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利用者:Mkuriki/sandbox

GFSによる予報の例。この例は850ヘクトパスカル面におけるジオポテンシャル高度と温度の96時間予報である。

Global Forecast System (GFS) はアメリカ国立気象局 (National Weather Service) が行っている全球モデルと変分法解析を用いた全球の数値予報システムである。

運用

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数値モデルは1日に4回実行され、気象予報の結果は16日先まで作成される。しかし10日後以降の空間分解能は減少する。一般に、予報精度は(他の数値気象予報モデルを使ったとしても同じように)時間経過に従って低下し、長期予報においては大スケールの現象のみが大きな精度を保てる。一般に利用されている総観気象学の中距離空間範囲のモデルとして最も有力なものの一つである。

原理

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GFSモデルは水平解像度約13 kmで0から16日までの3次元の有限体積法を用いたモデルである。鉛直方向は127層に分割されており、中間圏界面(約80 km)まで広がっている。時間方向には最初の120時間は1時間ごと[1]、10日目までは3時間ごと、16日目までは12時間ごとに出力されている。GFSの出力結果は出力統計モデル（英語版）を作成するためにも使われている。

変動

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メインの数値モデルに加えて、GFSは低解像度の30種類(対照実験モデルと運用モデルを含めると31種類)のアンサンブル予報の基盤にもなっており、 これらのモデルは運用モデルと同時進行で実行され、同じ時間スケールで利用可能である。 このアンサンブル予報はGEFS(全球アンサンブル予報システム)と呼ばれている。 GEFSはカナダの全球環境マルチスケールモデル(Global Environmental Multiscale Model（英語版）; GEM)の アンサンブル予報と組み合わせて、北アメリカアンサンブル予報システム(North American Ensemble Forecast System（英語版）; NAEFS)を構成している。

利用

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アメリカ政府によるほとんどの著作物と同じく、GFSデータは著作権がなく、米国法の規定によってパブリックドメインとして自由に利用することができる。 そのため、このモデルは数多くの民間企業、商業利用など諸外国の気象会社の予測の基盤として利用されている。

精度

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2015年まで、GFSモデルは他の全球気象モデルに精度が劣っていた[2][3]。 顕著な例として、2012年に発生したハリケーン「サンディ」に関する予報の事例がある。 GFSモデルの予報では上陸する4日前まで海に出ると予報が誤っていたのに対し、 ヨーロッパ中期予報センターのECMWFモデルの予報では7日前までに上陸することを正しく予報していた。 この原因の多くはアメリカ国立気象局における計算機資源の限界によるものだとされている。 これを受けてアメリカ国立気象局では新たなスーパーコンピュータを導入し、計算能力が776テラFLOPSから5.78ペタFLOPSに上昇した[4][5][6]。 2017年7月19日12時(UTC)の計算から、GFSモデルはアップグレードされた。 近い時期にアップグレードされたECMWFとは異なり、新しいGFSは前のバージョンと比べて熱帯域やその他の地域において挙動がわずかに異なっている[7]。 このバージョンはマッデン・ジュリアン振動やサハラ大気層（英語版）の変数をより精度よく表すことができる。

2018年には、処理能力が再び8.4ペタFLOPSに引き上げられた[8]。2010年代初期に、代替モデルとなる可能性のある異なる力学を用いた流れ追従型有限体積正20面体モデル（英語版）（flow-following, finite-volume icosahedral model; FIM）をテストしたが、GFSに対する実質的な改善を示さなかったため、2016年頃にそのモデルを放棄した。

2019年には、GFSのメジャーアップグレードが行われ、GSM（グローバルスペクトルモデル）から新しいFV3力学コア（Finite-Volume Cubed-Sphere Dynamical Core）に変換された。水平解像度及び鉛直解像度は変更されなかったが、これが現在のUFS（Unified Forecast System）の基盤となった。

2021年3月22日、NOAAはGFSモデルをアップグレードし、WaveWatch III（英語版）全休波浪モデル（英語版）と結合した。これにより、GFSの鉛直解像度は64層から127層に増え、予報日数が10日から16日に伸びた。GFSv16のアップグレードは、当時最も正確な全球気象モデルと考えられていたECMWFのモデルとの精度差を縮めるのに十分なものになるだろうと期待する気象学者もいた[9][10]。

新しい力学コア

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2019年6月12日、数年間にわたるテストの後、NOAAはGFSを新しい力学コア、GFDL有限体積立体球力学コア（FV3）でアップグレードした。これは初期バージョンのGFSから使われてきたスペクトル法の代わりに有限体積法を用いたものである。GFSの名称を継承し、FV3GFSという名前で最初に開発されたモデルは、2019年9月まで以前のバージョンのGFSとともに実行され続けた[11][12]。FV3ベースのGFSの初期テストは、以前のバージョンのGFSの大規模スケールの予測能力とハリケーントラック精度を改善し、有望であることを示した[13]。

GFSの特徴

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With the initial operational implementation of FV3GFS now accomplished, NOAA's Environmental Modeling Center (EMC) global modeling focus has turned towards development of the next GFS (v16) upgrade, which will include doubled vertical resolution (64 to 127 layers), more advanced physics, data assimilation system upgrades, and coupling to a NCEP's Global Wave Model using the Unified Forecast System (UFS) community model. GFSv16 was implemented on March 22, 2021.[14]

On 23 September 2020, the first global UFS application at NCEP was implemented in the Global Ensemble Forecast System (GEFS v12). The components of this upgrade include:

  • Use of the FV3 global model (same version as GFS v15) as the atmospheric component of GEFS
  • Increase in horizontal resolution to ~25 km
  • Forecast length increased from 10 to 16 days
  • Increased from 21 to 31 members
  • Coupling the GEFS atmospheric component to the NCEP Global Wave model
  • Run a 32nd member to 5 days (GEFS-Aero) for aerosol prediction, inline aerosol representation based on GOCART (GSD-Chem).

This implementation is the first global-scale coupled system at NCEP, and replaces the previous standalone Global Wave Ensemble and the NEMS GFS Aerosol Component (NGAC) systems. More details can be found at the EMC Model Evaluation Group’s GEFS v12 web site, the EMC GEFS web page, and the EMC GEFS-Aerosol web page.

脚注

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  1. ^ “Technical Implementation Notice 16-11 Amended”. Nation Weather Service. 2016年6月5日時点のオリジナルよりアーカイブ。2016年6月5日閲覧。
  2. ^ Berger, Eric (2016年6月21日). “The US weather model is now the third-fourth best in the world”. Ars Technica. https://arstechnica.com/science/2016/06/the-us-weather-model-is-now-the-fourth-best-in-the-world/ 
  3. ^ Berger, Eric (2016年3月11日). “The European forecast model already kicking America's butt just improved”. Ars Technica. https://arstechnica.com/science/2016/03/the-european-forecast-model-already-kicking-americas-butt-just-improved/ 2016年8月16日閲覧。 
  4. ^ Kravets, David (2015年1月5日). “National Weather Service will boost its supercomputing capacity tenfold”. Ars Technica. https://arstechnica.com/science/2015/01/national-weather-service-will-boost-its-supercomputing-capacity-tenfold/ 2016年8月16日閲覧。 
  5. ^ Rice, Doyle (2016年2月22日). “Supercomputer quietly puts U.S. weather resources back on top”. USA Today. https://www.usatoday.com/story/weather/2016/02/22/supercomputer-reston-noaa-cray-ibm/80290546/ 2016年8月16日閲覧。 
  6. ^ “NOAA completes weather and climate supercomputer upgrades”. NOAA. 2016年8月16日閲覧。
  7. ^ Team, NCO Web. “NCO PMB – Upcoming Changes”. www.nco.ncep.noaa.gov. 2017年7月19日閲覧。
  8. ^ “NOAA kicks off 2018 with massive supercomputer upgrade | National Oceanic and Atmospheric Administration” (英語). www.noaa.gov. 2024年7月16日閲覧。
  9. ^ Lauren Gaches (2021年3月22日). “NOAA upgrades flagship U.S. global weather model”. NOAA. 2021年9月14日閲覧。
  10. ^ Paul Douglas (2021年4月18日). “Will a New GFS Weather Model Upgrade Close the Gap with The European Model?”. AerisWeather. 2021年9月14日閲覧。
  11. ^ “Service Change Notice 19-40”. NOAA. 2019年6月12日閲覧。
  12. ^ “NOAA to develop new global weather model | National Oceanic and Atmospheric Administration”. 2022年10月28日閲覧。
  13. ^ “NOAA Budget Cuts Get Chilly Reception in Congress” (2018年4月27日). 2022年10月28日閲覧。
  14. ^ “Service Change Notice 21-20”. National Weather Service. 2021年3月22日閲覧。

関連項目

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Computer programming
ポータル Weather

外部リンク

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