海上豪雨を起こし、陸域豪雨を緩和するために有効な介入操作を発見する
最近の地球温暖化の進行に伴って、世界の様々な場所で豪雨がより頻繁に発生するようになっています。日本も例外ではなく、「線状降水帯」とよばれる特定の地域に数時間にわたって停滞する細長い形状をもった降水システムによる豪雨が増えているとの指摘があります。
こうした背景において、本プロジェクト「海上豪雨生成で実現する集中豪雨被害から解放される未来」では、海上豪雨を人為的に強化することで、下流の陸上の豪雨を減少させることを狙っています。具体的には、「人が住む陸上ではなく、上流にあたる海上で“何らかの刺激”によって降水を生じさせて雨の種となる水蒸気を減らしてしまおう」というものです。
梅雨の時期に関して、上流に位置する東シナ海では暖かい海面からの蒸発や南西側からの大量の水蒸気の輸送によって積乱雲が容易に発達できるような環境が整っています。実際にこの時期の降水を注意深く眺めると、九州の西側の小さな島をきっかけにして、その下流で降水が連なって発達する様子が確認できます。
こうした気象学的な知見から、項目5「海上豪雨生成に有効な介入操作の検討」では、（人間による）“少し”の刺激であっても海上での人為的な降水の生成・強化が可能ではないかと考えて、梅雨期の豪雨事例を対象に、陸上の降水の抑制につながるような介入操作について調べています。具体的には、「どのような場合に、どのような手法であれば有効な介入が可能か？」を明らかにすることを目標にして、過去に生じた豪雨事例を様々な物理量を用いて整理すると共に、数値気象モデルを使って再現して、そこに“現実的”と考えられる気象介入の手段を試して有効性を確認するという作業を進めています。
研究開発課題5-1気象モデルを用いた介入操作の有効性評価
研究開発課題推進者： 安永 数明（項目長）
研究概要
数値気象予測モデル（SCALE）を用いて、気象介入手段（洋上ドーム形成、冷気塊形成、海面水温冷却、マイクロ波加熱、シーディングなど）の有効性を明らかにします。特に気象学的見地から、海上豪雨を起こすために有効な介入操作を発見します。
また研究後期においては、航空機・船舶・気象レーダーを伴う屋外実験を計画（手配調整、方法検討、事例選定）します。
研究開発方法
気象介入手段として想定している“洋上ドーム形成”、“冷気塊形成”、“海面水温冷却”、“マイクロ波加熱”、“シーディング”を、実際の介入に近い形で数値気象予測モデル（SCALEを想定）に組み込み、特定の豪雨事例を対象にその有効性を定量的に評価します。ここで有望と示された介入手段に関しては、仮想観測システムを計算機上に構築し、その振る舞いを数値的に評価することで屋外実験の実施に向けた計画の策定を行います。
なお、災害緩和のために必要となる海上豪雨の規模や、陸域降雨量の低減量は、災害イベントにより異なると考えられるため、研究開始時点では明確な数値目標を設定しません。
研究プロジェクト全体としては、課題5-2の成果も踏まえ、海上豪雨形成の可能性が高い事例を令和5、6年度に絞り込みます。また、選定された事例に対し、課題8-1、8-2により洪水氾濫計算・経済被害推定計算を進め、どの程度の海上豪雨生成量・陸域降水の低減量が必要か調査し、低減すべき降水量の目標値を、選定した事例ごとに早期に設定し、本課題の目標値としても利用します。
研究開発の重要性
気象介入に関しては、豪雨に関わる流れ場を凌駕する（非現実的なほど莫大な）エネルギーを加えることが出来れば、確実に特定の地域の豪雨を軽減できるはずです。しかし“実現性”は、本プロジェクトにおける中心的なキーワードであり、実際に想定される介入手段に近い形を数値モデル内において表現することは、課題推進の重要な要素の１つです。
また有望な介入手段が見つかったとしても、実際の屋外実験を実施するには、非常に大きな人的・物的資源が必要になります。仮想観測システムを計算機上に構築し、それを実施計画に利用することは、資源の有効活用という点で意義は大きいと考えます。
取り組みにあたり予想される問題点とその解決策
人為的な介入の有効性を示すには、特定の豪雨事例に着目したとしても確率的な議論ができる程度の実験数が必要です。一方で、雲・降水は強い非線形的な過程を含むことから、“確率的な議論ができる程度の実験数”というのは明らかではありません。また数値実験の設定によって内部の系が持ち得る自由度は変わってくるために、実験設定（計算領域の大きさ、解像度、物理過程のパラメタリゼーション）に結果が依存することも考えられます。
当面は推進速度を重視して（出来るだけ）“網羅的” に実験を行いますが、同時に数理研究グループと連携しながら、低次元化したモデルを用いた効率的な数値実験の設定・構成に関する探索手法の確立を目指します。
また本課題では、最初は特定の豪雨事例だけに着目する計画ですが、有効な介入手法はいつも同じではなく事例によって変わる可能性があります。これに関しては、豪雨事例を適当なパラメータを用いてインデックス化するという、研究開発課題5-2と密に連携しながら介入手法の整理を行います。
メンバー
研究開発課題5-2海上豪雨形成の可能性がある事例選定
研究開発課題推進者： 濱田 篤
研究概要
気象庁などの解析データを活用し、介入操作が有効に働いて海上豪雨を形成できる可能性の高い事例を選定します。具体的には、対流抑制エネルギーや、自由対流高度などの空間分布・時間変化を調査して事例を選定します。
豪雨のトリガーとなるメカニズムを気象学的に解明すると共に、有効に働くと期待できる想定する気象介入操作について検討します。
研究開発方法
気象庁が提供するメソ解析および欧州中期予報センター（ECMWF）が提供するERA5再解析データを中心に用いて、過去に顕著な災害をもたらした豪雨事例の中から、気象介入操作が有効に働くと期待される事例を選定します。
気象介入操作として現時点で想定しているのは、洋上ドーム形成、冷気塊形成、海面水温冷却、マイクロ波加熱、およびシーディングですが、これらの多くは大気境界層の暖湿な空気を強制的に上昇させる効果を持ちます。従って、介入操作の有効度は、境界層を中心とした大気の安定度や水蒸気フラックスと相関すると考えられます。介入操作が有効に働くと期待される事例の選定にあたり、陸上豪雨が発生した地点およびその上流の海上における対流抑制エネルギーや水蒸気フラックスが、雨量に与える影響を定量的に評価したうえで、これら物理量を組み合わせて介入操作の有効性を表すインデックスを開発します。
研究開発の重要性
気象モデルを用いて介入操作の効果を評価するには、実際に過去に起こった豪雨事例を適切に再現することが不可避です。災害をもたらす豪雨は多様であり、本プロジェクトが候補に挙げる介入操作は、それら全てに効果を発揮するとは限りません。少数の事例を詳細に解析した結果を、物理量に基づく客観的かつ定量的なインデックスに集約することで、多数かつ多様な過去の豪雨事例から介入操作が有効に働く事例を効率的に選定できると期待されます。
取り組みにあたり予想される問題点とその解決策
介入操作が効果を発揮する豪雨事例の選定およびその効果を表すインデックスの作成のために、多数の事例を詳細に解析して知見を蓄積する必要がありますが、この作業に想定以上に時間がかかる恐れがあります。そのため、まずは1～2事例程度をある程度の妥当性を持って選定し、特に研究開発課題5-1と密に連携しながら、介入効果と相関の高いインデックスの作成を目指します。
メンバー
研究開発課題5-3アンサンブル気象予測実験
研究開発課題推進者： 平賀 優介
研究概要
数値気象予測モデル (WRF)を用いて、気象介入手段 (洋上ドーム形成、冷気塊形成、海面水温冷却、マイクロ波加熱、シーディングなど) の有効性を明らかにします。
境界条件・初期値を変えたアンサンブル介入感度実験を実施し、その中から有効な介入を探す帰納的なアプローチで、海上豪雨生成による陸域豪雨の抑制を実現する介入操作を発見します。
研究開発方法
国際的に広く用いられる非静力学気象モデルWeather Research and Forecasting model (WRF)を用いて気象介入の数値実験を実施します。
想定する気象介入パターン(洋上ドーム形成、冷気塊形成、海面水温冷却、マイクロ波加熱、シーディングなど)を実際の介入に近い形でWRFに組み込み、特定の豪雨事例を対象にシミュレーションを実施することで、陸域豪雨の抑制の観点からその有効性を定量的に評価します。
なお、災害緩和のために必要となる海上豪雨の規模や、陸域降雨量の低減量は、災害イベントにより異なると考えられるため、研究開始時点では明確な数値目標を設定しません。
研究プロジェクト全体としては、課題5-2の成果も踏まえ、海上豪雨形成の可能性が高い事例を令和5、6年度に絞り込みます。また、選定された事例に対し、課題8-1、8-2により洪水氾濫計算・経済被害推定計算を進め、どの程度の海上豪雨生成量・陸域降水の低減量が必要か調査し、低減すべき降水量の目標値を、選定した事例ごとに早期に設定し、本課題の目標値としても利用します。
研究開発の重要性
本プロジェクトの目標達成のため、先ずは海上豪雨の生成の可能性、またその有効性を十分に検証することが不可欠です。ここで、実空間における気象介入実験の実施には膨大なコストを要するものの、数値モデル上の仮想空間では様々なパターンで気象介入実験が可能です。これにより、海上豪雨生成に最も有効な介入手段、介入実施の場所、タイミングに関して知見を蓄えることができ、将来的に屋外実験を効率的に実施するために欠かせない知見を得ることができます。
取り組みにあたり予想される問題点とその解決策
WRFモデルによる気象介入操作を意図したアンサンブル実験は前例が少なく、先駆的な研究開発となります。
例えば人為的な気象介入を実施した際、数値計算の安定性に影響を与え、計画通り計算が進まない可能性があります。その場合は、本研究開発課題PIがカリフォルニア大学に在籍した当時よりつながりを有しWRFモデル開発者の1人であるShu-Hua Chen教授に直接意見を求め解決にあたります。
メンバー
