気象学入門...

気象学入門７．天気予報のしくみ

北海道大学・環境科学院

藤原正智

http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/

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気象庁による防災気象情報、天気予報の概要と気象情報、数値予報、気象業務の法体系講義資料：http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/edu/kishou2016/

前回：ラジオゾンデについて（古典的手法？ごみ問題？）• 人工衛星と地上リモートセンシング観測＜のみ＞の時代が来る？

– 精度（不確かさ）の問題（現場・直接観測の信頼性、リモセンデータ処理時の必要性、等）

– 長期安定性の問題（衛星打ち上げコスト、測定のドリフト問題、等）

• 技術的課題– 激変する測定環境： +50 ℃～-90 ℃、0 %RH～100 %RH（雨・雪）、1000 hPa

～5 hPa– 安全性：航空機との衝突、地面への落下小型軽量– 電波通信：水平距離300 kmに達する可能性、周波数ドリフト極小に– コスト：各国気象局の予算削減より低コストでより高品質・高性能が求

められる傾向

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• ごみ問題– 筐体に生分解性物質

を用いたラジオゾンデ存在したが、、売れず

– 拾った人には送り返してもらうよう、手紙をつけたり

– 新しい発想、新しいアイデア？

[ビデオ：Ruud Dirksen (ドイツ気象局)]

今日の天気図

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１．気象庁による防災気象情報（http://www.jma.go.jp/jma/menu/flash.html）

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降水確率とは：予報区内で１mm以上の雨の降る確率。例えば、18時から24時までの降水確率が20%というのは、その期間に１mm以上の雨の降る可能性が100回中20回あるという意味。確率が高いと雨量が多くなるという意味ではない。

明日の予報までの降水確率は、6時間毎に「00時から06時/06時から12時/12時から18時/18時から24時」の順に表示。

最低気温・最高気温の

欄の括弧内は気温の予測範囲。実況の気温がこの範囲に入る確率はおよそ80％。

信頼度は、3日目以降の降

水の有無の予報について「予報が適中しやすい」ことと「予報が変わりにくい」ことを表す情報で、Ａ、Ｂ、Ｃの3段階で表す。（下の表を参照）

平年値は次の値を掲載。（1981～2010の30年平均）予報期間7日間で合計した

降水量の平年並の範囲予報4日目の最高気温・最低

気温の平年値

信頼度内容

Ａ確度が高い予報適中率が明日予報並みに高い；降水の有無の予報が翌日に変わる可能性がほとんどない

Ｂ確度がやや高い予報適中率が４日先の予報と同程度；降水の有無の予報が翌日に変わる可能性が低い

Ｃ確度がやや低い予報適中率が信頼度Ｂよりも低い；もしくは、降水の有無の予報が翌日に変わる可能性が信頼度Ｂよりも高い

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レーダー・ナウキャスト(降水・雷・竜巻) (http://www.jma.go.jp/jp/radnowc/)

竜巻発生確度ナウキャストについて発生確度２となった地域で、竜巻などの激しい突風が発生する可能性（予測

の適中率）は5～10％。発生確度１は、発生確度２で見逃す事例を補うように設定してあり、広がりや出現する回数が多くなる。このため、発生確度１以上の地域では、見逃しが少ない反面、予測の適中率は1～5％と低くなっている。

雷ナウキャストについて活動度は、最新の落雷の状況と雨雲の分布によって区分。活動度４：「激しい雷」、落雷が多数発生している。活動度３：「やや激しい雷」、落雷がある。活動度２：「雷あり」、電光が見えたり雷鳴が聞こえる。

または、現在は、発雷していないが、間もなく落雷する可能性が高い。

活動度１：「雷可能性あり」、1時間以内に落雷の可能性。

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レーダー・ナウキャスト(降水・雷・竜巻) (http://www.jma.go.jp/jp/radnowc/)

竜巻発生確度ナウキャストについて発生確度２となった地域で、竜巻などの激しい突風が発生する可能性（予測

の適中率）は5～10％。発生確度１は、発生確度２で見逃す事例を補うように設定してあり、広がりや出現する回数が多くなる。このため、発生確度１以上の地域では、見逃しが少ない反面、予測の適中率は1～5％と低くなっている。

雷ナウキャストについて活動度は、最新の落雷の状況と雨雲の分布によって区分。活動度４：「激しい雷」、落雷が多数発生している。活動度３：「やや激しい雷」、落雷がある。活動度２：「雷あり」、電光が見えたり雷鳴が聞こえる。

または、現在は、発雷していないが、間もなく落雷する可能性が高い。

活動度１：「雷可能性あり」、1時間以内に落雷の可能性。

２．天気予報の概要と気象情報

9[古川武彦・室井ちあし、現代天気予報学、朝倉書店、2012]

（観天望気、実況の確認、注意報・警報における総合判断、、、現在でも）

（現象の周期性やタイムラグを相互相関解析法により見出す。テレコネクション）

（「平年値」＝過去30年間の平均。これから外れると「異常気象」）

（例：気象レーダー等の観測結果による「降水短時間予報」（30分間隔6時間先）（の初めの3時間分）と「ナウキャスト」（5分間隔1時間先））

（大気の運動を支配する物理法則に基づく。「数値予報」）

予報技術は、歴史的にみると、主観的な技術から客観的な（予報者によらない）技術へと発展してきた。しかし、長年培われ伝承されてきた予報者の知恵は現在の天気予報にも生きている。（たとえば、注意報や警報を出す際には総合的な判断が必要となる。）

10[加藤輝之、楠研一、「第39回メソ気象研究会・気象災害委員会との共催発表会の報告」、天気（日本気象学会機関誌）、2013年8月]

「気象情報」が扱う現象の時間・空間スケールと、それに応じた予報の手法

「総観規模」(synoptic scale)

「メソスケール」(meso scale)

３．数値予報

11[新田尚・長谷川隆司、天気予報のいま、東京堂出版、2011] http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-2.html

• 地球大気は（回転）流体力学に従う流体力学の方程式系を解くことで大気場の時間変化を厳密に決定できるはず

• 「リチャードソンの夢（または失敗）」：英国のリチャードソン、1920年（コンピュータ実用化以前）、水平約200km間隔、鉛直5層の格子を用い、6時間予報を手計算で1か月以上かけて行った。数値計算手法に問題があり、非現実的な気圧変化を予測

• 「6万4千人が大きなホールに集まり一人の指揮者の元で整然と計算を行えば、実際の時間の進行と同程度の速さで予測計算を実行できる」と提案

• 第２次世界大戦後、数学者のフォン・ノイマンは気象学者のチャーニーやフョルトフトとともに、世界最初の実用的コンピュータ、真空管方式の「エニアック」を用いて、数値予報実験に成功。

• 日本では1959から数値予報の取り組み開始。数値予報が（予報官たちの信頼を得て）短期予報の主力になったのは1980年代。その後も日々改良。

数値予報モデル

12[図： http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-1.html]

数値予報モデル予報変数：

気温、密度（気圧またはジオポテンシャル高度）、風速3成分（東西風、南北風、鉛直風）、水蒸気濃度など

予報方程式系：大気内の局所的な保存則（時間発展偏微分方程式系）

＋境界条件（地形、地表からの顕熱・潜熱フラックス等々）

＋初期条件（観測値）（ごく大雑把に言えば、短期予報には初期条件が重要、気候予測には境界条件・外部条件が重要）

大気中の各“流体粒子”/“空気塊”（各格子点）において、次の3つの保存則が成り立つ。

１．運動量保存則（運動方程式）

（風速3成分の時間変化率）＝（コリオリ力）＋（気圧傾度力）＋（重力）＋（乱流による摩擦力）

２．質量保存則（連続の式）（空気に対して；水蒸気に対して；他の微量成分に対して）

（密度の時間変化率）＝（風の収束・発散）

３．熱エネルギー保存則（熱力学第一法則）

（気温の時間変化率）＝－（体積/圧力変化）＋（放射加熱冷却＋水蒸気凝結蒸発（潜熱））

（未来の物理量）＝（現在の物理量）＋（時間変化率）×（微小時間（例えば10分））13

[露木義・川畑拓矢、編、気象学におけるデータ同化、気象研究ノート、217、2008]

地上観測（地上観測点、船舶、ブイ）

高層観測（ラジオゾンデ、パイロットバルーン、ウインドプロファイラ）

航空機観測、およびボーガスデータ（気象衛星から推定した南半球地表気圧、気象衛星から推定した台風の中心位置と気圧に基づく人工的な台風観測データ）

衛星大気追跡風（METEOSAT, MTSAT, GOES, Aqua, Terra）（気象衛星データの雲等の動きから風を推定）

衛星マイクロ波サウンダ輝度温度（NOAA, Aqua）（気温、水蒸気）

衛星マイクロ波散乱計による海上風（QuickSCAT）

GPS掩蔽観測による大気屈折率（CHAMP）（気温、水蒸気）

衛星マイクロ波イメージャ輝度温度（DMSP, TRMM, Aqua）（気温、水蒸気等）

数値予報モデルと観測データの同化

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• 地球大気中の空間を格子点で覆う。• 各格子点（あるいは「空気塊」）において、さきほどの「3つの保存則」（方程式系）が成り立つ。

• 微分方程式では無限小の変位を考えるが、格子は有限の大きさなので、方程式系を（適切に）「差分化」する。これが「数値予報モデル」の中心部分である。

• 観測データは空間的に不均一、また、必ず誤差を伴う格子点上の真値を推定する。これを「客観解析」と呼ぶ。• （簡単なやり方は線形内挿だが、現在は数値予報モデルを用いて力学的になるべく整合的に推定（「同化」）する。）

• 得られた大気の場（客観解析場）を初期値として、地球大気の方程式系（時間発展・偏微分方程式系）を積分する。

[図： http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/whitep/1-3-1.html]

さまざまな数値予報モデル

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[新田尚・長谷川隆司、天気予報のいま、東京堂出版、2011]

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[古川武彦・室井ちあし、現代天気予報学、朝倉書店、2012]

[新田尚・長谷川隆司、天気予報のいま、東京堂出版、2011]

HITACHI SR16000モデルM1（2012年6月運用開始）http://www.jma.go.jp/jma/press/1205/24c/20120524_naps_renewal.html

1955年、米国気象局、IBM704導入、数値予報を実用化。

1959年に日本の気象庁でもIBM704導入、アメリカに次いで数値予報を開始。（日本政府が行政用に導入した初めてのコンピュータ）

（ただし、その性能は今日のPCにも遠く及ばず、当初の数値予報結果は現場の予報官の使用には耐えず、予報官の信頼を得るまでにはかなりの年月を必要とした。）

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cf. 海洋研究開発機構「地球シミュレータ」(2002-)、理化学研究所「京」(2011-)

第9世代：HITACHI SR16000モデルM1（2012年6月運用開始）http://www.jma.go.jp/jma/press/1205/24c/20120524_naps_renewal.htmlhttp://www.hitachi.co.jp/New/cnews/month/2012/05/0524c.html

ガイダンス• 数値予報モデルの出力は、そのまますぐには天気予報・防災気象情報には使えない

• ガイダンスとは、数値予報モデルの出力を、天気予報や防災気象情報に翻訳したもの• 翻訳ルールは、過去の数値予報モデル出力と実際の天気との統計的な関係から事前に作成• ある天気図パターンの時に、各地域で実際にどのような天気になるか、局地気象の特性考慮

19[新田尚・長谷川隆司、天気予報のいま、東京堂出版、2011]


数値予報の問題（1）１．格子点間隔は無限小には取れない

（計算機の能力の問題。全球モデルで水平20km～、メソモデルで5km）

様々な問題、例えば：

• 差分スキームの選択

• 乱流摩擦の表現（“パラメタリゼーション”）

• 積雲対流（潜熱）の表現（“パラメタリゼーション”）

２．放射の計算（赤外活性（温室効果）気体、雲等の分布）

• 天気予報の時間スケールではごく簡単でいいが、気候予測では本質的

３．境界条件として与えるか、予報するか

• 海面水温や陸面（土壌水分、積雪深、植生…）は大気と“相互作用”して

いるので、境界条件として与えるのでは本来は不十分。特に長期予報、気候予測においては、同時に予報する必要がある

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• 仮に方程式系（差分化やパラメタリゼーション含めて）が完璧であったとしても、別種の問題が存在する

• 「決定論的カオス」

• 非線形システムが持つ初期値に対する鋭敏性

– 初期条件がわずかに違う時、結果がわずかでなく非常に大きく異なる（予測できない）

– 「バタフライ効果」：エドワード・ローレンツの1972年の講演タイトル『予測可能性－ブラジルでの蝶の羽ばたきはテキサスでトルネードを引き起こすか』

• 20世紀の三大発見のひとつとされる

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数値予報の問題（2）

[ジェイムス・グリック、カオス（新しい科学をつくる）、新潮文庫] [山口昌哉、カオスとフラクタル（非線形の不思議）、講談社ブルーバックス]

p=10, r=28, b=8/3 の時のx, y, zの振る舞い

Lorenz (1963)による対流方程式の簡素化・抽象化

適当な初期値を与えて x(t), y(t), z(t)の時系列を得る。解の時系列は一意に決まる（決定論的）が、解は予想外の振る舞い（周期性）を示す。

「ローレンツ・アトラクタ」


決定論的カオス－数値予報における予測可能性

・大気の観測には誤差や空白が必ず存在 “本当の初期値”（本当の状態）は完全には分からない・地球大気の方程式系には非線形の項が含まれている 2週間より先の予報には大きな不確定性（例えば30日後の札幌の天気は原理的に予報できない）

しかし、そのことを逆手に取ってアンサンブル予報/確率予報：予報の「信頼度」の定量化

（初期値をありえそうな範囲で多数用意し、多数の予報をおこなう。ばらつきが小さい間は予報の信頼度は高いと判断できる。ばらつき＝信頼度）

なぜ予報の信頼度が高い時と低い時がある？背景の大規模な気象場のパターン等によるまた、2週間より先の「長期」についても、各日時・各場所の天気予報はできないが、

“天気の傾向”については、信頼度情報付きで「予報」できる。

長期予報（季節予報）• 1990年3月より物理法則に基づく数値予

報を用いた長期予報が部分的に始まる• アンサンブル予報に基づき、以下の3種

類：– 1ヶ月予報（毎週金曜14:30発表）– 3ヶ月予報（毎月25日14:00発表）– 暖・寒候期予報（2月、9月の25日に発表）

• 気温・降水量・日照時間が、平年値に比べて「高い・多い・長い」「平年並」「低い・少ない・短い」、さらにその確率の情報も。

• 実際には、日本付近の天候は、偏西風の流れ方・蛇行の仕方により大きく左右される。

• つまり、（日々の天気よりゆっくりと変動する）大規模な偏西風の特徴を予測することができれば、“天気の傾向”も予測することができることになる。

• （a）東西流型、（b）南北流型、（c）ブロッキング型

• さらに、日本付近の気圧の谷（トラフ）の位置が、西谷型（ぐずつく）か東谷型（晴れやすい）か。

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４．気象業務の法体系• 天気予報は国の責務としておこなわれる

– 誤った情報の公表による社会の混乱・被害を避ける必要がある– 必要な物的・人的資源を民間レベルで備えることは不可能– 気象観測・データ交換に国際的な協力が不可欠


気象業務法：・観測、予報、警報、気象、地象、水象などの用語の定義・気象庁の任務（気象、地震、火山の観測、予報、警報）・予報と警報（気象、地象（地震、火山、地滑り等）、津波、高潮、波浪、浸水、洪水、航空機・船舶の運航に関わるもの、水防活動に関わるもの）・警報の伝達（通知すべき関係機関：警察庁、国土交通省、海上保安庁、都道府県、東・西日本電信電話株式会社、日本放送協会）などなど

気象業務法に関連する法律：・災害対策基本法・船舶法・消防法

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民間気象事業と気象予報士制度・1993年、規制緩和の流れと気象サービス（通信、コンピュータ、観測、予報）の技術進展を踏まえ、天気予報の自由化を指向した気象業務法の改正を実施

・1994年、気象予報士制度の創出・予報認可を受けた事業者は予報業務を行う事業所ごとに気象予報士をおかなければならない・事業者は現象の予想については気象予報士に行わせなければならない

・1994年、民間が予報サービスをおこなう支援をするためのセンターを設立（資料提供）

国際協力・World Meteorological Organization（WMO、世界気象機関）・International Civil Aviation Organization （ICAO、国際民間航空機関）


気象学入門７．天気予報のしくみ

• 気象庁による防災気象情報• 天気予報の概要と気象情報• 数値予報• 気象業務の法体系

• 講義資料（PowerPoint/PDF）http://wwwoa.ees.hokudai.ac.jp/~fuji/edu/kishou2016/

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気象情報（予報と情報）


28[新田尚・長谷川隆司、天気予報のいま、東京堂出版、2011]

短期予報（3日以内）作業の流れ

（昔は熟練予報官が実況天気図と経験・知識に基づいて予想天気図を作成。今は物理法則）

特別警報• 平成２５年（2013年）８月３０日（金）より運用を開始• 『「特別警報」が発表されたら、ただちに命を守る行動をとってください。』

• 「警報」の発表基準をはるかに超える豪雨や大津波等（その地域で数十年に一度）が予想され、重大な災害の危険性が著しく高まっている場合、新たに「特別警報」を発表、最大限の警戒を呼びかける。

• 特別警報が対象とする現象： 18,000人以上の死者・行方不明者を出した東日本大震災における大津波や、我が国の観測史上最高の潮位を記録し、5,000人以上の死者・行方不明者を出した「伊勢湾台風」の高潮、紀伊半島に甚大な被害をもたらし、100人近い死者・行方不明者を出した「平成23年台風第12号」の豪雨などが該当する。

29[http://www.jma.go.jp/jma/kishou/know/tokubetsu-keiho/]

気象学入門...

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