データ同化による気象衛星ひまわり８号風速推定データの台風強度予報へのインパクト辻野智紀1,2
堀之内武1,3 ・柳原脩臣3
1: 北海道大学 地球環境科学研究院

2: 気象庁 気象研究所
3: 北海道大学 大学院環境科学院
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静止気象衛星からみた台風(Kossin and Schubert 2004)

はじめに

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一般的な熱帯低気圧の鉛直断面 (Houze 2010)

はじめに
世界の主要機関における数値大気モデルにもとづく
台風予報• 進路：誤差は漸減傾向• 強度：誤差の改善はほとんど見られない

気象庁台風予報成績の経年変化 (左) 進路誤差 (km), (右) 強度誤差 (中心気圧, hPa).
気象庁ウェブページ:
https://www.data.jma.go.jp/fcd/yoho/typ_kensho/typ_hyoka_top.html

3データ同化・解析あるシステムの状態を観測データと数値モデルに基づき高精度に推定する手法• アンサンブルカルマンフィルタ (EnKF) データ同化• 変分法データ同化
多数のアンサンブル
シミュレーションから計算

カルマンフィルタデータ同化のフローチャート(三好 2008 気象研究ノート 3 章参考)4

データ同化・解析あるシステムの状態を観測データと数値モデルに基づき高精度に推定する手法• アンサンブルカルマンフィルタ (EnKF) データ同化• 変分法データ同化

EnKF データ同化のフローチャート(三好 2008 気象研究ノート 3 章参考)

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先行研究
海上で発達する台風中心付近は観測が少ない• 航空機による特別観測 (e.g., Wu et al. 2012; Ito et al. 2018)• 風速データの同化により予報が改善 (Wu et al. 2006)• 気象衛星による定常的な輝度温度観測 (e.g., Honda et al.
2018; Minamide & Zhang 2017)
ドロップゾンデ同化なし

ドロップゾンデ同化あり

実際の観測結果

実際の航空機観測での温度差 (カラー)(Yamada et al. 2021)
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航空機観測データを (左) 同化しなかった場合と (中) 同化した場合の台風周囲との温度の差 (カラー) (Ito et al. 2018)ひまわり８号台風雲追跡風気象衛星ひまわり８号の高頻度 (2.5 分) 画像から雲追跡による風速推定 (Tsukada & Horinouchi 2020)↑ひまわり画像から雲追跡により推定された台風の接線風←台風の反時計回りの流れに埋め込まれるメソスケール渦(Tsukada & Horinouchi 2020)7本研究の目的
台風中心付近の衛星雲追跡風を想定した観測データの台風強度解析・予報への寄与を調査• EnKF データ同化解析システム• 新しい雲追跡風観測演算子の実装• 完全モデル実験• 数値シミュレーション (真値) による擬似観測を同化• データ同化・解析時の最適な経験的パラメータ調査• 同化頻度• 局所化距離 (観測の影響範囲)• アンサンブルメンバー数 など
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対象事例・実験設定
予報・同化・解析：SCALE-LETKF (Lien et al. 2017)(水平解像度 3 km, 雲・乱流・放射過程)
格子点数

320 x 360 x 36

初期時刻

2018/09/26 00Z

計算時間 | Δt

12 時間 | 9.0 sec

アンサンブル数5 – 30 (最大)2018 年台風 24 号 Trami

同化計算領域

並列数(MPI | thread) 496 | 6システム | ノード

台風進路（完全モデル）
台風進路（気象庁解析）Type-I | 62

格子点数2048 x 1920 x 70

初期時刻

2018/09/21 12Z

計算時間 | Δt

6.5 日 | 1.0 sec

並列数(MPI | thread) 256 | 6システム | ノード

Type-I | 32

中心気圧 (hPa)

完全モデル実験：CReSS (Tsuboki & Sakakibara 2002)(水平解像度 2 km, 雲・乱流・放射過程)

同化期間

完全モデル
気象庁解析

対象事例・実験設定
アンサンブルメンバー作成

擬似観測作成時間ずらし法（e.g., Maejima et al. 2019）• 完全モデル実験から作成• 実際の雲追跡風を想定• 最大風速半径内側の下層(𝑅 ≤ 32 km, 0.5 km ≤ 𝑍 ≤ 1.5 km)• 標準偏差を 2 m/s として正規分布する観測誤差を追加• 観測変数は軸対称接線風• 半径方向には 4 km 間隔

NCEP (アメリカ)
全球大気解析

SCALE 時間積分→ 2018/09/26 00Z

2018/09/24 18Z

2018/09/25 19Z
2018/09/25 20Z

2018/09/25 00Z
2018/09/25 21Z

2018/09/26 12Z での完全モデルの軸対称接線風

2018/09/25 06Z

2018/09/25 22Z
2018/09/25 23Z

2018/09/25 12Z

2018/09/25 18Z

2018/09/26 00Z
上記時刻を2018/09/26 00Z
初期値として利用

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結果• 同化・解析により, 観測範囲を越えた広い領域でアンサンブルメンバー間の東西風のばらつきが減少• 観測の影響が壁雲上昇流に伴い上空にも伝播
高度 1 km での水平断面

台風中心 (X～450 km) を通る鉛直断面(30 メンバーでの東西風)・アンサンブル平均・平均からの偏差 (解析)・偏差の解析―予報・雲追跡風の観測範囲

1130 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 kmでの積分開始 12 時間後の分布.

結果
同化・解析の効果を同化あり/なし実験で比較• 同化なし• 初期から最大風速半径での加速 (渦の発達)

接線風 (初期)• 同化あり• 最大風速半径で減速• 最大風速半径の内側 (観測のある半径) で加速• 観測に近づくように風速場が修正同化あり接線風 (2018/09/26 12Z)

同化なし接線風 (2018/09/26 12Z)(m/s)

同化・解析を実施した (実施しない) 場合のアンサンブル平均した軸対称接線風(30 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 km での実験)

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結果
同化・解析の効果を同化あり/なし実験で比較• 同化なし• 初期から最大風速半径での加速 (渦の発達)

完全モデルの接線風 (09/26 12Z)

• 同化あり• 最大風速半径で減速• 最大風速半径の内側 (観測のある半径) で加速• 観測に近づくように風速場が修正同化あり接線風 (2018/09/26 12Z)

同化あり―同化なし接線風 (2018/09/26 12Z)(m/s)

同化・解析を実施した (実施しない) 場合のアンサンブル平均した軸対称接線風(30 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 km での実験)

(m/s)

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結果
同化・解析の効果を同化あり/なし実験で比較• 同化なし• 最大風速半径付近で強い下層収束• 同化あり• 同化なしより内側で強い収束同化あり動径風 (2018/09/26 12Z)

同化なし動径風 (2018/09/26 12Z)(m/s)

同化・解析を実施した (実施しない) 場合のアンサンブル平均した軸対称動径風(30 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 km での実験)

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結果
同化・解析の効果を同化あり/なし実験で比較• 同化なし• 最大風速半径付近で強い下層収束• 同化あり• 同化なしより内側で強い収束同化あり動径風 (2018/09/26 12Z)

同化あり―同化なし動径風 (2018/09/26 12Z)

(m/s)(左) 同化・解析を実施した場合のアンサンブル平均した軸対称動径風, (右) 同化あり―同化なしの差(30 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 km での実験)

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結果
同化・解析の効果を同化あり/なし実験で比較• 同化なし• 最大風速半径付近で強い下層収束• 同化あり• 同化なしより内側で強い収束同化あり鉛直風 (2018/09/26 12Z)

同化なし鉛直風 (2018/09/26 12Z)(m/s)

同化・解析を実施した (実施しない) 場合のアンサンブル平均した軸対称鉛直風(30 メンバー, 同化頻度 1 時間毎, 局所化半径 400 km, 局所化高度 3 km での実験)

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まとめ
気象衛星による台風中心付近の新しい高頻度雲追跡風を想定した
データ同化・解析のインパクト調査• SCALE-LETKF システムに新しい雲追跡風観測演算子の実装• 完全モデル実験• 観測が台風中心付近に限られる場合でも, 最大風速半径周辺の第一推定値を観測に近づけるように修正• 経験的パラメータ• 観測頻度： 1 時間毎• アンサンブルメンバー： 30 以上• 局所化スケール (あまり感度はない)： 水平 400 km, 鉛直 3 km

今後
• 論文としてまとめる• 実際のひまわり画像からの雲追跡風 (Tsujino et al. 2021) を用いた
同化・解析実験
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