2012.03.17
スーパーコンピュータ「京」を知る集い

見えない海の今と将来を見せる
海洋シミュレーション
羽角 博康
東京大学 大気海洋研究所

気候における海の役割
気候
人の生活環境= 地表付近大気の状態: 温度・風・降水・…
↑
大気・海洋・雪氷・植生など、様々な要素の相互作用の結果

気候における海の役割
大気・海洋
気候を決める要素の中でも、顕著に「動く」↓
大規模な循環によって、太陽から受け取ったエネ
ルギーを空間的に再配分↓
高緯度と低緯度の温度差を緩和し、地球上の大部分を居住可能な環境に気候における海の役割
気候系の熱収支と熱輸送

大気上端の放射収支
吸収される
太陽光

大気・海洋による熱輸送

気候系からの熱放出

大気

吸収過剰
放出過剰

南← 赤道 →北海洋
南← 赤道 →北

気候における海の役割
海による熱輸送の特徴-大きな熱量(質量)を緩やかな流れで輸送
大気: 全質量 5x1018 kg, 代表的風速 10 m/s
海洋: 全質量 1.4x1021 kg, 代表的流速 0.1 m/s↓
気候の状態を安定化
気候の長期変動をコントロール-深層流が熱輸送にとって重要

気候における海の役割
海洋の大規模循環

気候における海の役割
短期(数年~数十年周期)気候変動と海: ENSO

平年

12月海面水温エルニーニョ時↓平年からの差

ラニーニャ時↓平年からの差

気候における海の役割
短期(数年~数十年周期)気候変動と海: PDO

気候における海の役割
短期(数年~数十年周期)気候変動と海→ 上層(海面~数百m)海洋の特性が重要
海面水温に「異常」値↓
異常値をもった海水が海面下にもぐりこむ（サブダクション）↓
異常値を保持しながら海面下を循環↓
時間をおいて別の場所の海面に現れ、大気に影響海の実態と観測
水温-海面
人工衛星でほぼリアルタイムの高解像度情報が得られる-表層～中層 (~1000 m)
Argo等の観測システム整備で変動の観測が可能になってきた-深層
船舶観測が中心で、変動を知ることは難しい（深層の変動は穏やかだと言われてきたが…）

海の実態と観測
流れ・循環-海面付近
人工衛星や浮遊ブイなどから得られる情報により、比較的よくわかっている-それ以外
流速計による観測に依存する
ところが大きく、十分な観測からは程遠い海の実態と観測
観測に基づく実態把握は、特に-深層-氷海域-(海面付近以外の)短時間／小規模の変動に関して不明な部分がまだまだ多い↓計算機とシミュレーション技術の急速な発達により、シミュレーションが観測の足りなさを補い、時には観測を越えて未知なる海洋現象を発見し、海洋の実態把握に主要な役割を果たせるようになってきた海洋シミュレーションの原理と手続き
海洋の物理的状態
流れ ← 圧力、外部強制力(風)、海の形状
圧力 ← 密度 = 温度・塩分
温度・塩分 ← 流れ、外部強制力(海面における加熱・冷却および降水・蒸発等)↓
これらは流体力学の運動方程式および輸送方程式として数式(微分方程式)で現される↓
外部強制力が与えられれば、海洋全体の流れや温度分布がわかる …はずなのだが、数式をそのまま(解析的に)解くことはできない

海洋シミュレーションの原理と手続き
数値シミュレーションの手続き
時間・空間を格子に分割（離散化）→ とびとびの格子点での値を得る
元の数式を近似することにより、各格子点値は隣接する格子点値の加減乗除で表現される→ 計算機で解くことができる
必然的に…
時間・空間的に細かい現象を見たければ細かい格子分割が必要で、計算量が増す
格子の目が粗いと数式の近似精度が落ちる

海洋シミュレーションの原理と手続き
たとえ興味の対象が大規模な流れでだけであっても、それよりもずっと細かい格子サイズが必要とされる（← 数式の近似精度が落ちる）
日本付近の表層海流・水温20 km 格子100 km 格子

計算機とシミュレーション技術の発達により、海洋の発見・予言的研究がまさに可能な情勢

深層海流のシミュレーション
深層海流: 観測による実態把握が十分でないものの代表例
太平洋深層流シミュレーション
様々な観測をまとめたイメージ

氷海域のシミュレーション
氷海域: やはり観測による実態把握が足りない代表
例、かつ、深層循環との関わりが深い氷海域のシミュレーション
東南極の沿岸ポリニヤと海氷生産
モデル領域・解像度(km)

年間海氷生産量観測(人工衛星＋熱力学計算）

シミュレーション氷海域のシミュレーション
沿岸ポリニヤ下での高密度水形成

海底での海水密度

氷海域のシミュレーション
高密度水の輸送・外洋との交換

Sections(blue lines)

観測

シミュレーション氷海域のシミュレーション
座礁氷山群の影響

氷海域のシミュレーション
Mertz 氷河舌の消失 (2010年2月)

北極海のシミュレーション
北極海: 最も理解の遅れた海→ シミュレーション研究の進展もまだまだ海氷の激減

温暖化予測シミュレーションにおける海洋
海洋シミュレーション:
当然、温暖化予測シミュレーションの一部だが…
全地球規模の数十年～数百年の気候変化を予測する目的において、最先端の高精度海洋シミュレーションを適用することは不可能→ 「京」コンピュータでも足りない
先述の南極周囲での深層水形成シミュレーション:→ 水平 3 km 格子
最先端の温暖化予測シミュレーションにおける海洋:→ 水平 20 km 格子

温暖化予測シミュレーションにおける海洋
温暖化に伴う大西洋深層循環の弱化・停止が懸念されているが、その起源となる深層水形成は…
→ 領域がずれる、広すぎるなどの問題
気候モデルにおける深層水形成場所(一例)

観測による深層水形成場所

温暖化予測シミュレーションにおける海洋温暖化に伴う大西洋深層循環の弱化・停止が懸念されているが、その起源となる深層水形成は…
→ 領域がずれる、広すぎるなどの問題→ 予測結果には不確実性が残る↓
格子を細かくすることは解決につながるのだが、それもままならない↓
深層水形成領域だけの高精度シミュレーションを通して現象の特性を把握することにより、粗い格子でも近似精度を高めることが可能

温暖化予測シミュレーションにおける海洋温暖化予測シミュレーションにおける海洋エルニーニョや十年規模変動の影響は、地域的・短期的には長期的・全球的温暖化傾向を凌駕し得る→ そのシミュレーションには亜表層の海洋構造・循環を正しく表現することが必要だが…

亜寒帯前線
黒潮分岐前線
黒潮続流前線

観測に基づく概念図

水平 6 km 格子 亜表層水温温暖化予測シミュレーションにおける海洋エルニーニョや十年規模変動の影響は、地域的・短期的には長期的・全球的温暖化傾向を凌駕し得る→ そのシミュレーションには亜表層の海洋構造・循環を正しく表現することが必要だが…
↓
そのためには格子サイズが数 km 程度まで必要(現状で全くダメということはないが、やはり不確実性が残る)↓
どこもかしこも、というわけにはいかないが、ターゲット・領域を絞って細かく表現することがあってもよいか科学と実学としての海洋シミュレーション
科学的な見地から…
計算機の発達とともに、科学の手法としてのシミュレーションの可能性はますます広がる
温暖化予測という実学的な見地から…
最先端の海洋シミュレーションでも未知の部分があるのに、それを適用することもままならない
いずれにおいても…
計算機の発達をただ待てばよいのではない
シミュレーションを通した科学的理解をシミュレーション技術向上に活かすことが不可欠