Donner, Schubert & Somerville (2011) The Development of Atmospheric General Circulation Models [メモ2]

  • Leo DONNER, Wayne SCHUBERT & Richard SOMERVILLE eds., 2011: The Development of Atmospheric General Circulation Models: Complexity, Synthesis and Computation. Cambridge University Press, 255 pp. ISBN 978-0-521-19006-0.

2011-06-14に[読書メモ]を書いた本。そこに書いたことはくりかえさない。今回は、第3章と第4章を読んだ。

第3章は、NCAR (National Center for Atmospheric Research)の大循環モデル(GCM)開発の第1世代当事者である笠原 彰とWarren Washingtonによる、大循環モデルの始まりから現在までの歴史といくらかの将来展望だ。

大気大循環は、1946年からInstitute of Advanced StudyでおこなわれたMeteorology Projectの課題にも副次的に含まれていたが、それを主目的とする組織は、1955年(あるいは翌年?)にできたアメリカ合衆国気象庁(Weather Bureau)の下のGeneral Circulation Research Section (GCRS)が最初だった。これはのちにNOAAのGeophysical Fluid Dynamics Laboratory (GFDL)となった。Pfeffer 編 (1960) Dynamics of Climate [読書メモ]もGCRSの活動が始まる直前に開かれた会議の記録なのだが、本書ではそれよりも少し古い文書がGFDLから掘り起こされ、付録として収録されている。1955年7月29日にvon Neumannが書いて(タイプライターで打たせ)、それにWexler (次の第4章のところで説明する)が手書きで書きこんだ、Dynamics of the General CirculationというDraftだ。GCRSを作るために資金源となりそうな機関に提出した計画提案書の下書きにちがいない。提案されている研究開発の内容は、Pfeffer編の本に出てくる内容と共通している。この文書ではとくに計算機を確保することに重点が置かれているように思われる。大循環の数値実験は数値予報よりも大量の計算機資源を必要とするが、(まだ専用の計算機を要求するほど強い主張はできなかったので) 既存の計算機のうちで軍でない政府の事業で時間借りできるものという条件で、Washington DC郊外のSuitlandにあったIBM 701 (IBM社が所有して政府に貸していたらしい)をぜひ使いたいということになっている。

それから、GCMの発達をたどる。1980年ごろまでの大筋は、GFDL, UCLA, Lawrence Livermore Laboratory, NCARに分けて説明されており、Paul Edwardsによるまとめ ( http://pne.people.si.umich.edu/sloan/mainpage.html [2017-12-31 URL修正]、EdwardsのA Vast Machine [読書ノート]にも収録されている)とだいたい対応するのだが、対象分野の専門家が書いているので、やや専門的記述になっている。1980年代以後は、世界の多くの機関にひろがったので全部をあげることはできず、たとえば日本の研究機関の名まえはこの文脈ではあがっていない。

また、大気大循環ばかりではなく、海洋、陸面水文を含む気候モデル、さらに、生物地球化学などを含む地球環境システムモデルが発達してきたことを、わりあい簡単な図式で示している。

執筆当時の近年の動きと将来の課題についての話題で、興味深いのは、笠原氏がとくに関心をもっている(2010年にDynamics of Atmospheres and Oceansに論文を出した) 力学の基礎方程式の精密化だ。これまでのほとんどの大循環モデルでは、コリオリ効果として、地球の自転のうちでそれぞれの場所の鉛直方向の軸のまわりの成分だけをとりあげ、水平方向の軸のまわりの成分を無視してきた。ところが、全球モデルでも水平空間規模が数km以下の現象まで計算するようになったので、この近似をやめて精密な式を使う必要がありそうなのだ。

ここで、水平の細かい格子のモデルの例として、日本でつくられているNICAMのことが出てくるのだが、そのモデルの名まえは出てこない。また、そのモデルをつくっている組織の名まえとしてはFRCGCが出てくる。これは2009年3月までの組織名でその後は改組されたのだが、原稿はその前に書かれたのだろう。

第4章は、Fixing the Sky (気象を操作したいと願った人間の歴史) [英語版の読書メモ][日本語版の読書メモ]の著者でもある科学史家Flemingによる、数値予報の始まりに大きな役割を果たしたHarry Wexler (1911–1962)は気候の意図的改変に関する問題を論じたおそらく最初の気象専門家でもあったという話だ。

Wexlerは、アメリカ合衆国気象庁(Weather Bureau)につとめ、1946年に空軍への出向からもどってから1962年に亡くなるまで、気象庁の研究開発業務をひきいていた(本書の表現ではHead of Researchだが正しい職名か確認していない。なお1946年当時の職名はchief of the Special Scientific Services divisionとある)。WexlerがInstitute of Advanced Study (IAS)のvon Neumannを中心とするMeteorology Projectの企画に深くかかわっていたことは、Harper (2008) Weather by the Numbers [読書ノート]にも出てくる。Wexlerはこのほかに、気象観測へのレーダーや飛行機やロケットや衛星の利用を推進し、World Weather Watchの企画の初期にソ連のV.A. Bugaevとともに中心となっている。Wexlerの残した文書が、Library of Congress (LC)のManuscript Divisionに保存されており、Flemingはこれを調べた。

そこで見つかったのが、On the possibilities of climate controlという、Wexlerが1962年に複数の場所で講演した原稿で、Flemingはこれが重要だというのだ。

Flemingは、その原稿からも参照されている1945年の文書にも注目する。それは、RCA (Radio Corporation of America)社の研究所にいたVladimir K. Zworykinによる1945年10月づけの、Outline of Weather Proposalというタイプ打ちだが表紙をつけられた文書だ。これもLCのWexler文書にあったそうで、Flemingはその画像を複製して2008年にオンライン雑誌History of Meteorology 4:57-78に収録している。(雑誌ウェブサイトhttp://meteohistory.org/scholarship/history-of-meteorology/ 、この文書のファイルは http://www.meteohistory.org/2008historyofmeteorology4/4zworykin.pdf )。Zworykinの文書に続いて、それに対するvon Neumannの手紙と、海洋学者で当時陸軍にいたAthelstan Spilhausの手紙がつけられている。

Zworykinの提案の内容は、その後実現したIASのプロジェクトとだいたい同じなのだが、 計算機による天気予報の革新のさきに、effective weather controlの可能性を期待していた。それは、たとえば海上に油をまくことによって、嵐(ハリケーンを想定していたらしい)の発達をおさえたり向きを変えたりすることをさしていた。さらに、 気候の改変も考えていた。その内容は、植生、砂漠、氷河、山岳などの地理の改変だというのだが、おそらく地表面被覆を変えることによって熱収支や水収支を変えることなのだろう。Zworykinはこのような意図的改変が世界の平和と繁栄に役立つという信念をもっていた。

von Neumannもこれに賛同した。ただし読んでみると、weatherの制御については確かに賛同しているのだが、climateを含むのかどうかは不確かだと思う。また、Flemingは”All stable processes we shall predict. All unstable processes we shall control.” を von Neumann’s overall agenda and philosophy を示すことばとしてあげていて、その出典を Zworykin 1945 としているのだが、その文書にはこの文は見あたらない(ただし、この文書のPDFファイルは文字検索可能になっておらず、わたしは、von Neumannの手紙の部分を読んでこの文がないことを確認したのだが、Zworykinの文章に含まれているかどうかは見落としがあるかもしれない)。Spilhausも賛同したが、これはweather controlに関してだった。

Wexlerはこの文書づくりには関与していない。ただし同じ年にMauchlyに会って天気予報に計算機を応用することを考え始めている。そして1946年になって気象庁の担当者としてプロジェクトにかかわることになった。1946年5月に書かれたIASの研究計画提案書に “the first step towards influencing the weather by rational, human intervention” ということばがある。またWexlerは、Zworykinの提案を航空などにかかわる官庁の人や気象学者に見せている。海洋に油をまいてハリケーンを抑制する構想に熱帯気象学者の賛同が得られなかったというメモが残っている。

このころ、世の中には、原子爆弾によって、南極氷床をこわしたり、海流の流れを変えたりすることによって、気候を改造するという構想を述べる人がいた。また、General Electric社で、ドライアイスやヨウ化銀による雲のたねまき実験が行なわれ、Langmuirはこの技術には大きな効用があると(あと知恵で言えば自信過剰に)主張した。またKenney将軍は降水がいつどこで起こるかをcontrolすることができる国が世界の覇権をにぎると論じた。

Wexlerは、空軍出向中の1945年7月のTrinity核実験の気圧波の解析をしたことをかわきりに、核実験や原子力安全ともかかわった。核実験の天気への影響についての質問に対して、エネルギーが小さいので長期的効果は無視できると答えた。しかし、放射性降下物については、健康への心配と、(南極にも達する)トレーサーの両面で関心をもった。また、dust bowlの塵の雲、スモッグ、森林火災の煙、火山噴火のエーロゾルなどが、大気によって運ばれることや、日射をさえぎる効果について研究した。1952年に、気候変化に関する研究集会で、 気候変化の要因としての地球放射収支について報告し、それを変化させる要因として、二酸化炭素(Callendarの研究を参照して)と、アルベドの変化(その原因はいろいろあるが)を重視した。1954-56年にはGilbert Plass (1920-2004) によって二酸化炭素による温室効果の理論的研究が進み、Wexlerの企画・調整の働きによって、GCRSでの大循環研究にこの課題がとりいれられ、また国際地球観測年(IGY, 1957-58年)に間に合うようにMauna LoaでのCO2 (および放射、オゾン)の観測を開始することができた。

Wexlerが気候改変について論じたものには、まず、1958年にScience 128:1059-1063に出版されたものがある。表現は「大規模な気象改変」となっているが、砂漠や氷床を黒くしてアルベドを変えること、水素爆弾を爆発させ、北極海に厚い雲をつくり、海氷を減らすというEdward Tellerの案、ベーリング海峡をせきとめ大西洋の水を入れて北極海を暖かくするというソ連のP.M. Bolisovの案などをとりあげている。結果は必ずしも期待どおりにならず、かえって有害かもしれないことを指摘し、それでもやろうとする人が出てくるだろうから、予測能力をもつことがますます重要だと言った。

1962年の気候制御に関する講演では、気象の改変を続ければ気候も変わるので両者の問題は切り離せないという態度をとった。ただし人工降雨などはあまり問題にせず、地球の熱収支を変えるような気候改変を問題にした。また成層圏オゾン破壊をも問題にした。これは成層圏の熱収支を変えるので気候改変の問題でもあると見ていたようだ。意図的でないものの例としては、ロケットの排気がオゾン破壊につながる可能性を論じた。意図的なものの例としては、(a)高緯度で水素爆弾を爆発させ氷の雲をつくり世界の気温を上げる(Tellerの考え、既出)、(b)赤道まわりの軌道に塵の輪をつくり世界の気温を下げる、(c)水蒸気か何かを追加して大気下層の温度を上げ成層圏の温度を下げる、(d)塩素や臭素の触媒を入れ成層圏のオゾンを破壊する(圏界面が高くなり成層圏の温度が下がる)、などの構想を論じた。この(d)は、1934年にSydney Chapmanが紫外線天文観測のためにオゾン層に一時的にあなをあけたいという理由で考えた構想なのだが、その後、敵国上空のオゾンを意図的に破壊するという軍事利用を考える人もいた。これに対してWexlerはOliver Wulf (Caltech)から得た触媒の知識で臭素 0.1メガトンで極域のオゾンを全部破壊すると見積もり、Manabe & Möller (1961)の研究に基づいて成層圏の温度を80℃下げることになると見積もって、これはたいへんなことになりうると述べたようだ。

しかしWexlerはこの議論を論文にするに至らないまま8月11日に心臓発作で亡くなった。約10年後に超音速旅客機の排気がオゾンを破壊する可能性、続いてクロロフルオロカーボンが問題になったのだが、Wexlerの先駆的な仕事はFlemingが資料を掘り起こすまで忘れられていたようだ。

折り返しのあとに詳しい目次をつける。

[Contents v]
Contributors ix
Foreword (Isaac M. Held) xi
1. Introduction (Donner, Schubert & Somerville) 1
Acknowledgments 2
2. From Richardson to early numerical weather prediction (Peter Lynch) 3
– 2.1 Pioneers of scientific forecasting
– 2.2 Pre-computer forecasting
– 2.3 Key developments, 1920-1950
– 2.4 The ENIAC integrations
– 2.5 Advancing computer technology
– 2.6 Climate modeling
– 2.7 Uncertainty and probability
– 2.8 Dreams fulfilled
3. The evolution and future research goals for general circulation models (Warren M. Washington and Akira Kasahara) 18
– 3.1 Introduction
– 3.2 Evolution fo general circulation modeling efforts
– – 3.2.1 GFDL models
– – 3.2.2 UCLA Mintz-Arakawa model
– – 3.2.3 The Livermore atmospheric model (LAM)
– – 3.2.4 NCAR models
– – 3.2.5 World-wide proliferation of GCM activities
– – 3.2.6 Timeline of climate model development
– 3.3 Future goals for climate and Earth system modeling
– – 3.3.1 Evolution of dynamical core for cliamte and Earth system modeling
– – 3.3.2 Goals for improving physical processes in climate and Earth system models
– Appendix: Letter from John von Neumann, with handwritten comments from Harry Wexler in square brackets
4. Beyond prediction to climate modeling and climate control: New perspectives from the papers of Harry Wexler, 1945-1962 (James Rodger Fleming) 51
– 4.1 On the possibilities of climate control
– 4.2 Computers and meteorology, 1945-1946
– 4.3 Fantasies of control
– 4.4 Computers and meteorology, 1947-1948
– 4.5 Wexler’s key contributions in other areas
– 4.6 Climate change and the general circulation
– 4.7 Gilbert Plass and CO2 modeling
– 4.8 Harry Wexler’s article and final lectures on climate control
– 4.9 Conclusion
5. Synergies between numerical weather prediction and general circulation climate models (Catherine A. Senior, Alberto Arribas, Andrew R. Brown, Michael J.P. Curren, Timothy C. Johns, Gillian M. Martin, Sean F. Milton, Stuart Webster & Keith D. Williams) 76
– 5.1 Backgorund and motivation
– 5.2 Seamless prediction across a range of space scales
– – 5.2.1 Horizontal resolution
– – 5.2.2 Vertical resolution
– 5.3 Seamless prediction across a range of time scales
– – 5.3.1 Data assimilation and reanalyses
– – 5.3.2 Initial tendency diagnosis of model errors
– – 5.3.3 Evaluating short-range forecasts against observations
– – 5.3.4 Evaluation of errors — mdeium range to seasonal and decadal
– 5.4 Benefits of shared development
– – 5.4.1 Complexity
– – 5.4.2 Sharing of diagnostic techniques across time-scales
– – 5.4.3 Initialization
– – 5.4.4 Ensemble generation
– – 5.4.5 Software engineering infrastructure
– 5.5 Conclusion and future exploitation
6. Contribution of observational studies to the evaluaqtion and diagnosis of atmospheric GCM simulations (Ngar-Cheung Lau) 117
– 6.1 Introduction
– 6.2 The early years — energy cycle, zonal-mean circulation, and regional climatology
– 6.3 Shift of attention to longitudinal and frequency dependence of atmospheric variability
– 6.4 Diagnoses of local interactions between transient eddies and the time-mean circulation
– 6.5 Experimentation on interactions with SST conditions at various sites
– 6.6 Discussion and future prospects
7. Coupling atmospheric general circulation to oceans (Kirk Bryan) 148
– 7.1 Introduction
– 7.2 Ocean models
– 7.3 Coupled models compared to observations
– 7.4 Paleoclimate
– 7.5 El Niño
– 7.6 Multi-decadal climate variability
– 7.7 Future challenges and opportunities for coupled models
8. Coupling atmospheric circulation models to biophysical, biochemical, and biological processes at the land surface (Robert E. Dickinson) 177
– 8.1 Beginnings of modeling theland surface as a component of GCMs
– 8.2 Land’s role in climate variability and change
– 8.3 The introduction of dynamic vegetation
– 8.4 Coupling to the carbon cycle
– 8.5 Concluding discussion
9. The evolution of complexity in general circulation models (David Randall) 202
– 9.1 Introduction
– 9.2 In the beginning
– 9.3 Numerics
– 9.4 Parameterizations
– 9.5 From academia to enterprise: a loss of innocence
– 9.6 Peta-flops and giga-grids
– 9.7 Conclusions
10. The co-evolution of climate models and the Intergovernmental Panel on Climate Change (Somerville) 225
– 10.1 Historical development of global climate models in the IPCC context
– 10.2 The beginnings of the Intergovernmental Panel on Climate CHange (IPCC)
– 10.3 The First Assessment Report (FAR) of the IPCC (1990)
– 10.4 The Second Assessment Report (SAR) and Third Assessment Report (TAR)
– 10.5 IPCC and the policy debate regarding human effects on climate change
– 10.6 The IPCC process
– 10.7 An example of model evolution in the IPCC context: cloud processes
– 10.8 Coupled models
– 10.9 The Fourth Assessment Report (AR4) and the future of the IPCC
References 251
Index 253[-255]
Color plates between p. 144 and p. 145

One thought on “Donner, Schubert & Somerville (2011) The Development of Atmospheric General Circulation Models [メモ2]

コメントを残す

メールアドレスが公開されることはありません。 * が付いている欄は必須項目です

このサイトはスパムを低減するために Akismet を使っています。コメントデータの処理方法の詳細はこちらをご覧ください