関東圏ウルトラサイト観測の包括的利用による高解像度数値モデルの連携研究推進

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 20H01967
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 佐藤 正樹 東京大学, 大気海洋研究所, 教授 (00255142)
• 研究分担者: 岡本 創 九州大学, 応用力学研究所, 教授 (10333783)
• 研究期間 (年度): 2020-04-01 – 2023-03-31
• キーワード: 数値モデル / 関東圏ウルトラサイト / 二重偏波ドップラー気象レーダー / 雲レーダー / 全球非静力学モデルNICAM / 雲物理スキーム / ラージエディシミュレーション / 衛星シミュレータ―

研究実績の概要

関東圏ウルトラサイトによる観測範囲の領域を対象に、高解像度数値計算を実施し、観測データの利用を通じて数値モデルの検証・改良を行った。領域スケール実験から全球実験までを同一のモデルで計算可能な全球非静力学モデルNICAMを利用するとともに、理化学研究所領域モデルSCALEや気象庁現業局地モデルasucaを利用し、関東圏を対象とした高解像度計算（数km格子間隔以下の雲解像計算等）を実施した。観測データによりNICAM領域実験の結果を比較検証し、雲物理スキームや乱流スキームの検証を進めた。
人工衛星観測による数値モデル検証のために開発した「衛星シミュレータ―」による解析手法を用いて、観測データと数値シミュレーション結果との雲降水プロセスについて比較を行った。「衛星シミュレータ―」に偏波レーダーシミュレータ― POLARRISを導入して、地上リモートセンシング観測に適用する改良を行い、これを用いて雲物理過程に焦点をあてた解析を行い、観測との比較を通じて数値モデルの検証を行った。
2019年9月房総半島台風事例、2020年4月低気圧通過事例に加えて、2020-2021年の20事例以上を選定し、NICAM、ASUCAを用いて数値シミュレーションを実施した。気象庁二重偏波ドップラー気象レーダーや、ディスドロメータ等の観測データ等を入手・整備した。数値シミュレーションの結果に「衛星シミュレータ―」を適用し、レーダー観測データと比較することにより、局地数値モデルの雲降水過程の評価検証を行った。これらの結果をもとに、局地気象モデルにおける主として雨、霰に関する雲物理過程・境界層乱流過程の評価・改良を行った。改良した局地気象モデルによる数値シミュレーションを実施し、改良の効果を評価した。

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

関東圏ウルトラサイトによるの領域を対象に、asuca、NICAMを利用した高解像度数値計算を実施し、観測データの利用による数値モデルの検証・改良を行った。関東圏の現業・研究用のリモートセンシング観測機器のデータとして、気象庁二重偏波ドップラー気象レーダー、情報通信研究機構（小金井市）に設置した雲レーダー等の整備・利用を進めた。また大気海洋研究所屋上に雨粒子計測用のディスドロメータLPMを設置し、自動気象観測装置と連携して、東京レーダー（柏市・気象庁）等との比較観測を行った。2020-2021年に発生した対流雲や前線性の雲降水システム等の14事例抽出し、これらの観測データを整備・解析するとともに、同事例を対象とした数値シミュレーションを行った。
asucaによるシミュレーションの初期値と境界値にメソ解析を用い、関東圏を1km格子でシミュレーションを実施した。NICAMのシミュレーションは初期値にERA5を用い、雲微物理を変えた6カテゴリのシングルモーメントスキーム(NSW6)、ダブルモーメントスキーム（NDW6）の二種類を用いた。ストレッチ格子を用いて局所的に解像度を上げた計算を行った。関東域を最小格子間隔1.4 kmの解像度で実行した。どのシミュレーションにおいても、実際に観測された降水システムの総観的な特徴が再現できた。レーダー観測と数値シミュレーションにレーダーとの比較には「衛星シミュレータ―」に導入したPOLARRISを用いた。これにより、数値モデルの雲物理的特徴を定量的に評価することが可能である。
数100mメッシュ間隔での数値モデル実験を実施し、ラージエディシミュレーションモデル(LES)として用いるための技術の開発を進めた。観測データと数値モデル実験の比較により、雲物理過程、境界層乱流過程の検証を行った。

今後の研究の推進方策

今後は、二重偏波ドップラー気象レーダー等による観測データを用いた数値モデルの改良と、改良した数値モデルをデータ同化により予測精度の向上を図る。関東圏における様々な降雨事例について、数値モデルにより高解像度の数値シミュレーションを行い、これらの結果を観測データによって比較検証する。特に、「衛星シミュレータ―」を利用することにより、雲降水過程の再現性の評価を行う。これらの結果をもとに、数値モデルの特に雲物理過程や乱流過程の改良に取り組む。
これまで検証に用いた事例に加えて、2020-2023年の降雨事例を選定し、レーダー観測データを整備する。これらの事例のうち代表的な事例について、数値モデルNICAM、asucaによる数値シミュレーションを実施し、観測データと数値モデルの比較検証を行う。関東圏で確立した手法の他地域への拡張をはかるべく、九州・四国域、北陸域等の新たに二重偏波ドップラー気象レーダーに更新された地域において観測データと数値モデルの比較検証を行う。東京大学大気海洋研究所に設置したディスドロメータLPMおよび自動気象観測装置POTEKAの観測データ等を入手・整備する。数値シミュレーションの結果に観測シミュレータ―を適用し、レーダー観測データと比較することにより、数値モデルの雲降水過程の評価検証を行う。これらの結果をもとに、雨、雪、霰に関する雲物理過程や乱流過程の改良を行う。また雹を導入した新たな雲物理スキームを開発する。改良した数値モデルを用いて、データ同化サイクルのもとで一定期間の予測実験を行い、数値モデルの改良の効果を評価する。
数100mメッシュ間隔でのラージエディシミュレーションモデル(LES)実験を実施し、雲物理過程・乱流過程の検証・改良を進める。

研究成果

• [国際共同研究] Max Planck Institute of Hamburg/DWD/DKRZ(ドイツ)
  • 国名: ドイツ
  • 外国機関名: Max Planck Institute of Hamburg/DWD/DKRZ
• [国際共同研究] NCAR/ECMWF(英国)
  • 国名: 英国
  • 外国機関名: NCAR/ECMWF
• [国際共同研究] NASA/GSFC/NCAR/NOAA/GFDL(米国)
  • 国名: 米国
  • 外国機関名: NASA/GSFC/NCAR/NOAA/GFDL
  • 他の機関数: 2
• [国際共同研究] CAMS(中国)
  • 国名: 中国
  • 外国機関名: CAMS
• [国際共同研究] Meteo France(フランス)
  • 国名: フランス
  • 外国機関名: Meteo France
• [国際共同研究]
  • 他の国数: 1
• [雑誌論文] Cloud Microphysics in Global Cloud Resolving Models (2022)
  • 著者名/発表者名: Seiki Tatsuya、Roh Woosub、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Atmosphere-Ocean 巻: 60 ページ: 477-505
  • DOI: 10.1002/essoar.10509052.2
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Sensitivity of the Horizontal Scale of Convective Self‐Aggregation to Sea Surface Temperature in Radiative Convective Equilibrium Experiments Using a Global Nonhydrostatic Model (2022)
  • 著者名/発表者名: Matsugishi Shuhei、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Journal of Advances in Modeling Earth Systems 巻: 14 ページ: e2021MS002636
  • DOI: 10.1029/2021MS002636
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Statistical Analysis of “Senjo-Kousuitai” in East Asia and Characteristics of Associated Large-Scale Circulations in the Baiu Season (2022)
  • 著者名/発表者名: Goto Yuta、Satoh Masaki
  • 雑誌名: SOLA 巻: 18A ページ: 15～20
  • DOI: 10.2151/sola.18A-003
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Enhancing data assimilation of GPM observations (2022)
  • 著者名/発表者名: Miyoshi Takemasa、Terasaki Koji、Kotsuki Shunji、Otsuka Shigenori、Chen Ying-Wen、Kanemaru Kaya、Okamoto Kozo、Kondo Keiichi、Lien Guo-Yuan、Yashiro Hisashi、Tomita Hirofumi、Satoh Masaki、Kalnay Eugenia
  • 雑誌名: Precipitation Science - Measurement, Remote Sensing, Microphysics, and Modeling 巻: - ページ: 787～804
  • DOI: 10.1016/B978-0-12-822973-6.00020-2
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] Climate Change of Extreme Weather Events (2022)
  • 著者名/発表者名: SATOH Masaki
  • 雑誌名: TRENDS IN THE SCIENCES 巻: 27 ページ: 1_81～1_84
  • DOI: 10.5363/tits.27.1_81
• [雑誌論文] Climatology of Tropical Cyclone Seed Frequency and Survival Rate in Tropical Cyclones (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikehata Kohsuke、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: e2021GL093626
  • DOI: 10.1029/2021GL093626
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improvement of the Cloud Microphysics Scheme of the Mesoscale Model at the Japan Meteorological Agency Using Spaceborne Radar and Microwave Imager of the Global Precipitation Measurement as Reference (2021)
  • 著者名/発表者名: Ikuta Yasutaka、Satoh Masaki、Sawada Masahiro、Kusabiraki Hiroshi、Kubota Takuji
  • 雑誌名: Monthly Weather Review 巻: 149 ページ: 3803～3819
  • DOI: 10.1175/MWR-D-21-0066.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Improved Representation of Low‐Level Mixed‐Phase Clouds in a Global Cloud‐System‐Resolving Simulation (2021)
  • 著者名/発表者名: Noda Akira T.、Seiki Tatsuya、Roh Woosub、Satoh Masaki、Ohno Tomoki
  • 雑誌名: Journal of Geophysical Research: Atmospheres 巻: 126 ページ: e2021JD035223
  • DOI: 10.1029/2021JD035223
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Intercomparison of Cloud Properties in DYAMOND Simulations over the Atlantic Ocean (2021)
  • 著者名/発表者名: ROH Woosub、SATOH Masaki、HOHENEGGER Cathy
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 巻: 99 ページ: 1439～1451
  • DOI: 10.2151/jmsj.2021-070
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Importance of Pressure Changes in High Cloud Area Feedback Due to Global Warming (2021)
  • 著者名/発表者名: Ohno Tomoki、Noda Akira T.、Seiki Tatsuya、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Geophysical Research Letters 巻: 48 ページ: e2021GL093646
  • DOI: 10.1029/2021GL093646
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] On the Semidiurnal Variation in Surface Rainfall Rate over the Tropics in a Global Cloud-Resolving Model Simulation and Satellite Observations (2021)
  • 著者名/発表者名: INOUE Toshiro、RAJENDRAN Kavirajan、SATOH Masaki、MIURA Hiroaki
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 巻: 99 ページ: 1371～1388
  • DOI: 10.2151/jmsj.2021-066
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Prediction Skill of the Boreal Summer Intra-Seasonal Oscillation in Global Non-hydrostatic Atmospheric Model Simulations with Explicit Cloud Microphysics (2021)
  • 著者名/発表者名: SHIBUYA Ryosuke、NAKANO Masuo、KODAMA Chihiro、NASUNO Tomoe、KIKUCHI Kazuyoshi、SATOH Masaki、MIURA Hiroaki、MIYAKAWA Tomoki
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 巻: 99 ページ: 973～992
  • DOI: 10.2151/jmsj.2021-046
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] The Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model for CMIP6 HighResMIP simulations (NICAM16-S): experimental design, model description, and impacts of model updates (2021)
  • 著者名/発表者名: Kodama Chihiro、Ohno Tomoki、Seiki Tatsuya、Yashiro Hisashi、Noda Akira T.、Nakano Masuo、Yamada Yohei、Roh Woosub、Satoh Masaki、Nitta Tomoko、Goto Daisuke、Miura Hiroaki、Nasuno Tomoe、Miyakawa Tomoki、Chen Ying-Wen、Sugi Masato
  • 雑誌名: Geoscientific Model Development 巻: 14 ページ: 795～820
  • DOI: 10.5194/gmd-14-795-2021
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Evaluation of the contribution of tropical cyclone seeds to changes in tropical cyclone frequency due to global warming in high-resolution multi-model ensemble simulations (2021)
  • 著者名/発表者名: Yamada Yohei、Kodama Chihiro、Satoh Masaki、Sugi Masato、Roberts Malcolm J.、Mizuta Ryo、Noda Akira T.、Nasuno Tomoe、Nakano Masuo、Vidale Pier Luigi
  • 雑誌名: Progress in Earth and Planetary Science 巻: 8 ページ: 11
  • DOI: 10.1186/s40645-020-00397-1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Diversity of the Madden?Julian Oscillation: Initiation Region Modulated by the Interaction between the Intraseasonal and Interannual Variabilities (2021)
  • 著者名/発表者名: Takasuka Daisuke、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Journal of Climate 巻: 34 ページ: 2297～2318
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-20-0688.1
  • 査読あり / オープンアクセス
• [雑誌論文] Regional Energy and Water Budget of a Precipitating Atmosphere over Ocean (2021)
  • 著者名/発表者名: Kato Seiji、Loeb Norman G.、Fasullo John T.、Trenberth Kevin E.、Lauritzen Peter H.、Rose Fred G.、Rutan David A.、Satoh Masaki
  • 雑誌名: Journal of Climate 巻: 34 ページ: 4189～4205
  • DOI: 10.1175/JCLI-D-20-0175.1
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] Tropical Cyclones in Global Storm-Resolving Models (2021)
  • 著者名/発表者名: JUDT Falko, KLOCKE Daniel, RIOS-BERRIOS Rosimar, VANNIERE Benoit, ZIEMEN Florian, AUGER Ludovic, BIERCAMP Joachim, BRETHERTON Christopher, CHEN Xi, D?BEN Peter, HOHENEGGER Cathy, KHAIROUTDINOV Marat, KODAMA Chihiro, KORNBLUEH Luis, LIN Shian-Jiann, NAKANO Masuo, NEUMANN Philipp, PUTMAN William, et al.
  • 雑誌名: Journal of the Meteorological Society of Japan. Ser. II 巻: 99 ページ: 579～602
  • DOI: 10.2151/jmsj.2021-029
  • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
• [雑誌論文] ULTIMATE：関東圏ウルトラサイト観測の包括的利用による高解像度数値モデルの連携研究推進 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤 正樹
  • 雑誌名: 日本リモートセンシング学会誌 巻: 41 ページ: 133～139
  • DOI: 10.11440/rssj.41.133
• [雑誌論文] Large Ensemble Atmospheric and Environmental Prediction for Disaster Prevention and Mitigation with the Supercomputer Fugaku (2021)
  • 著者名/発表者名: SATOH MASAKI、KAWABATA TAKUYA、MIYAKAWA TOMOKI、YASHIRO HISASHI、MIYOSHI TAKEMASA
  • 雑誌名: Sen'i Gakkaishi 巻: 77 ページ: P～54-P-58
  • DOI: 10.2115/fiber.77.P-54
• [学会発表] General remarks: introduction to model-satellite collaborations. (2022)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh
  • 学会等名: EarthCARE Modeling Workshop
  • 国際学会
• [学会発表] 関東圏ウルトラサイト観測と高解像度数値モデルの連携研究ULTIMATE：二重偏波ドップラー気象レーダによる雲検証・改良 (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh
  • 学会等名: 2021年度 国立極地研究所 研究集会, エアロゾル・ 雲・降水の相互作用に関する研究集会
• [学会発表] Large Ensemble Atmospheric and Environmental Prediction for Disaster Prevention and Mitigation (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh
  • 学会等名: The 4th R-CCS International symposium. The Supercomputer Fugaku: Sumulation, Big data and AI supporting Society 5.0
  • 国際学会
• [学会発表] ULTIMATE: ULTra-sIte for Measuring Atmosphere of Tokyo metropolitan Environment (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Woosub Roh, Shuhei Matsugishi, Yasutaka Ikuta, Naomi Kuba, Hajime Okamoto
  • 学会等名: Japan Geoscience Union Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] 大気の鉛直運動を基軸とした気象学・地球環境学の新展開 (2021)
  • 著者名/発表者名: 佐藤正樹
  • 学会等名: 日本気象学会春季大会
• [学会発表] Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model (NICAM) studies on the supercomputer Fugaku: Challenges and next directions (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Chihiro Kodama, Hisashi Yashiro, Tomoki Miyakawa, Yohei Yamada, Woosub Roh
  • 学会等名: AGU Fall Meeting 2021
  • 国際学会 / 招待講演
• [学会発表] ULTIMATE (ULTrasIte for Measuring Atmosphere of Tokyo metropolitan Environment) project (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Woosub Roh, Shuhei Matsugishi, Yasutaka Ikuta, Naomi Kuba, Okamoto Hajime
  • 学会等名: CFMIP2021
  • 国際学会
• [学会発表] ULTIMATE (ULTrasIte for Measuring Atmosphere of Tokyo metropolitan Environment) project (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Woosub Roh, Shuhei Matsugishi, Yasutaka Ikuta, Naomi Kuba, Okamoto Hajime
  • 学会等名: The Fifth Convection-Permitting Modeling Workshop 2021 (CPM2021)
  • 国際学会
• [学会発表] Climatology of Tropical Cyclone Seeds and Survival Rates to Tropical Storms (2021)
  • 著者名/発表者名: Kohsuke Ikehata, Masaki Satoh
  • 学会等名: AOGS 2021 Virtual 18th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] ULTIMATE: ULTra-sIte for Measuring Atmosphere of Tokyo metropolitan Environment (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Woosub Roh, Shuhei Matsugishi, Yasutaka Ikuta, Naomi Kuba, Hajime Okamoto
  • 学会等名: AOGS 2021 Virtual 18th Annual Meeting
  • 国際学会
• [学会発表] Evaluation and improvement of cloud and precipitation processes of NICAM with ULTIMATE. (2021)
  • 著者名/発表者名: Masaki Satoh, Woosub Roh, Shuhei Matsugishi, Yasutaka Ikuta, Naomi Kuba, Hajime Okamoto
  • 学会等名: Improvement and calibration of clouds in models
  • 国際学会
• [図書] Precipitation Science - Measurement, Remote Sensing, Microphysics, and Modeling (2021)
  • 著者名/発表者名: Silas Michaelides
  • 総ページ数: 833
  • 出版者: Elsevier
  • ISBN: 978-0-12-822973-6
• [備考] Masaki Satoh' paper list
  • URL: https://cesd.aori.u-tokyo.ac.jp/satoh/papers.html
• [備考] EarthCARE Modeling Workshop 2022
  • URL: https://www.eorc.jaxa.jp/EARTHCARE/event/Modeling_ws2022/
• [学会・シンポジウム開催] EarthCARE Modeling Workshop (2021)