０．はじめに － 地球・宇宙に関する基本的数字 － ＋α

１．私の研究紹介：

成層圏－対流圏結合系における極端気象変動

２．将来の気象のコンピュータ予測： 数値天気予報

３．天気予報の当たり外れの科学 ＋ ミニ実習

地球温暖化と極端気象変動：

観測事実と数値モデル実験 (2)余田 成男

yoden@kugi.kyoto-u.ac.jp（京都大学大学院理学研究科）

平成25年度 ELCAS 宇宙地球コース2013年12月7日（土） 京都大学理学部1号館462室

1

２０１２～２０１６年度 科学研究費 基盤研究（Ｓ）

成層圏－対流圏結合系における極端気象変動の現在・過去・未来

研究代表者： 余田 成男所属： 京都大学大学院理学研究科

１．私の研究紹介

2

Gore (2006)“An inconvenient truth: The planetary emergency of global warming and what we can do about it”

薄い大気：

(鉛直) / (水平) ～ 10km/10000km = 0.001

3

対象領域： 対流圏と成層圏

東西帯状平均した地球大気の温度の緯度鉛直分布

高度による違い 赤道なのに「世界」で一番寒いところは？

季節による違い 夏なのに「世界」で一番寒いところは？

対流圏、成層圏、中間圏、（熱圏）

Andrews et al. (1987; P.222-5)

C C

C C

W

W

WW

W

１月 ７月

南半球 赤道 北半球 南半球 赤道 北半球

[km]

８０

４０

０

絶対温度[K] = 摂氏温度[C] + 273.15[度]

4

研究の学術的背景

成層圏突然昇温現象

極端気象変動の典型

周極渦の変形・崩壊

非線型性の強い地球規模の力学的現象

その出現予測は大変難しい問題

北極上空 10hPa（～高度30 km）での気温 [K] の時間変化

70 K

Mukougawa et al. (2012)

5 日

2009年

突然昇温時の周極渦の時間変化 （３日間隔）

寒

寒北極

5

成層圏－対流圏結合変動

成層圏極端気象シグナルが下方伝播

地表気候にまで影響

Baldwin and Dunkerton (2001)

成層圏

対流圏

経過日数

周極渦強度の時間‐高度コンポジット

6

成層圏-対流圏結合系の多重時間スケール変動像

北半球では、冬季に大きな日々・季節内・年々の変動

月平均気温の頻度分布は、冬季には大きく歪み、バイモーダルにも

220 240 260 280 [K]

６月

７月

８月

９月

１０月

１１月

１２月

１月

２月

３月

４月

５月

北極上空での月平均気温の頻度分布１５,２００年分の力学モデル実験

Nishizawa and Yoden (2005)

2000年代

1990年代

北極上空での気温の季節内変動・年々変動 Noguchi and Yoden (2012)

7 9 11 1 3 5 月

7

研究目的

本研究は、成層圏-対流圏結合系における

極端気象変動の力学的関連性の総合的な理解と

その予測能力の向上を目的とする

現在気候の観測・予報データ解析による

結合系変動の現状把握と、

過去気候の再現実験による

モデル検証・改良を踏まえて、

予測の不確実性を押さえて

未来気候の結合系変動に対する影響評価を行う

8

研究計画・方法

研究体制 研究代表者： 余田 （研究統括、企画立案・実施責任者）

（１） データ解析班田口、余田、内藤、Randel (NCAR, US)

観測/モデル実験データの解析による極端気象変動の現象記述

（２） 力学モデル・統計班石岡、余田、西本、Haynes (U. Cambridge, UK)

系統的な数値実験によるメカニズム探究・理解、 新統計則の構築

（３） 大気大循環・数値天気予報モデル班向川、榎本、廣岡、小寺、Palmer (U. Oxford/ECMWF, UK)

最先端モデルを用いた長期間アンサンブル疑似予報実験

（４） 気候モデル班水田、鬼頭、村上、納多、Shepherd (U. Reading, UK←U. Toronto, Canada)

過去気候再現実験： 過去千年、最終氷期最盛期、縄文海進期

それぞれの時期の極端気象変動の推定

海外共同研究者４名とは、１９８０年代より親密な研究交流の実績。相互に短期・中期滞在し共同研究推進

9

年次計画

研究が当初計画どおりに進まない時の基本対応未来気候変化に関する研究では、予想外の結果が出ることもありうるが、

その結果を忠実に記述し、原因を分析することを基本とする

研究班と諸計画 平成24年度 平成25年度 平成26年度 平成27年度 平成28年度

（１）データ解析班

（２）力学モデル・統計班

（３）大気大循環・数値天気予報モデル班

（４）気候モデル班

主な設備備品購入計画

国際研究集会の計画

計算サーバー、データ記憶装置の導入

データ記憶装置の補強

AOGS/WPGM ｊoint年次総会

IAMAS/ICMA国際研究集会

IAMAS/ICMA国際研究集会

国際ワークショップ主催

国際シンポジウム主催

データ記憶装置の補強

データ記憶装置の補強

計算サーバー、データ記憶装置の補強

研究打合せ・成果交流のための定期的全体会議

データベース構築

実験設定・感度解析コード開発

モデル・データ同化システム移植

縄文期気候再現実験

過去・未来マルチモデル実験データ解析

大標本統計解析、感度解析

アンサンブル擬似予報実験

過去千年気候再現実験

最終氷期気候再現実験

擬似予報実験データ解析

新統計則の構築・応用 長時間積分データ感度解析、

増幅メカニズム探究

過去気候データ解析

再解析データ解析

継続

世界古気候再現実験

データ解析継続

数値天気予報保管データ

詳細解析継続

基盤（Ａ）現在（・未来）

基盤（Ｓ）過去気候研究

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基盤研究（Ｓ）として推進する必要性

国際的卓越性

過去10年以上にわたり、WCRP/SPARC科学運営委員、「成層圏-対流圏力学結合」テーマ・リーダーとして、国際共同研究を推進

学術的重要性

外部強制（温室効果気体・オゾン破壊物質）変化に伴う気候変化、および、それに伴う極端気象の激化と出現頻度の変化について、理解と将来予測は２１世紀の地球科学の重要研究課題の一つ

海外参加者 ４６名（１４か国）、国内参加者 ５９名、合計 １０５名Ｕｓｔｒｅａｍ.tｖ 視聴者 ４２８名

成層圏突然昇温とその気象・気候変動における役割に関するワークショップ（2012年2月、京都大学芝蘭会館）

11

独創性及び革新性

① 成層圏突然昇温現象という極端気象を、

強非線型性な力学現象の不規則で稀な出現と認識

非ガウス型確率密度関数の先端部に関わる統計解析

複雑精緻な気候モデルではどうか ？

過去気候ではどうだったか ？

将来気候ではどうなるのか ？

220 240 260 280 [K]

１２月

１月

２月

Nishizawa and Yoden (2005)

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独創性及び革新性

② あらゆる階層の数値モデルを用いて系統的に実験

○ 理想化簡略化した低次元モデル(LOM)100～101自由度； 簡単概念・定性的

○ 全球３次元の力学モデル(MCM)104～106自由度； メカニズム理解

○ 大気大循環モデル(GCM),数値天気予報モデル(NPM),気候モデル(CGCM)106～109自由度； 複雑精緻・定量的

１９８０年代は低次元モデル、

１９９０年代からは３次元力学モデル、

これからは、複雑精緻モデルも総合的に活用

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波及効果

① 過去気候の再現実験

古気候学・古環境情報学との融合研究の推進

京都大学理学研究科と気象研究所の間で共同研究契約を締結済

気候モデルによる縄文期気候再現実験Kitoh (2012)

１月 ５月 ９月

２月 ６月 １０月

３月 ７月 １１月

４月 ８月 １２月

月平均地表気温の現代気候との差

14

波及効果

② アンサンブル実験データを活用して、

極端気象変動の予測可能性に関する新たな枠組みを構築

異常天候の予測能力の向上に貢献

2009年成層圏突然昇温現象の気象庁１ヶ月アンサンブル予報結果 Mukougawa (2012)

ー 観測結果ー アンサンブル予報

（５０メンバー）初期時刻

初期時刻

初期時刻に依存した予測可能性

観測結果

アンサンブル予報

15

16

２．将来の気象のコンピュータ予測： 数値天気予報

天気予報（ １日～３か月先の予報）は初期値問題

初期値問題の簡単例： 質点の放物運動

運動方程式

初期値 （初期位置と初速度）

解（質点の軌跡） 速度を時間積分

数値天気予報の流れ

1. 観測

2. データ収集・処理・解析 大気の実況把握

3. 数値予報モデルによる将来予測 予想天気図

4. 気象情報作成・提供 17

各種観測データ WMOデータ収集システム GTS (Enomoto, 2012)

18

実況の把握 将来の予測

予測データ＋観測データ

19数値予報による予想天気図

データ同化システム

数値予報モデル・

http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-1.html

数値予報モデル

運動方程式（水平成分） 運動量保存則

静力学平衡（＋状態方程式）

連続方程式 質量保存則

熱力学方程式 エネルギー保存則

＋ 水蒸気収支方程式

水蒸気、雲、雨、雪、霰、雹、・・・間の相変化を記述20

偏微分方程式系を時間・空間について離散化

未知変数の値を有限の格子点のみで与える

約５億次元の連立「差分」方程式系

初期値問題としてコンピュータで数値的に時間積分

現在の状態 約５億個の数値データ

１０分先の値を計算： Δx/ Δt = F(x)６×２４×１０（＝１４４０）回

繰り返して、１０日先の値を計算

将来の天気図を作成

サンプル 次ページ

http://www.jma.go.jp/jp/metcht/suuchi.html

天気予報の作成21

予想天気図の一例

３日予報（12月9日21時用） アジア地上気圧、850hPa気温

http://www.jma.go.jp/jp/metcht/suuchi.html

22

気象衛星画像

赤外線（IR)2004年12月 10～14日

温帯域 低気圧 前線 メソ現象

熱帯域 積雲対流 組織化 台風 スパー

クラスター

23

多階層連結変動のモデル化の難しさ

大気現象の空間的時間的な階層性

地球の大きさ

1m 1km 1000km

Tsuda(2009)

Houze(200X)

24

数値予報モデルの時間・空間分解能の限度

計算機資源が有限なことによる制約

地球の大きさ

1m 1km 1000km

領域天気予報モデル

全球気候モデル

パラメタリゼーション：

モデルで分解できない現象の影響を取り込む

全球天気予報モデル

25

コンピュータ技術の進歩

半世紀以上にわたる計算能力の指数関数的成長

計算速度The Earth SimulatorR&D Center

http://www.es.jamstec.go.jp/esc/jp/index.html

10.51 PetaFLOPS

(2011, Nov.)

http://ei.cs.vt.edu/~history/ENIAC.Richey.HTML

ENIAC300

FLOPS

計算速度

↑1959年 IBM704 気象庁納入

In 1959, JMA welcomed IBM704,the first one in the Orient, in Yokohama

(taken from Furukawa, 2012)

26

27

磁気テープ外部記憶装置

http://en.wikipedia.org/wiki/9_track_tapeIBM System 360 tape drives.jpgThe maximum data capacity of a 2400 ft reel, blocked at

32,767 bytes and recorded at 6250 BPI was 170 MB. Typically, the storage capacity was reduced by 33% (~ 113 MB).

EarthSpacecraft: SatellitesProduced by: NASA/MODIS/USGS http://www.solarviews.com/browse/earth/bluemarblewest.jpg 28

３．天気予報の当たり外れの科学

Gleick (1987)29

「カオス」発見

Lorenz(1963)“Deterministic nonperiodic flow”初期値に対する鋭敏な依存性たとえ予報モデルが完璧でも予測の限界が存在する

「カオス」の遍在性 Lorenz(1993)ubiquitous ⊿ｘ＝１０ｃｍ

⊿ｘ＝１ｍｍ

モーグル・ゲレンデを滑り落ちるスキー板

30

June 26 1995

June 26 1994

Buizza (2001)

天気予報の当たり外れ アンサンブル予報

ECMWF１０日予報

初期値にわずかな揺らぎ

流れ場に依存した予測可能性の変動

誤差成長の理論

接線型システム

31

「相空間」での誤差成長の理論

Kimoto, Mukougawaand Yoden (1992)

事例

ブロッキング現象

1989年1月末～2月初

500Pa 高度場

この事例の予報

32

7.75日予報’

7日予報

8日予報

7.75日予報

初期値に対する鋭敏な依存性 !!7.75日予報’

7日予報

8日予報

7.75日予報Kimoto, Mukougawaand Yoden (1992)

予報例

1989.02.03. 12Zの予報

8日予報

○

7.75日予報

×

Kimoto, Mukougawa and Yoden (1992)

予報誤差の時間変動

誤差指標：Root Mean Square Error流れ場の状態に依存

予報期間と誤差の関係

予報誤差の予測

予報の信頼性を表示

誤差成長が大きい場所の特定

機動的観測により初期誤差を削減 34

35

天気予報の当たり外れ、もう一つの例 台風進路のアンサンブル予報

2007年度に現業化

確率情報

台風の接近確率マップ

インタラクティブな予報

誤差成長が大きい場所の特定

機動的観測により初期値誤差を削減

１次元写像の逐次計算

３．＋α 電卓カオス実験

=1.33

36

何が起こっているか

計算結果の差の絶対値が指数関数的に増大

右図

何故、計算結果が機種による？

有限桁精度の近似計算

２乗は非線型な手続き 37