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統合モデル用の CHASER の高速化 ＆ 簡略化 須藤　健悟　（大気組成）

2003, 7/24, K2- 連絡会議. 統合モデル用の CHASER の高速化 ＆ 簡略化 須藤　健悟　（大気組成）. CHASER 　実行速度の現状 CHASER の簡略化とその評価 今後の作業に向けての見通し 今後の作業. これまで …. 化学モデル CHASER の高速化 (AGCM5.7b ベースに移行 & リストベクトル化 ). On SX-6 :T42, L32, NTR=37, PE=8, using dtrcr( 西村さん高速化 ). (sec). 各過程の計算時間 (1 年積分、 1CPU 平均 ).

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統合モデル用の CHASER の高速化 ＆ 簡略化 須藤　健悟　（大気組成）

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  1. 2003, 7/24, K2-連絡会議 統合モデル用の CHASER の高速化 ＆ 簡略化 須藤　健悟　（大気組成） • CHASER　実行速度の現状 • CHASER の簡略化とその評価 • 今後の作業に向けての見通し • 今後の作業

  2. これまで… 化学モデル CHASER の高速化 (AGCM5.7bベースに移行&リストベクトル化) On SX-6 :T42, L32, NTR=37, PE=8, using dtrcr(西村さん高速化) (sec) 各過程の計算時間 (1年積分、1CPU平均) リストベクトル高速化、etc.

  3. 1年積分実計算時間（１CPUあたり平均、８CPU使用時）1年積分実計算時間（１CPUあたり平均、８CPU使用時） (T42,L32,NTR=37) リストベクトル化 など ＋ESS系 -34% 13.7 hour/yr -45% 9.0 hour/yr 7.5 hour/yr (PE=8, on NIES SX-6) (PE=8, on ES) • 高速化の可能性… • 化学反応系の reduction※エアロゾル、成層圏化学を導入すると結局同じ？　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　※硫酸エアロゾル計算のためにはオゾン、OH、H2O2　をちゃんとしたい。 　→CHASERの0次元ポイント（box)モデル version で思考錯誤予定。 • 化学反応のタイムステップ　　　　　 　　※例：leap-frog から外して３時間ごと　 ※トレーサー輸送も？ • MPMDにする？（化学反応、トレーサー輸送）

  4. Relationship among tropospheric ozone, other greenhouse gases (CH4, HFCs), and sulfate aerosol.

  5. Global OH concentrations • Simulated global OH concentrations (below 200 hPa) • Global CH3CCl3 lifetime of 5.0 years • 4.9±0.3 years (Prinn et al. [1995]) Methane lifetime defined as (global CH4 burden)/ (loss in the troposphere) • GlobalCH4 lifetime = 9.4 years (cf. The IPCC estimate = 9.6 years)

  6. HOx (OH/HO2) vertical profiles during PEM-Tropics-B Model mean Hawaii Fiji Easter-Island Observation OH mixing ratios (pptv) HO2 mixing ratios (pptv)

  7. Observed (●) & calculated (○) seasonal variations of surface ozone

  8. Observed & calculated seasonal variations of ozone at different altitudes Resolute Hohenpeisenberg Kagoshima Hilo

  9. H2O2 vertical profiles during the NASA GTE PEM-West-A Hawaii PEM-West-A Japan PEM-West-A China-Coast PEM-West-B Japan PEM-West-B China-Coast PEM-West-B Philippine PEM-Tropics-A Tahiti PEM-Tropics-B Tahiti PEM-Tropics-B Fiji TRACE-A E-Brazil TRACE-A S-Atlantic TRACE-A S-Africa

  10. Chemistry coupled GCM (CHASER) • Sudo et al. [2002a,b] • Based on the CCSR/NIES atmospheric GCM with T42 (2.8ox2.8o), 32 vertical layers (surface to 40km). • Grid scale transport (flux form semi-Lagrangian) & sub-grid scale transport and mixing (convection & vertical diffusion) • 53 chemical species with 139 reactions (gas/liquid, and heterogeneous) : O3-HOx-NOx-CO-CH4 cycle, NMHCs oxidation, and SO2 & DMS oxidation. • Emissions from industry, traffic, biomass burning, natural vegetation/soils, and lightning (for NOx). * considered for NOx, CO, C2H6, C2H4, C3H8, C3H6, acetone, isoprene, terpenes, SO2 and DMS * Lightning NOx emissions are parameterized with GCM convection [Price & Rind, 1992] • Dry deposition depending on vegetation type [Wesely, 1989] • Wet deposition with a reversible scheme [Sudo et al., 2003] * considering rain-out (in-cloud), wash-out (below-cloud), and deposition due to ice sedimentation in the upper troposphere. * using a reversible scheme which allows reemission of dissolved gases in to the atmospheres. • Calculated O3 and CH4 are used on-line in the radiation & j-value calculation.

  11. Emissions in CHASER (1) Annual total (/yr) (Sulfate simulation) • SO2 : 71.83 TgS(Indust.), 2.64 TgS(Biomass Burning), 0.085 TgS (Aircraft) • 4.80 TgS(Volcanic) • DMS: 14.8 TgS (Ocean) The seasonal timing of biomass burning emissions is simulated by using satellite derived hot-spot data.

  12. トレーサー ：削減化学種 ETHE (アルケン類) Organic Carbon 系のエアロゾルを化学 過程で扱えなくなる テルペン類イソプレン で代表 NTR=37 (full) 　　　　　↓ 30 (simplified) ROOH ラジカル類（輸送なし） HORO2

  13. CHASER BOX(POINT) モデルによるチェック ボックスモデル：　 化学反応（気相）のみを０次元の閉じた系（点）について積分。 スキームは GCM 中のものと同一　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　水蒸気、温度、光解離定数（日内変化あり）、emission を与える。 実験条件： 同一初期条件、各種 emission を与えて 2 週間分積分

  14. PBL-C(清浄域） NO2 O3 OH H2O2

  15. PBL-B(植物影響） NO2 O3 H2O2 OH

  16. PBL-P(汚染域） NO2 O3 OH H2O2

  17. UT-P(汚染域-上部対流圏） O3 NO2 OH H2O2

  18. 高速化の可能性… • 化学反応系の reduction(NTR=37  30) • 化学反応のタイムステップ　　　　　 　　※例：leap-frog から外して３時間ごと　 ※トレーサー輸送も？ • MPMDにする？（化学反応、トレーサー輸送） • 化学反応の計算精度を落とす 化学過程簡単化後の performance　（想像）：　 ６時間/yr for T42, L32 with single node (8 CPUs) on ES 3時間/yr for T42, L32 with 4 node (32 CPUs) on ES • 25日/(100 yrs) for T42, L60 with 4 node (32 CPUs) on ES • 58日/(100 yrs) for T63, L60 with 6 node (48 CPUs) on ES ※L32  L60 :モデルトップが上がるので本当はもっと重くなるはず。

  19. 統合モデルに向けて(憶測） • 　エアロゾル導入（簡略版 SPRINTARS) : NTR + 7 (SO2,DMS,Sulfateを除く) = 37 • 30日/(100 yrs) for T42, L60 with 4 node (32 CPUs) on ES • 69日/(100 yrs) for T63, L60 with 6 node (48 CPUs) on ES • On-line メタン導入　　　　 : NTR + 1 (CH4) = 38 • 　成層圏化学導入 　　　　 : NTR + 6 (ClOx+N2O) = 44 • 40日/(100 yrs) for T42, L60 with 4 node (32 CPUs) on ES • 90日/(100 yrs) for T63, L60 with 6 node (48 CPUs) on ES • 　オゾンホール化学導入 : NTR + 3 (PSCs) = 47 • 43日/(100 yrs) for T42, L60 with 4 node (32 CPUs) on ES • 96日/(100 yrs) for T63, L60 with 6 node (48 CPUs) on ES (欲)

  20. 今後の作業 • 　化学計算のさらなる speed up • 　エアロゾル種の導入 (炭素系、海塩、ダスト、+ nitrate?) • 　新放射スキームの導入 • HYBRID 鉛直座標 • 　重力波抵抗の見直し (Heinz　を入れる？) • 　成層圏化学の導入 (＋J値の計算方法の改善) for 成層圏／対流圏物質交換

  21. HNO3がエアロゾルで 存在する％ HNO3 /SO4 Adams et al., 1999

  22. Global budget of tropospheric ozone (TgO3/yr) (range : 445-700 TgO3/yr)

  23. Ozone input from the stratosphere(Exp 2) Net ozone influx from the stratosphere (Tg/yr) • Changes in the stratospheric circulation • Intensified Hadley Circulation Rise in global mean surface air temperature (K)

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