学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

jh140046-NA26

環オホーツク圏の海洋・大気シミュレーション
中村知裕（北海道大学）
概要 環オホーツク圏では、オホーツク海起源の海洋熱塩循環・潮汐混合・栄養物質（特に鉄）循環に伴い、世界でも最大規模の基礎生産が生じ、豊富な水産資源や炭素循環に影響している。また下層雲は北海道の気候に影響する。最近ではこれらに長期変動が生じていることも明らかになってきた。本研究では、こうした現象の理解と数値モデルによる再現性の向上に向け、環オホーツク圏の海洋・大気シミュレーションと使用する数値モデルの高速化チューニングを行う。本年度は、先ず(I)計算機科学分野の課題として、海洋鉄循環モデル全体の高速化チューニングを行った。次に(II)環オホーツク圏大気・海洋シミュレーションとして、(a) 海洋鉄循環の経年変動シミュレーションと高分解能熱塩循環シミュレーションそれぞれについての感度実験、(b) 内部重力波による鉛直混合過程の高分解能 3 次元数値実験、(c) オホーツク海沿岸冬季下層雲の形成過程についての感度実験を行った。

1.

共同研究に関する情報

る筋状雲に見られるように、多くの降水（降雪）(1) 共同研究を実施した拠点名をもたらし、生活・経済に影響する。寒気はまた、北海道大学

オホーツク海で大規模な海氷生成を引き起こす。

(2) 共同研究分野

オホーツク海における海氷生成は北海道沿岸の■超大規模数値計算系応用分野

気候や産業に影響するだけでなく、北太平洋ほぼ

超大規模データ処理系応用分野

全域の海洋中層循環に影響を与えている。海氷生

超大容量ネットワーク技術分野

成の際には、海水が結氷点まで冷却される上に、



超大規模情報システム関連研究分野

海水が凍る際に不純物として塩が排出されるため、(3) 参加研究者の役割分担高密度の海水が生成される。生成された高密度水

中村知裕：海洋と大気のシミュレーションおはオホーツク海そして北太平洋の中層に広がる。

よびプログラムの高速化

また、千島列島域のように海底地形上を強い潮

大宮学：プログラムの高速化

流が流れる海域では、内部重力波の生成と砕波に三寺史夫：海洋シミュレーション

より激しい鉛直混合が生じる[Nakamura et al.,中野渡拓也：海洋物質循環シミュレーション

2000; 2010; Abe and Nakamura, 2013]。これらの

松田淳二：海洋熱塩循環シミュレーション

高密度水生成と千島列島域での潮汐鉛直混合によ伊藤薫：海洋鉛直混合過程シミュレーション

り、オホーツク海起源の熱塩循環（密度差に由来

Yagnesh, R.Y.：大気シミュレーション

し、鉛直方向の輸送で特徴付けられる海洋循環）が駆動される [Nakamura et al., 2006]。熱塩循

2.

研究の目的と意義環に伴い、大気に接していた海水が海洋中層に潜研究の目的り込むので、大気中の酸素、温室効果気体、フロ環オホーツク圏（オホーツク海とその周辺地域） ンといった様々な気体が北太平洋中層に取り込ま
は、季節変動や気候変動に顕著な特徴を持ち、日れ、それら物質の循環に影響する [Uchimoto et

本とりわけ北日本の気候に大きな影響を与えていal., 2011; 2009]。

る。冬季には、北半球の寒極となるシベリアから環オホーツク圏はまた、世界最大規模の基礎生寒気が吹き出す。吹き出した寒気により形成され産（海洋植物プランクトン増殖）で知られている。

る冬季の下層雲（筋状雲）は、日本海側で発生す高い基礎生産は、食物連鎖を通し豊富な水産資1

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

源の基礎となるとともに、二酸化炭素の海洋内貯(I) 熱塩循環の高分解能モデルの高速化、留など炭素循環にも重要な役割を果たす。この高(II-a) 低分解能モデルで再現された鉄循環の経い基礎生産を支える上で、上述の熱塩循環により年変動、および高分解能モデルで再現された熱塩アムール川から運ばれて来た「鉄」が重要である

循環、それぞれの支配要因の評価、ことが最近の研究から分かってきた [Nishioka et(II-b) 内部重力波と渦の相互作用による鉛直混al., 2007]。すなわち、鉄は２価と３価のイオン合についての３次元高分解能シミュレーション、を持つことから光合成等における電子伝達に使わ(II-c) 冬季オホーツク海沿岸帯状雲の形成維持れているが、海水には極めて溶けにくいため多く機構の検討。の海域において基礎生産を律速している。例外的研究の意義に環オホーツク圏では、熱塩循環に伴う鉄供給の現在気候・現在環境のシミュレーションとそれおかげで鉄律速がかかりづらく、このことが水産らの形成・変動メカニズム解明は、地球温暖化に資源の豊さに繋がっている。

伴う環オホーツク圏の変化の理解および信頼性の環オホーツク圏におけるこれらの現象は、顕著高い予測の必要条件である。中でも、環オホーツな数年から数十年規模の変動を持つのに加えて、

ク圏太平洋側では近年表層の栄養物質そして基礎シベリアを中心に顕著な温暖化が進行している。

生産が減少傾向にあり、温暖化がその主な原因で温暖化の特に著しい地域では、平均して 10 年間にはないかと示唆されている。もしこの示唆が正し2℃のペースで冬季の気温が上昇している。温暖化

ければ、温暖化が進むと基礎生産がさらに減少し、に伴うようにオホーツク海の海氷面積も減少傾向ひいては水産資源・炭素循環も大きく影響を受けにあることから、上述のオホーツク海起源の熱塩ることから、先行きが懸念されている。本研究の循環が弱まっていく可能性が危惧されている

成果は、こうした変動の要因解明と予測の重要な[Nakanowatari et al., 2007; Matsuda et al.,基礎となる。
対象とする環オホーツク圏は上述のように日本

2009]。
このように、環オホーツク圏では科学的に興味にとって重要な地域である。しかしながら、大半深くかつ社会的に重要な気候・環境の形成およびがロシア領ないしロシア経済水域に含まれている

それらの長期変動が生じており、これらのより良ため、大気・海洋・陸面全てにおいて公開されてい理解と数値シミュレーションによる再現・予測いる観測データが限られている。そのため環オホが求められている。そこで代表者らのグループでーツク圏の気候・環境研究には、数値シミュレーは、環オホーツク圏の気候および環境変動のよりションとそれに基づくメカニズム解明、そして解良い理解のために、環オホーツク圏を対象とした明されたメカニズムに基づく数値シミュレーショ

海洋および大気の数値シミュレーションを行ってンの改良が欠かせない。

いる。本研究ではその一環として、環オホーツク圏の気候・環境に重要な３つの現象―(a) オホー

3. 当拠点公募型共同研究として実施した意義

ツク海を起源とする栄養物質循環と熱塩循環、(b)本共同研究により、計算科学の専門家と共同研

潮汐による鉛直混合過程、(c) オホーツク海周辺究を行えたことが当共同研究ならではの事項の第の下層雲―について数値シミュレーション研究を一である。このことは、北海道大学情報基盤セン行う。加えて、これらシミュレーションの効率化

ターの大型計算機システムでの高速化チューニンと大規模化に向けて、北海道大学情報基盤センタ

グにおいて助力を得たことにとどまらず、報告書

ー大型計算機での高速化チューニングを検討する。 に記していない細かな情報交換においても顕著であった。

より具体的には、４節に記す前年度までの成果

また、北海道大学情報基盤センターの大型計算を基に、本年度は下記を目的とした：2

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

機システムを使用させて戴き、さらにそのサポーおよび上述の環オホーツク圏の気候・環境に重要トを戴くことで、数値シミュレーションとその結な３つの現象：(a) オホーツク海を起源とする熱果の解析を円滑に且つ高速に実施できるのも当共塩循環と栄養物質（鉄）循環、(b) 潮汐による鉛同研究の利点である。

直混合過程、(c) オホーツク海周辺の下層雲、それぞれについて前年度までに得られた研究成果を

4. 前年度までに得られた研究成果の概要

図 1 に記す。

計算機科学分野の課題（高速化チューニング）

図 1：前年度までの成果概要

5. 今年度の研究成果の詳細

対する SMP 並列化による演算負荷均等化を行った。

(I)計算機科学分野の検討課題

その結果、図 2 のように CPU 時間が短くなり、ト今年度は熱塩循環の高分解能モデルに対してータルでは演算性能が 8.6GFlops から 8.8GFlops

SR16000/M1 用の高速化チューニングを実施した。に、実行効率が 14.1%から 14.4%に向上した。

既に高速化を念頭に置いて書かれたコードであったが、専門家の助力のおかげで、(1)演算量の多い
MPI プロセスの実行時間の長い関数の実行時間短縮、(2)境界部（袖）の通信における時間短縮、(3)その他の最適化により、少しずつ高速化できた。
(1)についてはループ融合によるキャッシュヒット率の向上、およびループ融合とそのループに3

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

図 2：各 MPI プロセスの CPU 時間。横軸は短い順に並べたプロセス番号。4SMP（青が元、赤がチューニング後）はノード内 16MPIx4SMP 並列を指す。

(2)の境界部通信については、元は水平 x 方向とy 方向を順番に通信していたコードを、x 方向と y方向の通信を同時に行う用に変更し、通信の重ね合わせによる実行時間の短縮を図った。その結果、
図 3 のように時間が短縮された。各 MPI プロセス

図 4：親潮域における年平均の混合層内リン酸濃度の経年の境界部通信時間を、通信待ち時間の影響が最も変動。大気場と潮汐の両方（黒）、大気場のみ（赤）、潮汐少ない最短時間で評価すると、約 10%の時間短縮のみ（青）変動する場合。太線はローパスフィルターを掛となった。

けたもの。

オホーツク海起源の熱塩循環を高分解能モデルで再現し、その感度実験をした結果、図 5 に示すように風応力に対して想像以上に敏感であることが明らかになった。経年変動で見られる変化幅で熱塩循環は２倍程度も変化した。

図 3：各 MPI プロセスの境界部通信時間。横軸等は図 2 と同様。

(3)その他に、SMP 並列化の位置調整および、一部関数での SIMD オプション抑止や FMA によりさらに演算時間を短縮できたが、これらについては演算精度に影響したため、目的に合致した精度の検証が必要である。
図 5：「東西」に積算した「南北」循環の流量。横軸の数値(II)環オホーツク圏海洋・大気シミュレーションを風応力（気候値）に掛けて強化／弱化した実験の結果。

(II-a)オホーツク海を起源とする熱塩循環と栄養(II-b)潮汐による鉛直混合過程

物質（鉄）循環

潮汐によって励起された内部重力波が渦による

本年度は鉄循環の経年変動および熱塩循環の支配要因を探るための感度実験をそれぞれ実施した。 屈折と散乱により混合を引き起こす過程について、鉄循環の経年変動を引き起こす主な要素として3 次元非静水圧海洋モデルを用いて理想的設定の挙げられる、大気場の変動と潮汐による鉛直混合下、前年度までより高分解能で数値実験を行った。の変動について、両方・大気場のみ・潮汐のみを図 6 に示すように、図左奥から入射した波は図含む場合について計算した結果が図 4 である。両中央の渦中で屈折等により増幅され砕波し、渦そ方の場合、10 年規模変動は観測結果(Tadokoro etのものにも影響を与えている。高分解能化によりal., 2009)の変動と定性的に合っている。大気場屈折から砕波に至る過程がより詳細にシミュレーと潮汐はそれぞれ同程度の寄与であった。とされた。
4

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月の展望を含めてまとめていく。
(I)計算機科学分野の検討課題
計画通り熱塩循環の高分解能モデルの高速化チューニングを実施したので、今年度の計画目標は達成したと判断する。来年度は、鉄循環の高分解能モデルを構築し、その高速化チューニングを検討したい。
(II)環オホーツク圏海洋・大気シミュレーション(II-a)オホーツク海を起源とする熱塩循環と栄養物質（鉄）循環：予定より早く、計画していた

図 6: 中央の水深における渦度の鉛直成分。

鉄循環の経年変動および（高分解能モデルにおけ(II-c)オホーツク海周辺の下層雲る）熱塩循環の支配要因を探るための感度実験の本年度は、冬季にオホーツク海側に大量の降雪計算を終え、解析を進めた。来年度は、高分解能をもたらす下層雲（帯状雲）の感度実験を、昨年熱塩循環モデルに鉄化学モデルを組み込み、高分度行った特徴的な事例について実施し、形成維持解能での鉄循環シミュレーションを行いたい。

機構を調べた。その結果、従来考えられていた北(II-b)潮汐による鉛直混合過程：今年度計画し海道からの陸風だけでなく、サハリン島の効果がていた超高分解能での実験を終了した。来年度は重要であることが明らかになった。

結果の力学解析を行うとともに、重要な力学的パ
ラメタを変更した高分解能実験を行っていきたい。
(II-c)オホーツク海周辺の下層雲：計画より早く、昨年度シミュレーションに成功した事例についての感度実験を終了した。来年度は、他の事例についての実験と解析を行いたい。
なお今後の研究のロードマップを示すよう要望を受けたが、学生数や研究予算・ポスドクなどに応じて流動する部分が大きく、具体的に示すことが難しい。現時点においては今後１～３年は、研究分担者や代表者らの発見した「北太平洋熱塩循環の表層ルート」に注目しつつ、オホーツク海を起源とする熱塩循環と栄養物質（鉄）循環の高分解能シミュレーションにより力を注ぎ、最終的には定量的理解と評価に繋げられればと考えている。

図 7: 北海道オホーツク海沿岸帯状雲の感度実験。コンタ
ーは鉛直積分した雪混合比、色は 940hPa 気温、矢印は960hPa 風。a)サハリン島が無い、b)サハリン島が平坦、c)7.

研究成果リスト

北海道が無い、d)北海道が平坦な場合。

(1) 学術論文
Nakanowatari, T., T. Nakamura, K. Uchimoto, H.

6. 今年度の進捗状況と今後の展望

Uehara, H. Mitsudera, K.I. Ohshima, H. Hasumi, M.

先ず、計算資源は割当総量全てを使用した。次Wakatsuchi. Causes of the warming trend of theに、5 節に記した各課題の成果を踏まえて、以下intermediate water in the Sea of Okhotsk andに課題毎に申請時の計画から見た進捗状況と今後

western subarctic North Pacific from 1980 to 2008.
5

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 26 年度共同研究 最終報告書 2015 年 5 月

Journal of Climate, 28, 714-736.

North Pacific: Importance of lateral advection

Yagnesh, R. Y., T. Nakamura, H. Mitsudera, and M.

processes. Asia Oceania Geosciences Society

Kawashima (2014) Formation and maintenance(AOGS) 2014, Jul 28 - Aug 1, Royton Sapporo

mechanisms of a thick snow band along the Okhotsk

Hotel, Sapporo, Japan.

Sea coast of Hokkaido Island, Japan. HydrologicalAbe, S., T. Nakamura, H. Mitsudera. An Unstable
Mode Formed by Combination of Kelvin-Helmholtz

Research Letters, 8 (2), 84-89.
Uchimoto, K., T. Nakamura, J. Nishioka, H. Mitsudera,

Waves and Tollmien-Schlichiting Waves in Jets on

K. Misumi, D. Tsumune (2014) Simulation of highthe Bottom. Fall Meeting of American Geophysicalconcentration of iron in dense shelf water in theUnion (AGU) 2014, Dec 15 - 19, Moscone Center,Okhotsk Sea. Progress in Oceanography, 126,San Francisco, USA.
(4) 国内会議発表

194-210.
Nakamura, T., Y. Takeuchi, K. Uchimoto, and H.

中野渡拓也, 吉成浩志, 内本圭亮, 松田淳二, 三

Mitsudera (2014) Effects of temporal variation in

寺史夫, 中村知裕, 西岡純, 津旨大輔, 三角和

tide-induced vertical mixing in the Kuril Straits on弘, 羽角博康, 若土正曉. 北太平洋物質循環モ

the thermohaline circulation originating in theデルの結合～鉄-栄養塩実験～. 2014 年度 日本Okhotsk Sea. Progress in Oceanography, 126,

海洋学会 秋季大会, 2014 年 9 月 13-17 日, 長

135-145.

崎大学文教キャンパス, 長崎.
(5) その他（特許，プレス発表，著書等）

Matsuda, J., H. Mitsudera, T. Nakamura, Y. Sasajima,H.

Hasumi

OverturningandM.

circulation

Wakatsuchi.
that(2015)

ventilates

theintermediate layer of the Sea of Okhotsk and theNorth Pacific: The role of salinity advection.
Journalof

GeophysicalResearch,

120(3),1462-1489(2) 国際会議プロシーディングス(3) 国際会議発表
Abe, S., T. Nakamura, H. Mitsudera. Unstable Modesof Jets on the Bottom. Asia Oceania Geosciences
Society (AOGS) 2014, Jul 28 - Aug 1, Royton
Sapporo Hotel, Sapporo, Japan.
Matsuda, J., H. Mitsudera, T. Nakamura, H. Hasumi,M.

Wakatsuchi.

Overturning

circulation

ventilating the intermediate layer of the Sea ofOkhotsk and the North Pacific: the role of salinity
advection. Asia Oceania Geosciences Society(AOGS) 2014, Jul 28 - Aug 1, Royton Sapporo
Hotel, Sapporo, Japan.
Nakanowatari, T., K. Uchimoto, T. Nakamura, J.
Nishioka, H. Mitsudera, M. Wakatsuchi. Seasonalvariability of dissolved iron in the western subarctic
6