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~ 태풍 발생 예측의 실용화 ~

독립행정법인 해양연구개발기구 심리스환경예측연구분야 연구팀과 도쿄대학 해양연구소 연구팀은 공동으로 2004년 8월에 발생한 8개의 태풍에 관하여 지구 전체의 구름 생성, 소멸을 상세하게 계산할 수 있는 전 지구 구름시스템 해석모델 “NICAM”을 슈퍼컴퓨터 “경”으로 다수의 시뮬레이션을 실시하여 약 2주간의 태풍 발생 예측이 가능하다는 것을 실증하였다.

태풍은 북서태평양 지역의 열대에서 발생한다. 폭풍 및 폭우, 높은 파도 등 피해를 일으킬 수 있는 현상을 동반할 뿐만 아니라 수자원을 가져오기 때문에 그 예측은 사회적으로 큰 임팩트가 있다. 특히 열대지방에서는 태풍발생에서 태풍접근까지의 시간이 짧고, 그 사이에 급격하게 발달하는 경우도 자주 있기 때문에 태풍발생의 예측이 가능하다면 방재에 크게 도움이 될 것으로 생각된다. 일본 기상청을 비롯한 몇 군데 태풍 예보센터는 1일~5일 후의 태풍발생 예측을 수행하고 있지만, 정밀도가 충분하지 않거나 예측기간이 짧다는 문제가 있다.

태풍발생은 열대지역에서 북반구 동계(12월~4월)에 발생하는 매든-출리안 진동(Madden Julian Oscillation, MJO) 및 북반구 하계(5월~11월)에 발생하는 북반구 하계 계절 내진동(Boreal Summer Intraseasonal Oscillation, BSISO)과 관련있다고 한다. 따라서 MJO와 BSISO를 높은 정밀도로 예측한다면 태풍의 발생도 높은 정밀도로 예측할 수 있을 가능성이 있다. MJO는 약 30~60일의 주기로 주로 인도양에서 발생한 수평방향의 크기가 수천km에 이르는 거대한 적란운군이 적도를 따라 동으로 진행하는 대기변동이다.

한편 BSISO는 인도양 및 북서태평양에서 발생한 수평방향의 크기가 수천km에 이르는 거대한 적란운군이 약 30~60일의 주기로 북진하는 대기변동이다. 모두 구름을 동반하기 때문에 높은 정밀도로 예측하기 위해서는 구름의 효과를 기상 시뮬레이션 프로그램에 적절하게 입력하는 것이 상당히 중요하다. 한편 기상청을 비롯한 세계 각국의 예보센터에서 일기예보에 이용되고 있는 기상 시뮬레이션 프로그램에서는 구름의 효과가 가정 하에서 경험적으로 반영되고 있으며, 물리법칙을 따른 엄밀한 것은 아니다.

본 연구팀은 지금까지 구름의 생성, 소멸 및 구름 중에서 비 및 눈의 생성과 낙하를 물리법칙을 따라 직접 계산할 수 있는 기상 시뮬레이션 프로그램 NICAM을 개발하고, 그것을 슈퍼컴퓨터를 이용하여 MJO를 상당히 높은 정밀도로 예측할 수 있다는 것을 나타내었다. 그러나 BSISO의 예측 정밀도 및 BSISO와 태풍 발생의 예측 정밀도의 관계에 대해서는 해명하지 못하였다.

2004년은 6월부터 10월까지 BSISO가 뚜렷하게 나타나 필리핀의 동쪽에서 대류활동이 강했던 6월과 8월에는 평년(1981~2010년의 30년 평균)보다 많은 5개(평년치: 1.7개)와 8개(평년치 5.9개)의 태풍이 발생하였다. 그래서 연구팀은 슈퍼컴퓨터와 NICAM을 이용하여 2004년 8월 1일부터 31일까지 시뮬레이션 개시일을 1일씩 변화시키면서 31개의 30일 예측을 수행하여 BSISO와 태풍 발생을 어느 정도 높은 정밀도로 예측할 수 있는지 검증하였다.

시뮬레이션의 결과, BSISO에 의한 필리핀 동해상에서 8월에 대류활동이 활발하게 되어 북진한 것과 9월에 대류활동이 활발하지 못하게 되는 것을 재현하였다. 또한 8월에 발생한 8개이 태풍에 관해서 재현된 것을 해석한 결과, 최성수기의 중심기압이 990hPa보다 높은 수명이 3일 미만이었던 태풍 11호와 14호의 재현은 어려웠지만, 다른 6개의 태풍발생은 잘 재현할 수 있었다. 특히 8월 후반에 발생한 태풍 15~18호는 약 2주간 전부터 태풍발생이 재현되었다.

8월에 발생한 8개의 태풍 중 5개는 몬순 트로프에 따른 시어선(shear line) 부근에서 발생하였다. 이 중에서도 8월 28일에 발생한 태풍 18호는 가장 동쪽에서 발생하였으며, BSISO에 의해 몬순 트로프가 동쪽으로 확대된 시어선이 동쪽까지 연장된 것이 발생에 기여하였다고 생각된다.

태풍 18호가 발생한 3주 전부터 시작한 시뮬레이션에서는 8월 중순 시어선의 동쪽으로의 확대를 재현하였지만, 8월 하순은 시어선이 그다지 확대되지 않았다. 한편 발생 2주 전부터 시작한 시뮬레이션은 8월 하순의 시어선 확대를 잘 재현하였다. 따라서 NICAM이 2주 전부터 시어선을 높은 정밀도로 재현한 것이 태풍 18호를 2주 전부터 재현하는데 기여하였다고 생각된다.

그리고 태풍 18호 발생 직전의 3일간 몬순 트로프의 발생은 시뮬레이션 개시일이 태풍 발생일에 가까울수록 높은 정밀도로 재현할 수 있었다. 그에 따라 태풍의 발생을 예측할 뿐만 아니라 그 타이밍 및 발생위치도 관측사실에 가깝다는 것을 알았다. 이러한 결과로부터 구름의 효과를 직접 계산하는 NICAM을 이용하여 BSISO를 높은 정밀도로 재현함으로써 태풍 발생을 2주 전부터 예측할 수 있다는 것을 선도적으로 실증할 수 있었다.

그림 1. 관측(좌)와 8월 15일 개시 시뮬레이션(우)에서의 필리핀 동쪽 해상의 대류활동 시계열
그림 2. 8월 1일~10일(상), 11일~20일(중), 21일~30일(하)의 고도 약 1,500m에서 동서풍과 태풍 발생 위치
그림 3. 태풍 18호 발생 직전 3일간 평균한 고도 약 1,500m에서 관측된 서풍영역과 발생 약 3주 전(상), 약 2주 전(중), 약 1주 전(하)를 초기치로 하는 7개의 시뮬레이션 중 서풍을 예측한 것의 갯수

1．概要

独立行政法人海洋研究開発機構（理事長　平　朝彦、以下「JAMSTEC」という。）シームレス環境予測研究分野の中野満寿男特任研究員と東京大学大気海洋研究所の佐藤正樹教授らの共同研究チームは、2004年8月に発生した8つの台風について、地球全体の雲の生成・消滅を詳細に計算できる全球雲システム解像モデル「NICAM」（※1）をスーパーコンピュータ「京」（※2）で実行することで多数のシミュレーションを実施し、約2週間先の台風発生予測が可能であることを実証しました。

また2004年8月28日に発生した台風18号発生時の大気循環の様子を解析したところ、モンスーントラフ（※3）と呼ばれる領域が中部太平洋まで大きく張り出していたことがわかりました。NICAMによるシミュレーションは、このモンスーントラフの張り出しを台風18号発生2週間前から高い精度で予測できており、その結果、台風発生も高い精度で予測できていたと考えられます。

モンスーントラフの張り出し具合は、北半球夏季季節内振動（BSISO：※4）と呼ばれる大気の変動で左右されることが知られています。BSISOと台風発生とに関係があることは、観測データを用いた解析によってこれまでも指摘されていましたが、本成果は雲システムを解像できる全球モデルNICAMが、BSISOを高い精度で予測でき、その結果台風発生も高い精度で予測可能となることを世界に先駆けて実証したもので、台風発生予測実用化への扉を開くものです。なお、本研究は、文部科学省によるHPCI戦略プログラム分野3「防災・減災に資する地球変動予測」の研究課題「全球雲解像モデルによる延長予測可能性の研究」ならびに「地球規模の気候・環境変動予測に関する研究」(課題代表者　木本昌秀、課題ID hp120313, hp130010)（※5）の一環として実施されたものです。

本成果は、米国の地球物理学専門雑誌「Geophysical Research Letters」オンライン版に1月20日付け（日本時間）で掲載される予定です。

タイトル：Intraseasonal variability and tropical cyclogenesis in the western North Pacific simulated by a global nonhydrostatic atmospheric model
著者：中野満寿男1、沢田雅洋2、那須野智江1、佐藤正樹2,1
1. 海洋研究開発機構、2. 東京大学大気海洋研究所
　（沢田雅洋氏は現在気象庁気象研究所所属）
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/2014GL062479/abstract

2．背景

台風は北西太平洋域の熱帯で発生します。暴風や大雨、高潮など被害を引き起こすような現象を伴うだけでなく、水資源をもたらすため、その予測は社会的に大きなインパクトがあります。特に熱帯地方では、台風発生から台風接近までの時間が短く、その間に急激に発達することもしばしばおこるため、台風発生の予測が可能となれば防災に大きく役立つと考えられます。日本の気象庁をはじめ、いくつかの台風予報センターは1日～5日後の台風発生の予測を行っていますが、精度が十分でなかったり、予測期間が短かったりという問題があります。

台風の発生は、熱帯域で北半球冬季（12月～4月）におこるマッデン・ジュリアン振動（MJO）や、北半球夏季（5月～11月）におこる北半球夏季季節内振動（BSISO）と関連があることが指摘されています。したがって、MJOやBSISOを高い精度で予測できれば、台風の発生も高い精度で予測できる可能性があります。MJOは約30-60日の周期で、主にインド洋で発生した、水平方向の大きさが数千kmにも及ぶ巨大な積乱雲群が赤道に沿って東に進む大気変動です。一方BSISOは、インド洋や北西太平洋で発生した、水平方向の大きさが数千kmにも及ぶ巨大な積乱雲群が約30-60日の周期で北進する大気変動です。いずれも雲を伴っているため、高い精度で予測するためには、雲の効果を気象シュミレーションプログラムに適切に取り入れることが非常に重要です。一方で、気象庁をはじめとする世界各国の予報センターで天気予報に用いられている気象シミュレーションプログラムでは、雲の効果はある仮定の下、経験的に取り入れられており、物理法則に従った厳密なものではありません。

JAMSTECの中野満寿男特任研究員と東京大学大気海洋研究所の佐藤正樹教授らの共同研究チームは、これまでに雲の生成・消滅や、雲の中での雨や雪の生成・落下を物理法則に従って直接計算できる気象シミュレーションプログラムNICAMを開発し、それを「京」で動かすことで、MJOをきわめて高い精度で予測できることを示しました（平成26年5月7日既報「熱帯域におけるマッデン・ジュリアン振動の1ヵ月予測が実現可能であることを実証～スーパーコンピュータ「京」× 次世代型超精密気象モデル～」）。しかしながら、BSISOの予測精度やBSISOと台風発生の予測精度の関係については未解明のままでした。

2004年は6月から10月にかけてBSISOが顕著に見られ、フィリピンの東で対流活動が強かった6月と8月には、平年（1981-2010年の30年平均）よりも多い、それぞれ5個（平年値：1.7個）と8個（平年値5.9個）の台風が発生しました。そこで研究チームは「京」上でNICAMを用い、2004年8月1日から31日までシミュレーション開始日を1日ずつずらしながら、31本の30日予測を行い、BSISOと台風発生がどの程度精度よく予測できるのか検証しました。

3．成果

シミュレーションの結果、BSISOに伴い、フィリピン東海上で8月に対流活動が活発になり北進していたことと、9月に対流活動が不活発になることがおおむね再現されました（図1）。また、8月に発生した8個の台風について再現できていたかを解析したところ、最盛期の中心気圧が990hPa（ヘクトパスカル）よりも高く寿命が3日未満（弱くて短寿命）だった台風11号と14号の再現は難しかったものの、他の6つの台風発生はよく再現できており、特に8月後半に発生した台風15-18号は約2週間前から台風発生が再現できました（表1）。

　8月に発生した8個の台風のうち5個はモンスーントラフに伴うシアーライン（※6）付近で発生していました。これらの中でも8月28日に発生した台風18号は最も東で発生しており、BSISOによってモンスーントラフが東へと張り出しシアーラインが東まで延びていたことが発生に寄与していたと考えられます（図2a-c）。

台風18号が発生する3週間前から始めたシミュレーションでは、8月中旬のシアーラインの東への延びを再現していますが、8月下旬はシアーラインがあまり延びていません（図2d-e）。一方で発生2週間前から始めたシミュレーションでは8月下旬のシアーラインの延びをよく再現できています（図2f）。従って、NICAMが2週間前からシアーラインを精度よく再現できたことが、台風18号を2週間前から再現できたことに寄与していたと考えられます。

更に台風18号発生直前の3日間のモンスーントラフの張り出しは、シミュレーション開始日が台風発生日に近づくほど精度よく再現できていました。それに伴って、台風の発生が予測されるようになっただけでなく、そのタイミングや発生位置も観測事実に近づいていることがわかりました（図3）。

これらのことから、雲の効果を直接計算するNICAMを用いてBSISOを精度よく再現することで台風発生を2週間前から予測できることを世界に先駆けて実証することができました。

4．今後の展望

今回の研究成果は、2004年というBSISOが顕著に見られた年について、台風発生予測が2週間前から可能であることを示したもので、BSISOが顕著ではない年でも同様に2週間前から予測が可能であるのか、そうである（ない）としたらその理由は何かを今後検証していく必要があります。また、発生後の進路や強度の予測も防災には重要であり、今後検証していく必要があります。

今回のシミュレーションでは、実際の発生を予測できないケースだけでなく、実際には発生していない台風を誤って発生させてしまうケースもいくつか見られました。今後、モデルの解像度を上げたり、より精緻な雲の計算手法などを取り入れたりすることで、これらの誤った予測を減らしていける可能性があります。

更に、今回の研究では1日に1つの初期値からしかシミュレーションを行っていません。初期値には様々な理由で誤差があり、その誤差はシミュレーションの時間が長くなるにつれて大きくなっていきます。人工衛星による「観測ビッグデータ」をNICAMになじむ形で取り入れ、初期値の精度を高めるだけでなく、初期値が微妙に異なる多数のシミュレーション（アンサンブル予報）を行うことで、より精度の高い予測が可能となるとともに、予測結果のばらつきから、予測の信頼度を評価することが可能となります。

但し、このためにはこれまで以上に莫大な計算量が必要となることから、現在計画されている次世代のスーパーコンピュータ、ポスト「京」（※7）の完成が待ち望まれており、これが実現されれば、台風発生予測研究がさらに発展することが期待されます。

また、地球温暖化に伴い台風の発生数や強度がどうなるのかも大きな関心が寄せられています。従来の気候モデルでは雲の効果を経験的に取り入れており、このことが予測の不確実性をもたらす要因として問題視されています。今回、NICAMで雲の効果を直接計算することで、実際の台風の発生が高い精度で予測できることが示されたことから、NICAMを用いることで地球温暖化時の台風の発生数などもより精度よく求めることができるようになると期待されます。

※1　NICAM：地球全体で雲の発生・挙動を直接計算することにより高精度の計算を実現した全球気象モデル。従来の全球気象モデルでは、高気圧・低気圧のような大規模な大気循環と雲システムの関係について、なんらかの仮定が必要とされ、不確実性の大きな要因となっていた。NICAMは主に水平解像度870 m から 14 kmの範囲で運用されており、870 m ～ 3.5 km の超高解像度を用いる場合は全球雲解像モデル、7　km ～ 14 kmの解像度を用いる場合は全球雲システム解像モデルと呼ばれる。

※2　スーパーコンピュータ「京」：世界で初めて“1秒間に1京回を超える計算速度”を実現して2011年に世界ランキング1位を獲得したスーパーコンピュータ。文部科学省が推進する「革新的ハイパフォーマンス・コンピューティング・インフラ(HPCI)の構築」プログラムの中核システムとして、理化学研究所と富士通が共同で開発した。理化学研究所計算科学研究機構（兵庫県神戸市）に設置されている。

※3　モンスーントラフ：モンスーン（季節風）に伴う南西風と北東貿易風とがぶつかる領域にできる低圧帯。特にモンスーンと貿易風との境目をシアーライン（※6）と呼ぶ。

※4　北半球夏季季節内振動（BSISO）：インド洋や北西太平洋で発生した、水平方向の大きさが数千kmにも及ぶ巨大な積乱雲群が約30-60日の周期で北進する大気変動。台風発生に影響を与えるだけでなく、中・高緯度の気圧配置にも影響を及ぼすため、高い精度での予測が求められている。

※5　「全球雲解像モデルによる延長予測可能性の研究」ならびに「地球規模の気候・環境変動予測に関する研究」：これらの研究課題はJAMSTEC、東京大学、理化学研究所などの研究機関のほか、気象庁とも連携して行われている。

※6　シアーライン：モンスーントラフの南側の西風と北側の東風の境界。4割強の台風がシアーラインで発生するとされている。

※7　ポスト京：最大で「京」の100倍のアプリケーション実効性能の実現を目標とし、2020年頃の完成を目指して、理化学研究所が主体となって開発を進めているスーパーコンピュータ。

		11号	12号	13号	14号	15号	16号	17号	18号
観測値	寿命（日/時間）	0/21	4/18	4/12	2/18	4/3	11/18	6/6	11/0
	最低気圧(hPa)	996	960	950	990	970	910	955	925
	最大風速(m/s)	20	35	40	23	30	55	40	45
的中率	直前3日間	0	100	100	0	100	100	100	100
	1週間前	---	100	75	43	86	71	71	86
	2週間前	---	---	---	---	80	43	57	57
	3週間前	---	---	---	---	---	---	---	29

表1　台風発生直前3日間（シミュレーション数：3）と発生約1、2、3週間前（それぞれシミュレーション数：7、ただし、台風13号発生1週間前は4、台風15号発生2週間前は5）に開始したシミュレーションにおける台風発生予測の的中率（％）。台風15-18号は2週間前から40%以上の確率で発生を予測できている。

図1　観測（左）と8月15日開始のシミュレーション（右）でのフィリピン東方海上（東経120-150度）の対流活動の時系列。

図2　8月1日～10日（上段）、11日～20日（中段）、21日～30日（下段）の高度約1500mにおける東西風(色)と台風発生位置（xマーク、数字は台風番号）。破線はシアーラインの位置を示す。左から観測、8月5-～11日初期値（18号発生約3週間前）、8月12～18日初期値（18号発生約2週間前）の平均。

図3　台風18号発生直前3日間（8月25日～27日）で平均した、高度約1500mで観測された西風領域（黒実線）と発生約3週間前（上段）、約2週間前(中段)、約1週間前（下段）を初期値とする7本のシミュレーションのうち、西風を予測したものの数（色）。Oは観測された台風18号の発生位置。H、E、Lはシミュレーションで発生した台風18号の位置とタイミング（それぞれ誤差1日以内、1-5日早い、1-5日遅い）を示す。