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

2019 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, 全球大気海洋研究部, 主任研究官 (90354498)
• 研究期間 (年度): 2017-04-01 – 2021-03-31
• キーワード: データ同化 / 数値シミュレーション / 気象学 / 大気化学

研究実績の概要

本研究課題で開発した気象場・濃度場のメソアンサンブル同時データ同化システムNHM-Chem-LETKFを使い、昨年度に引き続き放射性プルームの移流拡散数値実験を行った。実験には変数局所化によるパラメタリゼーションを導入し、最も解析精度が向上する設定の探索を行った。最適な変数局所化の設定を調査し、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、限られた計算資源の中で（現代の最新鋭のスパコンを使っても完全なアンサンブルデータ同化の計算は不可能なため、通常は既有の計算機資源に合わせて計算量を減らし、厳密解ではなく近似解を求める）、解析精度を効率的に向上させるアルゴリズムである。
当初の想定どおり変数局所化同時データ同化によって物質濃度の解析精度は大幅に向上することとなったが、様々な設定の変更を試行しても風向風速の解析精度向上は極めて難しいという結論に達した。この原因は物質濃度を計算する移流拡散モデルと風向風速を計算する気象予報モデルの「もともとの計算誤差」に大きな差があることが推測される（通常、気象場の推定誤差は数％かそれ以下に対し、濃度場の推定誤差は100％を超えることも珍しくない）。同時データ同化による利益は移流拡散モデル側が一方的に享受し気象予報モデル側は受け取ることができず、変数局所化によってもそれを克服することは難しいと言える。
そこで、データ同化以外の方法で移流拡散モデルの精度を十分に向上させたあとに同時データ同化を実施するよう研究計画を修正した。そこで取り組んだのがモデルの高解像度化と計算効率の検証である。用いた水平解像度は3kmおよび1kmで、その研究成果は査読付き英語論文として発表した（Sekiyama and Kajino, JAMC, 2020）。

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

気象場（風向風速）の解析精度の向上には手間取っているが、本研究課題の最も大きな目標である濃度場（大気微量成分の移流拡散）の大幅な解析精度向上はすでに達成し、変数局所化アンサンブルを用いた同時データ同化の優位性を示すことができているため。

今後の研究の推進方策

気象予報モデルと移流拡散モデルの水平解像度を様々に設定し、濃度場の第一推定精度を変化させることによって、気象場／濃度場の同時データ同化の解析精度がどのように変化するのかを検証する。同時データ同化によって風向風速場の計算精度が若干悪化するにも関わらず、濃度場の計算精度が向上する技術的背景の調査も実施する。
研究計画最終年度にあたり、これまでに得られた知見（濃度場の改善に関しては世界的にも類のない大幅な精度向上が既に得られている）を積極的に国際学会や国際学術誌で発表する。
本研究で開発した化学気象同時データ同化システム（NHM-Chem-LETKF）の活用例として福島第一原子力発電所事故で放出された放射性セシウムの移流拡散計算を進めてきたが、火山灰被害予測のためのデータ同化システム開発も引き続き試みる。

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装置に想定外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。
その結果余裕のできた予算は、次年度が研究計画最終年度であることを鑑みて、論文執筆数を増やしてその投稿料に、国際学会における成果発表の回数を増やしてその費用に使用する。

研究成果

• [雑誌論文] Reassessment of early 131I inhalation doses by the Fukushima nuclear accident based on atmospheric 137Cs and 131I/137Cs observation data and multi-ensemble of atmospheric transport and deposition models (2020)
  • 著者名/発表者名: Takagi Mai、Ohara Toshimasa、Goto Daisuke、Morino Yu、Uchida Junya、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、Nakayama Shoji F.、Ebihara Mitsuru、Oura Yasuji、Nakajima Teruyuki、Tsuruta Haruo、Moriguchi Yuichi
  • 雑誌名: Journal of Environmental Radioactivity 巻: 218 ページ: 106233～106233
  • DOI: 10.1016/j.jenvrad.2020.106233
  • 査読あり
• [雑誌論文] Application of linear minimum variance estimation to the multi-model ensemble of atmospheric radioactive Cs-137 with observations (2020)
  • 著者名/発表者名: Goto Daisuke、Morino Yu、Ohara Toshimasa、Sekiyama Tsuyoshi Thomas、Uchida Junya、Nakajima Teruyuki
  • 雑誌名: Atmospheric Chemistry and Physics 巻: 20 ページ: 3589～3607
  • DOI: 10.5194/acp-20-3589-2020
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Reproducibility of surface wind and tracer transport simulations over complex terrain using 5-, 3-, and 1-km grid models (2020)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T. and M. Kajino
  • 雑誌名: Journal of Applied Meteorology and Climatology 巻: - ページ: -
  • DOI: 10.1175/JAMC-D-19-0241.1
  • 査読あり
• [雑誌論文] Intercomparison of numerical atmospheric dispersion prediction models for emergency response to emissions of radionuclides with limited source information in the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident (2019)
  • 著者名/発表者名: Iwasaki, T., T. T. Sekiyama, T. Nakajima, A. Watanabe, Y. Suzuki, H. Kondo, Y. Morino, H. Terada, H. Nagai, M. Takigawa, H. Yamazawa, D. Quelo, A. Mathieu
  • 雑誌名: Atmospheric Environment 巻: 214 ページ: -
  • DOI: 10.1016/j.atmosenv.2019.116830
  • 査読あり / 国際共著
• [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, M., T. T. Sekiyama, Y. Igarashi, G. Katata, M. Sawada, K. Adachi, Y. Zaizen, H. Tsuruta, and T. Nakajima
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research 巻: 124 ページ: 1823-1845
  • DOI: 10.1029/2018JD028998
  • 査読あり / オープンアクセス
• [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] 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., M. Deushi, T. T. Sekiyama, N. Oshima, K. Yumimoto, T. Tanaka, J. Ching, A. Hashimoto, T. Yamamoto, M. Ikegami, A. Kamada, M. Miyashita, Y. Inomata, S. Shima, A. Takami, A. Shimizu, S. Hatakeyama, Y. Sadanaga, H. Irie, K. Adachi, Y. Zaizen, Y. Igarashi, H. Ueda, T. Maki, and M. Mikami
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan 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 / 国際共著
• [学会発表] 高解像度モデルによる複雑地形上での移流拡散シミュレーションの再現特性について (2019)
  • 著者名/発表者名: 関山剛
  • 学会等名: 日本大気化学会
• [学会発表] 気象学と人工知能のコラボレーション (2019)
  • 著者名/発表者名: 関山剛
  • 学会等名: 電子情報通信学会人工知能と知識処理研究会
• [学会発表] Simultaneous Data Assimilation of Meteorological Variables and Tracer Concentration in the Case of the Fukushima Nuclear Accident (2019)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T.
  • 学会等名: Asia Oceania Geosciences Society
  • 国際学会
• [学会発表] Reproducibility of surface wind and tracer transport simulations over a complex terrain using 5, 3 and 1 km grid models (2019)
  • 著者名/発表者名: Sekiyama, T. T
  • 学会等名: American Geophysical Union
  • 国際学会
• [学会発表] 放射性セシウムの再飛散・再沈着モデリング (2019)
  • 著者名/発表者名: 梶野瑞王
  • 学会等名: 大気環境学会
• [図書] Section 3.8 Monitoring the radioactivity of atmospheric aerosols and the influence of resuspension from the ground, Environmental Contamination from the Fukushima Nuclear Disaster-Dispersion, Monitoring, Mitigation and Lessons Learned (2019)
  • 著者名/発表者名: Kita, K. and M. Kajino
  • 総ページ数: 372
  • 出版者: Cambridge University Press
  • ISBN: 978-1-108-47580-8