成果概要

局地的気象の蓋然性の推定を可能にする気象モデルの開発[1~3] 蓋然性推定精度向上のための気象モデルおよび検証手法の開発

2024年度までの進捗状況

1. 概要

「豪雨の “いつ・どこで・どのくらい” の予測にどのくらい確実性があるのかを推定する」

気象制御において、最適な制御手法を選ぶには、その地域・気象条件で発生する現象の位置や時刻、降水量・風速が必然的に決まっているのかそれとも偶然かという蓋然性を高い精度で推定する必要があります。
蓋然性推定において、気象シミュレーションモデルの不完全性が正確な推定を阻害する要因となることがあります。この問題を解決するためには、従来の計算手法を延長的に改良するのではなく、質的に異なる手法が必要となります。気象シミュレーションモデルは複数の部分要素で構成されており、本プロジェクトでは、蓋然性推定精度の低下に大きく寄与すると考えられるいくつかの要素について新しい計算手法を開発し、それらを用いた新しい気象モデルの構築に取り組みます。
新しいモデルを開発する際には、そのモデルの妥当性や有用性を確認することが必要です。したがって、本研究開発では、新しい気象モデルの開発と同時に、そのモデルが蓋然性推定の精度を向上させることを客観的に示すための検証手法の開発にも取り組みます。これにより、新しいモデルの信頼性を確保し、その有用性を明確に示すことを目指します。

2. これまでの主な成果

以下の4つの新しい計算スキームについて、プログラムコードへの実装を進め、数値実験により妥当性検証を行いました。

  • 時空間一様性の仮定を排除し1 mオーダーの乱流を考慮した新しい計算式を用いた接地層乱流スキーム
  • 不連続ガラーキン法を採用した高い計算効率と高い精度を両立する流体力学スキーム
  • 雲を構成する水滴や氷粒子の運動を計算することにより雲の振る舞いを計算するラグランジュ粒子ベースの超水滴法雲微物理スキーム
  • エアロゾルの時空間変動、雲、および雷との相互作用を陽に計算するスキーム

また、シミュレーションによる蓋然性推定の精度を客観的に評価するための検証手法や要因分析手法の開発を行い、過去の豪雨事例の実験によって、超水滴法を用いた場合にシミュレーション結果が統計的に優位であることを示しました。

3. 今後の展開

本プロジェクトで開発した計算スキームについて、そのさらなる改良をすすめるとともに、本課題で対象としなかった計算スキームについても開発を行っていきます。そして、2050年頃の気象制御実現に必要な精度および信頼性をもつモデルを目指して引き続き問題解決に取り組みます。

YouTubeサムネイル
開発した超水滴スキームを用いたシミュレーション結果の例。雲粒子のふるまいを粒子の運動として現実に近い形で表現することで、精緻な計算が可能になりました。可視化動画をYouTubeで公開中です。
図
過去の6つの豪雨事例について、従来雲微物理スキーム(黒線) と開発した超水滴スキーム(赤線) を用いて行ったアンサンブルシミュレーション実験における誤差の箱ひげ図。従来スキームの方が優位であるとした帰無仮説に対するp値を各事例の図の上に表しています。全事例であわせたp値は0.02 (=98 % の確かさ) となり、新スキームが統計的に優位であることが示されました。