研究課題
「大型大気レーダー国際共同観測データと高解像大気大循環モデルの融合による大気階層構造の解明」

研究期間：2016年10月～2022年3月
研究代表者：佐藤 薫（東京大学大学院理学系研究科 教授）

テーマ2. データ同化スキームの開発と高解像GCMを用いた全球大気高解像解析データ作成

研究のねらい

中間圏を含むデータ同化は世界的にまだ開発段階にある。本研究のねらいは、地上から下部熱圏までをカバーする全中性大気のデータ同化システムの開発である。また、開発したデータ同化システムを用いて長期（15年以上）の全球解析データ（推定値データ）を作成する。

実施方法・実施内容・成果

国際共同観測が行われた2017年1～2月の突然昇温事例を対象にデータ同化システムの検討を行った。予報モデルには情報グループの主たる共同研究者渡辺が開発して定評のあるJapanese Atmospheric GCM for Upper Atmospheric Research (JAGUAR; Watanabe and Miyahara, 2009) を用いた。GCMの水平解像度は約300km（T42）である。この解像度では重力波の場は得られないが、長期の全球大気推定値データの作成が可能となる。用いた観測データは2種類で、地上〜高度約30kmまでの観測データセットPREPBUFRとAura衛星搭載のMicrowave Limb Sounder (MLS) の気温リトリーバルでスパースだが中層大気全体をカバーする。レーダー観測データはパラメータの調整や検証に用いた。データ同化には4次元局所アンサンブル変換カルマンフィルタ (4-D Local Ensemble Transform Kalman Filter; 4D-LETKF; Miyoshi and Yamane, 2007) を用いた。この手法は大きな行列計算を回避することにより計算効率が高く、局所化の導入により並列化が容易である。4次元変分法と異なり、モデルコードに依存せず汎用性が高いという特長もある。ただし、通常の気候モデルが対象とする、対流圏・成層圏下部はロスビー波的運動が支配的、本チームが対象とする成層圏・中間圏・下部熱圏は重力波的運動が支配的というように、大気の性質が異なるため、4D-LETKFで設定が必要な様々なパラメータの調整が必要であった。本研究項目では、現時点の計算機リソースで現実的な30メンバーでの最適化を行い、次に200メンバーの実験結果を行って最適最小メンバーの検討を行った (Koshin et al., 2020)。

さらに推定値の質を高めるため、モデル拡散係数の調整や、同化フィルターの導入、太陽非同期衛星観測データの同化などを進めた (Koshin et al., 2021)。図2に各開発段階でのデータ同化推定値（赤線）と、データ同化に用いていないレーダー観測データの時系列（黒線）の例を示す。IAUは同化フィルター、SABER、SSMISは衛星観測データの種類を示す。rは相関係数、kは推定値と観測値の分散の比である。図2の最上図はKoshin et al. (2020) の結果であり、数日以上の周期について妥当な推定値データが得られている。最下図がKoshin et al. (2021) で発表した最終的なデータ同化システムの時系列である。振幅はやや過大評価気味だが、12時間程度の周期成分までよく推定されている。水平解像度300kmのGCMでは表現されない重力波も観測データには含まれることを考えれば0.4を超える相関係数は十分高いとみなすことができる。この研究により完成したデータ同化システムを、JAGUAR-DAS (Data Assimilation System) と名付け、MLS観測開始の2004年9月以降の長期大気解析データを作成した。このデータは、テーマ3で行った、赤道中層大気の季節内振動の解析や、初期値として与えた高解像GCMによる重力波を含む再現実験研究に用いている。小新はこの研究で日本気象学会松野賞を受賞した。
全中性大気のデータ同化を行っている研究機関は米国海軍研究所と米国大気科学研究センターと本研究チームのみである。§３(2) に記載したWCRP/SPARCでのデータ同化チーム (DAWG) での研究活動の一環として、全中性大気データ同化プロダクツの国際比較研究に参加した。例として図3に緯度60N, 60Sにおける東西平均東西風各研究機関のデータ同化推定値比較を示す。本研究のデータ同化プロダクトは他の研究機関のプロダクトに比べて、遜色のない高いクオリティの推定値であることが確認できる (McCormack et al., 2021) 。
本研究ではさらに、検証に用いたレーダーによる風速データのデータ同化に与えるインパクトも調べた。具体的には高解像度GCMのフリーランの結果を真値として、衛星観測による気温とレーダー観測による水平風のデータの同化インパクトを調べるOSSE (Observing System Simulation Experiment) を行った。コリオリ力が働かず、気温と風がバランスしない赤道域ではレーダーの風観測のインパクトは小さくないことが予想されていたが、インパクトを与えるにはかなりの数のレーダー観測が必要であるという結論になった。

成果の位置づけや類似研究との比較

中間圏・下部熱圏を含む全中性大気のデータ同化研究は本研究チームの他は2機関で行われている。それぞれ3次元変分法、4次元変分法が採用されているのに対し、JAGUAR-DASでは4D-LETKFを採用している。4D-LETKFは変分法と比べて計算効率が高い優位性があり、本研究では長期の大気推定値データの作成が可能となった。一方で、他の2機関では大気化学過程も入っているため、大気微量成分分布の研究が可能である。JAGUAR-DASはその意味では大気力学過程の研究に特化したデータ同化システムと位置づけられる。