成果概要

社会的意思決定を支援する気象-社会結合系の制御理論[A-1] 「制御可能性」を導く新しい気象データの構築・解析と制御手法設計

2023年度までの進捗状況

1. 概要

背景:
台風のような極端気象は大きなエネルギーを持つ複雑な現象です。目標8では十分小さな力で安全に、極端気象の未来を大きく動かす新しい理論の開拓が望まれます。
目的:
人工的な小さな外力で台風をはじめとする極端気象の未来を大きく変えるために有用な秩序だった気象現象を発見し、それを利用する気象制御理論を打ち立てます。
手法:
最新鋭のシミュレーション技術と衛星観測を統合し、過去の大量の台風の3次元的な構造を再現するデータセットを作成します。そのデータを気象学的な現象理解による手法(プロセス駆動型アプローチ)、およびそのような気象学的知識を必要としない機械学習手法(データ駆動型アプローチ)を組み合わせて解析(図1)します。
図1. 研究開発テーマの全体像
図1. 研究開発テーマの全体像

2. これまでの主な成果

  • ① 台風のデータセットの作成に必要な技術基盤を整備し、当面解析に必要なだけのデータの作成を完了しました。
  • ② [プロセス駆動型アプローチ]台風内部の積乱雲をもたらす小さな水蒸気の空間的揺らぎが、台風全体の強度発達をもたらしているという新しい秩序を発見しました(図2)。この現象を有効活用した具体的な制御介入手法の提案を進めています。
図2. (左上)台風のシミュレーション、(右上)左上と同様だが、台風中心付近の積乱雲をもたらす水蒸気が特定の場所に集中しないようにシミュレーション中で仮想的に分散させた結果、(下)台風最大風速の時間変化。青い点線での時刻でのシミュレーション結果が上の2つの図に示されています。黒線が左上の、茶線が右上のシミュレーション結果を表します。水蒸気を分散させ、狭い範囲における水蒸気の集中を避けるだけで、本来大型台風に発達するはずのものが、小さい規模に抑えられることが分かります。
図2. (左上)台風のシミュレーション、(右上)左上と同様だが、台風中心付近の積乱雲をもたらす水蒸気が特定の場所に集中しないようにシミュレーション中で仮想的に分散させた結果、(下)台風最大風速の時間変化。青い点線での時刻でのシミュレーション結果が上の2つの図に示されています。黒線が左上の、茶線が右上のシミュレーション結果を表します。水蒸気を分散させ、狭い範囲における水蒸気の集中を避けるだけで、本来大型台風に発達するはずのものが、小さい規模に抑えられることが分かります。

③ [データ駆動型アプローチ]前年度から開発を続けているデータ駆動型アプローチ(図3)をより気象に近い大規模かつ複雑な設定に適用し、その有効性と限界を解析しています。

図3. 本研究で開発中のデータ駆動型アプローチを円柱周りの流れに用いる例。NNとはニューラルネットワークのこと。限られた観測データと制御外力の情報から現象の本質となる部分をモデリングし、効率的な制御に結びつけます。
図3. 本研究で開発中のデータ駆動型アプローチを円柱周りの流れに用いる例。NNとはニューラルネットワークのこと。限られた観測データと制御外力の情報から現象の本質となる部分をモデリングし、効率的な制御に結びつけます。

3. 今後の展開

2023年度は、小さなスケールの水蒸気の揺らぎが台風全体の強度発達をもたらしていることを解明し、台風制御に有用な秩序だった気象現象を発見することができました。しかしながら、このような秩序を実際に活用して制御を行うためにはまだ超えなければならないハードルは多いです。今後はデータ駆動型のアプローチを有効活用し、具体的に大気に介入する装置を想定したシミュレーション実験を進めていくことで、科学的知見を台風制御につなげていきます。