名
      山口宗彦, 石橋俊之, 中澤哲夫, 伊藤耕介, 山田広幸, 大東忠保, 清水健作, 長浜則夫, 篠田太郎, 高橋暢宏, 坪木和久
    • 学会等名
      日本気象学会2018年度春季大会
  • [学会発表] T-PARCIIドロップゾンデと気象庁全球予測システムを用いた観測システム実験と台風強度を対象とした感度解析ガイダンスの開発2018

    • 著者名/発表者名
      山口宗彦, 石橋俊之, 中澤哲夫, 伊藤耕介, 山田広幸, 大東忠保, 篠田太郎, 高橋暢宏, 坪木和久
    • 学会等名
      「航空機観測による気候・地球システム科学研究の推進」研究集会

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公開日: 2019-12-27  

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