中解像度版 大気海洋結合モデルによる 海氷分布の再現

小倉知夫 ( 東京大学気候システム研究センター　PD) 　 , CCSR/NIES/FRSGC モデル開発グループ

背景：共生第一グループの結合 GCM 開発 (20030417)

(1) 高解像度版 OAGCM

(2) 中解像度版 OAGCM

⇒ 　暫定版（ CMIP 用 ) で動作確認８０年積分（標準、 CO2 1% 漸増）完了。

大気 T106 L56 , 海洋 1/4x1/6 L48

大気 T42 L20 , 海洋 (1/2-1)x1.4 L43

発表内容：

1. 中解像度版 モデル（ CMIP 用 暫定版）

- OAGCM 　のスペック- OAGCM の出力

（ 3. 海氷モデルの仕組み）

2. 低解像度版モデルについて（ CMIP 版の原型：～ 2001 ）

1. 中解像度版モデル

中解像度版： MIROC3.1 　 (CMIP 版 ) のスペック

大気 CCSR/NIES AGCM 5.7スペクトル T42 ( ～ 2.8°) 20 層トレーサー格子移流，雲水予報，エアロゾル直接・間接効果

海洋 COCO 3.3(0.5-1.0)°×1.4°43 層　自由表面モデル北極をグリーンランドに座標回転海底境界層，斜め移流

海氷 (0.5-1.0)°×1.4° 力学・熱力学 陸面 MATSIRO

～ 2.8° 植生キャノピー，多層積雪 河川 TRIP ～ 2.8°

バケツモデル

中解像度版：　必要な計算機資源

大気、海洋ともに 32PE による東西方向帯状分割

32PE (4 ES nodes) / 1 ラン (ES 全資源の～ 0.6%)計算時間１ヶ月で～ 400 年積分の見込み仮に海洋のデータを 30 日毎に出力した場

合、 11GB/ 日・ラン

全球・年平均地表面気温の時系列

[years]

Sur

face

tem

pera

ture

CO2 increase integrationCT02502

Control CT02501

[ ]℃

標準実験はほぼ安定（ドリフト　～ +0.6 /100yr℃ ）他グループの結合モデル結果と comparable.

全球・年平均 SST

[ ]℃ [ ]℃

観測　 WOA 1998 OAGCM

( 北太平洋・北大西洋・東部熱帯太平洋等に顕著なバイアス )

他グループの結果と　 comparable.

OAGCM ー 観測

海氷密接度（２月）

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10

OAGCM

全体的に良く再現（ラブラドル海でやや過大評価 . ）

観測 (SSM/I, NSIDC,1995-1999)

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10

海氷密接度（ 8 月）

OAGCM

全体的に良く再現（スカンジナビア北岸でやや過大評価） .

観測 (SSM/I, NSIDC,1995-1999)

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10

海氷密接度（ 8 月）

ウェッデル海東部で過小評価？（ポリニア域に対応）

観測 (SSM/I, NSIDC,1995-1999)

0.90.80.70.60.50.40.30.20.10

海氷密接度（ 8 月）

全体的に良く再現（西南極沿岸でやや過小評価） .

観測 (SSM/I, NSIDC,1995-1999)

De

pth

[m]

北大西洋 子午面流線関数（年平均）

NADW 極大 19 [Sv]赤道南下 13 [Sv]

AABW 赤道北上 4 [Sv]

北大西洋深層水 (NADW) 形成　維持される .南極底層水 (AABW) 　やや過大評価 .

[psu]

年平均 SSS

Levitus

OAGCM

全体的に過大評価の傾向 .

⇒ 水収支閉じないバグ要・再検討 .

まとめ：　

（標準、 CO2 1% 漸増）

・ ES 用 OAGCM 　中解像度版 で 80 年積分完了 .

+ 2003+ 2003 年年 1010 月　結合試験終了を目指して開発続行月　結合試験終了を目指して開発続行中。中。

・ SST, 海氷分布の再現性は他グループのモデルと比べて 同じ程度 (UKMO, NCAR, COLA etc).

・ NADW の再現性良好 .

＃ バグが原因の可能性あり . （要検証）

2. 低解像度版モデル（ MIROC2.1, 2001年）

低解像度版： MIROC2.1 　のスペック

大気 CCSR/NIES AGCM 5.6スペクトル T21 ( ～ 5.6°) 11 層トレーサー格子移流，雲水予報，

海洋 COCO 2.12.8°×2.8°20 層　 RIGID-LID

海氷 2.8°×2.8°　　　　　　　　　熱力学： Semtner 　 0 layer　　　　　　　　　　力学： EVP rheology (Hunke and

Dukowicz) 陸面

～ 5.6° バケツモデル 河川 ～ 5.6° 流路 MAP

標準実験 300 年積分完了。 51-150 年目を平均して解析に使用。

観測 (Levitus)

結合 GCM (51-150 年目平均 )

年平均 SST

標準実験で観測をどの程度再現できるか？大気海洋結合GCM ：

高温バイアス : 熱帯東太平洋 , 熱帯大西洋 北太平洋西部低温バイアス : 北大西洋

結合 GCM － 観測

観測(SSM/I,1995-1999,NSIDC)

結合 GCM

夏季（ 8月）

冬季（ 2月）

過大評価：北大西洋と北太平洋

海氷密接度

標準実験で観測をどの程度再現できるか？大気海洋結合GCM ：

観測 結合 GCM

夏季（ 2月）

冬季（ 8月）

観測を良く再現できている。（夏季にやや過少評価）

(SSM/I,1995-1999,NSIDC)海氷密接度

標準実験で観測をどの程度再現できるか？大気海洋結合GCM ：

海氷分布に対する力学過程の影響を評価感度実験紹介 :

Offline モデル

海氷面積

十年規模変動の抑制作用。　大気海洋結合過程により現れる。

力学なし力学あり

海氷力学過程の影響は？冬季／南極 (8月）：

結合 GCM

＋大気海洋　結合過程　

力学なし力学あり

力学あり

海氷縁（青線）と海洋 Convection Depth

112 年目

No‐Drift 10 年規模変動の起こる場所は？

ウェッデル海で海氷縮小が convection活発化を伴って起こる。

冬季／南極 (8月）：

（ 95-110 年目）

95 　年目

力学なし（ No-Drift ）

Convection により表層に熱が供給される。

水温 ( ウェッデル海 )

80S 　　　　　　　　　　 45S

0

500

[m]

緯度

水深力学あり

力学なし（ No-Drift ）

[ ]℃

Year 105

Year 112

No‐Drift の海氷縮小の起こる仕組みは？冬季／南極 (8月）：

力学あり

海氷縁辺部の海面塩分がより低いことが一因。

塩分濃度 ( 冬季８月、 Weddell海 )

80S 　　　　　　　　　　　 45S

0[m]

緯度

水深 力学あり（ Control ）

力学なし

[psu]

Year 105

500

何故 Control の海氷は安定に維持される？冬季／南極 (8月）：

力学あり（ Full-Stress ）

力学なし（ 91 － 100年目）

海面水フラックス ・海氷縁（黄線）

何故 Control では海面塩分低く保たれる？

力学過程を入れる

力学あり　－　なし

海氷縁辺部で淡水排出

海洋へ淡水流入 塩分流入

冬季／南極 (8月）：

まとめ：　

・低解像度版 OAGCM ( 大気 T21 、海洋海氷2.8x2.8)⇒ 標準実験　 300 年積分完了

・海氷分布は北半球で過大評価。（ SSS 過少評価・ NADW 形成の弱化と関係あり）

・海氷分布は南半球で再現性良好。

モデルの海氷を安定に維持することに海氷力学過程は重要な役割を果たす。(Brine rejection, Freshwater release 促進 )

・付録：海氷モデルの仕組み （スライド 7

枚分）

「海氷分布」をどのように表現するか。

海氷モデルの仕組み :

モデルの海氷分布（ L=100km ）は A, h, g(h) で表現。

A: 海氷密接度（０～１）h: 平均海氷厚g(h): 海氷厚分布

（サブグリッドのばらつきを表現）

100km

「海氷分布」を予報する方法

初めに「あった」海氷の収束 (含む ridging) ・発散を表現。

海氷モデルの仕組み :

海氷の熱力学的生成・融解は Source term で表現。

質量保存則（＋経験則）より、

( : 再分配関数、 f:凍結率、 FL: 水平融解率）

AA SAKuAt

tyxA

2)(

),,(

hh ShKuht

tyxh

2)(

),,(

LFh

fgug

t

thyxg

)()(

),,,(

「海氷分布」を予報する方法（続き）

海氷の熱力学的生成・融解を表現。⇒「熱力学海氷モデル」

海氷モデルの仕組み :

複数のモデルがある。（表現するプロセスの多寡による）

エネルギー保存則より　 Source term 求める。

mL

ES

z -p e 1()

z

Tk(

zt

t)z,y,T(x,C

OSW IF

「海氷分布」を予報する方法（続き）

風・海流応力、内部応力の影響を表現。

海氷モデルの仕組み :

内部応力モデルが複数提案されている。「力学海氷モデル」

運動量保存則より　海氷流速場を 求める。

内部応力項の役割（模式図）

H h

1)(

h

1)(

t

gukfuuu

IOAI

気候モデルへの適用の現状 : 熱力学過程の簡単化

Full-Spec 例熱力学海氷モデル

熱力学モデルを簡単化する（計算コスト削減のため）。

簡単化モデル 例(Semtner 0 layer)

Melt ponds

Brine pockets

短波の透過氷の熱容量

(Ebert and Curry 1993)

気候モデルへの適用の現状 : サブグリッド海氷分布の簡単化

例： 15 category

2 category

サブグリッドの海氷厚分布

サブグリッド海氷厚分布を簡単化する（計算コスト削減のため）。

1 category

0 2 4 6 [m] 0 2 4 6 [m] 0 2 4 6 [m]

0.2

0.4

g(h)

＜イメージ＞

気候モデルへの適用の現状 : 力学過程の簡単化

Viscous Plastic(VP)Elastic Viscous Plastic(EVP)

力学過程

力学過程を簡単化する（計算コスト削減のため）。

Granular Material(GRAM)

Cavitatingfluid(CAV)

FreeDrift

力学なし

内部応力項の役割（模式図）

H h

1)(

h

1)(

t

gukfuuu

IOAI

気候モデルへの適用の現状 : 力学過程　簡単化の影響

力学なしでは Flux adjustment 不可避。Free Drift は欲しい。内部応力は、、、？？

海氷密接度観測 OAGCM （力学あ

り）OAGCM （力学なし）