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

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

0

5000

10000

15000

20000

25000

CHASER (agcm5.6)CHASER (agcm5.7b)

(sec)

リストベクトル高速化、 etc.

On SX-6 :T42, L32, NTR=37, PE=8, using dtrcr( 西村さん高速化 )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 )

各過程の計算時間 (1 年積分、 1CPU 平均 )

これまで…

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

CHASER (agcm5.6) CHASER (agcm5.7b) CHASER(agcm5.7b)

-34%

1 年積分実計算時間（１ CPU あたり平均、８ CPU 使用時）

13.7 hour/yr

9.0 hour/yr

(PE=8, on NIES SX-6)

-45%

7.5 hour/yr

(T42,L32,NTR=37)

(PE=8, on ES)

高速化の可能性…① 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。② 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？③ MPMD にする？（化学反応、トレーサー輸送）

リストベクトル化など ＋ ES 　 S 系

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

Global OH concentrations• Simulated global OH concentrations (belo

w 200 hPa)

Global CH3CCl3 lifetime of 5.0 years• 4.9±0.3 years (Prinn et al. [199

5])

Global CH4 lifetime = 9.4 years (cf. The IPCC estimate = 9.6 years)

Methane lifetime defined as (global CH4 burden)/ (loss in the troposphere)

HOx (OH/HO2) vertical profiles during PEM-Tropics-B

Hawaii Fiji Easter-Island

OH mixing ratios (pptv)

HO2 mixing ratios (pptv)

Model mean

Observation

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

Observed & calculated seasonal variations of ozone at different altitudes

Resolute

Hohenpeisenberg

Kagoshima

Hilo

H2O2 vertical profiles during the NASA GTE

TRACE-AS-Africa

TRACE-AS-Atlantic

TRACE-AE-Brazil

PEM-Tropics-BFiji

PEM-Tropics-ATahiti

PEM-Tropics-BTahiti

PEM-West-BPhilippine

PEM-West-BChina-Coast

PEM-West-BJapan

PEM-West-AChina-Coast

PEM-West-AJapan

PEM-West-AHawaii

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 lig

htning (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 sedimen

tation 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.

Chemistry coupled GCM (CHASER) Sudo et al. [2002a,b]

Emissions in CHASER (1)

NOxTgN

COTgCO

C2H6 TgC

C3H8 TgC

C2H4 TgC

C3H6 TgC

Acetone TgC

ONMV TgC

Isoprene TgC

Terpenes TgC

Indust. 23.10 337.40 3.15 5.76 2.00 0.85 1.02 29.20 0.00 0.00

BiomassBurning

9.65 889.40 4.50 2.62 14.10 6.39 7.17 8.55 0.00 0.00

Vegetation 0.00 0.00 1.20 1.60 4.30 1.20 11.20 20.00 400.00 102.00

Ocean 0.00 0.00 0.10 0.11 8.28 10.10 0.00 2.00 0.00 0.00

Soil 5.50 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Lightning 5.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Aircraft 0.55 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

Total 43.80 1226.8 8.95 10.09 28.68 18.54 19.39 59.75 400.00 102.00

Annual total (/yr)

The seasonal timing of biomass burning emissions is simulated by using satellite derived hot-spot data.

SO2 : 71.83 TgS(Indust.), 2.64 TgS(Biomass Burning), 0.085 TgS (Aircraft) 4.80 TgS(Volcanic) DMS: 14.8 TgS (Ocean)

(Sulfate simulation)

ETHE ( アルケン類 )

ROOH

HORO2

テルペン類イソプレンで代表

NTR=37 (full) 　　　　　↓ 30 (simplified)

トレーサー

ラジカル類（輸送なし）

：削減化学種

Organic Carbon系のエアロゾルを化学過程で扱えなくなる

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PBL-C

( 清浄域）PBL-B

（植物影響）PBL-P

（汚染域）UT-C

（清浄域）UT-P

（汚染域）気圧 P(hPa) 1000. 1000. 1000. 250. 250.

気温 T (K) 298. 298. 298. 230. 230.

比湿 q(g/kg) 8. 8. 8. 0.5 0.5

NOx (ppbv) 0.01-0.1 0.1-2 2-30 0.005-0.1 0.1-1.5

NMHC(ppbv) 低 高＋（イソプレン =1-15 p

pbv)

中～高 低 中

PBL-C 　 ( 清浄域）

O3 NO2

OH

H2O2

PBL-B 　 ( 植物影響）

O3 NO2

OHH2O2

PBL-P 　 ( 汚染域）

O3 NO2

OH H2O2

UT-P 　 ( 汚染域 - 上部対流圏）

O3 NO2

OH

H2O2

高速化の可能性…① 化学反応系の reduction 　　 (NTR=37 30) 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　② 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？③ MPMD にする？（化学反応、トレーサー輸送）④ 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。

統合モデルに向けて ( 憶測）

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

　エアロゾル導入（簡略版 SPRINTARS) : NTR + 7 (SO2,DMS,Sulfate を除く ) = 37

( 欲)

　成層圏化学導入 　　　　 : NTR + 6 (ClOx+N2O) = 44　 On-line メタン導入　　　　 : NTR + 1 (CH4) = 38

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

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

HNO3 がエアロゾルで存在する％ HNO3 /SO4

Adams et al., 1999

Global budget of tropospheric ozone (TgO3/yr)

Global N.H. S.H.

Sources 5251

Stratospheric net influx 505

Chemical production 4746 2925 1821

Sinks -5251

Dry deposition -890 -579 -311

Chemical loss -4361 -2572 -1807

Chemical lifetime(days) 25 24 27

Burden(TgO3) 323 171 152

(range : 445-700 TgO3/yr)

Ozone input from the stratosphere 　 (Exp 2)

① Changes in the stratospheric circulation

② Intensified Hadley Circulation

Net ozone influx from the stratosphere(Tg/yr)

Rise in global mean surface air temperature(K)