技術資料

気候変動を踏まえた水管理のためのアンサンブル気候データの活用
星野剛

山田朋人

柿沼孝治

１．はじめに
令和4年に公表された気候変動に関する政府間パネル（IPCC）第6次評価報告書1)にも述べられているよ
うに世界の広い地域において気候変動に伴う洪水や旱魃のリスクの増大が危惧されている。近年、我が国にていると考えられる。

４ ℃ 上昇実験

過去実験

評価や予測に関する研究が進められている。近年では

音更川

川-1 /1 01 /1 0 -1 /2 0
1 /2 0 -1 /3 0
1 /3 0 -1 /5 0
1 /5 0 -1 /8 0

1 /1 5 0 -1 /3 0 0

勝

1 /3 0 0 -1 /5 0 0

川

川

札内川

1 /1 0 0 -1 /1 5 0

十勝

が壊によ る 浸水頻度

1 /8 0 -1 /1 0 0将来変化十

合計数千年におよぶアンサンブル気候データ

例えば3)

利別の検討は極めて重要な課題であり、自然災害リスクの溢水・ 越水、 堤防決

音更 川

このような背景から、気候変動の影響評価や適応策

川

摘される2)など、気候変動による影響は顕在化してき利別り、それらの大雨事例に対する地球温暖化の寄与が指

図－1 降雨量の変化倍率
アンサンブル気候データより推定した地域区分ごとの降雨量の変化倍率。参考文献6)より引用。

札内川

おいては大雨による甚大な被害が各地で発生してお1 /5 0 0 -1 /1 0 0 0
1 /1 0 0 0 -作成され、それを活用するための科学的知見を両輪とした新たなリスク評価や適応策の検討が進められている4), 5)。このような気候変動を踏まえた新しいリスク評価は行政の検討でも活用され始めている。国土交通省では平成30年度より「気候変動を踏まえた治水計画

図－2 十勝川流域における浸水確率の将来変化
d4PDF過去実験（3000年）・4℃上昇実験（5400年）の年最大降雨イベントより推定した1m以上の浸水深となる確率。
参考文献7)より引用。に係る技術検討会」を開催し、将来の降雨量の増加率を取りまとめた（図－1）。また、国土交通省北海道開２．アンサンブル気候データを用いた気候変動影響評価

発局と北海道は平成29年度に「北海道地方における気候変動予測（水分野）技術検討委員会」、令和元年度

２．１

アンサンブル気候データに「北海道地方における気候変動を踏まえた治水対策

近年では合計数千年の気候シミュレーションにより技術検討会」を開催し、十勝川や常呂川流域におけるアンサンブル気候データが作成され、気候変動による降雨量の変化やそれに伴う大雨リスクの変化（図－2）影響評価や適応策の検討に活用されている。ここでを調べるなどリスク評価および適応策の検討が進めらは、大量のアンサンブル数を有し、日本周辺域におれている。

ける高解像度データの整備が進められているdatabase

本研究ではアンサンブル気候データを活用した大雨

for Policy Decision making for Future climate change

リスクの評価手法の考え方を紹介するとともに、水管(d4PDF)3)について概要を説明する。d4PDFは1951年

理へのさらなる活用に向けた、災害シナリオの作成にから2010年までの気候条件（過去実験）、産業革命前よる防災対策や水資源リスクへの影響評価に関する知から1.5℃、2℃および4℃全球平均気温が上がった気見を述べる。

候条件（それぞれ1.5℃上昇実験、2℃上昇実験、4℃上昇実験）、海面水温のトレンド成分を除いた産業革命前を想定した気候条件（非温暖化実験）で構成される。それらの実験は底面の境界条件に各気候条件の海面水温を与えた水平解像度約60kmの全球大気モデルによる実験（全球実験）と全球実験の結果を側方境界

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65条件として領域気候モデルにより20km解像度へと高る適用事例を紹介したが、大雪、強風、高温などさま解像度化（力学的ダウンスケーリング）した実験（領ざまな極端気象現象に対して同様の評価が可能であ域実験）とで構成される。各実験は海面水温に摂動をり、今後さまざまな分野での活用が期待される。

与えることでアンサンブルメンバが作成され、合計で数千年の気候シミュレーション結果で構成される。例
えば、過去実験は50アンサンブルメンバ（全球実験は100）×60年の合計3000（6000）年分、4℃上昇実験は海面水温6パターン×15アンサンブルメンバ×60年の合計5400年分のデータで構成される。
著者らはこれまでに流域スケールでの極端現象を評価するためにd4PDFの領域実験（20km解像度）を力学的ダウンスケーリングにより5km解像度（d4PDF5km）へと変換した。図－3(a)に示す年最大降雨量の頻度分布のように5kmへの高解像度化により流域スケールの降雨の特徴は過去の観測値に近づくことを確認している。d4PDF-5kmの計算条件や妥当性の検証の詳細は別報8), 9)を参照されたい。
２．２

極端現象の生起確率・外力パターン推定への活用

d4PDFの特徴である多アンサンブル実験は大雨や少雨といった極端気象現象の生起確率や外力パターンの推定に適している。図－4に示すようにアンサンブ
ル気候データを用いることで複数の極端現象の頻度分布（例えば、d4PDF過去実験では50個の頻度分布）

図－3 十勝川流域における年最大72時間降雨量の頻度分布(a)：観測値（灰色）、d4PDF-20km（橙色）、d4PDF-5km（紫色）の比較。(b)：d4PDF-5kmの過去実験（青色）、2℃上昇実験(緑色)、4℃上昇実験（赤色）の比較。棒グラフは相対頻度、破線は累積相対頻度を表す。参考文献7)に加筆。

を考慮可能となり、これまでに経験していない程の外力規模を含めてより多くの情報に基づいて対象とする確率規模に相当する外力を推定可能となる。図－3(b)には、d4PDF-5kmの過去実験、2℃上昇実験、4℃上昇実験から作成した十勝川流域の年最大72時間降雨量の頻度分布を示す。この図に示すように各気候条件における降雨量の生起確率や温暖化の進行に伴う降雨量の増大を定量化可能となる。降雨量の増大は気温上昇と密接な関係にあるものの、山地では平野部以上の降雨量の増大となることも指摘されており、道路管理や土砂管理に対する影響も大きいと考えられる10)。図－2に示す浸水確率はd4PDF-5kmの降雨イベント（過去実験：3000事例、4℃上昇実験：5400事例）の降雨流出・河道追跡・河川氾濫の一連の計算により得られた浸水深から年間あたりの浸水確率を算定した結果である。このようにアンサンブル気候データを用いることで流域が有する被害確率やその将来変化を推定可能となり、そのようなリスク情報を踏まえた適応策の検討

図－4

 測データとアンサンブル気候データから得られ観る年最大降雨量の頻度分布のイメージ(a)は観測データから(b)はアンサンブル気候データから作成した年最大日降雨量の頻度分布のイメージ。後者はアンサンブルメンバの数だけ頻度分布を作成できる。

が進められている7)。リスク評価の詳細に関しては別報を参照されたい4), 5), 11)。なお、ここでは大雨に関す
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３．
水管理へのアンサンブル気候データのさらなる活図より、4℃上昇実験においては積雪相当水量の減少と消雪時期の早期化が生じることがわかる。また、ど用に関して

ちらの気候条件においても年々変動は大きく、積雪相水管理へのアンサンブル気候データのさらなる活用

当水量の最大値は最小と最大で1000mm程度の差が存に向け以下の2つの観点からの研究の取り組みを紹介

在し、消雪時期も1ヶ月以上異なる。このようにアンする。

サンブル気候データを用いることで年々変動と気候変動による影響の両者を踏まえた水資源への影響評価が３．１

極端現象の災害シナリオ分析

アンサンブル気候データに含まれる大量の極端現象可能となる。今後、それらの水資源への影響をより詳しく調べる予定である。

を用いることにより地域で起こりうる災害のシナリオを考慮することが可能となる。例えば大雨による災害は降雨の時空間分布の違いにより被害規模や被害箇所、被害の生じ方などが異なるが、アンサンブル気候データに含まれるさまざまな大雨パターンを考慮することにより地域で生じうる災害のシナリオを検討することが可能となる。このような考え方の例として、令和元年台風19号（Hagibis）と類似の台風による災害を検討した事例12)を紹介する。図－5(a)に示すように数千年のデータで構成されるd4PDFからは過去に観測された台風よりも遥かに多い台風事例を検討可能である。台風経路の観点からHagibisと類似した台風を抽出した結果、図－5(b)に示す過去の類似経路の台風事例は19事例であったのに対し、図－5(c) に示す
d4PDF過去実験（3000年分）では332事例存在し、類似の台風がもたらす被害をより豊富な事例から検討可能となることがわかる。さらに温暖化進行後における被害の特徴の変化も評価可能であり、具体的な事例に対する適応策の検討も可能となる。このような考え方は自治体における防災対策においても重要であり、様々な外力に対して緊急時の防災活動を事前に想定した、確実かつ効果的な緊急時対応に繋げるための研究を進めている13)。
３．２

水資源への影響分析

水資源に対する気候変動の影響は大きいと考えられ、水資源量の将来変化の予測は極めて重要である。
積雪寒冷地においては、積雪は重要な水資源であるこ

図－5

 去のデータとアンサンブル気候データに含まれ過る台風の経路(a)：d4PDF過去実験（3000年）に含まれる日本周辺（図中の破線の範囲）を通過する台風の経路。線の色は台風の中心気圧を表す。(b)：Best track（1951-2019年）より抽出した令和元年台風19号（図中の赤線）に類似した経路の台風(19事例)。(c)：d4PDF過去実験より抽出した令和元年台風19号（図中の赤線）に類似した経路の台風(332事例)。
参考文献12)より引用。とから温暖化の進行に伴う積雪量の変化や融雪の早期化の影響を詳しく調べる必要がある。影響の大きさによっては今後の水管理の方策を見直す必要も生じることが予想される。このような水資源の検討においてもアンサンブル気候データは有効となる。検討の一例として、d4PDF-5kmの過去実験、4℃上昇実験の定山渓ダム流域の流域平均積雪相当水量（Snow WaterEquivalent; SWE）の時系列変化を図－6に示す。同
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費若手研究20K14832の支援を受けた。また、創生プ
ログラムのもとで作成された、地球温暖化施策決定に資する気候再現・予測実験データベース (d4PDF) を使用した。ここに記して謝意を表します。
参考文献
1） Caretta, M.A., Mukherji, A., Arfanuzzaman,M., Betts, R.A., Gelfan, A., Hirabayashi, Y.,Lissner, T.K., Liu, J., Lopez Gunn, E., Morgan,R., Mwanga, S., Supratid, S.: Water. In: Climate
Change 2022: Impacts, Adaptation, and Vulnerability.
Contribution of Working Group II to the Sixth
Assessment Report of the Intergovernmental
Panel on Climate Change [Pörtner, H.-O.,
図－6 積雪相当水量の時系列変化の過去・将来比較
d4PDF-5kmより作成した定山渓ダム集水域における流域平均積雪相当水量の時系列データ。(a)：過去実験（782年）、(b)：4℃上昇実験（1605年）より作成し、各年の時系列データを色の異なる線で示す。

Roberts, D.C., Tignor, M., Poloczanska, E.S.,
Mintenbeck, K., Alegría, A., Craig, M., Langsdorf,S., Löschke, S., Möller, V., Okem, A., Rama, B.
(eds.)]. Cambridge University Press. In Press,2022.
2） Imada, Y., Kawase, H., Watanabe, M., Arai, M.,

４．まとめ

Shiogama, H., Takayabu: Advanced risk-based
event attribution for heavy regional rainfall

近年、大規模アンサンブル高解像度気候データの整

events. npj Clim Atmos Sci, 3, 37, 2020.

備とそれを活用するための科学的知見の構築により、

3） Mizuta, R., Murata, A., Ishii, M., Shiogama, H.,

各種自然災害の気候変動影響評価が実現されるように

Hibino, K., Mori, N., Arakawa, O., Imada, Y.,

なってきた。多アンサンブルを活用することで、これYoshida, K., Aoyagi, T., Kawase, H., Mori, M.,までの気候においても低頻度ながらも起こりうる現象

Okada, Y., Shimura, T., Nagatomo, T., Ikeda, M.,をより考慮することが可能となるなど、多角的なリス

Endo, H., Nosaka, M., Arai, M., Takahashi, C.,

ク評価が可能となった。本稿では大雨リスクや水資源

Tanaka, K., Takemi, T., Tachikawa, Y., Temur,

に関する検討事例を中心に紹介したが、このような考K., Kamae, Y., Watanabe, M., Sasaki, H., Kitoh,

え方は土砂災害、雪氷災害、風害、農業被害など多岐

A., Takayabu, I., Nakakita, E., Kimoto, M.:

にわたる自然災害の検討が可能であり、様々な分野にOver 5,000 Years of Ensemble Future Climate

おいて気候変動の影響評価や適応策の検討に有効とな

Simulations by 60-km Global and 20-km Regional

ると考えられる。

Atmospheric Models, Bull. Am. Meteorol. Soc, 98,
pp.1383–1398, 2017.

謝辞：本研究の遂行にあたっては文部科学省統合的気4） 山田朋人: アンサンブル手法による気候変動予候モデル高度化研究プログラム領域テーマC「統合的測・リスク評価の考え方、雑誌「河川」、日本河気候変動予測」JPMXD0717935561および気候変動予川協会、77-81、2020.

測先端研究プログラム領域課題3「日本域における気5） Yamada, T. J.: Adaptation measures for extreme

候変動予測の高度化」JPMXD0722680734、内閣府総

floods using huge ensemble of high-resolution

合科学技術・イノベーション会議の戦略的イノベーシ

climate model simulation in Japan, Summary report

ョン創造プログラム（SIP)「国家レジリエンス（防災・on the eleventh meeting of the research dialogue, 28-減災）の強化」（管理法人：国立研究開発法人防災科30, UNFCCC Bonn Climate Change Conference,学技術研究所）、科研費基盤研究(B) 22H01594、科研

Bonn, Germany. 2019.

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6） 国土交通省水管理・国土保全局：気候変動を踏まmassive high-resolution ensemble climate dataset

えた治水計画に係る技術検討会、2017.

to examine dynamic and thermodynamic aspects

7） 国土交通省北海道開発局、北海道：北海道地方にof heavy precipitation change. Atmospheric science

おける気候変動を踏まえた治水対策技術検討会、
2019.

letters, e1065, 2021.
11）北海道河川財団、（株）ドーコン、北海道大学、

8） 山田朋人、星野剛、舛屋繁和、植村郁彦、吉田隆

北海道開発局：気候変動を踏まえた新しい洪水リ

年、大村宣明、山本太郎、千葉学、戸村翔、時岡

スク解析[降雨・流量編]、2019.

真治、佐々木博文、濱田悠貴、中津川誠：北海道

12）星野剛、岡地寛季、竹原由、山田朋人：台風経路における気候変動に伴う洪水外力の変化、土木学に着目した令和元年台風19号の大雨特性の評価、会河川技術論文集、第24巻、pp.391-396、2018.

土木学会論文集B1(水工学)、Vol. 76、pp.414-

9） H o s h i n o , T . , Y a m a d a , T . J . , K a w a s e , H . :423、2020.

Evaluation for characteristics of tropical cyclone13）鈴木章弘、星野剛、山田朋人、山本太郎：アンサ

induced heavy rainfall over the sub-basins in the

ンブル気候データを活用した事前防災と避難判断

central Hokkaido, northern Japan by 5-km large

支援への取り組み、水文・水資源学会／日本水文

ensemble experiments, Atmosphere, 11, 435, 2020.

科学会 2021年度研究発表会要旨集、B-28、2021.

10）Yamada, T. J., Hoshino, T., Suzuki, A.: Using a

星野 剛
HOSHINO Tsuyoshi

山田 朋人
YAMADA Tomohito

柿沼 孝治
KAKINUMA Takaharu

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
研究員
博士（工学）

北海道大学大学院
工学研究院教授
博士（工学）

寒地土木研究所
寒地水圏研究グループ
水環境保全チーム
上席研究員
博士（工学）

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