Transcript 統合モデル用の CHASER の高速化 ＆ 簡略化 (sudo_03

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)
25000
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)
20000
15000
CHASER (agcm5.6)
10000
CHASER (agcm5.7b)
5000
湿
性
沈
着
液
相
化
学
気
相
化
学
NO
x
雷
鉛
直
拡
散
乾
燥
対
流
地
表
放
射
積
雲
対
流
大
規
模
凝
結
力
学
0
リストベクトル高速化、etc.
1年積分実計算時間（１CPUあたり平均、８CPU使用時）
60000
50000
40000
(T42,L32,NTR=37)
13.7
hour/yr
30000
リストベクトル化
など
＋ES S系
-34%
-45%
9.0
hour/yr
20000
7.5
hour/yr
10000
0
CHASER (agcm5.6)
CHASER (agcm5.7b)
(PE=8, on NIES SX-6)
CHASER(agcm5.7b)
(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）
Relationship among tropospheric ozone, other greenhouse gases
(CH4, HFCs), and sulfate aerosol.
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)
Global CH4 lifetime = 9.4 years
(cf. The IPCC estimate = 9.6 years)
HOx (OH/HO2) vertical profiles during PEM-Tropics-B
Model mean
Observation
OH mixing
ratios (pptv)
HO2 mixing
ratios (pptv)
Hawaii
Fiji
Easter-Island
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
PEM-West-A
Hawaii
PEM-West-B
China-Coast
PEM-Tropics-B
Fiji
PEM-West-A
Japan
PEM-West-B
Philippine
TRACE-A
E-Brazil
PEM-West-A
China-Coast
PEM-West-B
Japan
PEM-Tropics-A
Tahiti
PEM-Tropics-B
Tahiti
TRACE-A
S-Atlantic
TRACE-A
S-Africa
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.
Emissions in CHASER (1)
Annual total (/yr)
NOx
TgN
CO
TgCO
C2H6
TgC
C3H8
TgC
C2H4
TgC
C3H6
TgC
23.10
337.40
3.15
5.76
2.00
Biomass
Burning
9.65
889.40
4.50
2.62
Vegetation
0.00
0.00
1.20
Ocean
0.00
0.00
Soil
5.50
Lightning
Aircraft
Indust.
Total
Acetone
TgC
ONMV
TgC
Isoprene
TgC
Terpenes
TgC
0.85
1.02
29.20
0.00
0.00
14.10
6.39
7.17
8.55
0.00
0.00
1.60
4.30
1.20
11.20
20.00
400.00
102.00
0.10
0.11
8.28
10.10
0.00
2.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
5.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.55
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
0.00
43.80
1226.8
8.95
10.09
28.68
18.54
19.39
59.75
400.00
102.00
(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.
トレーサー
：削減化学種
ETHE (アルケン類)
テルペン類イソプレン
で代表
Organic Carbon
系のエアロゾルを化学
過程で扱えなくなる
NTR=37 (full)
↓
30 (simplified)
ROOH
ラジカル類（輸送なし）
HORO2
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）
気圧 P(hPa)
PBL-B
（植物影響）
PBL-P
（汚染域）
UT-C
（清浄域）
UT-P
（汚染域）
1000.
1000.
1000.
250.
250.
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
気温 T (K)
NMHC(ppbv)
低
高＋
（イソプレン
=1-15 ppbv)
中～高
低
中
PBL-C (清浄域）
O3
NO2
OH
H2O2
PBL-B (植物影響）
O3
NO2
H2O2
OH
PBL-P (汚染域）
NO2
O3
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）
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)
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)
(range : 445-700 TgO3/yr)
Global
Sources
Stratospheric net influx
Chemical production
Sinks
N.H.
S.H.
2925
1821
5251
505
4746
-5251
Dry deposition
-890
-579
-311
Chemical loss
-4361
-2572
-1807
25
24
27
323
171
152
Chemical lifetime(days)
Burden(TgO3)
Ozone input from the stratosphere (Exp 2)
Net ozone influx from
the stratosphere
(Tg/yr)
Rise in global mean
surface air
temperature
(K)
①
Changes in the
stratospheric
circulation
②
Intensified Hadley
Circulation