スパコンで探る未来の天気：
気象・気候のシミュレーションの世界

国立研究開発法人

理化学研究所

計算科学研究機構

複合系気候科学研究チーム
FLAGSHIP2020プロジェクト アプリケーション開発チーム

八代

スパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4

尚身近にある気象現象（1）© 2013 Nikkei Inc.

© 2013 The Sankei Shimbun & Sankei Digital

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身近にある気象現象（2）
平成27年9月関東・東北豪雨© Météo-France（研）防災科学技術研究所

水・土砂防災研究ユニット webページよりスパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4

国土交通省 webページより

気候と人間のかかわり

緑の色の国で栽培されている作物はなんだろう？

気候の変動は何を変えるか？
生態系分布、 生物多様性、人間活動（農林水産業、文化、経済）、etc..
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明日の天気は？
未来の子供が暮らす世界の気候は？

同じ地球は２つ無い→計算機でもうひとつの地球をつくり出す

第３の科学的手法＝シミュレーション理論
実験・観測

数値シミュレーション
コンピュータによる計算

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世界初の数値気象予報
L.F.リチャードソン（イギリスの科学者）
計算で６時間後の地上気圧を予測：手計算で６週間かけて行ったリチャードソンは後に出版した本で、「円形劇場に64000人を集めて計算すれば、全球の気象予報もできるはず」と言った→リチャードソンの夢

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コンピュータの登場
ENIAC
フォン・ノイマン

気象学者は、最も古いコンピュータユーザー
最初のコンピュータENIACによるシミュレーション
スパコンを使ったシミュレーションが、毎日世界中で行われている：気象予報の今の主流スパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4

気候変動の予測
第１作業部会報告書 政策決定者向け要約

SPM

IPCC第五次報告書

政策決定者向け要約より

Climate Change 2013: The Physical Science Basisより

世界中の人が対策を話し合う場で、シミュレーションの結果が役立てられている
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未来を知ることの難しさ
気象予報も、気候予測も、未来を知るためのもの
持ちうるすべての知識・理論を結集し、スパコンを用いて、シミュレーションを行っている

今の状態を正確に知る

未来の状態を予測する
シミュレーション

予測が外れてしまう原因
計算時間の短縮のために、簡略化していることがある：計算量が膨大すぎて、スパコンのパワーが足りない
まだ詳しくわかっていない物理的現象がある（かも）：シミュレーションモデルの中でうまく表現できていない
今の状態を正確に知るのも難しい：すべてを観測できない

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気象モデルのしくみ

地球上の空間をある大きさ(解像度)で分割して計算する
・地球の大気全体を計算
・一部分をとりだして細かく計算
気象庁webページより大気の運動エネルギーや熱エネルギーの時間・空間的な変化を順々に計算する
細かい現象をすべて表現出来ているわけではない：簡略化や抽象化によって現象を表現する（パラメタリゼーション）
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格子点数＝空間解像度の問題
28kmメッシュ

14kmメッシュ

格子点数とシミュレーションの再現性について
7kmメッシュ

1.7kmメッシュ

3.5kmメッシュ

870mメッシュ

格子の数が多い（解像度が高い）
ほど、より細かいスケールの現象を捉えることができる
簡略化していた過程をちゃんと表現できるようになる！
ただし、計算量は爆発的に増える：
水平解像度を倍にすると計算量は８倍

Visualized by 吉田龍二 (RIKEN AICS)

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データ同化（１）ターゲットにする特定の日時からのシミュレーションを実行したい
適当に作った初期値
実際の大気の特定の日時からの計算になってない！

結果が落ち着くまで繰り返す

観測データが足りないところの初期値が決まらない！

世界中で観測された大気の値（風速・気温・気圧・湿度など）

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データ同化（２）データ同化
新たな初期値として繰り返す

ターゲットにする特定の日時からのシミュレーションを実行したい

精度UP!

融合!
観測データ

数学的な手法を用いて、シミュレーション結果を観測データで修正する
通常のシミュレーションよりももっと計算量が必要→スパコンの性能アップで可能にスパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4

全球高解像度モデルNICAM
Non-hydrostatic Icosahedral Atmospheric Model(NICAM)：非静力正20面体大気モデル

それまでの全球大気モデルの水平解像度は100km程度だった
熱帯の雲はパラメータ化して表現
NICAMが可能にしたもの
数km〜十数kmでの超高解像度シミュレーション：熱帯の雲群がちゃんと個別に表現される
新しい時代のスパコンの能力を使い切る：並列性を意識した設計

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世界最高解像度の実験（１）Visualized by 吉田龍二 (RIKEN AICS)

全球870mメッシュシミュレーション（京の20480ノード、163840計算コアを使用）

世界最高解像度の実験（２）Visualized by 吉田龍二 (RIKEN AICS)

アマゾン上空でつくられる雲の一日での変化

近未来の気象シミュレーションのキーワード
リードタイム（猶予時間）
大雨や暴風が起こりそうな時に、警報や注意報を発表してから実際に起こるまでの時間＝住民が避難行動をとるための時間
広義には「気象災害が起こる可能性を、何時間前からシミュレーションで精度よく予測できるか？」といったときの時間

ビッグデータ
多種多様なデータ以前に、データのサイズが超巨大観測データも、シミュレーション結果のデータもスパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4

超高解像度シミュレーション＋ビッグデータ同化

Youtube理研チャンネル「「京」と最新鋭気象レーダを生かしたゲリラ豪雨予測」より

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雷のシミュレーション

Simulated & Visualized by 佐藤陽祐 (RIKEN AICS)

雲や雨の変化だけでなく、電場や放電を同時にシミュレーション
雪やあられがぶつかってこすれる時に、電荷が偏る→雲内や雲・地面間で放電
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まとめ
天気予報・気候予測は私たちの生活と結びついているシミュレーションによって、大気中で起こる様々な現象をコンピュータの中で表現しようとしている
スパコンのパワーが、シミュレーションのために日々活用されている

未来を予測することは大きな挑戦である
より良い予測のために、それぞれの現象の再現性を上げなければいけな
いし、それらの相互作用についてまだわかっていないことが多い
観測技術の発達によって得られた新しい観測データをどんどん活用する
問題を速く多く解くために、より性能の高いスパコンが求められているスパコンを知る集いin宇都宮 2017.3.4