【受賞解説】

北海道における気候変動情報の創出と河川リスクの評価―⽇本気象学会北海道⽀部 2023 年度「北海道⽀部賞」受賞に際して―
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
星野 剛
1. はじめに
この度は⽇本気象学会北海道⽀部より「北海道⽀部賞」をいただきまして、⼤変光栄に思います。後述しますように私⾃⾝は博⼠号取得までは直接気象学に関係する研究は⾏っておらず、数年前にはこのような賞をいただけるとは全く想像すらしていませんでした。研究をなんとか進めることができ、このような賞をいただけることとなった背景には多くの⽅のご指導、応援、サポートがあり、ほとんどそのおかげと⾔っても過⾔ではありません。改めて関わっていただいた皆様に感謝申し上げます。
私は博⼠号取得まで新潟⼤学の河川⼯学研究室に所属しており、安⽥浩保先⽣に指導をいただきました。そこでは、河川流や氾濫流のシミュレーション・データ同化や河川の地形形成に関する室内⽔理実験や観測⼿法を研究していました。今思うと、シミュレーションの対象は異なりますが、この時にプログラミングや流体の数値シミュレーションに関する基礎を修得できたことが受賞理由の⼀つである⼤規模な気象シミュレーションの実現につながったと思います。その後、2017 年から北海道⼤学⼯学部の⼭⽥朋⼈先⽣のもとで博⼠研究員として研究を開始しました。ご縁があり⼭⽥先⽣のもとでお世話になることになりましたが、ちょうどその頃に私⾃⾝は気象分野で⽤いられる”アンサンブル”という考え⽅に関⼼があり、河川⼯学の分野に活かせないかと考えていました。また、⾃分の研究の視野を広げ、気象から河川までを総合的に取り扱った研究がしたいと思っていましたので、またとない機会だと感じて⼆つ返事で北海道⾏きを決めたことを覚えています。⼭⽥研では研究者のみならず、⾏政や⺠間企業の⽅々とも交流が盛んで研究に関するたくさんの議論の機会がありました。ここでは書ききれませんが様々な⽅との繋がりができ、研究のみならず多くのことを学ばせていただきました。この度の受賞内容に関しては北⼤での博⼠研究員時代での成果が中⼼となります。2021 年からは寒地⼟⽊研究所に所属しており、河川環境や⽔資源などに関する研究を⾏っています。以下にこの度の受賞に関する研究内容をご紹介させていただきます。
2. 北海道における気候変動情報の創出
近年、合計数千年の気候シミュレーションによるアンサンブル気候データが作成され、気候変動の影響評価や適応策の検討に活⽤されています。アンサンブル気候データの代表的26

なものに⼤量アンサンブルかつ⽇本周辺域における⾼解像度データの整備が進められている database for Policy Decision making for Future climate change (d4PDF)1)があります。当時の私の研究の狙いは北海道内の河川の洪⽔リスクの将来変化を予測することでした。そのための第⼀段階として、d4PDF を 5km 解像度に変換する⼒学的ダウンスケーリングを実施し、⼤⾬リスク評価に向けた⾼解像度の気候変動情報を作成することとしました。
d4PDF に関して簡単に説明します。d4PDF は 1951 年から 2010 年までの気候条件（過去実験）、産業⾰命前から 1.5℃、2℃および 4℃全球平均気温が上がった気候条件（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）で構成されます。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 60 km 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条件として領域気候モデルにより 20 km 解像度へと⾼解像度化（⼒学的ダウンスケーリング）した実験（領域実験）とで構成されます。各実験は海⾯⽔温に摂動を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ています。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

図-1 十勝川帯広基準地点流域における年最大 72 時間降水量の頻度分布（参考文献 3）に加筆）

図-2 十勝川帯広基準地点流域における 1 時間降水強度の頻度分布 3）27

図-3 十勝川帯広基準地点流域における年最大 72 時間降水量の頻度分布（参考文献 3）に加筆）

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ます。2024 年現在ではさらに⼒学的ダウンスケーリングを実施した 5 km 解像度の d4PDF が作成・公開されています
2)

が、研究を開始した 2017 年当時は⽇本周辺で 20km 解像度のものが最も⾼解像度のものでした。20km 解像度では 1 つの計算格⼦が 20×20=400 km2 であることから、⼤⾬災害の議論に必要となる強い⾬を計算上表現することが難しいです。同様の理由で降⾬に⼤きく影響する地形形状も⼗分に計算で表現できません。また、⽇本の河川は国管理の⼤河川であっても流域⾯積は数千 km2 程度（本研究で対象とした⼗勝川帯広基準地点流域は約 2700km2）であり、仮に 20km 解像度であった場合は 30 個に満たない程度の格⼦数（⼗勝川帯広基準地点流域は約 7 個）で流域内の降⾬の空間分布が表現されることとなります。このように、地域気候モデルの中での空間的に集中した強い⾬の表現、モデルへの地形の形状の適切な反映、数個の格⼦数による流域内の降⾬の空間分布の表現、など⼤⾬リスクを議論する上で問題となりうる点がいくつも存在します。このような問題点を解消し、流域における⼤⾬リスクを詳しく調べるために d4PDF の 5km 解像度への⼒学的ダウンスケーリングを実施することとしました。
⼒学的ダウンスケーリングには気象研究所⾮静⼒学地域気候モデル（NHRCM）を⽤いました。d4PDF は合計で数千年分のデータで構成されていることから、全ての⼤⾬イベントをダウンスケーリングするには膨⼤な計算が必要となりました。このため、地球シミュレー
タ特別推進課題に応募することとし、無事に採択された結果、地球シミュレータを⽤いて数ヶ⽉の期間で計算を完了することができました。⼒学的ダウンスケーリングの前後における降⾬の変化や観測値との⽐較の詳細な説明は参考⽂献に譲りますが、5km 解像度への⼒
学的ダウンスケーリングにより降⾬量（図-1）や 30 mm/h を超えるような短時間降⾬の出現頻度（図-2）、降⾬の空間分布などが観測された降⾬の特徴を良く表すことがわかりました 3), 4), 5)。この⼒学的ダウンスケーリングを d4PDF の過去実験、2℃上昇実験、4℃上昇実
験に適⽤することで各気候条件における⼤⾬リスクが評価可能となりました。

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図-4 熱帯低気圧の位置と降水強度との関係 6）（上段は十勝川帯広基準地点流域、下段は音更川音更基準地点流域における流域平均降水強度）

図-5 地上気温と 1 時間降水強度の関係（左）とその傾きの空間分布（右）7)

3. 大雨リスクの将来変化に関する研究
5km 解像度にダウンスケーリングを実施した d4PDF の妥当性が確認できたため、同データを⽤いて各気候条件における⼤⾬を分析しました。その結果、温暖化の進⾏に応じて年最⼤降⾬量は増⼤することや（図-3）、１時間降⾬強度が⾼まることが明らかになりました 3)。
また、それらの要因についても分析しました。⼤⾬をもたらす台⾵性の降⾬を分析し、台⾵の強度が強まることにより⼭岳域のサブ流域において降⾬量が増⼤しやすいことが明らかとなりました（図-4）6)。1 時間降⾬強度の増⼤は気温と飽和⽔蒸気圧の関係式（ClausiusClapeyron 関係）から概ね説明できること、将来気候においては地形性の降⾬が卓越する⼭

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岳部では Clausius-Clapeyron 関係を上回ることを明らかにしました（図-5）7), 8)。また、降⾬イベントを時空間パターンに基づいて分類する⼿法を開発し、5km 解像度の d4PDF に適⽤したところ短時間に集中的な降⾬イベントおよび空間的に強⾬域が集中する降⾬イベン
トが増加することがわかりました 9)。このような降⾬パターンの時空間的な集中化と降⾬量の増⼤の両者により、河川のピーク流量の増⼤に寄与することも明らかとなりました。
アンサンブル気候データに含まれる⼤量の極端現象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も可能となります。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りますが、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ります。このような考え⽅に基づき、令和元年台⾵19 号（Hagibis）と類似の台⾵を d4PDF から抽出した結果を⽰します 10)。図-7(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り、Hagibis と類似した台⾵を抽出した結果、図-7(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-7(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ります。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ります。このような考え⽅は地域の防災を

図-6 降雨の時間パターンの分類結果（上）と降雨の空間パターンの分類結果（下）9)30

図-7 過去のデータとアンサンブル気候データに含まれる台風の経路 10)考える上で重要であると考えており、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ます（内閣府戦略的イノベーション創造プログラム（SIP）第３期「スマート防災ネットワークの構築」にて実施中）。
4. おわりに近年、d4PDF を活⽤したリスク評価や適応策の検討が進められており、⾏政の検討でも活⽤され始めています。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（図-8）、気候変動を考慮した降⾬量を計画で想定する外⼒とするように提⾔が出されています。また、国⼟交通省北海道開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」、令和元年度に「北海道地⽅における気候変動を踏まえた治⽔対策技術検討会」を開催し、⼗勝川や常呂川流域における⼤⾬リスクの将来変化（図-9）を調べるなどリスク評価および適応策の検討が進められています。本研究はこれらの⾏政的検討に貢献することができ、科学的な成果を意思決定や社会実装につなげる重要な過程の⼀旦を担うことができたものと思います。これらの研究から社会実装に⾄るまでは様々な⽅が関わっており、研究機関と⾏政と⺠間の連携により短期間でも⼤きく推進することを実感しました。この31Ẽೃኚື䜢㋃䜎䛘䛯἞Ỉィ⏬䛾䛒䜚᪉ ᥦゝ ᨵゞ∧䛆ᴫせ䛇䠘Ẽೃኚື䛻క䛖㝆㞵㔞䜔ὥỈⓎ⏕㢖ᗘ䛾ኚ໬䠚䕿㝆㞵≉ᛶ䛜㢮ఝ䛧䛶䛔䜛ᆅᇦ༊ศ䛤䛸䛻ᑗ᮶䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䜢ィ⟬䛧䚸ᑗ᮶䛾ᾏ㠃Ỉ ศᕸẖ䛾ᖜ䜔ᖹᆒ್➼䛾ホ౯䜢⾜䛳䛯ୖ䛷䚸㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䜢タᐃ䚹䕿䠎Υୖ᪼䛧䛯ሙྜ䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䛿䚸໭ᾏ㐨䛷ಸ䚸䛭䛾௚䠄Ἀ⦖ྵ䜐䠅ᆅᇦ䛷ಸ䚸䠐Υୖ᪼䛧䛯ሙྜ䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䛿䚸໭ᾏ㐨䞉஑ᕞ໭す㒊䛷ಸ䚸䛭䛾௚䠄Ἀ⦖ྵ䜐䠅ᆅᇦ䛷ಸ䛸䛩䜛䚹䕿䠐Υୖ᪼᫬䛻䛿ᑠὶᇦ䞉▷᫬㛫㝆㞵䛷ᙳ㡪䛜኱䛝䛔䛯䜑䚸ู㏵㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䜢タᐃ䛩䜛䚹䠘ᆅᇦ༊ศẖ䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䠚໭ᾏ㐨໭㒊䠎Υୖ᪼ᆅᇦ༊ศ䠐Υୖ᪼▷᫬㛫໭ᾏ㐨໭㒊䚸໭ᾏ㐨༡㒊ϭ͘ϭϱϭ͘ϰϭ͘ϱ஑ᕞ໭す㒊ϭ͘ϭϭ͘ϰϭ͘ϱ໭ᾏ㐨༡㒊ᮾ໭す㒊ᒣ㝜䛭䛾௚䠄Ἀ⦖ྵ䜐䠅ᆅᇦϭ͘ϭϭ͘Ϯ໭㝣℩ᡞෆᮾ໭ᮾ㒊୰ᅜす㒊ϭ͘ϯ㛵ᮾͤ 䠐Υୖ᪼䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䛾䛖䛱䚸▷᫬㛫䛸䛿䚸㝆㞵⥅⥆᫬㛫䛜䠏᫬㛫௨ୖ᫬㛫ᮍ‶䛾䛣䛸䠏᫬㛫ᮍ‶䛾㝆㞵䛻ᑐ䛧䛶䛿㐺⏝䛷䛝䛺䛔ͤ 㞵ᇦ㠃✚NP௨ୖ䛻䛴䛔䛶㐺⏝䛩䜛䚹䛯䛰䛧䚸NPᮍ‶䛾ሙྜ䛻䛴䛔䛶䜒㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䛜௒ᅇタᐃ䛧䛯್䜘䜚኱䛝䛟䛺䜛ྍ⬟ᛶ䛜䛒䜛䛣䛸䛻␃ព䛧䛴䛴㐺⏝ྍ⬟䛸䛩䜛䚹ͤ ᖺ㉸㐣☜⋡௨ୖ䛾つᶍ䠄䜘䜚㧗㢖ᗘ䠅䛾ィ⏬䛻㐺⏝䛩䜛䚹஑ᕞ໭す㒊୰㒊㏆␥Ἀ⦖⣖ఀ༡㒊ᅄᅜ༡㒊஑ᕞ༡ᮾ㒊䠘ཧ⪃䠚㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䜢䜒䛸䛻⟬ฟ䛧䛯䚸ὶ㔞ኚ໬ಸ⋡䛸ὥỈⓎ⏕㢖ᗘ䛾ኚ໬䛾୍⣭Ỉ⣔䛻䛚䛡䜛඲ᅜᖹᆒ್11)
図-8 降雨量の変化倍率ͤ 䠎Υ䚸Υୖ᪼᫬䛾㝆㞵㔞ኚ໬ಸ⋡䛿䚸⏘ᴗ㠉࿨௨๓䛻ẚ䜉䛶඲⌫ᖹᆒ ᗘ䛜䛭䜜䛮Ẽೃኚື䝅䝘䝸䜸㝆㞵㔞ὶ㔞ὥỈⓎ⏕㢖ᗘ䜜Υ䚸Υୖ᪼䛧䛯ୡ⏺䜢䝅䝭䝳䝺䞊䝅䝵䞁䛧䛯䝰䝕䝹䛛䜙ヨ⟬䠎Υୖ᪼᫬

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４℃上昇実験

川

1/10-1/20
1/20-1/30

利別

音更川

川
利別

-1/10

1/30-1/50
1/50-1/80

1/80-1/100

川

川

札内

川

将来変化

勝勝

札内

壊による浸水頻度

十十川

音更川

溢水・越水、堤防決1/100-1/150
1/150-1/300
1/300-1/500

1/500-1/1000
1/1000-

図-9 十勝川流域における浸水確率の将来変化 12)ような⼀連の過程に関わることができたのは、⾃分の中での今後の研究への取り組み⽅や⽅向性を考える上で⾮常に良い経験をさせていただきました。冒頭にも述べましたが、これらの研究は関わっていただいた皆様のおかげで進めることができました。北海道⼤学⼭⽥朋⼈教授をはじめ、関係の皆様に改めて感謝申し上げます。

引用文献
1) Mizuta, R., Murata, A., Ishii, M., Shiogama, H., Hibino, K., Mori, N., Arakawa, O., Imada,Y., Yoshida, K., Aoyagi, T., Kawase, H., Mori, M., Okada, Y., Shimura, T., Nagatomo, T.,
Ikeda, M., Endo, H., Nosaka, M., Arai, M., Takahashi, C., Tanaka, K., Takemi, T.,
Tachikawa, Y., Temur, K., Kamae, Y., Watanabe, M., Sasaki, H., Kitoh, A., Takayabu, I.,Nakakita, E. and Kimoto, M.: Over 5,000 Years of Ensemble Future Climate Simulations
by 60-km Global and 20-km Regional Atmospheric Models, Bull. Am. Meteorol. Soc, 98,pp.1383‒1398, 2017.
2) H. Kawase, M. Nosaka, S. I. Watanabe, K. Yamamoto, T. Shimura, Y. Naka, Y.-H.Wu, H.
Okachi, T. Hoshino, et al: Identifying Robust Changes of Extreme Precipitation in Japan32

From Large Ensemble 5-km-Grid Regional Experiments for 4K Warming Scenario,

Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 128, 18, 2023.
3) ⼭⽥朋⼈, 星野剛, ⾇屋繁和, 植村郁彦, 吉⽥隆年, ⼤村宣明, ⼭本太郎, 千葉学, ⼾村翔, 時岡真治, 佐々⽊博⽂, 濱⽥悠貴, 中津川誠: 北海道における気候変動に伴う洪⽔外⼒の変化, ⼟⽊学会河川技術論⽂集, 第 24 巻, pp.391-396, 2018.
4) 星野剛, ⼭⽥朋⼈, 稲津將, 佐藤友徳, 川瀬宏明, 杉本志織: ⼤量アンサンブル気候予測
データを⽤いた⼤⾬の時空間特性とその将来変化の分析, ⼟⽊学会論⽂集 B1(⽔⼯学),
Vol. 74, pp.I_13-I_18, 2018.
5) 星野剛, ⼭⽥朋⼈: ⼤量アンサンブル気候予測データを⽤いた年最⼤降⾬の時空間特性の将来変化の把握~⼗勝川流域を対象として~, ⼟⽊学会論⽂集 G(環境), Vol. 74,
pp.I_25-I_31, 2018.
6) T. Hoshino, T. J. Yamada and H. Kawase: Evaluation for characteristics of tropical cyclone
induced heavy rainfall over the sub-basins in the central Hokkaido, northern Japan by 5km large ensemble experiments, Atmosphere, 11, 435, 2020.
7) T. J. Yamada, T. Hoshino and A. Suzuki: Using a Massive High-Resolution Ensemble
Climate Data Set to Examine Dynamic and Thermodynamic Aspects of Heavy
Precipitation Change, Atmospheric Science Letters, e1065, 2021.
8) 星野剛, ⼭⽥朋⼈: ⼒学・熱⼒学効果の観点での降⾬の空間偏差要因の分析, ⼟⽊学会
論⽂集 B1(⽔⼯学), Vol. 76, pp.I_19-I-24, 2020.
9) T. Hoshino and T. J. Yamada: Spatiotemporal classification of heavy rainfall patterns tocharacterize hydrographs in a high-resolution ensemble climate dataset, Journal ofHydrology, 617(PB), 128910., 2023.
10) T. Hoshino, H. Okachi, Y. Takehara, T. J. Yamada: EVALUATION OF HEAVYRAINFALL RISK OF TYPHOON HAGIBIS (2019) ASSOCIATED WITH TYPHOONTRACK, Journal of JSCE, Vol. 10, pp.534-544, 2022.
11) 国⼟交通省⽔管理・国⼟保全局：気候変動を踏まえた治⽔計画に係る技術検討会、2017.
12) 国⼟交通省北海道開発局、北海道：北海道地⽅における気候変動を踏まえた治⽔対策技術検討会、2019.

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