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GCM メモ

GCM 情報

概要，ひとこと情報

  • 気候モデル(AGCM, CGCM, ESM など)に関する私的メモ(初版記述開始: 2013-07-23)
  • 書き始めたきっかけは，(1) CMIP5 評価のプロジェクトに従事し始めた(after FY2013)， (2) MIROC に関する web 情報が見つからず， (See CMIP5 - MIROC for public) 手元で集めていた断片的な情報をまとめる必要性を感じた，という点．
  • 本来なら，モデル開発者でもない私がやるべき事柄ではないだろうが，MIROCデータを使わせてもらっているので 何かの形で貢献したかった．
  • 下記の情報は全て公開された文献等に基づく．誤植・間違った情報あれば指摘してください (特に開発者メンバーの皆様)．
  • see also 将来予測(CMIP関連のメモ)
  • see also 将来予測 > 海陸分布 (CMIP5 の一部モデルの海陸分布等の図．GCM に不慣れな人に，GCMの空間解像度を視覚的に伝えるのに有効)

定義

GCM とは，Global Circulation Model (ないし General Circulation Model) の略．
古くは大気大循環モデル (Atmospheric GCM; AGCM)の事であった(大気屋の視点で書いてます．ごめんなさい > 海洋屋さん)． 大気科学(というか地球環境学)の発展および計算機の能力向上に伴って， 大気以外 (陸面，海洋，生物圏 (炭素循環，動的植生分布など) ) の物理過程を数値計算するモジュールが結合されてきた．
GCMの第二段階(というべきだろうか?)として大気-海洋結合モデル(Atmosphere-Ocean Coupled GCM; AOGCM)が作成され， さらには地球システムモデル(Earth System Model; ESM) なども開発されている．

現代なら，科学的知見に基づく本格的な「シムアース」も作れそうだ． JpGU あたりで有志を募ったお遊び企画にゲーム会社が乗っかれば作れるんじゃないだろうか？ ユーザが増えれば，得られたシミュレーションは莫大なメンバー数を持つアンサンブル実験になるのでは？ 面白そうだ．

参考: 将来予測データ
参考: 長期再解析データ
参考: 現業客観解析データ

GCM 情報 (国内): モジュール・スペック・参考文献まとめ

日本国内のGCMたち; GCMs & ESMs in Japan: MIROC, MRI-GCM, NICAM

 MIROC

MIROC 公式サイト(in English): CMIP5 - MIROC for public
論文ダウンロードには，ユーザ認証が必要．

 Specification of models

MIROC-ESM & MIROC-ESM-CHEM (See S. Watanabe et al. (2011, Geosci. Model Dev.))

Under const.
Contains aerosol (SPRINTARS; Takemura et al. (2000, JGR)) and chemistry (CHASER; Sudo et al. (2002, JGR)) modules.

MIROC5 (See Watanabe et al. (2010, JC))

Under const.

  • Atmospheric component: CCSR/NIES/FRCGC AGCM ver. 5.7 (Based on CCSR/NIES AGCM; see Numaguti et al. 1997)
    • Spectral model (T85L40; lon x lat = 1.4 x 1.4 deg. in horizontal; 256 x 128 grids, hybrid sigma-p coordinate 40-layer); top level = 3-hPa.
    • Cumulus convection: Chikira and Sugiyama (2010, JAS)
    • Radiation: updated version of the k-distribution scheme (Sekiguchi and Nakajima 2008, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, vol.109, p.2779-)
  • Ocean component: COCO ver. 4.5 (Hasumi 2006, CCSR Report vol. 25, 103pp.)
    • lon x lat = 1.4 deg. x (0.5 to 1.4) deg. (256 x 224 grids)
    • "North Pole" shift to Greenland (80N, 40W). South Pole = (80S, 140E)
    • 49-level, grid spacing = 2.5 m (sfc), 20 m (D = 100 m), 100 m (D = 1000 m), 200 m (below 2000 m depth).
    • See COCO web
MIROC4h (See Sakamoto et al., 2012, JMSJ)

Under const.

  • Atmospheric component: CCSR/NIES/FRCGC AGCM ver. 5.7 (Based on CCSR/NIES AGCM; see Numaguti et al. 1997)
    • Spectral model (T213L56; 0.5625 degree in horizontal, sigma coordinate 56-layer); top level = approx. 40 km.
    • Cumulus convection: Arakawa-Schubert cumulus convection scheme (Arakawa and Schubert 1974 JAS; Pan and Randall 1998 QJRMS)
    • Radiation: hoge
    • Cloud and cloud microphysics: hoge
    • Turbulence: hoge
    • Aerosols: NOT considered
    • hoge
  • Ocean component: COCO ver. 3.4 (Hasumi 2000, CCSR Report vol.13, 68pp.; Hasumi 2006, CCSR Report vol. 25, 103pp.)
    • lon x lat = 0.28125 deg. x 0.1875 deg. (1280 x 960 grids)
    • "North Pole" shift to Greenland (77N, 40W). South Pole = (77S, 140E)
    • 47-level, grid spacing = 2.5 m (sfc), 20 m (z = 14; D = 118 m), 100 m (z = 22; D = 498 m), 200 m (z ≥ 27; D ≥ 1248 m). See Table 2 in Sakamoto et al. (2012, JMSJ).
  • Land surface component: MATSIRO (Takata et al. 2003)
    • hoge
  • River routing component: TRIP (Oki and Sud 1998)
    • See also http://hydro.iis.u-tokyo.ac.jp/~sujan/research/models/trip.html
  • Sea ice component: Semtner et al. 1976, Hunke and Dukowicz 1997
    • hoge
  • Coupler: ???
    • hoge

 Related papers

Description of model

  • MIROC3 description paper: Hasumi and Emori (Eds.) (2004, K-1 Technical Report No.1)
    • You can see abstract in Publication list in the KAKUSHIN project web
    • 東大気候センター時代にはネット公開していたらしい(過去アドレス: http://www.ccsr.u-tokyo.ac.jp/~agcmadm/ ; See references in Watanabe et al. (2010, JC))． アクセス先転送の設定まではあるのだが，現在はアクセスできず(checked: 2013-07-23)． サイト移設により，リンク切れをおこしたのか? MIROC のモデル解説文献として，最重要論文と思われるので， この文献だけでもインターネット上からアクセス可能にしてほしい(MIROC 開発グループの皆様)． その方が，MIROC の宣伝にもなると思いますよ．
  • MIROC5: Watanabe et al. (2010, JC)
  • MIROC4h: Sakamoto et al. (2012, JMSJ)

Sub-models (sub components of model), dynamics, physics, parameterization scheme, etc.

  • MATSIRO (land surface module): Takata et al. 2003; Obtained from Global and Planetary Change(Elsevier, IF = 3.155), Vol. 38, p.209-222
  • Total Runoff Integrating Pathways (TRIP; river discharge module): Oki and Sud. 1998, Earth Interaction, vol. 2, p.1-36
  • CCSR/NIES AGCM: Numaguti et al. (1996, CGER's Supercomputer Monograph Report, Center for Global Environmental Research, National Institute for Environmental Studies, No. 3, p.1-48); PDF を発見できず．

モデル結果の解析，再現性比較，プロセス解明など

 MRI GCM (AGCM, AOGCM, ESM)

 Specification of models

Under const.
See Climate Research Department web, MRI, Japan

 Related papers

 NICAM

NICAM
Satoh et al. (2008, J. Comp. Physics)

Under const.

GCM 情報 (国外): モジュール・スペック・参考文献まとめ

日本以外の国のGCMたち: たくさんありすぎる． 自分が解析に利用しているモデルから順次記述しているので，一般的な or 包括的なリストとは言えない．

 NCAR Community Earth System Model (CESM)

  • NCAR's Community Earth System Model (CESM). See CESM web
  • ユーザ登録すれば， GCM のソースコードを入手できるようだ． これは非常に画期的なこと． 解像度を落とすなど計算負荷をさげてやれば，「自宅のパソコンで 1000 年ラン」とか出来るのでは? 「地球を我が手にできる」のは楽しそう．
  • CMIP5 data download page = http://rda.ucar.edu/datasets/ds316.0/

 CSIRO Mk3.6

CSIRO Mk3.6
Rotstayn et al. (2012, ACP)(the precise version in CMIP5)

See CSIRO wiki.

  • Atmospheric component: Based on the CSIRO Mark 3.5 (See Gordon et al. (2002), Gordon et al. (2010))
    • Spectral model (For CMIP5: T63L18. 1.875 x 1.875 degree in horizontal, 18-layer); top level = ?? km.
    • Cumulus convection: NOT checked yet.
    • Radiation: hoge
    • Cloud and cloud microphysics: hoge
    • Turbulence: hoge
    • Aerosols: interactive aerosol treatment (See Rotstayn et al. (2010))
    • hoge
  • Ocean component: ver. 2.2 of the Modular Ocean Model (MOM2.2; see Pacanowski 1996)
    • lon x lat = 1.875 x 0.9375, 31-level
  • Land surface component: Same as Mk3.5
    • hoge
  • Sea ice component: See O'Farrell (1998). Gordon et al. (2010) にて更新情報を説明．
    • hoge

 CMCC-CM

  • CMCC-CM web
  • Modeling group: Centro Euro-Mediterrraneo sui Cambiamenti Climatici, Italy
  • Description paper of the CMIP5 model vesion = Scoccimarro et al. 2011 JC
    • title: Effects of tropical cyclone on ocean heat transport in a high-resolution coupled general circulation model.
CMCC-CM
Scoccimarro et al. (2011, JC)

Under const.

  • Atmospheric component: ECHAM5 (Roeckner et al. (2003, MPI report vol. 349); Roeckner et al. (2006, JC))
    • ECHAM5情報記載ページが発見できない． 以前はおいてあったはずだが． 代用として，ECHAM現行版への リンクを記載．CMIP6ではECHAM6になるらしい(checked 2016-12-23)．
    • (参考) Jungclaus et al. (2006, JC): ECHAM5/MPI-OM 使った論文．CMIP3時点でのモデル．
    • Spectral model (For CMIP5: T159L31. 0.75 x 0.75 degree in horizontal, lon x lat = 480 x 240 grids, 31-layer); top level = 10-hPa.
    • Cumulus convection: Tiedtke (1989, MWR), modified by Nordeng (1994)
    • Radiation: hoge
    • Cloud and cloud microphysics: hoge
    • Turbulence: hoge
    • hoge
  • Ocean component: OPA8.2 (Madec et al. 1998; title = "OPA 8.1 Ocean General Circulation Model Refence Manual")
    • lon x lat = 2.0 x (0.5 to 2.0) deg., 31-level (10 levels lie within the upper 100 m)
  • Land surface (w/ vegetation): SILVIA
    • hoge
  • Carbon cycle component: ICC (See Vichi et al. 2011 Clim. Dyn.; Patala et al. 2011 JGR)
    • The biogeochemical system includes land and vegetation (SILVIA) and ocean biogeochemistry (PELAGOS)
  • Sea ice component: ORCA2 (Fichefet and Morales-Maqueda 1999)
    • hoge
  • Coupler: the Ocean Atmosphere Sea Ice Soil ver. 3 (OASIS3; Valcke 2006)

 CNRM-CM5

  • CNRM-CM5 web
  • Modeling group: Centre National de Recherches Meteorologiques / Centre European de Recherche et Formation Advancees en Calcul Scientifique, France
  • Description paper of the CMIP5 model vesion = Voldoire et al. 2011 Clim. Dyn.
    • title: The CNRM-CM5.1 global climate model: description and basic evaluation.
CNRM-CM5

Under const.

  • Atmospheric component: ARPEGE-Climate ver. 5.2
    • 元々はECMWFにて，現業の数値予報モデルとして使われていたもの． 1990年代に気候モデルとして発展系が作成され，ARPEGE-Climate となった (see ARPEGE-Climate Description)．
    • GCMであるが，研究対象地域のみを拡大 (一部地域のみを高解像度化) 可能な『伸縮グリッド』を設定できる(らしい)．
    • Spectral model (For CMIP5: T127L31. approx. 1.5 x 1.5 degree in horizontal, lon x lat = 256 x 128 grids, 31-layer); top level = 10-hPa.
    • Cumulus convection: ???
    • Radiation: hoge
    • Cloud and cloud microphysics: hoge
    • Turbulence: hoge
    • hoge
  • Ocean component: NEMO 3.2.1
  • Land surface component: ISBA
    • hoge
  • River routing component: TRIP (Oki and Sud 1998)
    • hoge
  • Sea ice component: GELATO v5
    • hoge
  • Coupler: the Ocean Atmosphere Sea Ice Soil ver. 3 (OASIS3; Valcke 2013, Valcke 2006)

 EC-EARTH

  • EC-EARTH web
  • Description paper of the CMIP5 model vesion = ??
    • title: ??
EC-EARTH

Under const.

下記情報は，EC-Earth ver. 2.2 の場合 (のはず)． CMIP5 に提供されたバージョンと整合しているか，未確認(2013-08-01 時点)．

  • Atmospheric component: ECMWF's Integrated Forecast System (IFS)
    • 元々はECMWFにて，現業の数値予報モデルとして使われていたものらしい． このあたりの経緯は CNRM-CM5 と同様．
    • Spectral model (For CMIP5: CY31r1 (?), approx. ?? x ?? degree in horizontal, lon x lat = ?? x ?? grids, ??-layer); top level = ??-hPa.
    • Cumulus convection: ???
    • Radiation: hoge
    • Cloud and cloud microphysics: hoge
    • Turbulence: hoge
    • hoge
  • Ocean component: NEMO 2 (?)
  • Land surface component: ??
    • hoge
  • River routing component: ??
    • hoge
  • Sea ice component: LIM2
    • hoge
  • Coupler: the Ocean Atmosphere Sea Ice Soil ver. 3 (OASIS3; Valcke 2006)
    • hoge

OGCM 関連情報

COCO

  • COCO web
  • 羽角博康氏(2014年度堀内賞受賞者)が主開発者．海氷モデルを含む海洋大循環モデル． MIROCシリーズに組み込まれている．

MOM

  • The Modular Ocean Model (MOM) web
  • MOM ver.5 は open source プロジェクト(GPL License)になっているらしい． 計算環境さえ用意すれば，自分の思うままに海を設定する事が可能．これは楽しそう．

リンク

CMIP関連

  • CMIP6: Top page of the CMIP6 (WCRP web). See Eyring et al. (2016, Goesci. Model Dev.), description paper of CMIP6.
    • 21種のモデル相互比較プロジェクト(MIP)が公認されてる． ここで設定された様々な実験の結果が，次期IPCCレポート(IPCC AR6, となる予定）の科学的知見の基礎となる．checked 2017-01-30
  • CMIP5: Top page of the CMIP5 data archive cite (PCMDI)
  • Description paper of the CMIP5 (experimental design): See Taylor et al. (2012, BAMS)
  • RCP schenario data group:
    • いわゆる温暖化予測で入力データとして用いられる，温室効果ガス排出シナリオのデータ作成グループのページ．
    • RCP3PD, RCP4.5, RCP6, RCP8.5 の4種が存在． See Meinshausen et al. 2011, Clim. Dyn.
  • European Earth System Models and their environment(European Network for Earth System Modeling (ENES), EU):
    • EU諸国の地球システムモデル(ESM)に関するポータルサイト．
    • 各モデルのスペック，大気・海洋・海氷など ESM を構成するコンポーネントの概要などをまとめてある． 最近の GCM, ESM に関する情報収集場所として，非常に有益なサイトの一つだった．
  • Data Distribution Centre, IPCC: IPCC AR4 (2007) で利用された将来予測モデル群(CMIP3)に関する情報総括サイト． See also CMIP3 Climate Model Documentation, References, and Links (PCMDI).
    モデルのスペック概要や参照論文情報などがモデルごとに記載されている． CMIP3 の出力結果を使うなら要チェック．
    • テーブル形式の左カラム，"Models" のモデル名をクリックすれば， 対象モデルのスペック等に関する情報頁が表示される．便利．
    • 同サイトからデータ入手も出来るらしい．しかもCSV形式で． monthly mean とかなら，Excel でも何とか処理できるのか...? 高解像度化・積分期間の長期化などで，あっさりとExcelの行数の限界を突破しそうだが． 誰もが利用できる形でデータ提供されるのは良いことだが， こういうのに甘えて「CSV形式しか使えません」なんてほざく大学生が出てこないことを祈る．
  • GCM Family Tree(GFDL, USA): 世界中の GCM の「家系図」ないし「系統樹」． ただし，1990年代頃までのものであり，全てのGCMが網羅されているわけではない． CMIP5 のモデルたちをこの「家系図」に入れたらどうなるのか? 地球環境の再現性の良し悪しは，「血筋」に依存する可能性は無いか?

GCM source code 関連

PC性能の向上により，古い(第X世代)GCMならば，個人PCでも十分動かせる時代になっている． 旧世代GCMの一部は，ネットから入手可能(後述)．

GCM導入は必ずしも簡単ではないが，「地球を我が手に」出来る楽しさを味わえる． SF的な条件設定でGCMを動かしてみるのも面白いだろう．

  • CESM: NCAR の GCM，というか地球システムモデル． ユーザ登録すればソースコードが入手可能のようだ．
  • GISS GCM Model II: NASA, GISS のモデル．1980年代のモデルなので解像度粗い(標準解像度: lat x lon = 8 x 10 deg. interval)． しかし，粗いからこそ動作が軽いのだろう． 教育資料として使うための補助ツール(GUI環境?)も用意されているようだ． 自分で試してないが，いつか動かしてみたい．

GCM データ処理

せっかく計算したデータが大量にあっても，それを使いこなす技術がなければ， 宝の持ち腐れになる． ツールを自作することもそれなりに重要だが，便利な道具があるのなら， かつそれの利用によって解析効率があがるのなら， どんどん利用すべき．
「作業時間」はできるだけ短縮し，「考察する」・「議論する」時間を増やそう．

GCM 関連文献

情報が多すぎて網羅するのは困難． 見つけ次第追加，という方針．

更新履歴

2021-06-21
GCM関連文献を追加． CTM メモで気象モデル関連の情報収集してて，ついでに文献情報見つけたので．
2017-01-30
CMIP6情報や, 海洋大循環モデル MOM, COCO関連の簡易情報を追加．
2016-08-31
CMIP3関連情報 (Data Distribution Centre, IPCCなど)を追加． CMIP3 の情報をほとんどまとめてないことに気づいた． とはいえ，既存の便利なサイトがあるので，自分で全てをまかなう必要はない． 他者が提供し切れてない情報を見つけたら，気づいた時点でそれらを掲載すれば良かろう．
2016-02-28
GCMデータ処理を追加． CDO セットアップ & CDO 使用方法との連携強化．
2016-01-23
海洋モデル OPA & NEMO, 大気-海洋-海氷カプラ OASIS 関連のwebや文献情報を追記．
2015-10-03
GCMソースに関する情報を追加． いつか自分でもGCMを動かしてみたい． もし地球の自転方向を逆にしたら，日本の四季はどうなるだろうか...? 研究にならないだろうが，思考実験として面白い． それ試すなら，大気海洋結合が必須だろうが... 現在の個人PC程度のスペックでは，さすがに重すぎるか? 10年後のPCならイケそうだ．
2013-08-05
情報の記載ミス修正． SPRINTERS じゃなく SPRINTARS，MATSHIRO じゃなくて MATSIRO だった． 開発者の方々，ごめんなさい． モデル・モジュールに関連する文献(メインの description paper)へのリンクを追加．
2013-08-01
取りあえず，CMIP5 モデル群のうち比較的高解像度のモデルに focus する．
CSIRO, CMCC-CM, CNRM-CM5, EC-EARTH に関する情報を追加． 間違いありそうなので，しばらく非公開にして手元で利用する，
2013-07-23
将来予測データ(CMIP5関連)のPHPファイルをコピー，MIROC & MRI-GCM 関連情報の記録開始．

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