気象研究所研究開発課題評価報告
メソスケール気象予測の改善と防災気象情報の高度化に関する研究
事前評価
- 副課題１ 高精度高分解能モデルの開発と精度検証
- 副課題２ 高解像度データ同化とアンサンブル予報による短時間予測の高度化
- 副課題３ 顕著現象の実態把握・機構解明に関する事例解析的研究
- 副課題４ 雲の形成過程と降水機構に関する実験的・観測的・数値的研究
事前評価の総合所見
１．研究の目的
数値予測モデルとその初期値作成技術の高度化、顕著現象の機構解明、種々の雲の形成過程・降水機構に関する研究を通じて、メソスケール気象予測の改善や集中豪雨・豪雪や竜巻など顕著現象による被害を軽減するための防災気象情報の高度化など気象業務に寄与する。
２．研究の背景・意義
（社会的背景・必要性）
水平2-2000kmのスケールをメソスケールと呼び、爆弾低気圧や台風、集中豪雨や局地的大雨、竜巻やダウンバーストを引きおこす積乱雲、といった災害につながる激しい現象が含まれている。これらの現象の予測精度を向上させ防災気象情報を高度化することは、気象災害の軽減に不可欠である。顕著現象の機構解明や説明については、社会的に大きな要請があり、それに応えることは防災官庁としての責務である。またメソスケール気象予測の精度向上や高度化は、短期天気予報の改善を通じて、国民の社会生活や企業活動、交通、農業、水資源、エネルギー需給など様々な分野に貢献する。
（学術的背景・意義）
物理法則に則った数値モデルによる気象予測は、気象業務の基幹技術となっているが、集中豪雨や局地的大雨に代表される災害につながる激しい現象は、時間的・空間的スケールが小さく、現在実用化されている技術ではその予測精度は十分ではない。これらの現象の多くは積乱雲に伴って生じており、予測精度の改善には、積乱雲の構造や消長を精度良く表現出来る高分解能の数値モデルの開発が必要で、そのための力学過程や物理過程の開発や高度化、モデル予測結果の検証が必要である。
数値モデルを用いた気象予測は初期値問題であるため、その短期予測の精度は初期値に大きく依存する。現象のスケールに見合った高精度の初期値を用意する必要がある。またこれらの激しい現象は、僅かな条件の違いで予測結果が大きく異なるため、防災気象情報の高度化のためには、モデルの予測誤差を定量的に評価するためのアンサンブル予測技術の開発が不可欠である。定量化した予報誤差に関する情報をデータ同化にも適用する技術の開発も必要である。
顕著現象の実態を把握しその機構を解明することは、顕著現象の短時間予測や的確な防災気象情報の発表のために不可欠である。また顕著現象に対する数値モデルの再現性を精査することは、数値モデルの不備や特性の把握を通じて、モデルの改善にもつながる。
顕著現象の多くは積乱雲に伴って生じており、雲の内部の複雑な物理を理解しモデル化することは数値気象モデルの改善に不可欠であるが、これらは、実験的・観測的事実に基づく必要がある。従来の数値モデルで不十分なものとしてエアロゾルの雲や降水への効果の取り扱いがあり、研究を進める必要がある。
（気象業務での意義）
- 気象庁技術開発推進本部のモデル技術開発部会を通じた現業モデルの予測精度向上に寄与する。
- 気象庁技術開発推進本部の豪雨監視・予測技術開発部会を通じた顕著現象の監視・予測の精度向上に寄与する。
- 竜巻等突風情報改善プロジェクトチームに関する顕著現象のポテンシャル予測の改善に寄与する。
- 副課題1と2は、A2の顕著現象の監視と診断的・運動学的予測、A3の台風進路予報と強度解析、A4の沿岸海況予測、a5の大気境界層研究、C1の地域気候モデル開発に貢献する。副課題3は、A2の顕著現象の監視と診断的・運動学的予測とc8の環境要因による局地気候変動のモデル化に、副課題4はC3のエアロゾルモデルに貢献する。
- 気象要素の精度向上や予測の高度化を通じて再生可能エネルギー分野へ貢献が可能である。
- 雲・降水過程にエアロゾルや凝結核・氷晶核が及ぼす効果の定量的理解を通じて、意図的・非意図的気象改変に関する知見が得られる。
３．研究の目標
（副課題1）高精度高分解能の数値予報モデルの開発及びその精度検証を行い、激しい気象現象や積乱雲の時間発展の再現性を向上させる。
（副課題2）高解像度データ同化技術の開発やアンサンブル手法を用いて、顕著気象等の短時間予測精度を向上させるとともに、確率論的予測を行って極端シナリオの抽出法や利用法等を提案する。
（副課題3）集中豪雨や竜巻等、災害をもたらす顕著現象の事例解析を行い、都市の影響も含めて実態把握・機構解明を行う。
（副課題4）室内実験・野外観測・数値実験に基づいて雲微物理素過程を解明し、エアロゾル・雲・降水過程を統一した雲微物理モデルを開発する。
４．研究計画・方法
（副課題1）
①高解像度化に向けた力学過程の開発
②各種物理過程の高解像度化に向けた開発や高度化と検証
③積乱雲の一生にわたる構造についての時間発展の再現性の向上
④激しい気象現象の再現性の検証、予測精度の評価
副課題2のモデル初期値の改善や誤差についての情報、副課題3のモデル再現実験、副課題4の雲物理パラメタリゼーションと密接に関連して研究を行う。またa5の課題の成果を境界層過程モデルの開発に利用する。A2の観測研究に基づく積乱雲の実体解明や降水システム等の構造などをモデル開発に活用する。C1の地域気候モデル開発と情報交換する。
（副課題2）
①Hybrid-4DVar、EnVar、EnKFなどの先進的なデータ同化技術の開発および改良、非線形性を考慮したデータ同化手法の検討。
②2重偏波レーダー、静止衛星によるラピッドスキャンなど、これまでデータ同化に用いられなかった観測データの同化技術の新規開発、GNSS、ドップラーレーダーなどの高度な利用方法の開発、観測システムに関する開発と同化実験。
③アンサンブル予報技術の高度化、各種物理量の短期量的予測や各種予測に対して信頼度や確率情報を付加する高度な利用方法を開発、最適観測法の開発。
副課題1や副課題4のモデルや物理過程の検証と密接に関連して研究を行う。またA2の各種観測データや衛星同化技術、A3のデータ同化研究などとも連携する。
（副課題3）
①集中豪雨や竜巻等の顕著現象を非静力学数値予報モデルでの再現実験および客観解析データや観測データやを駆使することにより事例解析を行い，これらの現象の実態把握や機構解明に取り組む。
②局地的大雨などの顕著現象に対して都市効果が及ぼす影響を解明する。
副課題1のモデルの開発・検証と密接に関連して研究を行う。またA2-1の診断的予測技術に関する研究やA2-2の監視・運動学的予測技術改善のための研究・開発、c8の環境要因による局地気候変動のモデル化とも連携する。
（副課題4）
①実験的研究と数値実験を通じたエアロゾル・雲・降水統一雲物理パラメタリゼーションの開発。
②各種観測データ等を用いた雲物理パラメタリゼーションの検証。
③数値モデル等を用いた種々の雲・降水システムに対する凝結核・氷晶核としてのエアロゾルの効果の定量的評価。
副課題1の雲物理過程の開発と関連して研究を行う。またC3のエアロゾルモデル研究とも情報交換する。
５．研究体制
- 研究代表者：斉藤和雄（予報研究部長）
- 担当研究者数： ２８人
- 副課題１ サブ代表：山田芳則（予報研究部） 担当研究者数：９人
- 副課題２ サブ代表：瀬古弘 （予報研究部） 担当研究者数：１１人
- 副課題３ サブ代表：加藤輝之（予報研究部） 担当研究者数：８人
- 副課題４ サブ代表：村上正隆（予報研究部） 担当研究者数：７人
- 研究協力者数： ３人程度
- 研究期間：平成26年度～平成30年度
６．特筆事項
（効率性）
平成25年度まで行なっている気象研究所予報研究部の重点研究と基礎的・基盤的研究の成果をもとに、それらを発展させ時代に合った新たな課題に取り組む。予報研究部の4つの研究室が各副課題の核となるとともに、研究室間の副課題への相互参加を通じて、研究開発を促進するとともに、重複を極力排除する。また、副課題1に環境・応用気象研究部から境界層モデリングの専門家を、副課題2に台風研究部、気象衛星・観測システム研究部、気候研究部からデータ同化や衛星データに関する専門家を、副課題4に環境・応用気象研究部からエアロゾルに関する専門家が研究参加し、効果的に目標に向かって研究を推進する体制をとっている。
（有効性）
数値モデルを用いて顕著現象の予測精度を向上させ、防災気象情報を高度化することは、気象災害の軽減に不可欠で、そのために気象庁技術開発推進本部のモデル技術開発部会、豪雨監視・予測技術開発部会、竜巻等突風情報改善プロジェクトチームと連携して研究開発をすすめる。またメソスケール気象予測の量的精度の向上や高度化は、国民の社会生活や企業活動、交通、農業、水資源、エネルギー需給など様々な分野に貢献する。
（波及効果）
- 気象要素の精度向上や予測の高度化を通じて電力需要予測や再生可能エネルギー分野への貢献が可能である。
- 雲・降水過程にエアロゾルや凝結核・氷晶核が及ぼす効果を通じて、意図的・非意図的気象改変に関する知見が得られる。
（特記事項）
- 高精度のメソスケール気象予測技術は、領域気候、汚染物質や噴煙の拡散予測、高潮など沿岸海況予測などの業務や研究に対する技術的基盤を提供する。
- 観測データの利用技術、データ同化技術や感度解析技術は、顕著現象の監視予測研究や観測部での観測システム業務に対する技術的基盤を提供する。
- 高精度高分解能のモデル開発やデータ同化技術は、台風の進路予測や強度解析研究、予報部で台風予測業務への技術的基盤を提供する。