NICAMを用いたシミュレーション画面(提供:JAMSTEC)

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世界中の雲の生成を計算して、台風の動きを予測する! 全球雲解像モデル「NICAM」の実力<前編>

記事

取材・文:福田伊佐央

日本に毎年やってきて、暴風や大雨の被害をもたらす台風。今年も9月には12-18号が発生し、日本各地に被害をもたらしました(2022年夏の天候と台風の特徴)。
JAMSTEC(国立研究開発法人 海洋研究開発機構)では、台風に関する研究も行っています。「地球環境部門 環境変動予測研究センター」の河宮未知生センター長にお話を聞くなか、JAMSTECの台風研究において強力な武器となっているものが、地球上のひとつひとつの雲の動きを計算できる「NICAM(ニッカム)」という高性能な数値シミュレーション・モデルなのだそうです。
そこで、この「NICAM」を用いて台風研究を行っている、同センター・雲解像モデル開発応用グループの那須野智江主任研究員に、台風のメカニズムから、その研究の最前線までをうかがいました。

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那須野 智江

国立研究開発法人 海洋研究開発機構(JAMSTEC)地球環境部門 環境変動予測研究センター 雲解像モデル開発応用グループ 主任研究員・グループリーダー
東京大学大学院理学系研究科地球惑星物理学専攻 博士課程修了。理学博士。2000年より、JAMSTEC地球フロンティア研究システム モデル統合化領域に在籍、地球環境変動領域 次世代モデル研究プログラム、基幹研究領域 シームレス環境予測研究分野を経て、2019年より、現職。2021年10月より、横浜国立大学 先端科学高等研究院 台風科学技術研究センター 客員教授。専門は、気象学、気候学、数値モデル。公益社団法人 日本気象学会会員。(撮影:松井雄輝・講談社写真部)

世界でもっとも台風が発生する場所

台風は暖かい熱帯の海で生まれます。中でも日本を含む西太平洋は、世界でいちばんたくさん台風が発生する場所です。
なぜ西太平洋の熱帯域で、こんなにたくさんの台風ができるかといえば、ここは海面水温が高いからなんです。海面水温が高いことは、台風ができるためのとても重要な条件となっています。

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図1:台風(ハリケーンやサイクロンを含む)の発生位置(1980〜2020年)(提供: JAMSTEC)

暖かい海では、海面からたくさんの水蒸気が蒸発します。水蒸気は空気よりも軽いため、水蒸気を含んだ空気は、浮力を得て上昇しはじめます。
さらに、上昇するほど気圧が低くなるため、空気は膨張していきます。

そもそも、雲はどうやってできるのか?

──高地や飛行機の中でお菓子の袋がパンパンにふくらむのと同じ原理ですね。

膨張すると空気は冷たくなってしまいますから、そこに含まれていた水蒸気は凝結して小さな水滴になります。この小さな水滴になって浮かんだものが、雲なんです。
水蒸気(気体)が水(液体)になると、周囲には熱が放出されます。

夏に打ち水をすると、水が蒸発して水蒸気になるときに熱を吸収するので涼しくなります。
雲ができるときには、その逆の現象が起きているわけです。

このとき放出される熱は「潜熱」とよばれます。潜熱が放出されると周囲の空気が暖まるので、さらに浮力が生じます。つまり、水蒸気が水になるとその空気が上昇する力は強化されるんです(図2)。

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図2 水蒸気(気体)が水(液体)になると、周囲には潜熱が放出され、その空気が上昇する力は強化される。(図版・JAMSTEC提供をもとに作成:鈴木知哉)

こうして生じた上昇気流に乗って、下の海面からは暖かい湿った空気がどんどん供給されるため、雲はどんどん発達していきます。こうしてできるものが「積乱雲」です。

積乱雲が台風になるしくみは!?

積乱雲の中には、暖かい空気が上層まで積み上がっています。暖かい空気は密度が小さいですから、積乱雲の中にある空気は軽い、つまり積乱雲のある場所は周囲より気圧が低いことになります。

気圧が低い場所には、周囲の気圧が高い場所から空気が流れこんできます。このとき、地球が自転している影響で「コリオリ力」とよばれる力が働くため、風の向きが曲がります。低気圧に向かって吹きこむ風の向きが曲がると、結果的に低気圧の中心に向かって渦を巻くような風の流れができます。

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図3:積乱雲が低気圧をつくり、回転する風の流れが生じる。(図版・JAMSTEC提供をもとに作成:鈴木知哉)

低気圧の中心付近には上昇気流によって次々と雲(積乱雲)ができます。こうして積乱雲の集合体が渦を巻いて発達したものが「熱帯低気圧」です。
それがさらに発達して、風速が秒速17メートルをこえると「台風」とよばれるようになります。

*台風のメカニズムについてもっと知りたい方はこちらも参照してください。

「地球温暖化で台風がますます激甚化する!? 」 新しいウィンドウ 新しいウィンドウ

ここ10年、台風の発生数は増加している

──今年も台風がやってきましたが、温暖化の影響なのか、年々台風の数がふえている気がします。

この30年間の平均でいえば、年間で約25個の台風が発生して、そのうち12個ほどが日本の近くにやってきています。さらにそのうち3個ほどが日本に上陸しました。もっとさかのぼって約70年間のデータを見てみても、台風の発生数や日本への接近数、上陸数はそれほど変わっていません。

ただし、図4のグラフからわかるように、台風の発生数には自然変動があって、多く発生する時期とあまり発生しない時期を十数年単位で繰り返しています。ここ10年は、そういった自然変動の中で発生数が増える時期に当たるので、「最近、台風がふえている」といった感想はあながち間違いではないんです。

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図4:台風の発生数・接近数・上陸数の変化(1951〜2019年) (出典:文部科学省及び気象庁「日本の気候変動2020」より引用)

長期的な傾向として、発生数や接近数は変わらないのですが、少しずつ変化しているものもあります。それが「台風が最大強度になる緯度」と「移動速度」なんです。
近年、台風が最大強度になる緯度が徐々に北寄りになっていて、日本に近づいてきています。また、移動速度は少しずつ遅くなっています。
これは日本の近くで強い台風が長く滞在して、大雨などの被害をもたらす確率が高まっているということですから、日本にとってはあまり良くない傾向です。実際に観測事実として、台風による豪雨の発生回数が日本では増えています。

*興味のある方はこちらもご参照ください。

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世界中の雲をひとつひとつ計算する!

──JAMSTECには、台風の発生や進路などを予測できる高性能な数値シミュレーション・モデルがあると聞きました。

NICAM(ニッカム)」ですね。略さずに言うと「Nonhydrostatic ICosahedral Atmospheric Model」という名前で、日本語での正式名称は「非静力学正20面体格子大気モデル」となります。ちょっと難しそうですよね。ふだんは、一般の方にもわかりやすいように「全球雲解像モデル」という呼び方をしています。

雲の発生や動きをリアルにシミュレーションできる数値モデルを「雲解像モデル」といいます。さらに「NICAM」では、台風にかぎらず、さまざまな雲がどのように生まれて発達し、動いていくのかを地球規模(全球)で計算し、予測することができるので、こういう呼称をつかっています。

──地球規模で大気の動きなどを計算する「気候モデル」が、温暖化予測の研究などで使われていると思いますが、それとはどこがちがうのでしょうか?

雲についての計算方法がまったくちがうのが特徴なんです。

「気候モデル」もNICAMも、地球を細かい格子(メッシュ)に区切って、格子上の各点で空気や水蒸気、熱の状態を計算するのは共通しています。

その際、従来の気候モデルでは100キロメートル程度の範囲で、「この温度と湿度なら、こういった雲ができる」というざっくりとした仮定にもとづいて、雲の動きを計算しています。しかし、これだと仮定の仕方によっては、現実とは全然ちがう雲ができたりします。そのため不確実性が大きいんですね。

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図5:従来型の気候モデルとNICAMの区切り方のちがい (図版・JAMSTEC提供をもとに作成:鈴木知哉)

それに対してNICAMは、5キロメートル以下の細かい範囲で、ひとつひとつの雲が発生し、発達する過程までをきちんと計算します。実際の雲は大小さまざまなスケールの雲の集団として存在します。それを正確に計算しようとすると100キロメートル範囲だと大雑把すぎてしまうんです。

NICAMは小さい雲のひとつひとつまでていねいに計算することで、雲の予測に関する不確実性を小さくしています。

NICAMが使う「雲の演算方法」とは!?

──NICAMは、地球の区切り方が細かいから、正確に雲の動きを計算できるということですか?

格子の区切り方が細かいのに加えて、雲の動きを計算するための計算式がそもそももちがうんです。

従来の気候モデルでは、「静力学平衡」という仮定を置いて、大気の状態から雲の量などを見積もっています。

NICAMの場合は、そのような仮定を置かず、雲ができるメカニズムそのものを数式化して、細かいメッシュで計算しているんです(図6)。

先ほど台風ができるしくみとして、暖かく湿った空気が上昇して雲をつくるときに、潜熱を放出してさらに上昇することなどを説明しました。そういった過程もきちんと計算しているんです。

図
図6:NICAMが利用する計算式 (提供: JAMSTEC)
<NICAMで利用する計算式の解説>雲ができるメカニズムそのものを数式化して、細かく演算することで正確な雲の発生・発達を予測することができます。従来の気候モデルでは静力学平衡(*注1)を仮定していた箇所(青色の部分がゼロ、鉛直速度の浮力による加速を計算しない)も、NICAMではきちんと計算していることが特徴です。
*注1 静力学平衡は総観規模以上ではよく成り立つ(従来の気候モデルの枠組みでは適切な仮定)。

──そこまで細かく計算するんですね。

さきほど紹介したNICAMの正式名称の中に「非静力学」という言葉がありました。これは「静力学」という仮定を使わないで、きちんと計算するという意味なんです。ちなみに「正20面体格子」という言葉も入っていますが、これは地球を格子に区切るときに、NICAMは正20面体を元にした区切り方になっているからです。

雲を計算すると、台風が自然にできてくる!

NICAMは、暖かい空気とともに上空に移動した水蒸気が雲になって、雲から雨になって落ちてきて、海面や地面でまた蒸発して水蒸気になるといった、一連の過程をきちんと計算します。

これらを真面目に計算すると、雲が入れ替わりながら次々とできたり、合体したり、消滅したりといったふるまいを、かなり正確に計算で求めることができます。つまり、モデルの中で自然にいろんな雲ができてきて、台風も自然にできあがってきます。雲ひとつひとつを計算することで、発生から発達、移動、消滅まで、台風の一生をシミュレーションすることができるんです。

──計算結果として、台風のような複雑な構造が自然とできあがってくるなんて、すごいですね。

たとえば、水蒸気が凝結して雲ができるとき、上空の気温によって、水滴として浮かぶのか、氷の粒となって浮かぶか、ちがうんです。さらに、それが雨となって降るか、雪になるのか、霰(あられ)になるかも温度によって異なります。NICAMはそれらもちゃんと計算しています。しかも、それを全球(地球全体)で計算できるところが優れている点です。

──そんなに緻密な計算が行われているんですか! 

雲は1つできると、その周囲にも影響を与えて、新しい雲を作る性質があり、そうしてできた雲同士が合体して大きな集団を作ることもあります。これを雲の自己組織化といいますが、台風や線状降水帯も、そのひとつです。雲が集団化するプロセスをモデル上で表現するには、水蒸気から水になる過程などをきちんと計算することがとても重要なんです。

気象・気候研究の強力なツールとして、雲の生成と発達のメカニズムに注目して作られた全球雲解像モデル「NICAM」。いよいよ後編「台風を制御する日は来るのか!?――気象研究最前線」では、その予測から得られた最新の研究に迫ります!

 

写真
風神雷神図屏風の前にて。JAMSTEC横浜研究所内 那須野智江主任研究員(撮影・松井雄希 講談社写真部)

取材・文:福田伊佐央
イラストレーション:鈴木知哉(あざみ野図案室)
写真撮影:松井雄希・講談社写真部

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