[論文レビュー] New achievements in optical turbulence forecast systems in operational mode

Elena Masciadri, Alessio Turchi+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2019

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ひとこと要約

本論文は、大型二重望遠鏡（LBT）における光乱流（OT）の高度な運用予報システム、ALTAを提示する。このシステムは、リアルタイムの現地測定データと数値モデル出力（Astro-Meso-Nh）を融合する自己回帰法を用い、1～2時間スケールで前例のない高い予報精度を達成する。さらに、メソスケールモデルと一般循環モデル（GCM）の間の根本的な誤解を解き明かし、長時間の計算を要するにもかかわらず、GCMよりもメソスケールモデルが優れていることを示し、GCMが本質的に効率的で普遍的に適用可能であるという主張を反証する。

ABSTRACT

In this contribution, we present the most recent progresses we obtained in the context of a long-term program we undertook since a few years towards the implementation of operational forecast systems (a) on top-class ground-based telescopes assisted by AO systems to support the flexible scheduling of observational scientific programs in night as well in day time and (b) on ground-stations to support free space optical communication. Two topics have been treated and presented in the Conference AO4ELT6: 1. ALTA is an operational forecast system for the OT and all the critical atmospheric parameters affecting the astronomical ground-based observations conceived for the LBT. It operates since 2016 and it is in continuous evolution to match with necessities/requirements of instruments assisted by AO of the LBT (SOUL, SHARK-NIR, SHARK-VIS, LINC-NIRVANA,...). In this contribution, we present a new implemented version of ALTA that, thanks to an auto-regression method making use of numerical forecasts and real-time OT measurements taken in situ, can obtain model performances (for forecasts of atmospherical and astroclimatic parameters) never achieved before on time scales of the order of a few hours. 2. We will go through the main differences between optical turbulence forecast performed with mesoscale and general circulation models (GCM) by clarifying some fundamental concepts and by correcting some erroneous information circulating recently in the literature.

研究の動機と目的

• アダプティブオプティクスのスケジューリングを目的として、LBTにおける短時間（1～2時間）の光学的乱流および関連する天文気象パラメータ（見かけの粗さ、等像角、コherー二ティ時間）の予報精度を向上させること。
• 高精度の地上望遠鏡における夜間および昼間の運用において、柔軟なスケジューリングを可能にするために、正確で迅速な予報が不足している現状を是正すること。
• 天文界において広く誤解されている点を解き明かし、光学的乱流予報におけるメソスケールモデルと一般循環モデル（GCM）の性能と適用可能性に関する誤解を是正すること。
• 計算時間が長くても、短時間予報精度においてメソスケールモデル（例：Astro-Meso-Nh）がGCMを上回ることを検証すること。
• 現在の観測データの不足を考えると、モデルのキャリブレーションは施設に特化しており、普遍的なキャリブレーションは実現不可能であることを強調すること。

提案手法

• ALTAシステムは、DIMMおよび一般化されたSCIDARからのリアルタイム現地測定データと、Astro-Meso-Nhメソスケールモデルからの数値予報を統合する。
• 現在の観測データを用いてモデル出力を補正・精錬するための自己回帰手法を適用し、短時間予報性能を向上させる。
• 時間系列フィルタリングの原則（カルマンフィルターや機械学習に類似）を活用し、原始データの時間分解能を2分間隔に、可視化および分析のための再補間を20分間隔に設定する。
• 長期測定データ（2005–2008年）を用いたVATT望遠鏡と、LBT施設での夜間DIMMデータを用いてモデルの妥当性を検証する。
• 3つの異なる現地時刻窓（14:00、21:00、03:00 LT）で、メソスケールモデル（Astro-Meso-Nh）とGCM（OS18）の予報を比較する。これは、異なる予報利用可能時刻を反映している。
• 予報精度と相関の低下度を評価するために、RMSE（GCMでは0.54”）や散布図などの統計指標を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リアルタイムの現地測定データと数値モデル予報を統合する自己回帰法を用いることで、LBTにおける光学的乱流および関連する天文気象パラメータの短時間（1～2時間）予報が著しく向上するか？
• RQ2 計算時間が長いにもかかわらず、なぜメソスケールモデル（例：Astro-Meso-Nh）がGCMよりも短時間光学的乱流予報で優れているのか？
• RQ3 メソスケールモデルとGCMベースの光学的乱流予報の間には、モデル物理学および応用面で根本的な違いがあるのか？ それらの違いは予報の信頼性にどのように影響するか？
• RQ4 GCMが本質的に効率的で、普遍的に適用可能であるという主張は、天文観測施設の試験および運用の文脈において正確か？
• RQ5 光学的乱流モデルの普遍的キャリブレーションは達成可能か？ それとも、現在の観測データの状況では、依然として施設特有のキャリブレーションが唯一の実行可能なアプローチか？

主な発見

• ALTAに適用された自己回帰法により、1～2時間スケールの光学的乱流および主要な天文気象パラメータ（見かけの粗さ、等像角、コherー二ティ時間）の予報性能が著しく向上し、過去にない高い精度が達成された。
• 計算時間が長いにもかかわらず、メソスケールモデル（Astro-Meso-Nh）はGCM（OS18）よりも短時間予報精度が高く、RMSEが低く、散布図における相関の低下も小さいことから裏付けられている。
• 本研究で提示されたGCM予報は、異なる時刻（14:00、21:00、03:00 LT）に得られた出力の合成であり、予報利用可能時が一貫しているモデルとの公平な比較を無効にしている。
• GCMが計算時間が短いため好ましいという主張は根本的に誤りであり、本研究ではモデルの正確性が計算速度に依存しないことを示している。
• メソスケールモデルは施設特有のキャリブレーションを要するが、GCMは不要であるという認識は誤りである。両者とも検証が必要であり、モデルの信頼性は空間的範囲ではなく、性能に依存する。
• 現在の観測データの不足を考えると、光学的乱流モデルの普遍的キャリブレーションは実現不可能であり、すべての現在の手法は施設特有のキャリブレーションに依存している。