第２部　気象業務を高度化するための研究・技術開発

　警報・注意報や各種の天気予報では、目先の大気の状態から明日・明後日、さらに先の大気の状態を予測しています。大気や海洋の現象は物理や化学の法則に基づいて起こっていますので、この法則を用いて大気などの「今」の状態から「将来」を数値的に予測することができます。この手法を「数値予報」と言い、気象庁の予報業務の基盤技術となっています。数値予報は、大気や海洋・地表面での様々な振る舞いを物理や化学の法則で表現したコンピュータプログラム（数値予報モデル）の開発・改良により予測精度の向上が図られてきました。また、数値予報を予報業務に使うには、膨大な計算を短時間に処理する必要があり、このため気象庁では昭和34年（1959年）に、我が国の官公庁として初めて科学計算用のコンピュータを導入し、以来、常に世界最高レベルのコンピュータに更新しています。数値予報モデルは、予測する期間の長さや対象領域などに応じて様々な種類がありますが、いずれも、大気や海洋を水平方向・鉛直方向に格子状に区切り、それぞれの格子で物理や化学の法則に基づいて計算を行い、将来の状況を予測します。

　気象庁では予測対象にあわせて複数の数値予報モデルを運用しています。「全球モデル」は、地球全体を対象領域として大気の状態を予測する数値予報モデルで、明後日までの府県天気予報、台風情報、週間天気予報や1か月予報、航空機や船舶向けなど広い領域を対象とする予報に利用しています。一般に予測時間が長くなるとともに誤差が大きくなるため、週間天気予報や1か月予報では、「アンサンブル予報」という複数の予測計算を行う手法で確率による予報なども行っています。「メソモデル」及び「局地モデル」は、日本周辺を対象として大雨や暴風などの災害をもたらす現象の予測を行う数値予報モデルで、警報・注意報など防災気象情報や航空機の安全運航のための気象情報の作成などに利用しています。メソモデルでは、全球モデルより計算を行う格子を細かくし、積乱雲の集団に伴う上昇気流や、雲・降水粒子の発生・成長・消滅などの現象を精密に取り扱っています。局地モデルでは、メソモデルよりも格子をさらに細かくすることで、よりきめ細かい地形の取り扱いや個々の積乱雲の表現も可能となり、風や気温、及び積乱雲に伴う雷や短時間の強い雨などの予測精度を向上させています。

　1か月を超える時間スケールでは、大気の変動と海洋の変動は互いの影響を強く受けます。このため、3か月予報、暖候期予報、寒候期予報やエルニーニョ現象の予測には、大気と海洋を一体として予測する大気海洋結合モデルを使用しています。

　また、異常気象の分析を含めた気候の監視や季節予報をより的確に行うためには、過去の気候も出来るだけ正確に把握しておく必要があります。このため、過去数十年にわたって蓄積した観測データを、最新の数値予報技術により分析する「長期再解析」にて過去の気候データを作成し、気候の監視や季節予報に活用しています。長期再解析JRA-55では昭和33年（1958年）以降の気候データを作成し、平成26年（2014年）から利用しています。

　海洋の様々な現象を予測するために、「波浪モデル」、「高潮モデル」、「海況モデル」及び「海氷モデル」があります。「波浪モデル」は、海上の風の予測値を用いて、海上の様々な場所での波の発達・減衰やうねりの伝播などを予測し、高波時に発表される波浪警報・注意報や、波浪予報などに利用しています。「高潮モデル」は、台風などによる海面気圧と海上の風の予測値から潮位の上昇量を予測し、この結果をもとに浸水害がおこるおそれのある場合には、高潮警報・注意報を発表しています。「海況モデル」は北西太平洋域や、黒潮・親潮等の日本周辺の海流や海水温の状態を予測し、海面水温・海流1か月予報に使用しています。「海氷モデル」は、オホーツク海南部の1週間先までの海氷密接度の分布を予測し、海氷予報や船舶向けの海氷予想図に利用しています。

　大気中の物質の挙動を数式化した物質輸送モデルを用いて地球環境や気候に影響する黄砂、オゾン、二酸化炭素などの監視と予測を行っています。「二酸化炭素輸送モデル」は、過去30年間の大気中の二酸化炭素分布情報を作成するために利用されています。「黄砂予測モデル」は、黄砂発生域での黄砂の舞い上がり、風による輸送・拡散、雨などによる地上への降下を考慮して、大気中の黄砂の量や分布を予測し、黄砂情報に利用しています。「全球化学輸送モデル」は、オゾンやその生成・消滅にかかわる物質の風による輸送・拡散、雨などによる地上への降下、化学反応や光化学反応による生成・変質・消滅などの過程を考慮して、成層圏及び対流圏のオゾン濃度を予測し紫外線情報に利用しています。東アジア領域を対象とした「領域大気汚染気象予測モデル」は、スモッグ気象情報及び全般スモッグ気象情報の作成に利用しています。

　防災気象情報や天気予報の精度を高めるためには、その基盤となる数値予報技術の向上が不可欠です。

　数値予報は、1節で述べたコンピュータの性能向上を背景に、数値予報モデルの開発改良によってたゆまぬ進歩を遂げてきました。下図は、全球モデルの予測誤差（北半球5日予測の精度）の経年変化です。数値予報モデルの予測誤差は3分の2に減少するなど、この20年間で予測精度は大きく向上していることがわかります。この間、モデルの分解能の向上や物理過程の改良、初期値を作成する技術の改善、気象衛星などによる新たな観測データの利用開始など、多くの技術の進展がありました。気象庁では、最新の科学技術を取り入れ、数値予報のさらなる精度向上を図る取り組みを続けています。

　その一つは、規模の小さい大気現象を予測するために計算を行う格子の間隔を細かくすること（高解像度化）です。格子の間隔を細かくすると計算量が大きく増えるため計算に要する時間が長くなりますが、その一方で、防災気象情報や天気予報で計算結果を用いるためには、所定の時間内に計算を終了させる必要があります。このため、膨大な数の格子での計算を高速化する方法や大気中の雨や雲の状態を精度良くかつ効率的に計算する方法の開発に取り組んでいます。

　また、数か月以上先の予測には、大気だけでなく海洋の影響が大きくなることから、大気と海洋を同時に取り扱う数値予報モデルの開発・改良を進めています。

　さらに、世界中から様々な観測データを集めて「今」の大気の状態を精度よく数値予報モデルに取り込む技術（これを「データ同化技術」と言います。用語集参照）の開発も併せて行っています。特に、ひまわりをはじめとする気象観測衛星や地球観測衛星などの人工衛星、航空機、ウィンドプロファイラ、ドップラーレーダーなどから刻々と送られてくるデータをより有効に利用する手法の開発・改良に重点的に取り組んでいます。

　このように、数値予報からは天気、降水量、気温、風など様々な計算結果が得られます。また、数値予報は黄砂や波浪、高潮などの予測にも活用されています。これらのデータは気象業務支援センターを通じて提供され、防災をはじめ、様々な社会経済活動において利用されています。

　気候変動に関する政府間パネル（IPCC）は、平成25～26年（2013～2014年）に、三つの作業部会報告書及び統合報告書からなる第5次評価報告書を順次公表しました。この評価報告書は、地球温暖化に関する最新の知見を取りまとめており、国内外の地球温暖化対策に科学的根拠を与える重要な資料となっています。現在は、ホーセン・リー新IPCC議長をはじめとする新たな体制の下、第6次評価報告書作成に向けた検討が行われています。

　気象研究所では、最新の大気モデルと海洋モデルを結合して新たに開発した気候モデルに、これまでの気候モデルで扱っていなかったエーロゾル、オゾン、陸域生態系及び海洋生物の効果を表現するモデルを組み合わせた地球システムモデルを開発しました。このモデルを用いた温暖化予測実験の結果や、海洋観測データを同化した10～30年先の近未来予測の結果は、IPCC第5次評価報告書に貢献しました。また、アジアをはじめとした地域的な気候表現をさらに高精度にするモデル開発を進めており、温暖化への中期的な適応策策定や立案に貢献します。

　さらに、日本域の詳細な温暖化予測を可能とする高解像度の地域気候モデルを開発し、温暖化予測を通じて、我が国の地球温暖化対策に貢献します。

　気象庁は、洪水警報・注意報の精度向上を図るため、発表基準に用いている流域雨量指数を改善（高解像度・高頻度化し、対象河川を拡大）します。この改善に伴い、従来は雨量の基準を用いて洪水警報・注意報の発表判断を行ってきた長さ15km未満の河川も含めた全国の約2万河川について、流域雨量指数の値が数時間以内に洪水警報・注意報の基準に到達するかどうかで洪水警報・注意報の発表判断を行う方法に変更します（平成29年度出水期より）。ここでは、流域雨量指数の計算手法について説明します。

　流域雨量指数とは、河川の上流域に降った雨により、下流の対象地点でどれだけ洪水危険度が高まるかを把握するための指標です。河川流域を１km四方の格子に分け、これまでに降った雨量（解析雨量）と今後降ると予想される雨量（降水短時間予報等）を用いて、①雨水が地表面や地中を通って河川に流れ出る量（流出量）と②河川に沿って流れ下る量（流下量）を計算し、それを指数化しています。

　①の流出量の推定にはタンクモデルという手法を用いています。タンクモデルは、複数に連ねたタンクによって、雨水の地中への浸透や河川への流出の様子を模式化したものです。浸透や流出は「地表面の被覆状態（自然の土の状態か、アスファルトに覆われているか）」や「雨水の浸み込みやすさに関わる地質」に大きく左右されることから、都市用と非都市用の性質が異なるタンクモデル（非都市用は地質に応じた５種類の流出特性の異なるモデル）を土地利用に応じて使い分けています。①の流出量は、当該格子を流れる河川の流下量に足し合わせます。そして、1km格子内の河川流路をさらに６分割し、運動方程式（勾配が大きく水深が深いほど流れが速くなることを表すマニングの平均流速公式）と連続の式（水量の保存則）を用いて②の流下量を計算します。また、河川が合流する格子ではそれぞれの流下量を足し合わせて合流後の流下量とします。

　こうして計算される流下量（立方メートル／秒）の平方根をとった値を、当該河川の対象地点での流域雨量指数としています。

　数値予報では、大気状態（気温・風・水蒸気など）の時間変化を物理法則に基づいて計算し、将来の大気の状態を予測します。その計算を開始する大気状態の出発点（初期値）は、実際の大気の状態を、様々な観測データを利用してコンピュータ上に可能な限り正確に再現したものです。しかし、実際の大気状態と初期値との間には誤差があり、その誤差は予測時間と共に拡大します。このような性質を考慮し、初期値等にわずかな「ずれ」を与えたときに予測結果が当初の予想からどれだけ異なってくるかを見ることで、予測の信頼度を把握することができます。このように、わずかに異なる初期値等を用いて複数の予測を行うことを「アンサンブル予報」といい、それぞれの計算結果の平均やばらつきの程度といった情報を利用して、発生する可能性がある現象やその発生の確率を予測することができます。

　気象庁では平成29年3月から、台風の確率予測情報、週間天気予報、異常天候早期警戒情報及び1か月予報の基礎資料作成に用いる数値予報システムとして、「全球アンサンブル予報システム」の運用を開始しました。このシステムは、上記の各基礎資料の作成に用いていた従来の個別のシステムを統合したものであり、初期値における「ずれ」の推定手法高度化や数値予報の計算手法の改良等により予測精度の向上を図っています。その一例として図に平成28年台風第18号の進路予測を示します。新しいシステム（左図）は従来のシステム（右図）と比べ、予測のばらつきの範囲の中に実際の進路を捕らえることができています。

　局地的大雨や集中豪雨、竜巻等突風による相次ぐ気象災害の発生を受けて、国を挙げた防災・減災のための取り組みが進められています。この一環として、気象研究所では最新鋭の気象観測装置であるフェーズドアレイレーダー（PAR）※を用いた研究に取り組んでいます。PARは気象災害をもたらす大気現象をすばやく立体的に観測することが可能であり、新しい防災気象情報への応用が期待されます。

※Phased-Array Radar 位相配列レーダー：平面上に小型アンテナを複数配列し、それぞれの電波の発射タイミングの制御により、アンテナの上下方向の機械的な首振り機構を省略したレーダー

　360度の全方位を立体的に観測するのに要する時間について、アンテナの角度を上下に変える必要がある従来のレーダーでは5～10分かかっていたところ、電子スキャンという手法を用いるPARではわずか30秒に短縮できます。そのため、短時間に次々と変化する大気現象を、初めて立体的に連続的に捉えることが可能になりました。気象研究所（茨城県つくば市）では、平成27年（2015年）より同構内でPARを用いた試験観測を行っており、これまでに局地的大雨や線状降水帯、ダウンバーストと呼ばれる突風、台風といったさまざまな現象を捉えました。

　平成28年（2016年）8月22日12時半頃に千葉県館山市付近に上陸した台風第9号は、15時過ぎに茨城県つくば市付近を通過しました。そのため、気象研究所のPARを用いて、地表面から高度約16キロメートルの雲頂に至るまでの台風の立体的な振る舞いを捉えることに成功しました。

　右図はPARで観測された台風中心部の構造です。複数のらせん状の降水帯（スパイラルバンド）が中心部を取り巻く様子がよく分かります。回転する強い気流領域が台風の中心に向かって収縮しながら近づいていくと同時に、中心に最も近いスパイラルバンドでは、対流活動が急速に発達することが明らかになりました。このような立体構造の変化を詳しく解析することにより、台風全体の動力源として働く、中心部のメカニズムの理解に役立てる予定です。

　台風の接近や通過に伴って地表面には激しい風がもたらされます。PARの観測によって、地表付近に発生する筋状や渦状の強い気流構造が捉えられました。下図（右）は、台風の中心から約150キロメートルの距離に位置する降水帯の観測結果です。降水帯の内部には、地表から高度約2.7キロメートルまでひと続きに存在する、直径2～4キロメートルの小さな渦が埋め込まれている様子が明らかになりました。このような渦はしばしば竜巻を伴いますが、そのメカニズムは分かっていません。今後の詳しい解析により、台風に伴って発生する突風現象の理解が進むと考えられます。

　最新鋭の気象観測装置であるPARを用いて大気現象の科学的な理解を深め、防災・減災に役立てるためには、さまざまな観点から研究開発を進めることが必要です。気象研究所では、PARが取得する膨大な観測データから、気象災害を引き起こす恐れのある積乱雲を正確に識別する技術や、他のさまざまな気象データと組み合わせて気象現象を直前に予測する技術の研究を進めています。これらの取り組みを通して、より正確で迅速な、未来の防災気象情報の確立を目指します。

　気象研究所では、将来、巨大地震が発生すると懸念されている南海トラフ沿いについて、深部低周波地震、ゆっくりすべり（図）など様々な現象に対する検知・解析能力を高めるための研究を行っています。また、大地震が発生した際に、その地震が想定されていたものか早期に判定し、的確な災害対策に貢献する研究を行っています。

　気象庁では緊急地震速報を、地震の発生位置と規模（マグニチュード）を推定し、それに基づいて各地の震度を予測する方法で運用しています。気象研究所では、緊急地震速報をより早く、より正確に発表するための新しい手法として、地震の揺れが伝わってくる様子（揺れの分布）からまだ揺れていない場所での揺れを予測する方法を開発しています。さらに、高層ビルが大きく揺れる原因となる長周期の地震動にも対応できるよう研究を行っています。

　東北地方太平洋沖地震による津波観測データの解析により、GPS 波浪計や、更に沖合に設置している海底津波計の観測データが、沿岸に到来する津波を精度よく予測する上で極めて重要であることが確認され、沖合津波観測網の拡充が進められてきました。気象研究所では、津波警報更新の精度向上を図るために、沖合でいち早く観測された津波波形データを使って沿岸に押し寄せる津波を即座に精度よく予測するための手法を開発しています（図）。

　また、日本から遠く離れた外国で発生した津波（遠地津波）に関する大津波警報・津波警報及び注意報を適切なタイミングで解除するため、津波の減衰過程の研究にも取り組んでいます。

　気象研究所では、火山活動の監視・予測手法を高度化するために、鹿児島県の桜島周辺に気象レーダー網を展開し、平成28年3月から噴煙のレーダー観測を行っています。

　この噴煙観測に用いるレーダーは二種類あります。ひとつはXバンドMP（マルチパラメーター）レーダーで、その名の通り、多くの種類の観測データを得ることができるレーダーです。噴煙を観測して得られたデータを解析することで、噴煙内部の火山灰（礫）の形や大きさに関する情報を得ることが期待されています。もうひとつはKuバンド高速スキャンレーダーで、噴煙全体の立体的な構造を約1分毎に得ることができます。気象研究所ではこのレーダーを用いて、世界で初めて、噴煙の立体構造を約1分毎に得ることに成功しました。

　気象研究所ではこれらのレーダーで得られたデータを用いて、噴煙を監視する方法の開発や降灰予報の精度をさらに高めるための研究に取り組んでいます。

　数値予報モデルをはじめとした気象や海洋、地震・火山・津波の監視・予測の技術を向上させるためには、各分野の最先端の知見や研究成果を活用することが必要です。このため気象庁は、国内の大学や研究機関はもとより、諸外国の気象機関などと情報交換や意見交換を行い、研究・技術開発を進めています。

　国内の大学や研究機関とは、気象や海洋、地震・火山・津波のそれぞれの分野で合計140余りの共同研究を実施しています。いくつかの共同研究の成果は気象庁で活用されており、例えば、緊急地震速報の実用化も共同研究の成果のひとつです。

　気象の分野については、日本気象学会との間で「気象研究コンソーシアム」という研究の枠組みを設けています。「気象研究コンソーシアム」は、気象庁の数値予報による解析・予測データや気象衛星による観測データ等を研究者に提供することにより、大学や研究機関における気象研究を促進し、それにより、わが国における気象研究の発展、気象研究分野の人材育成及び気象予測技術の改善を図ろうとするものです。この枠組みのもとで、40余りの研究課題が取り組まれており、気象・気候の予測技術の開発や、現象の解明のための研究が行われています。平成29年5月の気象学会春季大会では、専門分科会「気象庁データを利用した気象研究の現状と展望」を開催し、数値予報の出力データを利用した研究、気象衛星ひまわり8号データなど新しい観測データを用いた研究などについて議論し、気象庁データが拓く新しい気象研究について展望しました。

　数値予報モデル開発に関しては、気象予測や数値シミュレーションのための数値予報モデルを利用する研究者に、気象庁が実際の予報に用いているモデルを貸与し、数値予報技術を用いた研究を促進しています。また、「気象庁数値モデル研究会」を開催し、大学や研究機関の研究者との交流を図っています。平成28年5月には「アンサンブル予報の発展と展望」をテーマとした第9回気象庁数値モデル研究会を、日本気象学会・メソ気象研究連絡会及び観測システム予測可能性研究連絡会と合同で実施しました。

　気候の分野では、猛暑や豪雪等の社会・経済に大きな影響を与える異常気象が発生した場合に、その発生要因について最新の科学的知見に基づく分析結果を発表するため、大学や研究機関の専門家と連携して分析を行う「異常気象分析検討会」を設置しています。平成26年9月には平成26年8月の不順な天候について検討会で分析し、見解をまとめたほか、北日本太平洋側で記録的な多雨となった平成28年8月には、その要因について検討会の協力を得て気象庁で分析を行い、報道発表しました。