高解像度数値予報のためのデ タ同化シ テ
データ同化システムの開発
開発
幾田泰酵, 藤田匡, 小野耕介, 石川宜広
（気象庁予報部数値予報課）

現業メソ・局地数値予報システム(1/3)( / )• 気象庁は、防災情報提供支援を主な目的にメソモデル(MSM)及び局地モデル(LFM)を現業運用している。
– MSMとLFMは、予報モデルとして JMA‐NHM (Saito et al. 2006)、初期値を作成する解析システムとしてJNoVA(本田・澤田 2009)が用いられている。てる。
Local NWP System
Global NWP System
Global Spectral Model (GSM)
Global Analysis (GA)Meso-Scale NWP System
Meso-Scale Model(MSM)
Meso-Scale Analysis (MA)Resolution ~20km

Resolution 5km
6th WMO Symposium on Data Assimilation

Local Forecast Model (LFM)
Local Analysis (LA)Resolution 2km
Domain 1581 x 1301
covering the whole Japan2

現業メソ・局地数値予報システム(2/3)( / )6th WMO Symposium on Data Assimilation3数値予報 利用数値予報で利用している観測
る観測
高層観測（写真：気象庁HP）

地上観測

ブイ観測
（写真：気象庁HP）（写真：仙台管区HP）

ウィンドプロファイラ
ドプ（写真：東京管区HP）

GNSS受信機（写真：観測部提供）

海上観測（写真：気象庁HP）
航空機観測（写真：YS提供）

直接観測

台風ボーガス（ドップラー）レーダー（写真：大坂管区HP）

リモートセンシング 遠隔観測

疑似観測

DMSP（image: ©NASA ）NOAA(image: © NOAA)

Metop(image: © ESA)

（準）現業衛星

MTSAT（画像：気象庁HP）
GRACE‐A

METEOSATGNSS掩蔽衛星

（image: ©NASA ）(image: © ESA)Aqua（image: ©NASA ）COSMIC

TRMM(image: ©UCAR（image: ©NASA ）C/NOFS
image: ©US AirForce

地球観測衛星GOES(image: ©GOES（NOAA)

静止軌道衛星TerraSAR‐X

Terra（image:©NASA ）image: ©EADS Astrium.

4

低軌道衛星

観測データ分布（メソ・局地解析）
メソ解析
地上海上観測

局地解析
高層観測

航空機観測・疑似観測

スロット0（ゾンデ、WP、DR、Ref）

スロット1

大気追跡風

GNSS可降水量

スロット2

降水量
（RA 衛星）（RA、衛星）スロット3
静止衛星放射輝度

衛星鉛直探査計（気温）

衛星鉛直探査計放射計

衛星鉛直探査計（水蒸気）

衛星MW放射計

AMeDAS

高層観測

地上海上観測（ゾンデ、WP、DR、Ref）

GNSS可降水量

大気追跡風

航空機観測

現業メソ・局地数値予報システム(3/3)( / )• 現在、数値予報課では、JMA‐NHMの後継となる新しい予報モデルの開発を進めている。
デ• 次世代非静力学モデル“asuca” (河野 他2011)– 現業局地数値予報システムへの導入を目的としている。
– 現在、精度検証及び精度向上のための開発を進めている。

• asuca を基にした変分法データ同化システム“asuca‐Var”
を基にした変分法デ タ同化システム“”– asucaの初期値を作成するための解析システムである。
– こちらも現業局地数値予報システムとの性能比較及び検証を進めている。

ASUCA‐VARの概要の概要

asuca‐Varの開発動機と背景
開発動機 背景① 現業メソ・局地解析の開発–

変分法デ タ
変分法データ同化システム•–

接線形・随伴(TL/AD)コードは、基となる予報モデルの非線形コード(NL)と整合している必要がある。

予報モデル JMA‐NHM と解析システム JNoVA•

それぞれ異なるコード管理の下で開発が進められた–•–

開発段階で（部分的なものを含め）何度かマ ジしているが開発段階で（部分的なものを含め）何度かマージしているが…

結果として、両者のNL が乖離してしまっている。

このような現状の改善を目的に、NLとTL/ADを統一的に管理することにした。

② 新規観測データ利用のための開発–

現状 観測演算子と予報モデル 解析システムとが強く依存している
現状、観測演算子と予報モデル・解析システムとが強く依存している。

–

観測演算子の独立性を高めることで、実装の簡略化や汎用性を高め、開発効率を向上させる。
効具体 な設計方針( )具体的な設計方針(1)①現業メソ・局地解析の開発• NLとTL/ADを統一的に管理– 具体的には
具体的には…
• 同一サブルーチン内にNL とTL/ADを共存させる– モードスイッチパラメータの切り替えでその機能が切り替わる• NL のコードを更新する際に、TL/AD のコードの更新も強制される→ NL とTL/AD の一貫性の維持が期待できる– asuca の物理過程ドライバである物理過程ライブラリ(原2012)にも同様な規則を適用し開発を進めている。

具体 な設計方針( )具体的な設計方針(2)②新規観測データ利用のための開発• 観測演算子の実装方法の見直し– 汎用性や開発効率を重視する• 予報モデルや解析システムへの依存度が極力低くなるように作成する。

– 観測演算子と解析システムとの接続は、実装規則に基づいた観測演算子インターフェースを介して行う• 観測演算子の開発者は、解析システムや予報モデル固有の処理
観測演算
開発者は 解析シ
ムや予報 デ 固有 処理を意識せずに機能を実装することが可能である。
• 他機関作成の外部パッケージ（例えば欧州衛星開発機構他機関作成の外部 ッケ ジ（例えば欧州衛星開発機構（EUMETSAT）の高速放射伝達モデル（RTTOV））についても、観測演算子インターフェースに接続することで外部パッケージ固有の処理を隠蔽し 実装することができる。
を隠蔽し、実装することができる。

asuca‐Varの構成
物理過程ライブラリ(NL,TL,AD)

asuca(NL,TL,AD)

asuca‐Var core
3D Var
3D‐Var
4D‐Var同化システムの主機能
能は設定パラメータで切り替える。

+Hybridasuca‐Var coreは、前処理、極小値探索等を行い、モデルや観測演算子のNL,TL,ADコードを持たない。

観測演算子(NL,TL,AD)

外部パッケージ (NL,TL,AD)
例：高速放射伝達モデル(RTTOV)

規則に基規則に基づいたたインターフェースを介して実装
観測演算子インターフェースで外部パッケージの固有処理を隠蔽

JNoVA(3D‐Var)とasuca‐Varの主な仕様()
asuca‐Var

JNoVA (局地解析用3D‐Var版)
制御変数

東西風u, 南北風v
東西風u
地表面温位ptgrd
地上気圧psrf
温位θ
b
偽相対湿度
偽相対湿度μ=qv/qｖ
sat

東西風u, 南北風v
東西風u
地中温度Tg,
地上気圧psrf,
温位θ
土壌 体積含水率
土壌の体積含水率wg,
偽相対湿度μ=qv/qｖbsat

前方演算子

非線形演算子

接線形演算子（非線形演算子も可）質量と風のバランス拘束なし

連続の式を用いた質量保存

背景誤差

空間一様格子点毎に設定

領域分割

１次元分割

２次元分割

変分法品質管理 なし••

あり＊青字：現業利用に向けてインパクトを調査中。
基本的な定式化は、JNoVAを踏襲
今後の性能試験の結果によって仕様を変更す
JNoVA で得られた知見を踏まえつつ、る可能性があります。
新たな設計思想の下でas caを基に作成
新たな設計思想の下でasucaを基に作成

地面・地中温度の制御変数化
海陸別の鉛直背景誤差相関
海陸区別なし（全て陸の背景誤差）

温位（モデル面最下層）

通常の設定（陸・海合算）海陸区別あり陸海

地表面気圧

温位（モデル面最下層）

地表面気圧

温位（モデル面第５層）

温度（スキン）

地面～地中温度
地面
地中温度
温位（モデル面第５層）•••温度（スキン）

大気下層の予報誤差は陸のほうが大きい
海は固定値（予報していない）
湾の周りの観測による負のインクリメントは湾全体に及ぶ。背景誤 を海陸 分
景誤差を海陸で分けると軽減される。
軽減。

連続の式による拘束の効果
拘束無し

PSEA

振動が境界まで伝播が日本の陸地に入った、地上気圧のインクリメントを波源として波が伝播
FT=0min
拘束有り

PSEA

PSEA

FT=30min

FT=60min

振動が抑制される

局地数値予報シ テム の適用例
局地数値予報システムへの適用例

局地数値予報システムへの適用例• 局地数値予報システム(永戸 他 2012)– 2012 年8 月から現業運用している。
– 局地モデル(LFM)：水平解像度2km• 予報モデル：JMA‐NHM → asuca– 局地解析(LA)：水平解像度5km
局地解析(LA) 水平解像度5k• プロダクト配信の時間制限を満たすため、計算負荷の小さい3D‐Varと1時間予報を繰り返す解析予報サイクルを採用している。

• 予報モデル：JMA‐NHM → asuca• 解析システム：JNoVA(3D‐Var)() → asuca‐Var

現業局地解析の構成
現業局
解析 構成
観測

観測

観測

観測

水物質予報値
3D‐Var(5km)

3D‐Var

3D‐Var

観測値

3D‐Var

解析値
第 推定値
第一推定値

LF1(5km)

側面境界値
LF1

解析（3D‐Var）：JNoVA
予報(LF1,LFM)：JMA‐NHM

LF1

LFM (2km)
MSM

FT=‐3

FT=‐2

FT=‐1

FT=0

asuca版局地解析の構成
版局 解析 構成
観測

観測

観測

観測

水物質予報値

リスタート

観測値
解析値
第 推定値
第一推定値

3D‐Var(5km)+LF1(5km)

3D‐Var+LF1

3D‐Var+LF1

側面境界値

3D‐Var解析(3D‐Var)：asuca‐Var
予報(LF1,LFM)：asuca
解析（3D‐Var）と予報(LF1)を同じモジュールで実行
LFM (2km)
MSM

FT=‐3

FT=‐2

FT=‐1

FT=0平成24年7 月九州北部豪雨
(a)

(b)

(a) NHM(2km)(c)

解析：JNoVA(3D‐Var) + JMA‐NHM(5km)(b) asuca(2km)
解析：asuca‐Var
解析：asuca
Var + asuca(5km)(c) 観測NHMとasucaは、同程度。降水分布は、NHMとasucaは同程度 降水分布はasucaのほうが観測に近い印象。

課題とまとめ課題• 観測データの拡充– 高密度・高頻度データの有効利用
高密度・高頻度デ タの有効利用– 衛星データ（輝度温度、AMV等）の利用• 現業メソ解析で既に利用されている• 流れ依存性の考慮
考– 4D‐Varへの拡張• 力学過程のTL/ADは、概ね完了。物理は、これから力学過程のTL/ADは 概ね完了 物理は これから– ハイブリッドへの拡張• Buehner(2004)に基づき拡張制御変数を実装
B h (2004)に基づき拡張制御変数を実装

衛 輝度温度観測 利用
衛星輝度温度観測の利用
偽相対湿度のインクリメント

例えば、MTSAT‐2の場合：水蒸気に感度のある、海上の観測が増加する。

高度8000m水平断面

GPS可降水量
降水量
MTSAT‐2
晴天輝度温度

高高度(km)

任意の地点のヤコビアン→上層にインパクト

dTb/dqv

dTb/dT

GPSMTSAT‐2

ハイブリッド変分法データ同化
気温の１点観測同化実験
3D‐Var は、統計的に求めた背景誤差 → 流れ依存性を考慮できない。
アンサンブル摂動を用いて流れ依存性を考慮できるよう、
x  1B11 / 2 1   2 B12/ 2 2
Buehner(2004)に基づき、asuca‐Var の制御変数を拡張
22
B hybridB

y1
12 B2

温位

温位温位

12  1.0,  22  0.0

12  0.5,  22  0.5

12  0.0,  22  1.0

３次元変分法ハイブリ ドハイブリッド

LAFアンサンブル

4D‐Varにおける高頻度観測の利用
修正量

運動量

例えば、疑似ゾンデ観測U,V,T,RH(上昇速度６
例えば疑似ゾンデ観測U V T RH(上昇速度６m/sのトレーサー)の一分値を同化
現状は、一旦モデル面を出力してD値作成。
t=0t=T NL
TL

勾配

AD
より風上へ流されてしまう
修正量

運動量

疑似ゾンデ観測yt1 yt2



J
∇Jytn
NL
TL

勾配

AD
モデルの時間積分中にD値を作成。
適切な時刻・位置で同化できる。

J∇J

ままとめ• 非静力学モデルasucaを基にした変分法データ同化システム(ム(asuca‐Var)の開発を進めているV )の開発を進めている– 現業局地数値予報システムでの利用を計画– 予報モデルと解析システムの連携を重視し、開発と維持管理の効予報モデルと解析システムの連携を重視し 開発と維持管理の効率化を念頭において設計– 高解像度予報に適した初期値作成のため現業解析システムよりも仕様を拡張• asuca‐Varとasucaを用いた局地数値予報システムの性能– 現業局地数値用システムと同程度の降水予報が可能– まとまった統計期間での精度検証を行う予定• 今後の課題– 観測データの拡充、高頻度観測の利用– 流れ依存性の考慮

ご清聴ありがとうございました