〔解説〕：（数値モデリング；非静力学モデル)

準一様格子を用いた全球雲解像大気モデルの開発とそれによる熱帯対流雲集団のシミュレーション―2007年度日本気象学会賞受賞記念講演―

佐藤正

樹 ・富田浩文

１．はじめに後の気候システム研究センターの気候モデル MIROC

このたび日本気象学会賞を受賞することとなりましや他の研究グループで用いられている GCM の母体にた．本研究を支援してくださった多くの方々に感謝をなります．私は修士課程の際の「GCM ゼミ」におい申し上げます．受賞講演原稿を依頼されましたが，て，GCM の理論的背景についての基本を勉強しまし

我々の研究の内容は，創立125周年記念解説「全球非た．このゼミは，担当者である私が，GCM の各パー静力学モデルへの道」（佐藤2007）とほとんど重複ツについてテーマごとに毎週調べて発表し，これに対しますので，本稿では研究の途上で考えたことや出来しすでに GCM 実験の経験のある林さんと沼口君が事を中心に述べていきたいと思います．主に佐藤から突っ込みを入れるというもので，たいへんでしたがよ見た一側面についてのみ書きますが，富田氏からの見い 経 験 に な り ま し た．こ の と き の ノート が Satoh方に関しては，日本流体力学会竜門賞受賞原稿（富田（2004）の part ３の元になっています．

2006）を参照ください．

私が学位を取得したのは1993年で，軸対称モデルを使って ハ ド レー循 環 の 力 学 を 調 べ ま し た（Satoh２．プロジェクト開始まで1994）．GCM の力学スキームを参考に，静力学平衡

私が1986年に東京大学の修士課程に進学した頃は，のプリミティブ方程式系の２次元の格子モデルを自分

林 祥介助手や住明正助教授（肩書は当時）が気象で作りました．特に軸対称系なので角運動量を保存す

庁から導入した大気大循環モデル（GCM ）を用いて，るスキームの構築に工夫をしました．もちろん GCM

水惑星によるスーパークラウドクラスターの実験をの東西波数成分をゼロにするだけで軸対称モデルがで行っていた頃でした（Hayashi and Sumi 1986）．そきるのですが，私自身スペクトルモデルがきちんとの後，東京大学では，借りてきたモデルをそのまま使ワークしているのか懐疑的で，格子モデルで試してみうわけにはいかないということで，気象庁モデルのリたいという衝動がありました．その後，沼口君が自分バースエンジニアリングを行い，自前の GCM を作らの作った GCM で似たような実験を行ったところ，同んとしました．結局は，私の同級生の故沼口じ結果になったので，スペクトルモデルでも問題ない

敦君が

主 に 一 人 で こ の 作 業 を 行 い，博 士 課 程 を 費 や し てGCM の開発をなしとげました．このモデルが，そののだなと納得することになりました．
学位取得後はしばらくハドレー循環の研究を進めていました．軸対称モデルではなく，GCM を使って３東京大学気候システム研究センター/海洋研究開発機
構地球環境フロンティア研究センター．
satoh＠ccsr.u‑tokyo.ac.jp海洋研究開発機構地球環境フロンティア研究セン
ター．

Ⓒ 2008 日本気象学会
2008年 6月

次元性，特に傾圧不安定とハドレー循環との相互作用という観点からいろいろ調べました．しかし，ハドレー循環を駆動する赤道の積雲（赤道収束帯 ITCZ）のふるまいが，GCM に導入される積雲パラメタリ―2008年２月12日受領―

ゼーションに大きく依存するということから，どうも―2008年３月28日受理―

この先，本質的な進展は難しいという思いを持ちながら研究を進めていました．
3452

準一様格子を用いた全球雲解像大気モデルの開発とそれによる熱帯対流雲集団のシミュレーション

その頃，非静力学モデルに関する気象研究所の技術報告（猪川・斉藤1991）が出版されたので，入手して手にとって眺めていました．いずれ非静力学モデル

うやりたくない，観測の方がよい，ということをいっていたので，日本で他に開発を進める人はいるのだろ
うかと思いながら英国滞在を終えました．

を作りたいものだと感じながら，年月が流れていきます．学位を取得後，私立大学に就職し，毎日を講義や

３．地球フロンティアでの開発卒研，学務に追われつつ，暇々に論文を書く日々をしさて，日本に帰る直前の頃，地球フロンティアにすばらく過ごした後，1998年に気分転換にイギリス・ケでに参加していた東京大学の中村 尚さんや山形俊男

ンブリッジ大学に１年間滞在する機会を得ることがでさんから，私にも地球フロンティアに来て研究をしなきました．GCM を基本的な力学研究に使うという点いかというお誘いをいただきました．私立大学での個で Peter Haynes と共通の興味があり，彼の研究室に人営業的な研究にいくぶん慢性化を感じていたので，お邪魔することになりました．ケンブリッジの中にい地球フロンティアでのプロジェクト的研究に少なからると，GCM を使うことでもずいぶん畠違いの雰囲気ぬ魅力を感じました．おそらく，山形さんらが当時進がありましたが，Reading 大学のグループの研究にめていたインド洋ダイポール現象の GCM による検証ついてもいろいろと耳に入ってきました．高解像度を期待していたと思われますが，いろいろあって松野GCM による傾圧不安定の実験（Methven and Hos-先生の研究グループに属することになりました．とkins 1998）や非静力学モデルによる放射対流平衡実いっても，当時は佐久間弘文さんが立ち上がったばか験（Tompkins and Craig 1998）をきき，だんだんりの地球フロンティアをなんとか実質のあるものにしと高解像度モデリングへの憧憬がわきあがってきまし

ようと努力されており，私も佐久間さんのもとで研究た．また Reading 大学を訪れたときにホストを務めをはじめることになりました．面白いことに，当初はてくださった Louis Steenman‑Clark 氏に GCM の並別にやることははっきりと決まってなかったのです．

列化プログラミングの文献をいただき（Barros et al.

地球フロンティアのいろいろな人に話をきいてみる

1995），無性に自ら手を動かして並列コードを書きたと，従来の GCM を高解像度化するという話はあってくなりました．そんな中，ケンブリッジのセミナーでも，新しいモデルを作っている人は誰もいないという自分の GCM による傾圧不安定実験の話の際に，M.

ことでした．また高解像度モデルについても，すでにMcIntyre から解像度についてきかれ，T42だと答え何か使えるわけではないので，既存の GCM を使ってたところ， too coarse （粗すぎる）の一言をもらい研究している人がほとんどでした．佐久間さんは，そました．あまり覚えていませんが，成層圏との物質交ういう状況に危機感を感じていたので，我々自身の手換を論じるには解像度が低すぎるということで，別にで新しいモデルを開発するということに焦点を定める

T42モデルが悪いというわけではなかったと思いまこととしました．最初に紹介されたのが，航空工学科す．しかし，この一言が胸にいつまでもひっかかってを卒業したばかりの富田浩文さんと天文学科を卒業しいました．

た津川元彦さんでした．両氏とも，新しいモデル作り

その頃，日本からの情報で，地球シミュレータプロに非常に興味をもってくださったので，それではさっジェクトが始動したというニュースや，それに関するそく勉強会を開いて進めようということになりまし松野太郎先生（当時地球フロンティア研究システム）

た．私が東大時代に行っていた GCM ゼミにならっの今後の高解像度モデリングに対する展望などのコメて，富 田 さ ん ら を 担 当 者 と す る ダ イ ナ ミ カ ル コ ア

ントをきくようになりました．高解像度モデリングと（DC）ゼミを開始したのが1999年７月頃です．

いっても当初の見積もりでは全球10km メッシュモデ

Stuhne and Peltier（1996）の正20面体格子の文献ルくらいまでしか実現できないだろうということでしや M cGregor（1996）の立方格子モデルの文献から読たが，私自身は傾圧波の微細構造や亜熱帯の混合がよみ始め，それぞれの格子系で球面上の浅水波モデルをり詳細に計算ができそうだということで，大変な魅力つくることにしました．富田さんは作業が早く，さっを感じました．新しいモデルを開発するとしたら，沼さと格子モデルを作りあげ，さっそく壁にぶつかるこ口君だろうと思っていたものです．ところが，その年とになりました．正20面体を分割した格子を用いて球の11月，彼がたまたまケンブリッジまで訪ねて来る機面浅水波モデルを作ったところ，計算不安定になって会があり，きいてみたところ，自分はモデル開発をも長時間の計算ができないということです．計算の安定

4〝天気" 55．6．

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性の問題は当事者でないと本当の問題の所在はわかり

ティア で の 最 初 の 講 演 者 と し て1999年12月 にません．はたでみていると，数値拡散を大きくすればM cIntyre が来たときに，私が携わっている新しいモよいでしょうと一言で片付けがちですが，何とかごまデルの話をすると，それは本当に挑戦的で多くの問題かした計算はできたとしても，それでは使い物にならにぶつかるだろうといっていました．2000年９月にないというのがわかるのはモデルを開発した本人しかは，富田さんと共に我々の作った浅水波モデルの結果いません．富田さんは，その後けっこう進展がないよをたずさえて，当時正20面体格子モデルを現業の全球うに見えましたが，ある日，格子の面積がこんなにジ予報モデル GM E とし動かしているドイツ気象局のグザグですよというグラフをもってきて，これが悪さD.M ajewski のところを訪ねていきました．Majews-をしているのですと断言しました．これをスムーズにki 氏には自宅にまで招待され，歓待していただきますれば解決しますとまでいったのですが，私自身は多した．ドイツ気象局では，Lokal Model という非静少懐疑的でした．例えば１次元問題で格子が不等間隔力学モデルを新しく開発したばかりで，我々の２本立の場合，格子ごとの長さを考慮して差分化すれば精度ての研究とマッチした話ができました．その後も，は保たれる．格子をいじるのはあまり気にくわない，マックスプランク研究所を交えた形で緊密な情報交換

差分法の改良で対応できないかといいましたが，富田を 続 け て い ま す．2000年11月 に は GCSS（GEWEXさんは気にも留めずに，格子の間をバネでつないで格Cloud System Study全球エネルギー・水循環実験 雲

子間隔を滑らかにする方法を考案し，さらにそれのポシステム研究）の会議のため D. Randall が地球フロテンシャル解析，計算結果のハフモード展開解析までンティアに来ました．コロラド州立大学（CSU）の行って，最適な格子配置を求めました．これが，ばねグループでも Heikes and Randall（1995）によって力学法による正20面体格子生成法です（Tomita et

すでに正20面体モデルの開発が進められていました．

．
al. 2001, 2002）

Randall に議論したいと持ちかけると，好意的に対応

新しいモデルのダイナミカルコアには球面上の格子していただき，会食の際に富田さんが隣に座って我々系と非静力学モデリングが必要でした．球面上の格子の研究の紹介をすることができました．これがその後の切り方に関しては安心して富田さんに任せることがの CSU を 中 心 と す る CM MAP（The Center for

できたので，私自身は非静力学スキームの検討を担当

M ulti‑Scale M odeling of Atmospheric Processes）することにしました．私としては既存の非静力学スに参加するといった交流の元になります．

キームに関しては，保存性に配慮したスキームがほとプロジェクト研究は，計画をたててそれに向かってんどないことに不満をもっていました．唯一，斉藤和進行するということになりますが，科学的な研究がか雄さんによる気象研の非静力学モデルが質量を保存す

らむので実際にものになるかどうかは誰にもわかりまる定式化を行っていたので，共感をもつことができません．その中で，多くの研究会が助けになりました．

す．しかし，エネルギーに関しては，既存のスキーム非静力学モデルに関するワークショップは，2000年ごには保存性などに問題があるように見えました．そころから定期的に開催され，特に気象庁の人たちと詳細で，新しい非静力学数値スキームを開発するとともにな部分にまでの議論を行うことができました．国際

カーテシアン座標系のテストモデルとして，非静力学ワークショップ「球面上の偏微分方程式 解」（PDEs領域モデルを別途つくることにしました．質量とエネ

on the sphere）にも定期的に参加し，2004年には地ルギーを保存するという目的のため，いろいろ考えま

球フロンティア主催でワークショップを開くなど，プしたが，結局，それぞれの式をフラックス形式で積分レゼンスを高めてきました．

するということに帰着して，スキームを完成させることができました．それが Satoh（2002），湿潤過程に４．地球シミュレータ誕生

拡張したのが Satoh（2003）です．

日本の中でわれわれの研究は，グループ以外の人た

プロジェクト開始の段階からは，外国の研究者からちには半信半疑で，あまり期待もされてないようでしは好意的に迎えられました．日本では地球シミュレーた．当初は，期限のしばりも特になく，自分たちが好タというのが2002年頃にできるということは知られてきなように計画をすすめていたものです．2000年からおり，いったいどういうモデルをその上で走らせるの2001年にかけて浅水波モデル，非静力学コアを作り，かという好奇心を皆もっていたようです．地球フロン

2002年から2003年頃にそれを結合した３次元のダイナ

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準一様格子を用いた全球雲解像大気モデルの開発とそれによる熱帯対流雲集団のシミュレーション

ミカルコア，2004年に物理過程導入，2005年以降海陸格 子 モ デ ル の 名 前 を ICON（ICOsahedral Nonhy-分布の入った計算ができるだろうという図を示していdrostatic model）とするということなので，我々のたところ，最初の頃はずいぶん無謀な計画ですね，とモデルにも名前をつけることを考えました．結局，順いわれたものです．ところがその後，成果が徐々に出

番 を ひっく り 返 し て NICAM （ Nonhydrostaticてくると，進み方が遅いという声が，我々の知らない

ICosahedral Atmospheric Model）としました．正20

ところで起こってきたようです．我々は，必要不可欠面体の三角形を次々と分割して，11回分割すれば，格なプロセスを経ながら進めてきたので，そういった声

子間隔約3.5km の格子ができます．力学コアの実験についてはあまり気にとめずに進めてきました．の経験から，全球3.5km 格子間隔の実験は可能だろ

2002年に地球シミュレータが稼動しました．われわうと見積もっていました．一般には 5km 格子間隔以れの牧歌的な研究の一方で，世間では共生プログラム下であれば，非静力学効果が重要になり，積雲パラメがスタートし，気候変動に関する政府間パネル第４次タリゼーションを使わなくとも，ある程度深い積雲の報告書（IPCC AR4）に向けた実験が優先的に行われ表現が可能であると考えられています．そこで，3.5るようになりました．全球雲解像モデルはもちろん，

km 格子の実験を全球雲解像実 験 と 称 し て い ま す．

共生プログラムとは関係ありません．我々は予定通り「雲解像」の名前は人によってイメージが異なるので，進めて，その頃３次元ダイナミカルコアができていた研究会で不毛な議論がしばしばおこったものです．

ので3.5km メッシュの力学実験を行 い ま し た（Iga．同時に，降水過程などの物理過程のet al. 2007a）

５．全球雲解像実験導入も進めました．物理過程のテス ト と し て，3.5

力学コア実験，小惑星放射対流平衡実験，ストレッkm の全球雲解像実験のテスト実験を数多く行うのチ格子スコールライン実験などの基礎実験を一通りは，地球シミュレータをもってしても難しい．そこで行ったので，いよいよ「全球雲解像実験」に取り組む

領域モデル的な使い方ができないかと，格子系をシュこととしました．まだモデル開発の途上で，海陸分布ミット変換して一部領域に集中させたストレッチ格子や地表面過程の導入前だったので，最初は全球を海洋モデルを開発し，スコールライン実験などを行いましと仮定した「水惑星実験」に取り組むことにしました．また，惑星の半径を小さくして，球面を全域熱帯た．ちょうど Neale and Hoskins（2001）の実験プロだと考えた実験（小惑星実験）などを行って研究発表

トコルの論文が出て，水惑星ワークショップが Read-しました．この実験は，従来，非静力学モデルを用いing 大学で2004年４月に計画された時期 で し た．また気候状態の研究として，カーテシアン座標系のモデず，14km 格子モデルからはじめて，7km 格子，3.5ルで２重周期条件を課すなどして行なわれていた放射km 格子へと進みました．格子間隔が14km 以下であ対流平衡直接数値実験（Tompkins and Craig 1998）

れば，積雲パラメタリゼーションを使わなくてもモデを球面上で行なうことに対応します．地球シミュレー

ルが動くことがわかったので，スピンアップ実験や基タを用いて，徐々に半径を大きくしていくことで，全礎的な感度実験は14km 格子のモデルを使うこととし球雲解像実験に収斂していきます．計算してみると，ました．このようないくつかの解像度を組み合わせる

深い対流に伴うコールドプールや上層雲の拡がりな実験スタイルは今でも続いています．世間では14km

ど，メソ循環が再現され，積雲クラスターの形成をみ格子モデルで積雲パラメタリゼーションを使わないとることができました．今から振り返ると，数値的な安いうことは考えられないのですが，我々はあくまでも定性の確認や，長時間積分におけるメソ対流系のふる3.5km 格子モデルのための参照用として利用していまいを見ることができたことから，小惑星実験は次にます．低解像度の大気大循環モデルで数年積分をして進む水惑星実験（地球の陸地を取り除き下端境界条件平衡場を作り，それを東西平均した初期値を用いて14をすべて海とした理想実験）のための必要不可欠なス

km 格子実験を行いました．積分時間60日でおおむねテップであったといえます．今でも，物理過程のテス統計的な平衡状態になったので，そこから 7km 実験

ト等のために小惑星実験は多用しています．

を30日積分，最後の10日について3.5km 実験を行い2002年頃から，ドイツのマックスプランク研究所やました．富田さんが2005年の正月休み前にジョブを投

ドイツ気象局の連携のもとでも，新しい大気大循環モ入して，休み明けに見てみたら計算が完了していたとデルの開発が始まりました．彼らは，新しい正20面体いうことです．水惑星実験の結果によると，クラウド

6〝天気" 55．6．

準一様格子を用いた全球雲解像大気モデルの開発とそれによる熱帯対流雲集団のシミュレーション

クラスター，スーパークラウドクラスターの積雲のマ455ていきたいと思います．

ルチスケール構造が表現されており，Hayashi andSumi（1986）のようにスーパークラウドクラスターが１か月かけて東進する様子が再現されていました．
さっそく Geophysical Research Letters に論文を投稿 し た と こ ろ，レ ビューワーか ら landmark paper（画期的論文）であるとの高い評価を得て，ハイライ
ト欄に取り上げられました（Tomita et al. 2005）．
今回の学会賞の対象になったのはこの頃までの論文です．水惑星実験だけではまだ非現実的で，実際的な計算を行うために早急に海陸分布，陸面過程を導入した実験を行う必要がありました．海陸配置を導入した
実 験 は，試 行 錯 誤 も あ り ま し た が（Miura et al.
2007a；Iga et al. 2007b），2007年に行ったマッデンジュリアン振動（MJO）の再現実験で，成功例を示すことができたと思います（M iura et al. 2007．今後はより多くの事例にとり組むことができるb）

参 考

文

献

Barros, S.R.M ., D.Dent, L.Isaksen and G.Robinson,
1995：The IFS model overview and parallel strategies.Proceedings of the sixth ECMWF workshop on
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aqua‑planet
model. J.
Meteor. Soc. Japan, 64，451‑467.
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icosahedral grid. Part I：Basic design and results oftests. M on. Wea. Rev., 123，1862‑1880.
Iga, S., H.Tomita, M .Satoh and K.Goto, 2007a：
Mountain‑wave‑like spurious waves associated withsimulated cold fronts due to inconsistencies between

でしょう．

horizontal and vertical resolutions. Mon. Wea. Rev.,
135，2629‑2641.

６．今後

Iga,S.,H.Tomita,Y.Tsushima and M .Satoh, 2007b：

ちょうど初めの全球雲解像実験を行った頃（2005年），私自身は東京大学気候システム研究センターに移ることになりました．温暖化予測に使われている大気海洋結合気候予測モデル M IROC に NICAM を並行して開発を進める体制ができることになります．ようやくこの段階で，業界へ認知されるようになったということでしょうか．
全球雲解像モデルは，まだ実験例も少なく，出てくる 結 果 は 皆，新 奇 性 の あ る 情 報 を 含 ん で い ま す．
MJO や熱帯低気圧など熱帯気象，１か月から数か月の季節予報の向上，気候予測の不確実性の低減，高解像度衛星データとの連携などへの利用が今後の方向性でしょう．また，現実からのバイアスを小さくするようなモデルの改良が必要になります．雲物理過程や境界層過程が特に結果に影響するので，これらスキームの 改 良 が 課 題 で す．次 世 代10ペ タ フ ロップ ス コ ン
ピュータ（京速計算機）の開発が進められており，全Climatology of a nonhydrostatic global model withexplicit cloud processes. Geophys. Res. Lett., 34，L22814, doi：10.1029/2007GL031048.
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conformal‑cubic grids. M on. Wea. Rev., 124，1311‑1322.
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vorticity. Part I：Measures of structure. J.Atmos.
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10.1029/2006GL027448.
M iura, H., M .Satoh, T.Nasuno, A.T. Noda and K.
Oouchi, 2007b：A M adden‑Julian Oscillation event

球400m 格子の実験が可能であろうと見積もられていrealistically simulated by a global cloud‑resolvingmodel. Science, 318，1763‑1765.

ます．仮にそれはチャンピオン実験としても，今後全Neale, R.B. and B.J. Hoskins, 2001：A standard test

球雲解像実験はより手軽になっていくと思います．特for AGCM s including their physical parametrizations：I：The proposal. Atmos. Sci. Lett., １，doi：に，私自身は，全球雲解像モデルを使って再度ハドレー循環等の熱帯の力学の理解を深めたいと考えています．モデルはツールであり，それでどれだけ科学的10.1006/asle.2000.0022.
Satoh, M ., 1994：Hadley circulations in radiative‑convective equilibrium in an axially symmetric atmo-な進展があったかを自ら問いつつ，今後も研究を進め
2008年 6月

7456

準一様格子を用いた全球雲解像大気モデルの開発とそれによる熱帯対流雲集団のシミュレーション

sphere. J.Atmos. Sci., 51，1947‑1968.
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explicit and vertically implicit time integration
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769‑772．

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Development of a Global Cloud‑Resolving Atmospheric Model with aQuasi‑Uniform Grid and Numerical Simulation of Tropical Cloud Clusters
Masaki SATOH and Hirofumi TOMITA
Center for Climate System Research, University of Tokyo, 5‑1‑5 Kashiwanoha, Kashiwa, 277‑8568, Japan.
Frontier Research Center for Global Change.
（Received 12 February 2008；Accepted 28 March 2008）

8〝天気" 55．6．