学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

jh150049-NA27

環オホーツク圏の海洋・大気シミュレーション
中村知裕（北海道大学）
概要 環オホーツク圏では、オホーツク海起源の海洋熱塩循環・潮汐混合・栄養物質（特に鉄）循環に伴い、世界でも最大規模の基礎生産が生じ、豊富な水産資源や炭素循環に影響している。また下層雲は北海道の気候に影響する。最近ではこれらに長期変動が生じていることも明らかになってきた。本研究では、こうした現象の理解と数値モデルによる再現性の向上に向け、環オホーツク圏の海洋・大気シミュレーションと使用する数値モデルの高速化チューニングを行う。本年度は、(I) 計算機科学分野の課題として、高分解能・海洋「鉄」循環モデルの高速化チューニングを行い、(II) 環オホーツク圏大気・海洋シミュレーションとして、(a) 高分解能での海洋鉄循環シミュレーションの実施および気候学的季節変動の再現性の検討、(b) 様々な力学レジームにおける内部重力波と渦の相互作用の高分解能数値実験、(c) オホーツク海沿岸冬季下層雲の様々な事例についてのシミュレーションを行った。

1. 共同研究に関する情報成される。形成された高密度水は、オホーツク海(1) 共同研究を実施した拠点名

そして北太平洋の中層に広がっていく。

北海道大学

また、千島列島域のように海底地形上を強い潮(2) 共同研究分野

流が流れる海域では、内部重力波の生成と砕波に■超大規模数値計算系応用分野

より激しい鉛直混合が生じる[Nakamura et al.,(3) 参加研究者の役割分担

2000; 2010; Abe and Nakamura, 2013]。

中村知裕：海洋と大気のシミュレーションおこれら高密度水形成と千島列島域での潮汐鉛直よびプログラムの高速化混合により、オホーツク海起源の熱塩循環（密度大宮学：プログラムの高速化チューニング

差に由来し、鉛直方向の輸送で特徴付けられる海三寺史夫：海洋シミュレーション洋循環）が駆動される [Nakamura et al., 2014;

中野渡拓也：海洋物質循環・熱塩循環シミュ

2006]。熱塩循環に伴い、大気に接していた海水がレーション

大陸棚海底に沈み、やがて海洋中層に潜り込む。

吉成浩志：海洋物質循環シミュレーション

このため、大気から種々の気体（温室効果気体や伊藤薫：海洋鉛直混合過程シミュレーションフロンなど）および河川や海底堆積物から陸起源物質が、北太平洋中層に運ばれる [Uchimoto et2. 研究の目的と意義

al., 2014; 2011; 2009]。

環オホーツク圏（オホーツク海とその周辺地域）

環オホーツク圏はまた、世界最大規模の基礎生

は、日本の気候に多大な影響を与えるだけでなく、 産（海洋植物プランクトン増殖）で知られている。
北太平洋における海洋循環や生態系を左右してい高い基礎生産は、水産資源の基礎となるとともに、る。冬季にはシベリアから寒気が吹き出し、それ二酸化炭素の海洋内取込など炭素循環にも重要なにより形成される下層雲は、日本海側で発生する役割を果たす。この高い基礎生産を支える上で、筋状雲のように、多くの降水（降雪）をもたらし、上述の熱塩循環によりアムール川から運ばれて来生活・経済に影響する。

た「鉄」が重要であることが分かってきた

吹き出した寒気は、オホーツク海で大規模に海[Nishioka et al., 2007]。鉄は植物プランクトン氷を生成する。その際、海水が冷却される上に、増殖に欠かせないが、海水には溶けにくいため多海水中の塩が排出されるため、高密度の海水が形くの海域において基礎生産を律速している。例外1

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的に環オホーツク圏では、熱塩循環に伴う鉄供給(II-b) 潮汐による鉛直混合過程：前年度までの結のおかげで鉄律速がかかりづらく、それが水産資果から（潮汐起源の）内部重力波が鉛直混合を引源の豊さに繋がっている。

き起こす過程として、渦との相互作用も重要であ

環オホーツク圏におけるこうした現象には数年ることが示唆された。この相互作用は渦のサイズから数十年規模の変動があるのに加えて、シベリなどの力学パラメタによって振舞が大きく異なる。

アを中心に顕著な温暖化が進行している。温暖化

そこで本年度は、前年度までの実験と解析から明に伴いオホーツク海の海氷面積も減少傾向にある

らかになった重要な無次元の力学パラメタに注目ことから、上述の熱塩循環が弱まっていく可能性

し様々なパラメタ・レンジにおける振舞を調べる。

も危惧されている [Nakanowatari et al., 2015;(II-c) オホーツク海周辺の下層雲：冬季、オホー

2007; Matsuda et al., 2009]。

ツク海側では大量の降雪をもたらす下層雲（帯状このように、環オホーツク圏では科学的に興味雲）が頻繁に形成・維持される。前年度までに強深くかつ社会的に重要な気候・環境の形成とその風を特徴とする事例についてシミュレーションと長期周期変動があり、これらのより良い理解と数感度実験を行い形成・維持機構を調べた。本年度

値シミュレーションによる再現・予測が求められは、弱風時に形成されるという異なる特徴を持つている。そこで代表者らのグループでは、環オホ事例を中心に複数事例のシミュレーションを行う。

ーツク圏を対象とした海洋および大気の数値シミ研究の意義ュレーション研究を行っている。本研究ではその現在気候・現在環境の再現とそれらの形成・変一環として、環オホーツク圏の気候・環境に重要動メカニズム解明は、地球温暖化や長周期変動にな３つの現象―(a) オホーツク海を起源とする栄伴う環オホーツク圏の変化の信頼性の高い予測の養物質循環と熱塩循環、(b) 潮汐による鉛直混合必要条件である。中でも、環オホーツク圏太平洋過程、(c) オホーツク海周辺の下層雲―について側では近年表層の栄養物質そして基礎生産が減少

数値シミュレーション研究を行う。加えて、これ傾向にあり、温暖化が原因ではないかとの示唆もらシミュレーションの効率化と長期積分・大規模ある。もしこの示唆が正しければ、温暖化が進む化に向けて、北海道大学情報基盤センター大型計と基礎生産がさらに減少し、ひいては水産資源・算機での高速化チューニングを検討する。

炭素循環も大きく影響を受けることから、先行きが懸念されている。本研究の成果は、こうした変以上の研究を進めていくため本年度は下記を目動の要因解明と予測の基礎となる。

的とする。
(I) 高速化チューニング：前年度に「熱塩」循環3.の高分解能モデルに対して高速化チューニングを当拠点公募型共同研究として実施した意義行ったので、本年度は「鉄」循環の高分解能モデ

本共同研究により、計算科学の専門家と共同研

ルに対して HITACHI SR16000/M1 用の高速化チュー究を行えたことが当共同研究ならではの事項の第ニングを検討する。

一である。このことは、北海道大学情報基盤セン(II-a) オホーツク海を起源とする栄養物質循環

ターの大型計算機システムでの高速化チューニンと熱塩循環：前年度までの研究から、環オホーツ

グにとどまらず、報告書に記していない細かな情ク圏の鉄収支には、移流による海洋輸送が重要で報交換においても顕著であった。また、北海道大あることが明らかになった[Uchimoto et al. 2014]。 学情報基盤センターの大型計算機システムを使用
一方、これまでの鉄循環モデルでは中規模渦や沿させて戴き、さらにそのサポートを戴くことで、岸流等の流れの詳細構造が解像されていない。そ数値シミュレーションと結果の解析を円滑に且つこで、本年度から鉄循環モデルを高分解能化し、高速に実施できるのも当共同研究の利点である。

移流をより詳細にシミュレーションする。
2

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4. 前年度までに得られた研究成果の概要

ある環オホーツク圏の(a)熱塩循環と物質（鉄）循

前年度までに得られた研究成果を図 1 にまとめ環、(b) 潮汐による混合、(c) 下層雲についても、た。計算機科学分野の課題として、高速化チュー

順次、モデルの開発やシミュレーションの期間長

ニングを大気モデル、海洋非静水圧モデル、鉄化期化・高解像度化を進めると共に、現象の解明も学モデル、高分解能熱塩循環モデルについて実施進められ、その成果として国際学術誌に９本の査し、その成果は本年度を含めその後の数値シミュ読付論文が掲載された。本年度の研究は以上を踏レーションに活かされている。また、研究対象でまえたものとなっている。

図１：前年度までの成果概要

5. 今年度の研究成果の詳細(1)の通信部改良については、対象となる配列(I)計算機科学分野の検討課題には鉛直１層の場合と複数層の場合があるのだが、今年度の計画として申請した、鉄循環の高分解通信のための配列コピーの際この鉛直層数で分割能モデルに対して SR16000/M1 用の高速化チューして SMP 並列を適用していたため、鉛直層数が少ニングのため、専門家の助力により(1)通信部の改ないと SMP 並列処理の負荷不均等が生じてコピー良、(2)キャッシュヒット率向上のためのループ融時間の短縮が図れていなかった。そこで、鉛直層合、(3)SIMD 演算用の変更、(4)fma の適用の検討数が少ないときには水平格子に対して SMP 並列をを行った。このモデルには前年度にチューニング適用するように改善した。また、通信関数の実行した熱塩循環モデルとの共通部分が多く、その成と配列コピーの順序を変更して通信と配列コピー果に上積みする形になっている。

が同時に実行し易いように調整した。
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学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月(3)では SIMD 演算適用に向けたループ修正および SIMD 化により性能が低下する演算部で SIMD化を抑止するようにした。(4)の fma 適用だが、稀に発生する不安定が fma を抑止すれば防げたので、これまでは保険のために抑止していた fma を高速化のために適用することを検討した。
チューニングの結果、実行時間は(1)と(2)、(3)により同程度に短縮され、fma 適用により大幅に短縮され、全てを合わせると 4.6%短縮を達成でき

図２：高速化チューニングによる実行時間の短縮率た。（ループ融合(2)は前年度に大部分が行われて(%)。

おり、今回はごく一部のみなので、図には(1)とまとめて記す。
）なお、(3)および fma 適用により、(II)環オホーツク圏海洋・大気シミュレーション

出力結果が僅かながら変わったが、検討した結果、(II-a)オホーツク海を起源とする熱塩循環と栄養本研究の目的に対しては許容範囲内であった。

物質（鉄）循環

今回のチューニング結果が 5%弱の実行時間短縮

本年度の計画は、鉄循環の高分解能・気候学的にとどまったことについてはコメントが必要かも季節変動シミュレーションの実施と、その再現性しれない。主な理由として、今回高速化した鉄循の検討である。シミュレーションで得られた中層環モデルと、H25 年度と H26 年度に高速化チューにおける溶存鉄の分布を図３に示す。亜寒帯域、ニングを行った鉄化学モデルおよび熱塩循環モデ

特にオホーツク海、ベーリング海、ならびに北米

ルとはコードの大部分が共通しているため、効率沿岸で鉄濃度が高い様子がシミュレーションされ的に高速化できる余地があまり残っていなかったている。

ことがあると考えている。実際、実行効率を通信海面における溶存鉄とリン酸の分布を、オホー時間も含めて計算するとほぼ 10%（9.83%）となっツク海から親潮域について拡大して図４に示す。

たので、それなりに高い効率が出ていると考えら

鉄が、アム－ル川から東サハリン海流により北海れる。ただし、上の実行効率は演算量の最も多い道の方へ輸送され、海流や渦・ストリーマーによMPI プロセスについて計算したものであり、MPI プって北太平洋に広がる様子が再現されている（図ロセス間の演算量は大きく偏っている。この偏り４左）。リン酸を見ると、千島列島域の潮汐混合には、海洋モデルによく見られる「陸の分布の不均より下層から供給され、それが親潮や渦などで広等さ」に起因する。理論的にはこれも改善可能で、がっている（図４右）。

そうするとかなりの高速化が見込めるが、それにこうした鉄の分布は大きくは観測的知見と整合

は MPI 並列化部分について抜本的な変更が必要と的している。しかし、値は一部海域で多少過大評なるため、現在の体制で実施するのは少々困難と価されており、今後、堆積物からの供給率などを思われる。その意味で、現時点で鉄循環モデルは検討する必要があるだろう。

SR11000 用に十分に高速化チューニングが施されたものとなっており、高速化は一段落付いたと言えるだろう。

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図３：高分解能・鉄循環シミュレーションの結果。中層（27.0等密度面上）における溶存鉄(nM)濃度。図は北太平洋北西部を中心に示しているが、モデル領域は太平洋の大部分をカバーしている。

図４：冬季の海面（左）溶存鉄(nM)と（右）リン酸濃度(mM)。

(II-b)潮汐による鉛直混合過程

図５の右側から入射した波が、黒丸で示した渦

潮汐によって励起された内部重力波と渦の相互の中心部を通る際に変形されるのだが、力学パラ作用により混合を引き起こす過程について、3 次

メタの値に応じて、応答が変わる。が小さいと

元非静水圧海洋モデルを用いて数値実験を行った。 きは屈折するだけなのが（図５上）、少し大きくな
本年度は、相互作用の力学レジームの指標となる

ると後方へも散乱されるようになり（図５中）、大力学パラメタ（本研究で提唱しているもの）の値

きくなると極度に変形され渦に捕捉されてしまうを幅広く変えて、複数（６ケース）の高分解能数（図５下）ことが明らかになった。また、解析的値実験を計画し実施した。に取り扱えるように近似をした場合について理論5

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モデルも構築している。

図６：冬季の北海道オホーツク海沿岸帯状雲の弱風事例の数値シミュレーション結果。色：表面気温(K)、黒線：鉛直積分した凝結物混合比（雲水・雪等）、白線：海面気圧(hPa)。

6.

今年度の進捗状況と今後の展望

先ず、計算資源は全て使用し、計画していた計算は全て終了した。次に、課題毎の進捗状況についても、以下に順に記すように、課題申請時に設定した今年度の研究計画は順調に終了した。今後
図５：内部重力波と渦の相互作用の数値シミュレーの展望についても以下に進捗状況と合わせて課題ション結果の例。波による鉛直変位（中層の密度変毎に記す。

動）の水平分布。
（上）（中）（下）

(I)計算機科学分野の検討課題のケース。

計画していた高分解能・鉄循環モデルの高速化チューニングを実施し、実行時間の短縮を達成で(II-c)オホーツク海周辺の下層雲きた。計算精度についても検討し、問題ないこと

本年度は、冬季にオホーツク海側に大量の降雪を確認した。これで平成２５年度からコンポーネをもたらす下層雲（帯状雲）のシミュレーション

ント毎に行ってきた鉄循環モデルの高速化も一段を、強風と弱風の事例を含む一冬分の事例につい落した。そこで、来年度から一旦、別のモデルのて行うことを計画し実施した。図６に示した弱風高速化チューニングに移りたい。平成２８年度はの事例では、夜間に冷えた陸面と暖かいままの海非静水圧モデルについて新しく開発した部分の高面の温度差が形成の主因であり、そのため昼にな速化チューニングを検討する。

ると弱まり、強風の場合と異なって長期間維持さ(II)環オホーツク圏海洋・大気シミュレーションれにくいことが示された。

(II-a)オホーツク海を起源とする熱塩循環と栄養物質（鉄）循環：計画していた高分解能での鉄循環シミュレーションを実施できた。再現性の検討の結果、おそらく堆積物からの供給率といった6

学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

低解像度モデルで使っていたパラメタを再検討す

variation in tide-induced vertical mixing on the

る必要がありそうなことが判明した。来年度は先

thermohaline circulation: A case of the Okhotsk Sea.

ず、堆積物からの鉄供給率を中心に感度実験を行

26th IUGG General Assembly 2015, Jun. 22- Jul. 2,いたい。

Prague Congress Centre, Prague, Czech Republic.

(II-b)潮汐による鉛直混合過程：超高分解能でIto, K. and T. Nakamura. Vortex-internal wavesの実験６ケースを計画通り終了し、理論モデル構

interaction in quasi-linear and nonlinear regimes.

築も目処が付いた。来年度は、異なる形状の渦の26th IUGG General Assembly 2015, Jun. 22- Jul. 2,

場合についても数値実験を行い検討したい。

Prague Congress Centre, Prague, Czech Republic.

(II-c)オホーツク海周辺の下層雲：計画していNakamura, T. Observations of submesoscale eddies in

た複数事例のシミュレーションを終了し、その解Oyashio and Kuril regions. 2015 Fall Meeting of the

析を行うことができた。来年度は参加できる研究

Oceanographic Society of Japan, Symposium A:

者の都合で現時点ではペンディングとなる予定で

Submesoscale Oceanography -Prospect for a newある。

world-, 26-29, Sep. 2015, Matsuyama.
Ito, K. and T. Nakamura. Theoretical analysis of7.

研究成果リスト

vertical mode internal waves affected by a vortex.

(1) 学術論文

2016 Ocean Sciences Meeting, Feb. 21-26, Ernest N.

Kida, S., H. Mitsudera, S. Aoki, X. Guo, S. Ito, F.

Memorial Convention Center, New Orleans, LA,Kobashi, N. Komori, A. Kubokawa, T. Miyama, R.

USA.

Morie, H. Nakamura, T. Nakamura, H. Nakano, H.

Nakamura, T., Y. Takeuchi, K. Uchimoto, H. Mitsudera,Nishigaki, M. Nonaka, H. Sasaki, Y. N. Sasaki, T.

M. Wakatsuchi. Effects of temporal variation inSuga, S. Sugimoto, B. Taguchi, K. Takaya, T.

tide-inducedTozuka, H. Tsujino, and N. Usui. (2015) Oceanic

circulation: Numerical experiments for the case offronts and jets around Japan: a review. Journal ofthe Okhotsk Sea. 2016 Ocean Sciences Meeting,

Oceanography, DOI 10.1007/s10872-015-0283-7.

Feb. 21-26, Ernest N. Memorial Convention Center,内本圭亮, 中村知裕, 西岡純, 三寺史夫, 三角和

verticalmixing

onthermohaline

New Orleans, LA, USA.

弘, 津旨大輔, 若土正暁：オホーツク海高密度(4) 国内会議発表

陸棚水への鉄のポテンシャル供給域, 低温科学,伊藤薫,中村知裕. 準線形・非線形での渦と内部波の相互作用. 2015 年度 日本海洋学会 秋季大会,

Vol. 74, 95-104, 2016.

2015 年 9 月 26-29 日, 愛媛大学城北キャンパス,中野渡拓也，三寺史夫，中村知裕：オホーツク海と北太平洋中層水の数十年スケール変動とその松山.

メ カ ニ ズ ム , 低 温 科 学 , Vol. 74, 127-141,吉成浩志, 三寺史夫, 中野渡拓也, 中村知裕, 内本圭亮, 羽角博康, 若土正暁. 北太平洋高解像

2016.
西岡純, 三寺史夫, 白岩孝行, 関宰, 中村知裕,

度海洋海氷モデルと物質循環モデルの結合実験.

的場澄人, 江淵直人: 日本周辺に存在する「陸2016 年度 日本海洋学会 春季大会, 2016 年 3 月

海結合システム」の理解に向けて. 低温科学 ,14-18 日, 東京大学本郷キャンパス, 東京.

Vol. 74, 175-180, 2016.

(5) その他（特許，プレス発表，著書等）(2) 国際会議プロシーディングス

中村知裕: 環オホーツク海域における海洋循環.

(3) 国際会議発表

低温科学便覧（北海道大学低温科学研究所編）,

Nakamura, T., Y. Takeuchi, K. Uchimoto, H.

第 8 章, 第 2 節, 丸善出版株式会社, 2015.

Mitsudera, M. Wakatsuchi. Effects of temporal

中村知裕: オホーツク海の下層雲・霧と大気海洋7学際大規模情報基盤共同利用・共同研究拠点 平成 27 年度共同研究 最終報告書 2016 年 5 月

相互作用. 低温と環境の科学事典 , 第 10 章,第 2 節, 朝倉書店（印刷中）8