国立大学附置研究所・センター長会議 第１部会シンポジウム「激変する地球環境の現状と未来像」

2014年10月9日
京王プラザホテル札幌

現在及び将来気候における台風の最大強度の推定

坪木和久（名古屋大学地球水循環研究センター）

寺田寅彦「天災と国防」(昭和９年（1934年）)「日本はその地理的の位置がきわめて特殊であるために、（中略）気象学的地球物理学的にもまたきわめて特殊な環境の支配を受けているために、その結果として特殊な天変地異に絶えず脅かされなければならない運命のもとに置かれていることを一日も忘れてはならないはずである。」「いつも忘れられがちな重大な要項がある。それは、文明が進めば進むほど天然の暴威による災害がその劇烈の度を増すという事実である。」「文明が進むほど天災による損害の程度も累進する傾向があるという事実を充分に自覚して、そして平生からそれに対する防御策を講じなければならないはずであるのに、それがいっこうにできていないのはどういうわけであるか。そのおもなる原因は、畢竟（ひっきょう）そういう天災がきわめてまれにしか起こらないで、ちょうど人間が前車の顛覆（てんぷく）を忘れたころにそろそろ後車を引き出すようになるからであろう。」

中谷宇吉郎「天災は忘れられたるころ来る」「実はこの言葉は、先生の書かれたものの中には、ないのである。（中略）先生の代表的な随筆のひとつとされている「天災と国防」のなかには、これと全く同じことが、少し違った表現ででている。」

自然災害での支払額のうち風水害等による保険金の支払い（日本損害保険協会）

台風は依然として風水害の最も大きな原因である。

熱帯低気圧（台風）の構造
眼の壁雲と（スパイラル）レインバンド
竜巻

最大風速
台風を特徴付ける量

強度：中心気圧・最大地上風速

大きさ：風速15m/sの半径（大型、超大型）
経路
移動速度
発生数（他に上陸数や接近数）

台風とは北西太平洋（赤道より北で東経180度より西の領域）または南シナ海の風速17m/s以上の風速を持つ熱帯低気圧
台風の階級

10分平均風速(m/s)

1分平均風速(m/s)

台風

17 m s-1

19

強い

33－44 m s-137.5－50 m s-1

非常に強い

44－54 m s-1

50－61 m s-1

猛烈な54 m s-1以上

61 m s-1以上m s-1

米国での西太平洋の 10分平均風速(m/s) 1分平均風速(m/s)
熱帯低気圧の名前
Tropical Depression<15.4 m s-1< 17.5 m s-1

Tropical Storm

15.4-28.5 m s-1

17.5-32.4 m s-1

Typhoon28.5-58.8 m s-1

32.4-66.9m s-1

Super-typhoon

58.8 m s-1以上

66.9 m s-1以上

2014年10月9日08JST

http://www.usno.navy.mil/NOOC/nmf
c-ph/RSS/jtwc/warnings/wp1914.gif
台風19号 JTWC 解析
2014年10月8日09UTC

スーパー台風とは何か スーパー台風とは、最も強い台風のカテゴリーで、気象庁の「猛烈な台風」、ハリケーンのカテゴリー5（最も強いハリケーン）に相当する台風である。これは大気中のもっとも激しい気象システムであり、それに伴う強風と大雨は洪水や高潮などを引き起す。
 スーパー台風などの強い台風は、低頻度であるが、一旦、上陸すると極めて影響の大きな事象であり、その強度予測の高精度化と温暖化気候における台風の最大可能強度推定は、影響評価研究や防災対策における重要な情報である。
 防災の観点から台風の強度予測は極めて重要で、進路予測精度が年々向上しているのに対して、強度予測はほとんど精度が向上していない。

Super-typhoon Haiyanの可視画像
2013年11月07日15時00分(JST)Super-typhoon Haiyanの経路と2013年11月07日の海面水温分布

Super-typhoon Haiyanによるフィリピンの災害

台風の数の経年変化（気象庁の観測：1951~2012年）

1分平均の風速

各年の最も強い台風の最大地上風速の年々変動
JTWCの1分平均の風速 (1950～2011年)

黒線：各年の値
青線：10年移動平均年台風の最大強度の理論
台風とは、海を高熱源、対流圏上層を冷熱源とするカルノーサイクルと考える。
それらの温度差によって決まる熱力学的効率が大きいほど台風の強度は大きくなる。
Emanuel, 1985

880 hPa

825 hPa

現在気候における台風の到達可能最低中心気圧（MPI)

二酸化炭素が2倍になった気候
における台風の到達可能最低中心気圧

Emanuel, 1985

将来、温暖化気候で最大強度の台風はどれくらい強くなるか？

1.

観測的方法：過去の観測された台風デー
タから将来の台風の最大強度を推定する。

2.

理論的方法：気象の理論から温暖化気候における台風の最大強度を推定する。

3.

数値的方法：雲解像モデルを用いて温暖化気候における台風の最大強度を推定する。

雲解像モデルCReSSを用いた高解像度シミュレーション台風の数値シミュレーションの困難
 台風全体のスケールは1000kmに及ぶ。このため全体の構造や移動を表現するためには、広い計算領域が必要。
 台風を駆動するエネルギー源は、大きさが数キロメートルから数10km程度の積乱雲とその群である。このため台風の駆動源を表現するためには、高解像度の計算が必要。
 積乱雲の水とエネルギー循環は、そのなかの雲･降水過程が規定する。このため詳細な雲物理が必要。
台風の数値予報は非常に大規模な計算になる。

熱帯低気圧の進路予測の誤差の年々変動

熱帯低気圧の強度予測の誤差の年々変動

台風の強度予測は難しい。

CReSS（Cloud Resolving Storm Simulator)
非静力学・雲解像シミュレーションモデル
台風、竜巻、豪雨、豪雪、スーパーセル、積乱雲などのシミュレーション
開発者：坪木和久・榊原篤志
1998年：開発開始
2002年：Ver.1(振興調整費：住教授)
2007年：Ver. 2 (HyARC共同研究)
2011年：Ver. 3(革新プログラム：坪木)

国内外の対抗するモデル
MRI-NHM(気象庁）
WRF(NCAR)
ARPS(U. of Oklahoma)

国内利用機関・組織 ：京大防災研、東大、東北大、山梨大、岩手大、福島大、会津大、京都産業大、愛媛大、長崎大、JAMSTEC、防災科研、土木研、国土地理院、東京海上日動、明星電気、東芝、中電CTI他。
国外利用国
カナダ、台湾、韓国、中国、バングラデシュ、ベトナム他。
主要プロジェクト・プログラム
21世紀気候変動予測革新プログラム（文部科学省）
国土交通省XバンドMPレーダプロジェクト（国土交通省）
気候変動リスク情報創生プログラム（文部科学省）、 他
主要論文 （CReSSを用いた査読付論文 21編）
Tsuboki, K and A. Sakakibara, 2002:High Performance Computing
Iwabuchi, H. and K. Tsuboki, 2004: Journal of Visualizations (SGI賞)
Akter, N. and K. Tsuboki 2012:Monthly Weather Review

The Japan Time (2009.9.8)
革新プログラムの成果の記事

集中豪雨をもたらした積乱雲群の構造（雲解像モデルCReSS）
雲氷

雪

あられ

雲水

正極雷
雨

負極雷

雲解像モデルCReSSを用いた、台風0613号の解像度500mのシミュレーション
台風全体のなかに降雨帯、さらそれを構成する積乱雲が解像されている。

200km
雲解像モデルCReSSを用いた、竜巻のシミュレーション

10kmスーパーセル積乱雲が解像されている

雲解像モデルCReSS解像度2kmの毎日の予報実験の計算例

CReSSによるシミュレーション

気象衛星による観測

IPCC第4次評価報告書(2007)：政策決定者向け要約より引用
 気候システムの温暖化には疑う余地がない。
 極端な気象現象の頻度と強度の変化及び海面水位上昇は、自然及び人間システムに、主として悪影響を及ぼすと予想される。
 熱帯域の海面水温上昇に伴って、将来の熱帯低気圧(台風及びハリケーン)の強度は増大し、最大風速や降水強度は増加する可能性が高い。
IPCC 第5次評価報告書(2013)第1 作業部会報告書自然科学的根拠より引用
 気候システムの温暖化には疑う余地がなく、1950 年代以降、観測された変化の多くは数十年～数千年間で前例のないものである。
 温室効果ガスの継続的な排出は、更なる温暖化と気候システム全ての要素の変化をもたらすだろう。
 強い熱帯低気圧の活動度の増加：21世紀末で「いくつかの海域でどちらかといえば可能性が高い」。

台風(熱帯低気圧）の強度推定と将来予測についての研究理論
 台風（熱帯低気圧）の可能最大強度（MPI)推定が、軸対称構造を仮定して発展してきている。これにより温暖化気候での熱帯低気圧の強度の推定が行われている。(Emanuel 1986; Bister and Emanuel 1998; Holland 1997)
 しかしながら、非軸対称構造など考慮されていない要素の効果については、未解明な点が多い。
高解像度全球モデル
 20km解像度の全球モデル(AGCM)は、台風の将来予測を大きく進歩させた。温暖化に伴い熱帯低気圧の数は減るが、強い熱帯低気圧は増える。
(Oouchi et al. 2006; Muraami et al. 2011) しかしながら、この解像度は台風の眼の壁雲を解像していないので、極端に強い台風の強度を量的に予測ができるかどうか不明。
 静力学近似と対流パラメタリゼーションは、強度の予測に不確定性の原因となる。
全球非静力学モデル
 非静力学全球モデル(Satoh et al. 2008; Fudeyasu et al. 2008; Yamada et al.
2010) はこれらの不確定性を排除したが、現状の解像度はまだ不十分である。
 最近の研究では熱帯低気圧の内部コアの構造を表現するためには2km以下の解像度が必要。(Gentry and Lackmann 2010)

ダウンスケールシミュレーション
 全球シミュレーションのデータを初期値・境界値として領域モデルに与えて、台風の存在する領域のシミュレーション行う。
 ダウンスケール実験により、太平洋でも大西洋でも台風やハリケーンなどの熱帯低気圧の強度が増大することが示されてきている。(Bender et al. 2010;
Knutson et al. 1998)
 2km解像度の理想条件のダウンスケール実験により、温暖化により熱帯低気圧の強度が増大することが示された。(Hill and Lackmann 2011)
問題点： 温暖化に伴い台風の中で最も強いカテゴリーのスーパー台風（最大地上風速67 ms-1以上、ハリケーンカテゴリー4・5に相当）の強度がどれくらい増加するのかは、量的に示されていない。
 そのために雲解像モデルを用いた高解像度のシミュレーションが必要。

現在気候・温暖化気候の台風についての雲解像実験
気象研究所20kmGCMを用いた現在気候・温暖化気候の全球シミュ
レーション実験で発生した台風のうち、次の条件で選択した台風について、雲解像モデルCReSSを用いた高解像度（2km）シミュレーション実験を実施した。
1.

2.

台風のライフタイムの中で、最低中心地上気圧が970hPa以下になること。（発達した強い台風であること。）
そのときの中心の位置が、東経120－150度、北緯20－45度の領域(図中の緑の枠)にあること。（シミュレーションを行うために、十分データがある領域に最発達時があること。）

対象領域
計算期間

現在気候：上位30事例の台風
温暖化気候：上位30事例の台風

データ領域

雲解像モデルは、地球の一部を高解像度にシミュレーションする。
雲を細かい格子（2km～数100m )で計算するので、非常に大規模な計算になる。

全球モデルにおける最低中心気圧 (hPa)AGCMと雲解像シミュレーションの最低中心気圧の散布図◆：温暖化気候■：現在気候雲解像モデルにおける最低中心気圧 (hPa)台風の生涯における最大地上風速 (m/s)

現在気候の台風の最低中心気圧と最大地上風速の散布図■：雲解像シミュレーション△：観測（気象庁ベストトラック）
破線：Atkinson & Holliday (1977)の関係
vm = 0.373(1000 – pc) + 34
(r2 = 0.96)

vm = 0.389(1000 – pc) + 31
(r2 = 0.89)
Atkinson & Holliday (1977)
vm = 3.45(1010 – pc)0.644

台風の生涯における最低中心気圧 (hPa)台風の生涯における最大地上風速 (m/s)

温暖化気候の台風の最低中心気圧と最大地上風速の散布図◆ ：雲解像シミュレーション
破線：Atkinson & Holliday (1977)の関係

vm = 0.378(1000 – pc) + 31
(r2 = 0.95)
Atkinson & Holliday (1977)
vm = 3.45(1010 – pc)0.644

台風の生涯における最低中心気圧 (hPa)温暖化気候において、スーパー台風の強度を維持して日本に上陸する台風 （後期実験の一事例）

中心気圧880hPa

台風の強度をより精度よくシミュレーションするための現在進行中の研究• 非静力学大気海洋波浪結合モデル• 台風上部のアウトフローレイアーの巻雲• 歴史的台風の再現実験：伊勢湾台風(Vera,1959)、狩野川台風(Ida, 1958)、第2室戸台風(Nancy, 1961)

CPU1

CPU2CPU3

CPU4CPU5CPU6CPU7CPU8

雲解像大気モデル(Cloud Resolving Storm Simulator )名古屋大学
DX = 4km
初期値・水平境界条件.: GPV from NPD/JMA

非静力海洋モデル(NonHydrostatic Ocean model for ES)
海洋研究開発機構
DX = 4km, DZ = 2 m for top 100 m
初期値・境界条件: JCOPE2 再解析
乱流クロージャーモデル (Furuichi et al., 2012; Nakanishi & Niino, 2009)

波浪モデル
E(x,y,θ,σ)

波向 [rad]24グリッド波の振動数 [1/s] 36グリッド

マイアミ大学(Donelan et al., 2012)
DX = 4km
ES用ベクトル化作業終了

非静力学海洋モデルの結合のインパクト2012年台風15号(BOLAVEN)を例として。
 台風の経路についてはほぼ同じ。
 SST固定と比較して約35hPa、1次元モデルと比較して約15hPa、中心気圧が高くなる。
 SSTの低下の程度が顕著に異なる。

台風の上部吹き出し層（アウトフローレイヤー）の巻雲

壁雲

台風の眼

アウトフローレイヤーの雲

インフローレイヤー

2013年10月の台風27号

雲粒子ゾンデHYVIS（明星電気製）の改良

提灯がなくなり、LEDが採用された。
吊り輪が必要なくなった。
重さは1270g（旧夜間型：1700g、旧強制吸引型：2200g）

まとめ 台風は日本を含む東アジア地域に水資源をもたらすとともに、強風や大雨、さらに高潮などにより甚大な災害をもたらす。
 台風の強度の上限、すなわち最大強度はどこにあるのか。この問題は大気科学として興味深いだけでなく、防災の観点からも大きな問題である。
 雲解像モデル・非静力学大気海洋波浪結合モデルを開発し、現在及び将来気候における台風についての最大強度を推定を試みている。
 雲解像モデルを用いた実験では、温暖化気候において、最も強い台風は850~860hPa、80～90m/sに達する。
 このような強い台風、スーパー台風は、地球温暖化に伴い本州のような中緯度にまで達することが示された（21世紀気候変動予測革新プログラム）。
 このような台風が上陸すれば、暴風、大雨、洪水、竜巻、高潮などの極めて甚大な災害をもたらすだろう。
 台風の最大強度をより精度よく推定するため「気候変動リスク情報創生プログラム」で非静力学大気海洋波浪結合モデルを用いた研究を実施している。
 また、モデルの高精度化のために、台風の雲特性についてレーダや雲粒子ゾンデを用いた観測を行っている。