⼤気の⽔循環を追跡する⾼解像度シミュレーション―次世代の⽔同位体・⼤気⼤循環モデルの開発―

2023 年 12 ⽉ 6 ⽇(⽔)
国⽴研究開発法⼈国⽴環境研究所
気象庁気象研究所
国⽴⼤学法⼈東京⼤学⽣産技術研究所
国⽴研究開発法⼈海洋研究開発機構
国⽴⼤学法⼈東京⼤学⼤気海洋研究所
⽔同位体は、⼤気中の⽔循環を追跡可能なトレーサーです。しかし、積乱雲やそれが集まった巨⼤な雲の中では、⽔同位体が複雑に変化するため、⽔循環を追うのが困難でした。そこで、国⽴研究開発法⼈国⽴環境研究所、気象庁気象研究所、国⽴⼤学法⼈東京⼤学⽣産技術研究所、国⽴研究開発法⼈海洋研究開発機構、国⽴⼤学法⼈東京⼤学⼤気海洋研究所の研究グループは、積乱雲やそれらが集まった巨⼤な雲を表現できるモデル（NICAM）を⽤いて、次世代の⽔同位体モデル NICAM-WISO を開発しました。本研究では、このモデルを⽤いて、これまでの⽔同位体モデルを遥かに超える（10 倍相当の）⽔平解像度でシミュレートすることに成功しました。NICAMWISO は、⽔同位体⽐の地理的な分布だけでなく、⽔同位体⽐と気象要素（降⽔量や気温）との関係も良く再現できました。また、⽔同位体の変動を詳細に解析することで、NICAM がもともと持つシミュレーション誤差（バイアス）の⼀部の原因を識別できました。このような識別⽅法は、他のモデルにも活⽤できる点で意義があります。本研究により、⽔循環を追えるようになったことから、気象現象のメカニズム解明への貢献が期待されます。
本研究の成果については、2023 年 12 ⽉ 6 ⽇付で⽶国地球物理学連合が発⾏する専⾨誌『Journalof Geophysical Research ‒ Atmospheres』にて発表されます。
ポイント


湿潤⼤気の対流を表現できる⽔同位体・全球⾼解像度⼤気モデル（NICAM-WISO）を開発し、これまでの⽔平解像度を遥かに超える現在気候の再現シミュレーションを実施した。

モデルは⽔同位体⽐の地理的な分布だけでなく、⽔同位体⽐と降⽔量や気温といった気象学的な関係性も良くシミュレートすることができた。

NICAM-WISO による⾼解像度のシミュレーションは、幅広い⽬的に対応した代替データとしての利⽤可能性、過去の気候への理解・復元、気候モデルの⾼度化、気象予測への応⽤といった価値がある。

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1. 研究の背景
⽔は⽣命を維持する上で、必要不可⽋な存在です。しかし、その分布が偏ると、洪⽔や渇⽔といった⾃然災害を引き起こします。これらの⾃然災害を精度良く予測するためには、⽔の分布の偏りに加えて、⽔がどこで蒸発し、どのように輸送され、他の⽔と混ざるのか、といった⽔の循環を精確にモニタリングする必要があります。しかしながら、通常の気象観測では、このような変動をモニタリングすることができません。
⽔循環の詳細な変動をモニタリングする上で役に⽴つと考えられているのが、「⽔の安定同位体（以下「⽔同位体」という。）」です。⽔同位体は、⾃然界に存在する重い⽔のことであり、⽔全体に占めるその割合（⽔同位体⽐）は、⽔循環の中で変化してきた履歴を保持します。具体的には、⼤気中のとある⽔蒸気がその場所に⾄るまでの気体から液体への変化（相変化）の履歴という、⽔循環の把握に極めて有⽤な情報を保持しています。ただし、⽔同位体⽐の変動は、⼤変複雑で、その変動を紐解くためには⽔同位体を実装した⼤気⼤循環モデル（以下「⽔同位体モデル」という。）が必要となります。これまで多くの⽔同位体モデルが開発されてきましたが、そのほとんどの⽔平解像度は、100 km 以上と粗く、積乱雲やそれが複数集まった巨⼤な雲が⽔同位体⽐の変動に与える影響を⼗分にシミュレートできませんでした。また、⼀部の地域のみを対象とした領域気象モデル
では、限られた領域内における個々の積乱雲を⾼い⽔平解像度により表現することができますが、領域モデルの外から流⼊する⽔蒸気が⽔同位体⽐に与える影響を無視することはできません。そのため、全球を覆いかつ⽔平解像度が⾼く、かつ積乱雲やそれらが集まった巨⼤な雲を表現できる次世代の⽔同位体モデルの開発が求められていました。

2. 研究⽬的
本研究グループは、全球を⾼い⽔平解像度でシミュレートし、積乱雲やそれらが集まった巨⼤な雲を表現できる全球⾼解像度⼤気モデル NICAM（注釈１）に着⽬しました。本研究では、そのモデルに⽔の安定同位体の循環過程（WISO）を実装した NICAM-WISO を開発し、このモデルを⽤いて、現在気候を対象とした再現シミュレーションを実施することを⽬的としました。

3. 研究⼿法
NICAM-WISO は、NICAM の中で⽔循環を計算する部分に、⽔同位体を追加することで開発しました。
多くの⽔同位体モデルでは、雲や降⽔に関連した⽔同位体の計算部分でモデルパラメータの調整（以下「チューニング」という。）が必要となりますが、NICAM-WISO では、従来のモデルとは異なる雲や降⽔に関するスキームを⽤いているため、そのようなチューニングが不要となりました。
本研究では、開発したモデルを⽤いて、⽔平解像度を 14 km と設定した現在気候の再現シミュレーションを実施しました。この⽔平解像度の設定は、これまで実施された⽔同位体モデルの気候シミュレーションの中で、最も⾼いものとなっています。シミュレーションは、スーパーコンピュータ「富岳」（注釈２）で⾏いました。本研究で⾏ったシミュレーションは、富岳を利⽤することで初めて可能となったものであり、その計算量は、2,560 個の計算ノード（10,240 プロセス）を 3 週間ほど使った量となりました。

4. 研究の結果と考察開発したモデルによるシミュレーションの精度を評価するために、シミュレーションの値と観測さ2/7れた値とを⽐較しました。その結果、モデルは、降⽔量や蒸発量といった⽔の循環を構成する要素だけでなく、降⽔や⽔蒸気の同位体⽐についても良くシミュレートできました。例として、図１に降⽔同位体⽐の年平均値を⽰します。観測された降⽔の同位体⽐は、「緯度効果」と呼ばれる、熱帯域で⾼く、極域で低い分布パターンを⽰しました。シミュレーションでも、この緯度効果が⾒られ、地理的な分布を良くシミュレートできました。この他にも、モデルは、気温が⾼くなるほど降⽔の同位体⽐が⾼くなる「温度効果」や、降⽔量が多いほど降⽔同位体⽐が低くなる「降⽔量効果」についても良くシミュレートできました。ここで特筆すべきは、NICAM-WISO による再現シミュレーションは、チューニングが不要なようにスキームを開発しましたが、そのようなスキームでも⼗分な性能を⽰したことです。これは現在の気候と⼤きく異なる環境（例えば、過去や将来の気候）であっても、モデルは⽔同位体⽐を⼗分にシミュレーションできる、つまり、現在とは異なる環境の⽔循環を追跡できる可能性があることを⽰唆しています。

図１. ⽔平解像度 14 km でシミュレートされた降⽔同位体⽐の年平均値（シェード）。プロットは全球降⽔同位体ネットワークにより観測された値。年間降⽔量が少ない地域は⽩枠でマスクした。
⼤気⼤循環モデルは、もともとシミュレーション誤差（バイアス）を持ちますが、その原因には複数の要因が関連していると考えられ、絞り込むことは簡単ではありません。今回、⽔同位体⽐の変動を詳細に解析することで、⼤気⼤循環モデルが持つ⼀部のバイアス原因を識別することができました。例えば、本研究で使⽤したモデル（NICAM）は、熱帯の対流圏中層域（⾼度 2~5 km）において、⽔蒸気量を観測よりも過⼩評価しやすい傾向がありました。この要因について、衛星から観測された⽔蒸気の混合⽐と同位体⽐との関係から考察したところ（図 2）、モデルのバイアスは、境界層（⾼度 2 km 以下）にある⽔蒸気との混合が弱いこと、蒸発率が⼩さい⾬粒の蒸発量が少ないことが原因であることがわかりました。このようなモデルバイアスの識別は、NICAM の性能を向上させるためのヒントとなるだけでなく、他の⼤気⼤循環モデルにも適⽤することで、適⽤したモデルの性能向上にも繋がると考えられます。

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図２. 衛星観測および NICAM-WISO によりシミュレートされた⽔蒸気の混合⽐と同位体⽐との関係。等値線はデータの確率密度分布を意味する。⽔蒸気量が減る場合はマゼンタ⾊の凝結ラインに沿って、⽔蒸気量が増える場合はシアン⾊の混合ラインに沿って変化する。

5. 社会的意義
本研究の社会的意義として、代替データとしての利⽤可能性、過去の気候への理解、⼤気⼤循環モデルの⾼度化が考えられます。
 （利⽤可能性）例えば、⽔⽂学や地球科学分野では、地下⽔や河川⽔の流動を調査するために、観測された降⽔の同位体⽐が利⽤されます。その観測を⼗分に⾏うのが難しい場合、再現シミュレーションの結果が代替データとして利⽤できる可能性があります。シミュレーションは、⾼い⽔平解像度で⾏われ、かつ⼗分な性能を持つため、幅広い⽬的に対応した代替データとしての利⽤価値があると考えられます。
 （過去の気候への理解）⽔の安定同位体は、過去の気候を理解・復元する際に利⽤される最も優秀なトレーサーです。NICAM-WISO は、⽔同位体に関するチューニングが不要であるにも関わらず、⽔同位体⽐を⼗分にシミュレートすることができます。そのため、NICAM-WISO による過去の気候シミュレーションは、過去の気候を理解・復元するための参照データとして役⽴つと考えられます。
 （⼤気⼤循環モデルの⾼度化）多くの⼤気⼤循環モデルによって将来の気候変動が予測されていますが、降⽔や雲の形成に関してはモデル間でのばらつきが⼤きく、その原因を明らかにしていく必要があります。原因を絞り込むには⼤変難しい作業が必要となりますが、このような絞り込みにおいて⽔同位体はその⼀助となり得ます（図２参照）。⼤気⼤循環モデルの⾼度化に貢献していくことは、将来の気候変動を⾒据えた持続可能な社会基盤を構築するための基礎情報の創出に繋がると考えられます。

6. 今後の展望
今後の展望としては、気象予測への応⽤が考えられます。具体的には、衛星から観測された⽔蒸気の同位体⽐をシミュレーションに取り込み、それによってシミュレーションの精度を向上させるこ4/7

とを⽬指します。衛星から観測された⽔蒸気の同位体⽐データは、⾼頻度かつ⾼い⽔平解像度を持つため、このような観測データをより多くシミュレーションに取り込むことが気象予測の精度を向上させるキーポイントとなります。このとき、シミュレーションの空間解像度が⾼いほど、細かい空間スケールで衛星観測されたデータをより多く取り込むことができます（図３）。NICAM-WISO
は、数 km スケールの超⾼解像度で⽔蒸気の同位体⽐をシミュレートできますので、100 km 以上であった従来のスケールに⽐べて、衛星観測された⽔蒸気の同位体⽐をより多く取り込むことが可能となります。これにより、環境場の予測精度の向上が期待できます。

図３.⾼解像度化により、より多くの観測データを利⽤できることを⽰すイメージ図。モデルは格⼦で区切られていて、セルの１つ１つをシミュレートする。衛星が通った経路を⻩⾊で⽰していて、その経路内について観測データを得ることができる。基本的に、モデルは１つのセルごとに１つの観測しか利⽤できないが（⻘丸）、⾼解像度化することで（右図）より多くの観測データが利⽤できるようになる。

7. 注釈
1

全球⾼解像度⼤気モデル NICAM

NICAM は Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model の略。全球の⼤気を超⾼解像度でシミュレーションすることのできる気象・気候モデル。従来の全球気象モデルでは、⼤規模な⼤気の循環と雲の発⽣や降⽔プロセスとの関係について、⽔平解像度が不⾜しているためになんらかの仮定が必要とされ、不確実性の⼤きな要因となっていた。NICAM は地球全体で雲の発⽣や挙動を忠実に表現することにより、⾼精度のシミュレーションを実現している。
2

スーパーコンピュータ「富岳」

社会的・科学的課題の解決で⽇本の成⻑に貢献し、世界をリードする成果を⽣み出すことを⽬的として開発された⽇本最⾼性能のスーパーコンピュータ。電⼒性能や計算性能、ユーザーの利便性やビッグデータ・AI 研究の加速等、総合⼒において世界最⾼レベルのスーパーコンピュータとして2021 年度より共⽤が開始されている。

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8. 研究助成
本研究は、JSPS 科研費番号 23K11398、22H04938 および「富岳」成果創出加速プログラム「防災・減災に資する新時代の⼤アンサンブル気象・⼤気環境予測（研究代表者：佐藤正樹）」による⽀援を受けて⾏われました。また、「富岳」成果創出加速枠「防災・減災に資する新時代の⼤アンサン
ブル気象・⼤気環境予測（課題番号：hp200128、hp210166）」による⼤型計算機資源の助成を受けて⾏われました。

9. 発表論⽂【タイトル】
Modeling water isotopes using a global non-hydrostatic model with an explicit convection: Comparison
with gridded datasets and site observations（対流を陽に解く全球⾮静⼒学モデルによる⽔同位体のモデリング：グリッドデータセットおよび現地観測との⽐較）【著者】
Masahiro Tanoue, Hisashi Yashiro, Yuki Takano, Kei Yoshimura, Chihiro Kodama, Masaki Satoh【掲載誌】Journal of Geophysical Research – Atmospheres【DOI】https://doi.org/10.1029/2021JD036419（外部サイトに接続します）

10. 発表者
本報道発表の発表者は以下のとおりです。
国⽴環境研究所
地球システム領域 衛星観測研究室
主任研究員 ⼋代 尚（やしろ ひさし）
気象庁気象研究所
研究官 ⽥上 雅浩（たのうえ まさひろ）：筆頭著者、論⽂責任者（論⽂投稿時国⽴環境研究所 地球システム領域 衛星観測研究室）

東京⼤学 ⽣産技術研究所
教授 芳村 圭（よしむら けい）
海洋研究開発機構 地球環境部⾨ 雲解像モデル開発応⽤グループ
副主任研究員 ⼩⽟ 知央（こだま ちひろ）
東京⼤学 ⼤気海洋研究所教授

佐藤 正樹（さとう まさき）

東京⼤学 ⼤学院理学系研究科
博⼠課程

⾼野 雄紀（たかの ゆうき）

11. 問合せ先【研究に関する問合せ】
国⽴研究開発法⼈国⽴環境研究所

地球システム領域

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衛星観測研究室 主任研究員

⼋代尚yashiro.hisashi（末尾に”@nies.go.jp”をつけてください）029-850-2108
気象庁気象研究所
研究官

気象観測研究部

⽥上 雅浩

masatano（末尾に”@ mri-jma.go.jp”をつけてください）029-828-5313【報道に関する問合せ】
国⽴研究開発法⼈国⽴環境研究所

企画部広報室kouhou0（末尾に”@nies.go.jp”をつけてください）029-850-2308
気象研究所

企画室

広報担当

ngmn11ts（末尾に"@mri-jma.go.jp"をつけてください）7/7