宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-19-002

GPM 全球降水マップのデータ同化手法の研究
報告書番号：R18JR0201
利⽤分野：宇宙技術
URL：https://www.jss.jaxa.jp/ar/j2018/9027/
責任者
松浦直⼈, 第⼀宇宙技術部⾨宇宙利⽤統括
問い合せ先
第⼀宇宙技術部⾨ 地球観測研究センター 久保⽥ 拓志( kubota.takuji@jaxa.jp )メンバ
寺崎 康児, ⼩槻 峻司, ⾦丸 佳⽮, ⿊澤 賢太, Ying-Wen Chen, 三好 建正, 佐藤 正樹, 久保⽥ 拓志

事業概要
GSMaP, GPM/DPR やその他の衛星観測データを, 先端的のアンサンブルデータ同化⼿法により数値天気予報モデルに取り込み, ⼤気客観解析及びこれを初期値とした予報に改善をもたらすと共に,衛星観測データと数値モデルの双⽅を活かした新たな降⽔プロダクト NEXRA(NICAM-LETKF JAXA
Research Analysis)を作成する.
参考 URL: https://www.eorc.jaxa.jp/theme/NEXRA/index_j.htm

JSS2 利用の理由
本研究では, 全球⼤気データ同化システム(NICAM-LETKF)による衛星観測データ同化及び予測計算を⾏うが, ⼤規模な全球⼤気モデル計算, 及び, アンサンブルデータ同化を⾏うために, JSS2 は必須である.

今年度の成果(1) NICAM-LETKF への GPM ⼆周波降⽔レーダー(GPM/DPR)同化
今年度は, これまでに開発したシステムを⽤いて, データ同化サイクル実験を⾏ったが, 残念ながら有意な改善は⾒られなかった. 降⽔と関連性の⾼い⽔蒸気混合⽐に改善傾向が⾒られる⼀⽅で, 中期
天気予報に重要な気温場は改悪傾向である (Fig. 1).
GPM/DPR 観測の有効な⽅法として, 状態推定ではなくパラメータ推定により, NICAM のモデルパラメータを最適化することを検討している.

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JAXA スーパーコンピュータシステム利用成果報告 （ 2018 年 4 月～ 2019 年 3 月）

(2) 平成 30 年 7 ⽉豪⾬の予測可能性調査
全球⼤気データ同化システム NICAM-LETKF は, 2017 年 7 ⽉より, NICAM-LETKF JAXA ResearchAnalysis(NEXRA) として JSS2 上で継続実⾏されている. この NEXRA を⽤いて, 特に豪⾬最盛期・7⽉ 6 ⽇頃の⻄⽇本の⾬の予測可能性を調査した. NEXRA では, 豪⾬最盛期の⻄⽇本の豪⾬を, 概ね 3⽇ほど前から予測されていたことが⽰された(Fig. 2).
(3) NICAM-LETKF システムの開発
JSS2 上で動作する NICAM-LETKF を NICAM-LETKF JAXA research analysis (NEXRA)と名付た.
NEXRA シ ス テ ム は 2 年 間 , 安 定 的 に 動 作 し た . NEXRA デ ー タ を 可 視 化 し て , web 上( https://www.eorc.jaxa.jp/theme/NEXRA/index_j.htm )で公開した(Fig. 3).
(4) NEXRA データを⽤いた全球⾼解像度アンサンブル予報
NEXRA アンサンブルデータを⽤いた気象現象の予測可能性を探るため, 全球⾼解像度アンサンブル予報を実施した. 本研究では, 平成 30 年 7 ⽉豪⾬の再現を試みた. 14-km 解像度で 100 メンバアンサンブル予報を⾏った結果, いくつかの予報は降⽔域の空間分布予測に成功していた(Fig. 4). この結果を記事にして web 上で公開した( https://www.eorc.jaxa.jp/earthview/2018/tp181114.html ).

図 1: GPM/DPR 直接同化による(左)気温 (T)と右)⽔蒸気混合⽐(g/kg)のERA-Interim に対する平均⼆乗偏差の変化. 暖⾊・寒⾊はそれぞれ,GPM/DPR 同化による改善・改悪を⽰す. 縦軸・横軸はそれぞれ気圧⾯(hPa)と時系列(2014 年 7 ⽉の 10 ⽇間)であり, 4 つのパネルは全球(GL),北半球 (NH), 熱帯 (TR), 南半球 (SH)を⽰す.

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図 2: 豪⾬最盛期の 7 ⽉ 6 ⽇ 24 時間の積算降⽔量予測. 100 メンバー・アンサンブル予測の平均値を⽰しており, (a)-(p)の順に, 12 時間毎に初期時刻を変えた結果を⽰す. (Kotsuki et al. 2019 から引⽤)

図 3: NEXRA を可視化するホームページ「世界の気象リアルタイム」( https://www.eorc.jaxa.jp/theme/NEXRA/index_j.htm )－112－This document is provided by JAXA.

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図 4: 2018/07/06 00-24UTC で平均した降⽔量 [mm/hr ].

a) 地上観測値, b) 14 km 実験で再現性が良かった結果. c) 14 km 実験 100 メンバアン
サンブル平均. 予報は 2018/07/05 00UTC を初期時刻として⾏った.

成果の公表-査読付き論⽂(1) Kotsuki, S., Terasaki, K., Yashiro, H., Tomita, H., Satoh, M., & Miyoshi, T. (2018): Online model
parameter estimation with ensemble data assimilation in the real global atmosphere: A case with theNonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model (NICAM) and the Global Satellite Mapping ofPrecipitation

data.

JournalofGeophysicalResearch:Atmospheres,123,7375-7392.

doi:10.1029/2017JD028092(2) Kotsuki S., Terasaki K., Kanemaru K., Satoh M., Kubota T. & Miyoshi T. (2019): Predictability ofRecord-Breaking Rainfall in Japan in July 2018: Ensemble Forecast Experiments with the Near-real-time
Global Atmospheric Data Assimilation System NEXRA. SOLA, 2019 Volume 15A Pages 1-7.
doi:10.2151/sola.15A-001(3) Terasaki, Koji & Kotsuki, Shunji & Miyoshi, Takemasa (2019): Multi-year analysis using theNICAM-LETKF data assimilation system. SOLA. Volume 15 Pages 41-46. doi:10.2151/sola.2019-009.
-招待講演(1) 2018/5/13 三好建正, "天気予報の数理:データ同化と予測可能性", 第 26 回 JST 数学キャラバン,⼤阪星光学院(2) 2018/5/15 三好建正, "データ同化:シミュレーションと実測データを融合するデータサイエンス",
九⼤-理研-福岡市・ISIT 三者連携シンポジウム「数理・AI が解く未来!〜計算科学の展開と期待〜」,福岡(3) 2018/5/20 Terasaki, K., T. Miyoshi, "Accounting for the observation error correlation in dataassimilation", JpGU2018, Makuhari (poster)(4) 2018/6/4 Takemasa MIYOSHI, Shunji KOTSUKI, Koji TERASAKI, Keiichi KONDO, Guo-Yuan
LIEN, Kenta KUROSAWA, Masaki SATOH, Hirofumi TOMITA, and Eugenia KALNAY, "Enhancing
Data Assimilation of GPM Observations", AOGS, Honolulu, Hawaii(5) 2018/10/5 T. Miyoshi, "Satellite data assimilation and parameter estimation with NICAM-LETKF",
CEN/CliSAP WORKSHOP "Climate Data Assimilation", Hamburg, Germany－113－

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宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-19-002(6) 2018/10/11 T. Miyoshi, "Data assimilation for nonlinear ensemble forecasts", Fourth meeting of
the WWRP PDEF Working Group, Tokyo(7) 2018/11/16 三好建正, "NICAM と SCALE を使ったデータ同化研究ー観測ビッグデータとスパ
コン「京」のコラボレーション ビッグデータで⾒える世界ー", 5th International Workshop onNonhydrostatic Models (NHM2018) オープンセミナー「⾮静⼒学モデリングの進展と数値気象予測の今後の展望」, 東京(8) 2019/1/25 T. Miyoshi, "Enhancing Data Assimilation of GPM Observations", The Joint PI Meetingof JAXA Earth Observation Missions FY2018, TOKYO-⼝頭発表(1) 2018/4/9 Takemasa Miyoshi, Shunji Kotsuki, Koji Terasaki, Keiichi Kondo, Guo-Yuan Lien, Kenta
Kurosawa, Masaki Satoh, Hirofumi Tomita, and Eugenia Kalnay, "Enhancing data assimilation of GPM
observations", EGU, Vienna, Austria2018/4/26(2) ⼩槻峻司, ⿊澤賢太, 三好建正, "全球⼤気データ同化システム NICAM-LETKF を使った EFSO
観測インパクト推定", 第 2 回 理研・気象庁データ同化研究会, 東京(3) 2018/5/7 Kotsuki S., Kurosawa K., and Miyoshi T., "Ensemble Forecast Sensitivity to Observations
Verified with Multiple References", The 8th EnKF Data Assimilation Workshop, Montreal, Canada(4) 2018/7/12 ⼩槻峻司, 寺崎康児, 三好建正, "NICAM-LETKF を⽤いた GPM/DPR データ同化実験", 衛星シミュレータ―研究会, 東京(5) 2019/8/4 三好建正, "7 ⽉豪⾬の理研システムでの検討状況について", 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, 帯広(6) 2018/9/5 三好建正, "GPM 観測のデータ同化の⾼度化", 2018 年度降⽔観測ミッションサイエン
スチーム国内会合, 東京(7) 2018/9/12 ⼩槻峻司, ⿊澤賢太, 三好建正, "全球⼤気・⽔⽂結合データ同化システムの開発; ⽔⽂ビッグデータ同化による⼤気・⽔⽂予測の改善に向けて", ⽔⽂・⽔資源学会 2018 年研究発表会, 三重(8) 2018/10/9 寺崎康児, 三好建正, "NICAM-LETKF システムの更新 全球 28km 解像度での平成 30
年 7 ⽉豪⾬事例実験", NICAM 開発者会議, 群⾺(9) 2018/10/29 寺崎康児, ⼩槻峻司, 三好建正, "GSMaP 降⽔データの観測誤差相関を考慮したデータ同化実験", ⽇本気象学会秋季⼤会, 仙台(10) 2018/11/15 Kotsuki S., Sato Y., Terasaki K., Yashiro H., Tomita H., Satoh M. and Miyoshi T.,"Model Parameter Estimation with Data Assimilation using NICAM-LETKF", 5th InternationalWorkshop on Nonhydrostatic Models, Tokyo(11) 2018/12/17 三好建正, "Enhancing Data Assimilation of GPM Observations", NICAM-LETKF
and Satellite DA Mtg, 神⼾(12) 2019/1/22 Kotsuki S., Sato Y., Terasaki K., Yashiro H., Tomita H., Satoh M. and Miyoshi T.,"Model Parameter Estimation with Data Assimilation using NICAM-LETKF", 7th International
Symposium on Data Assimilation, Kobe(13) 2019/3/18 ⼩槻峻司, 寺崎康児, ⿊澤賢太, ⾦丸佳⽮, 三好建正, "NICAM-LETKF を⽤いた
GPM/DPR データ同化実験", 平成 30 年度 GPM および衛星シミュレータ合同研究集会, 名古屋－114－This document is provided by JAXA.

JAXA スーパーコンピュータシステム利用成果報告 （ 2018 年 4 月～ 2019 年 3 月）(14) 2018/5/22 Kaya Kanemaru and Masaki Satoh, Satellite and Model Analysis of Short-Term
Characteristics Related with Convective Activity over Tropical Oceans, AS46-D3-PM1-P-017, AOGS
2018, Hawaii, June, 2018(15) 2019/8/17 ⾦丸佳⽮, 佐藤正樹, 寺崎康児, ⼩槻峻司, 三好健正, 久保⽥拓志 JAXA 版アンサンブル再解析データを⽤いた⾼解像度全球アンサンブル予報の結果平成 30 年 7 ⽉豪⾬に関する緊急対応研究会, 神⼾, 2018 年 8 ⽉(16) 2019/3/18 ⾦丸佳⽮, 佐藤正樹, 全球雲システム解像モデルを⽤いた降⽔短時間相関の雲微物理スキーム⽐較, GPM および衛星シミュレータ合同研究集会, 名古屋, 2019 年 3 ⽉-ポスター(1) 2018/5/9 Kotsuki S., Terasaki K., and Miyoshi T., "Ensemble-Based Data Assimilation ofGPM/DPR Reflectivity into the Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model NICAM", The 8thEnKF Data Assimilation Workshop, Quebec, Canada(2) 2018/8/17 ⼩槻峻司, 寺崎康児, 三好建正, "平成 30 年 7 ⽉豪⾬の予測可能性: NICAM-LETKFを⽤いた 100 アンサンブル予測実験", 平成 30 年 7 ⽉豪⾬に関する緊急対応研究会, 神⼾(3) 2018/8/17 寺崎康児, 三好建正, "NICAM-LETKF を⽤いた⽔平解像度による豪⾬の再現性について", 平成 30 年 7 ⽉豪⾬に関する緊急対応研究会, 神⼾(4) 2018/11/14 Koji Terasaki, Takemasa Miyoshi, "Data assimilation and forecast experiments for therecord-breaking rainfall event in Japan in July 2018 with NICAM-LETKF at 112-km and 28-km
resolution", 5th International Workshop on Nonhydrostatic Models (NHM2018), Tokyo(5) 2019/1/21 Koji Terasaki, Shunji Kotsuki, Takemasa Miyoshi, "Accounting for the horizontal
observation error correlation of precipitation observation, "7th International Symposium on Data
Assimilation (ISDA2019), Kobe(6) 2019/1/22 Kotsuki S., Ota Y., and Miyoshi T., "Adaptive covariance relaxation methods forensemble data assimilation based on innovation statistics", 7th International Symposium on DataAssimilation, Kobe
(7) 2019/1/22 Kotsuki S., Terasaki K., and Miyoshi T., "Ensemble-Based Data Assimilation ofGPM/DPR Reflectivity into the Nonhydrostatic Icosahedral Atmospheric Model NICAM", 7thInternational Symposium on Data Assimilation, Kobe
(8) 2019/1/22 Kotsuki S., Kurosawa K., and Miyoshi T., "Properties on Ensemble Forecast Sensitivity
to Observations", 7th International Symposium on Data Assimilation, Kobe
(9) 2019/2/18 Kotsuki S., Sato Y., Terasaki K., Yashiro H., Tomita H., Satoh M. and Miyoshi T.,"Model Parameter Estimation with Data Assimilation using NICAM-LETKF", The 1st R-CCSInternational Symposium, Kobe
(10) 2019/2/18 Koji Terasaki, Takemasa Miyoshi, "Data assimilation and forecast experiments for therecord-breaking rainfall event in Japan in July 2018 with NICAM-LETKF at 112-km and 28-km
resolution", The 1st R-CCS International Symposium, Kobe(11) 2018/6/6 Kaya Kanemaru and Masaki Satoh: Satellite and model analysis of short-term
precipitation characteristics over tropical oceans, AAS04-11, Japan Geoscience Union Meeting 2018,Chiba, May 2018
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宇宙航空研究開発機構特別資料 JAXA-SP-19-002(12) 2018/10 Kaya Kanemaru, Masaki Satoh, Koji Terasaki, Shunji Totsuki, Takemasa Miyoshi, andTakuji Kubota: 3.5km Mesh Ensemble Simulations by NICAM-LETKF Assimilating GSMaP, 2018
PMM Science Team Meeting, Phoenix , October 2018
-Web
http://www.data-assimilation.riken.jp/nicam-letkf/achievements_nl.html

JSS2 利用状況
 計算情報プロセス並列⼿法

MPI

スレッド並列⼿法

OpenMP

プロセス並列数

5 - 400

１ケースあたりの経過時間

12 時間

 利⽤量
総資源に占める利⽤割合※1 (%)：5.80
内訳
計算資源
計算システム名

コア時間(コア・h)

資源の利⽤割合※2 (%)

SORA-MA

50,190,065.49

6.14

SORA-PP

17,050.09

0.14

SORA-LM

0.00

0.00

SORA-TPP

0.00

0.00

ファイルシステム資源
ファイルシステム名

ストレージ割当量(GiB)

資源の利⽤割合※2 (%)/home

1,935.96

2.00

/data

684,166.27

12.07/ltmp

13,671.88

1.17

アーカイバ資源
アーカイバシステム名
J-SPACE

利⽤量(TiB)
19.88

資源の利⽤割合※2 (%)
0.70※1 総資源に占める利⽤割合：3 つの資源(計算,ファイルシステム,アーカイバ)の利⽤割合の加重平均※2 資源の利⽤割合：対象資源⼀年間の総利⽤量に対する利⽤割合－116－This document is provided by JAXA.