局地気象数値モデルの高解像度化における底面境界条件の影響に関する研究
環境システム工学専攻 2 年 水文気象研究室 石島 伯紀
指導教員 熊倉 俊郎
１、はじめに新潟県をはじめとする本州日本海側の積雪地

２、データと手法
2.1 気象庁非静力学モデル(JMA-NHM)

域では冬季の降雪水量が非常に多く、雪害や事地上風速の推定には気象庁で防災気象情報の故の原因となる。降水量計による降雪の観測でために現業利用されている局地気象モデルで、は、測器周辺の風の影響により捕捉される降水局地的な地形の影響を受ける風は静力学近似を量が少なくなる問題がある。横山ら(2003)によ行わない非静力学モデルのほうが正しく表現でれば降水量計に対する雪の捕捉損失は降水量のきる JMA-NHM を使用した。気象数値モデルは、４割以上になる。そのため、風速を観測してい大きいモデルの一部分を切り取り領域を取るのない地点も合わせ観測値に対して風速による捕で、初期条件、境界条件が必須である。

捉率補正を行うことが必要となる。

2.2 使用データ

風速の推定において、大倉(2010)によれば防解析に使用したデータは、雪氷防災研が気象災科学技術研究所雪氷防災研究センター(以下、 庁メソ数値予報モデル格子点値(MSM-GPV)を基雪氷防災研と称する)が計算した気象庁非静力に初期条件、境界条件として JMA-NHM を用いてモデル(以下、JMA-NHM と称する)を用いたネスネスティングを行い計算した新潟県周辺領域

ティングによる予報計算の風速推定値、JMA-NHM

1.2km 解像度の計算結果(以下、NS012 モデルとの高解像度化により求める力学過程のみの計算称する)である。この計算結果を DA の初期条件、とした手法 Dynamic Adaptation (以下、DA と境界条件とした。この NS012 モデルの底面境界称する)を用いた風速推定値とアメダス風速観条件の作成では、地表面パラメータに国土地理測値を比較した結果、DA 風速推定値が主に平野院が作成した国土数値情報 土地利用データを、部に位置する地点において精度の向上が認めら

地形に USGS GTOPO30 を使用している。計算期間れている。しかし、今まで利用してきた雪氷防は、2010/11 年冬季(2011 年 1 月 16 日 9 時 JST

災研の予報計算は、吹雪予測の改善のためモデ～1 月 19 日 2 時 JST)の 66 時間を用いた。

ルの地表面パラメータの地表面粗度を積雪面に2.3 Dynamic Adaptation対応するための条件に更新を行なった。そのたDA とは、ある時刻、ある領域での大気状態を、め、特殊な境界条件を新たに用いることになり、 初期条件、境界条件一定の条件で収束計算によDA も同時に各種パラメータの再設定が必要となり推定し、定常状態に達した時の大気状態を推る。ここで、より正確な風速の推定を行なうた定値とする手法である。結果的に、物理過程をめに国土数値情報土地利用データを用いて現実省いた最低限必要なパラメータと力学過程のみに近い地表面粗度を算出し、DA に導入した。の収束計算を行うことにより推定し、地形など結果として、予報計算と同等の境界条件では、 の底面境界条件の影響が推定値に強く反映されDA の境界条件を変更せざるを得ないことが明らる計算である。

かとなり、予報計算と同様の JMA-NHM を用いて1)条件設定

底面境界条件の地表面パラメータの変更した風速推定の妥当性について検討した。

座標系については、水平に各対象観測点を中心とした格子間隔 500m、格子数 50×50 の等距離格子、鉛直は最下層で地表に沿い、モデルのトップで水平な高度面となる Z*座標系を用い最パラメータを用いた雪面粗度調整を行なった。

低層で 10 m、最上部の約 13000 m 上空で格子間これらを基に JMA-NHM の底面境界条件として与隔約 700 m になる 38 層の不等間隔格子を定義

える地表面粗度データを図と図に示す。図は粗した。初期条件と側面境界条件値は NS012 モデ度 1 を、図は粗度 2 を用いて作成した。2 種をルから 1 時間毎に作成する。底面境界条件は実比較すると図はたいへん小さい粗度の設定にな地形に近いデータを作成した。また、物理過程っていることがわかる。ここで、GTOPO30、国土は風速推定のために最低限必要と思われる乱流数値情報と粗度 1、粗度 2 の組み合わせをそれ過程のみを考慮した。

ぞれ G1、G2 と K1、K2 と称する。

地形
GTOPO30

MSM-GPV (10km解像度)：初期値・境界値
計算：NHM 力学過程・物理過程
ネスティング
NHM日本海領域 (10km解像度)：初期値・境界値
計算：NHM 力学過程・物理過程

地形
GTOPO30

雪氷防災
セン
ター数 に値 よ計 る算

ネスティング
NS012モデル (1.2km解像度)数値予報計算結果

粗度②一般的な値の設定

粗度①親モデルと同じ設定
初期値

境界条件 (一定)

NHM・Dynamic Adaptation数値計算
計算：物理過程・乱流のみ
格子間隔 : 500 m 格子数 : 50 × 50

地形国土数値情報

DA数値計算結果①Time0003

本研
究に数 よ値 る計算

DA数値計算結果②06091215182124

Practically usable data

MSM-GPVNHM日本海10km格子分類
粗度①〔m〕 粗度②〔m〕 雪面調整の有無
水田0.00100.3000○農耕用地
0.00100.3000○森林
1.00003.0000荒地
0.00100.1000○
建物用地
1.00003.0000交通用地
0.00101.0000○その他用地 0.0010
0.5000○河川湖沼
0.00020.0500海浜
0.00100.1000○海水域
0.00020.0010ゴルフ場
0.00100.4000○雪面
0.00100.0010Practically usable dataspin-up

ネスティング新潟
1.2km格子

表１ 土地利用データの分類毎に設定した粗度の値

spin-upPractically usable data

Dynamic Adaptation 500m格子

図１ NHM と DA の数値計算フロー

2)底面境界条件の設定
地形データは、NS012 モデルに用いられている GTOPO30 の 1km メッシュを、高解像度の国土数値情報 50m メッシュ標高データを用いて、それぞれ 500m メッシュに平滑化した 2 種を作成した。さらに NS012 モデルには吹雪に対応するための粗度が用いられている。2 種の異なる粗度パラメータ(表１)を設定した。国土数値情報土地利用データを用いて NS012 モデルと同じ設定で粗度 1、MSM で用いられている一般的とする値で粗度 2 を与えた。これらを用いて、格子に与える粗度の値は、各格子内の土地利用分類の面図２ 粗度①(上)と粗度②(下)の地表面粗度データ積比率に重み付けをした値を与えた。さらに、
NS012 モデルの吹雪予測の積雪面に対応するた

3)対象領域めの条件に合わせるため 11 分類の土地利用分

領域は新潟県内のアメダス 4 要素観測点を中類の内、田や交通用地など 7 分類に対して雪面心にした領域とし、平野部から長岡、山間部から小出と NS012 モデルでの吹雪予測の対象域に近い巻の 3 観測地点を対象とした。以下、対象観測点に対して領域を用いて称する。
4)収束条件の設定
格子数が同じであれば、収束時間もほぼ等しくなることと考え、2010 年 2 月 6 日 16 時〔JST〕
における十日町領域の計算で得られた収束時間30 分を各領域、各時刻の計算にも適用した。
2.4 計算結果の除外処理
DA により求めた風速を用いて捕捉率補正を行なう場合、風向・風速の挙動の再現性が良い状

図３ 長岡・K1 と K2 の DA 推定風速時系列比較

況でないと正しい結果が得られない。そこで、

去の風速が比較的弱い研究では見られていない推定風速の利用をしても正しい結果を得ること

ため、狭領域の計算に対する、初期値と DA の組のできないと考えられる時刻については、水平合せが強風時に本当に妥当なのかという問題が面図により共通して見られる除外する現象と計起きていることが推測される。この様な状況の算による風速の増減幅から定める除外する閾値

時刻には共通する現象が確認できたことから、の 2 種の規則を定め除外処理をした。

風速の推定値に対して利用できない可能性のあ３、結果と考察る計算時刻とした。さらに、各実験結果におい数値計算は親とするモデルと同じ設定を用いて高度 10m の風速を初期値から定常推定値を領て解析を行なう。NS012 モデルと同じ底面境界域平均で増減をとったところ、長岡領域では

条件 G1 で実験を行なったところ、あまり良い6m/s も減少する時刻があり、5m/s 増加する時刻結果を得ることができなかった。そこで、一般もあった。ここでは、各時刻で高度 10m、中心的な値とする粗度 2 と国土数値情報 50m メッシ付近の 10×10 格子の領域平均として初期値にュ標高データを地形に用いて解析を行った。全対する風速の増減幅を算出し、水平面図から判体的に風速の強い 2011 年 1 月 16 日 9 時〔JST〕

定される再現性の悪い結果を全て取り除くもの～19 日 2 時〔JST〕までの長岡領域の K1 と K2として、±2m/s を除外する閾値として設定した。の風速推定結果について図 3 に示す。また、縦除外処理を長岡領域と巻領域の K1 と K2 に対軸は風速(m/s)、横軸は時間(hr)を示す。図中の凡して行った結果として表 2 に除外処理後の ME の例は上からアメダス風速観測値、NS012 モデル、 比較を示す。ME は推定値の観測値からの系統的K1 の DA 推定値、K2 の DA 推定値の順に示してな偏りを示すもので、0 に近いほうが精度が高いる。長岡領域では平均誤差(ME)は K1 の 1.1m/sい指標であるため、除外後は ME のみで評価を行と K2 の-0.4m/s、平均二乗平方根誤差(RMSE)はった。長岡領域では K2 の ME は約 0.1m/s に、巻K1 の 2.4m/s と K2 の 2.0m/s の結果で、風向風速領域では K2 の ME は 0.0m/s に精度が向上した。の挙動の再現性は過去の研究から見ると低い。

RMSE については、除外処理において閾値を±ここで、正しい結果とする時刻で DA 推定風速2m/s と設定していることから、結果的に RMSE値の検討をするために、除外処理を行った。長は 2m/s 以下を示すため、その評価は行っていな

岡領域での除外対象となる時刻の例図を図 4 にい。表 2 の除外後の ME に関しては、長岡・K1示す。図 4 は領域の境界から強い風が流れ込むは 66 時間中、44 時間、K2 では 46 時間を採用し状況と中心付近が徐々に弱くなっていく状況でた。巻・K1 は 52 時間、K2 では 57 時間と同じ様ある。再現性が非常に悪い状況については、過な傾向が見られた。全ての実験において採用されたサンプル件数は異なっているため、AMeDASと考える。

平均値と NS012 モデルの値もそれぞれ異なる値である。図 5 に結果的に採用した時間による時系列比較を示す。
結果的に、大倉(2010)では長岡や巻の様な平野部では精度が良くなるとしている。しかし、本研究での粗度 1 を用いた実験では ME は悪くなっている。そのため、粗度の値を大きくした粗度 2 を導入し実験を行ったところ、ME の値が良くなっていることから、親モデルから地表面パラメータを引き継いで計算することが出来ないことがわかった。これらの要因として考えられることは、親モデルの問題とモデルのシステムの問題がある。親モデルはとても小さい粗度を用いていること、システムは狭領域に対応できない可能性があることが挙げられる。
４、結論

図４ 長岡・K1 の除外処理対象例

雪氷防災研が行った吹雪予測のために更新し(上図)初期値(左)から推定値(右)増加する状況

た NS012 モデルを初期条件、境界条件として、(下図)初期値(左)から推定値(右)減少する状況

NHM を用いた Dynamic Adaptation による風速の推定を長岡、小出、巻の 3 地点で行い、底面境界条件（地表面粗度、地形データ）の影響の把握と妥当性の検討について、次の結果を得た。


除外後の ME は長岡・K1 で 0.8m/s と K2 で0.1 であり差が 0.7m/s、長岡・K2 ではアメダス平均風速 3.4m/s に対し、ME=0.1m/s の結果を得た。巻・K1 で 0.5m/s と K2 で 0.0m/sであり差が 0.5m/s と、粗度 2 を用いたほうが過大評価を低減できた。

粗度の値を大きくした粗度 2 を導入し、ME

表２ 除外処理後の ME による比較
風速 〔m/s〕
除外前の値が良くなっていることから、親モデル観測地点から地表面パラメータを引き継いで計算す長岡 粗度①ることが出来ないことがわかった。


図５ 除外処理後の長岡・K1 と K2 の時系列結果

この NS012 モデルは吹雪が発生しやすい平野部での精度向上を目的とする地表面パラAMeDAS
平均値

NS012

4.30.2

粗度②
巻 粗度①7.4

粗度②メータを適用している。そのため、Dynamic

除外後DAAMeDAS
平均値

NS012

DA

1.1

3.8

0.70.8

-0.4

3.4

0.6

0.1

1.0

7.5

0.3

0.5

0.0

7.5

0.0

0.0

0.4

Adaptation にこの NS012 モデルを初期条件、 ５、参考文献
境界条件を用いるためには、地表面パラメ

1) 大倉(2010)：高解像度化した局地気象数値モータを検討の上、推定する対象に合わせ地デルによる地上風速の推定に関する研究

表面パラメータや領域の設定が必要である