トレーサー濃度と気象観測値の同時データ同化による移流拡散シミュレーション高精度化

2018 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 17K00533
• 研究機関: 気象庁気象研究所
• 研究代表者: 関山 剛 気象庁気象研究所, 環境・応用気象研究部, 主任研究官 (90354498)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: 数値シミュレーション / データ同化 / 気象学 / 大気化学

研究実績の概要

（１）アンサンブル移流拡散シミュレーション
本研究課題で昨年度開発したアンサンブルデータ同化システムを使い、4通りの放射性プルーム移流拡散再現実験を行った。第一に気象観測データ（風向風速・気温・気圧等）だけをデータ同化し、放射性セシウム濃度はデータ同化せずにプルームの移流拡散を計算；第二に気象観測とセシウム濃度観測はどちらもデータ同化するがそれぞれ完全に独立に同化してプルームの移流拡散を再現；第三に気象観測とセシウム濃度観測を完全に同時にデータ同化し、プルームの移流拡散を再現；第四にアンサンブルカルマンフィルタの変数局所化という手法を用いて、風向風速を除く気象場は通常の気象観測データ同化のみで計算し、風向風速は全ての気象観測とセシウム濃度観測の同時データ同化によって計算し、セシウム濃度は風向風速観測とセシウム濃度観測の同時データ同化によって計算することによってプルームの移流拡散を再現した。
その結果、最もプルームの再現精度が高かったのは第四の実験（変数局所化）の結果であり、次点が第二の実験（気象観測とセシウム濃度観測を別個に同化）の結果であった。また、第三の実験（完全同時データ同化）は他のどの実験よりもプルームの再現精度が低い結果となった。これはアンサンブルデータ同化計算におけるサンプリングノイズの影響によるものと解釈できる。
（２）セシウム濃度の計算結果検証
セシウム濃度の時空間変動について計算結果を検証するため、セシウムの質量フラックスに着目してプルームの移動経路を観測データと比較した。その結果、質量フラックス解析法は通常の濃度変動比較法に比べて定量性に優れ、シミュレーションの計算結果をより正確に検証できることが分かった。この調査結果は査読付き英文学術論文として発表した（Sekiyama and Iwasaki, Tellus, 2018）。

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

交付申請書に記載した平成30年度以降の研究実施計画の前半部分について順調に実施することができた。

今後の研究の推進方策

本研究で開発した化学気象データ同化システムNHM-Chem-LETKFを引き続き利用して、放射性セシウムの濃度観測値（東北地方南部および関東地方で100地点以上）および気象庁現業気象観測データセット（アメダス地上風観測データを含む）を変数局所化によって同時にデータ同化しつつ、変数局所化の設定パターンとパラメータの調整を行う。最適な変数局所化の設定を調査し、プルームの移流拡散の再現精度の向上を目指す。変数局所化とは物質濃度観測値や気象観測値（風向風速・気温・気圧など）それぞれの間の相関係数を恣意的に増減させてアンサンブルデータ同化の計算を実施する手法であり、放射性セシウム以外の物質の移流拡散や数値気象予報のためのデータ同化にも本研究で得られた知見を流用することができるはずである。
また、放射性セシウムをターゲットにしたデータ同化システムの高精度化を達成した後、火山灰濃度の観測データを用いた火山灰被害予測のためのデータ同化システム開発を目指す。

次年度使用額が生じた理由

当初計画ではアンサンブルシミュレーション計算結果の保存には研究室所有のRAID装置では容量が全く足りず、助成金によってRAID装置の追加購入が必要であった。しかし、研究室所有のRAID装置に予想以上の余裕ができたため、計算結果はそちらのRAID装置に保存することができた。

研究成果

• [雑誌論文] Fungal spore involvement in the resuspension of radiocaesium in summer (2019)
  • 著者名/発表者名: Igarashi, Y., K. Kita, T. Maki, T. Kinase, N. Hayashi, K. Hosaka, K. Adachi, M. Kajino, M. Ishizuka, T. T. Sekiyama, Y. Zaizen, C. Takenaka, K. Ninomiya, H. Okochi, and A, Sorimachi
  • 雑誌名: Scientific Reports 巻: 9 ページ: -
  • DOI: 10.1038/s41598-018-37698-x
  • 査読あり
• [雑誌論文] Deposition and Dispersion of Radio-Cesium Released Due to the Fukushima Nuclear Accident: Sensitivity to Meteorological Models and Physical Modules (2019)
  • 著者名/発表者名: Kajino Mizuo、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、Igarashi Yasuhito、Katata Genki、Sawada Morihiro、Adachi Kouji、Zaizen Yuji、Tsuruta Haruo、Nakajima Teruyuki
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 124 ページ: 1823～1845
  • DOI: 10.1029/2018JD028998
  • 査読あり
• [雑誌論文] NHM-Chem, the Japan Meteorological Agency's Regional Meteorology ? Chemistry Model: Model Evaluations toward the Consistent Predictions of the Chemical, Physical, and Optical Properties of Aerosols (2019)
  • 著者名/発表者名: KAJINO, M.、DEUSHI, M.、SEKIYAMA, T. T.、OSHIMA, N.、YUMIMOTO, K.、TANAKA, T. Y.、CHING, J.、HASHIMOTO, A.、YAMAMOTO, T.、IKEGAMI, M.、KAMADA, A.、MIYASHITA, M.、INOMATA, Y.、SHIMA, S.、TAKAMI, A.、SHIMIZU, A.、HATAKEYAMA, S.、SADANAGA, Y.、IRIE, H.、ADACHI, K.、ZAIZEN, Y.、IGARASHI, Y.、UEDA, H.、MAKI, T.、MIKAMI, M.
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 巻: 97 ページ: 337～374
  • DOI: 10.2151/jmsj.2019-020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Mass flux analysis of 137Cs plumes emitted from the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T. and T. Iwasaki
  • 雑誌名: Tellus B 巻: 70(1) ページ: 1～11
  • DOI: 10.1080/16000889.2018.1507390
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Estimate of Fukushima-derived radiocaesium in the North Pacific Ocean in summer 2012 (2018)
  • 著者名/発表者名: Inomata Y.、Aoyama M.、Tsubono T.、Tsumune D.、Kumamoto Y.、Nagai H.、Yamagata T.、Kajino M.、Tanaka Y. T.、Sekiyama T. T.、Oka E.、Yamada M.
  • 雑誌名: Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry 巻: 318 ページ: 1587～1596
  • DOI: 10.1007/s10967-018-6249-7
  • 査読あり
• [雑誌論文] Model Intercomparison of Atmospheric 137Cs From the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant Accident: Simulations Based on Identical Input Data (2018)
  • 著者名/発表者名: Sato, Y.、Takigawa, M.、Sekiyama, T.T.、Kajino, M.、Terada, H.、Nagai, H.、Kondo, H.、Uchida, J.、Goto, D.、Quelo, D.、Mathieu, A.、Querel, A.、Fang, S.、Morino, Y.、von Schoenberg, P.、Grahn, H.、Brennstrem, N.、Hirao, S.、Tsuruta, H.、Yamazawa, H.、Nakajima, T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 123 ページ: 11,748～11,765
  • DOI: 10.1029/2018JD029144
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Status and future of numerical atmospheric aerosol prediction with a focus on data requirements (2018)
  • 著者名/発表者名: Benedetti, A.、Reid, J. S.、Sekiyama, T. T.、Tanaka, T.、et al.
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 18 ページ: 10615～10643
  • DOI: 10.5194/acp-18-10615-2018
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Atmospheric Modeling of 137Cs Plumes From the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant-Evaluation of the Model Intercomparison Data of the Science Council of Japan (2018)
  • 著者名/発表者名: Kitayama K.、Morino Y.、Takigawa M.、Nakajima T.、Hayami H.、Nagai H.、Terada H.、Saito K.、Shimbori T.、Kajino M.、Sekiyama T. T.、Didier D.、Mathieu A.、Qu?lo D.、Ohara T.、Tsuruta H.、Oura Y.、Ebihara M.、Moriguchi Y.、Shibata T.
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 123 ページ: 7754～7770
  • DOI: 10.1029/2017JD028230
  • 査読あり
• [雑誌論文] Prediction of health effects of cross-border atmospheric pollutants using an aerosol forecast model (2018)
  • 著者名/発表者名: Onishi Kazunari、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、Nojima Masanori、Kurosaki Yasunori、Fujitani Yusuke、Otani Shinji、Maki Takashi、Shinoda Masato、Kurozawa Youichi、Yamagata Zentaro
  • 雑誌名: Environment International 巻: 117 ページ: 48～56
  • DOI: 10.1016/j.envint.2018.04.035
  • 査読あり
• [雑誌論文] Seasonality of the lower tropospheric ozone over China observed by the Ozone Monitoring Instrument (2018)
  • 著者名/発表者名: Hayashida Sachiko、Kajino Mizuo、Deushi Makoto、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、Liu Xiong
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 184 ページ: 244～253
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2018.04.014
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] NHM-Chem, the Japan MeteorologicalAgency's regional meteorology – chemistry model (v1.0): model description and aerosol representations (2018)
  • 著者名/発表者名: Kajino, M.、Deushi, M.、Sekiyama, T.T.、Oshima, N.、Yumimoto, K.、Tanaka, T.Y.、Ching, J.、Hashimoto, A.、Yamamoto, T.、Ikegami, M.、Kamada, A.、Miyashita, M.、Inomata, Y.、Shima, S.、Adachi, K.、Zaizen, Y.、Igarashi, Y.、Ueda, H.、Maki, T.、Mikami, M.
  • 雑誌名: Geoscientific Model Development Discussions 巻: 2018 ページ: 1～45
  • DOI: 10.5194/gmd-2018-128
  • オープンアクセス
• [学会発表] Simultaneous Data Assimilation of Atmospheric Tracer Concentration and Meteorological Variables (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T.
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2018
  • 国際学会
• [学会発表] Ensemble dispersion simulation of tropospheric aerosol plumes using a perturbed meteorological reanalysis (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T.
  • 学会等名: 14th-iCACGP/15th-IGAC
  • 国際学会
• [学会発表] The Impact of Wind and Concentration Data Assimilation on the Plume Dispersion Simulation in the Lower Troposphere (2018)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T.
  • 学会等名: 15th AOGS annual meeting
  • 国際学会