[報告] JAFIC 独自の海洋数値モデルの構築と予測結果の漁業への貢献可能性
Construction of the JAFIC's original numerical ocean model and its potential contribution
for fisheries
日原勉 1)

藤井 椋子 2)

Tsutomu Hihara

Ryoko Fujii

1) システム企画部

2) 水産情報部

要旨：2020 年度より漁業情報サービスセンター独自の海洋数値モデルの開発を進め、北太平洋全体を計算対象とする海洋数値モデルの社内運用を 2021 年 11 月から開始した。このモデルを用いて、毎日 5 日間の将来予測を行なっている。2021 年 11 月から 2022 年 4 月までの半年間の運用で得られた予測値を衛星海面水温と比較することで評価し、5 日目の予測値は初期値と比べて 0.34℃程度しか精度が低下しないことがわかった。また、予測値と衛星海面水温の相関係数は 5 日先の予測値でも 0.98 以上であり、海洋数値モデルの海面水温分布から漁業に有用な情報を得るのに十分役立てられると考えている。さらに、事例解析として、2021 年 12 月 14 日の石巻におけるマイワシのまとまった漁獲と、三陸沖を南下する栄養塩に富んだ冷水の海況の変化の関係を海洋数値モデルの計算結果と衛星データを用いて検証した。その結果、予測値は現実をよく再現しており、漁業者に有用な情報をもたらす可能性が示された。

キーワード：報告、技術開発、漁海況、マイワシルの開発を行えるようになった。また、海洋数値モ1. はじめにデルを動かすのに必要な気象や海象のデータを様々

気象及び海洋分野における数値モデルによる将来な研究機関からインターネットを使って無料かつリ予測は、流体の運動を記述するナビエ・ストークス

アルタイムでダウンロードできるようになった。そ方程式等を種々の仮定の元で簡単化し、数値解析的のため、海洋研究開発機構のような全てを自前で開に解くことで行われる。1)20 世紀初めに始まった地発できる研究機関でなくても海洋数値モデルの運用

球流体力学における数値モデル研究は、2021 年が可能となった。さらに、計算機の全体的な性能向にノーベル物理学賞を受賞した真鍋淑郎博士による上によって、地球シミュレータや富岳のような特別気候モデルの研究など多くの研究者の貢献によな計算機でなくても、漁業関係者が必要としているり発展し、現在、その研究成果は、気象予報や津波情報を海洋数値モデルで計算し提供するのに十分な予測などによって実用性のある身近な存在となっ性能を持つようになった。そこで、漁業情報サービ

た。水産業においても、数値モデルによる成果物のスセンター（JAFIC）においても、2020 年度より利用が進んでおり、水産研究・教育機構が提供する独自の海洋数値モデルを使って作成された将来予測

FRA-ROMSⅡ6)や九州大学が提供する DREAMS7)

結果を用いて、漁業関係者に向けた情報を発信するなどが公開され、実利用が進んでいる。

ことを目指して海洋数値モデルの開発に取り組み、

4),5)

2),3)

海洋数値モデルの研究の発展に伴い、2 節で説明

2021 年 11 月より運用を始めた。

する様なパッケージ化されたモデルのソースコード

２節では現在運用中の海洋数値モデルの情報を記が無料で公開されるようになり、手軽に独自のモデ載し、３節で海洋数値モデルの計算結果を衛星デー

JAFIC Technical Review No.2

27June, 2022

タで評価した結果を示す。４節では 2021 年 12 月

数値モデルの計算を行う際に、最初の状態をイン中旬の金華山沖の定置網における漁獲量を用いた事プットする必要がある。この最初の状態を「初期例解析を示す。

値」という。数値モデルは、初期値から運動方程式によって表現される物理法則に則って将来が予測さ2. 海洋数値モデルの構築と運用れる。数値モデルによって予測された将来が、現実独自の海洋数値モデルを構築するために用いたパに近いものかどうかは、初期値が現実に近いかどう

ッケージは、Regional Ocean Modeling System

かに強く依存している。10)ただし、初期値は数値モ（ROMS）8)である。ROMS のソースコードはデルの全格子にデータがある必要があるため、欠損

GitHub で無償公開されており、随時更新されていがある事が一般的である観測値はそのままでは初期る。開発に用いたパッケージのオリジナルコード値に使えない。そこで、多くの研究機関ではより現は、2020 年 5 月 20 日にダウンロードしたもので実に近い初期値を作成するために、数値モデルの計あり、バージョン番号は 3.8 である。

算結果と現実の観測値を融合するデータ同化技術の北太平洋を計算対象域とし、無料で利用できる海研究が行われている。このデータ同化を使ってより底地形データ SRTM15+v2 9)を使って、東経 105 度

現実に近づけたデータのことを「解析値」と呼んで～西経 75 度、南緯 15 度～北緯 70 度の範囲の空間いる。本海洋数値モデルでは、Center for Ocean-

解像度 1/6 度格子海底地形データ（図 1）を作成しAtmospheric Prediction Studies（COAPS）が作成ている。海底地形が急峻すぎると、海洋数値モデルしている Hybrid Coordinate Ocean Modelが再現できないほど速い流れが発生し、計算が発散（HYCOM）11)の解析値を使って初期値を作成してする危険性が高まるため、本来の地形データに対しいる。て３度×３度の空間的な移動平均をかけて平滑化し海洋は海面で大気と接しており、大気から海洋をている。また、東南アジアの水深が浅く、狭い海峡駆動するエネルギー（力）が入ってくる。12)そのたで囲まれたジャワ海は、JAFIC が主な情報提供の対め、海洋数値モデルを計算するためには、海面にお象としている日本付近の計算結果に対して大きな影ける大気の情報が必要になる。この情報は、海洋の響は無いと考え、陸として扱っている。鉛直方向の外側から入ってくるため「外力データ」と呼ばれて座標は、海底の深度に依存して各層の厚さが変化すいる。外力データは、予測する全期間で必要であるシグマ座標であり、全格子点が鉛直 25 層に設定

り、短期間予測の場合は、天気予報に用いられる気されている。

象数値モデルの計算結果が用いられ、長期間予測の場合は、気候値が用いられることが多い。本海洋数値モデルでは、アメリカ大気海洋局（NOAA）が公開している気象予測モデル Global ForecastSystem（GFS）13)の１時間ごとに出力される５日先までの気象予測結果を利用している。用いている物
理量は、海面上での気温、東西風速、南北風速、比湿（大気中の水分量）、気圧、降水量、長波放射、短波放射、淡水フラックスである。
図 2 に運用スケジュールの概略を示す。HYCOMと GFS のデータはそれぞれ、ダウンロードされたの図 1 海洋数値モデルの計算領域と海底地形

ち、前処理で空間的にモデルの格子点上にデータが内挿される処理が行われる事で、海洋数値モデルにJAFIC Technical Review No.2

28June, 2022

インプットできる形式として初期値と外力データにて可視化しやすい形式に変換され、人工衛星データ変換される。初期値と外力データの両方が揃ったら、による評価が行われる。この一連の流れは全て完全海洋数値モデルの計算が実行される。２時間弱で５自動化されており、海洋数値モデル専用の計算機サ日間の予測計算が終了し、出力結果は後処理によっーバによって毎日行われている。

図 2 海洋数値モデルの運用スケジュール周辺に雲が少ない期間であったが、それでもひまわ

3. 海洋数値モデルの評価

り 8 号のデータに欠損（灰色の領域）が存在する。

この節では、日本周辺海域（東経 120 度～東経 160

海洋数値モデルの計算結果は、人工衛星でも観測が度、北緯 23 度～北緯 47 度）において、初期値およ

難しいところも、運動方程式によって計算される数

び海洋数値モデルの予測値を JAXA が提供するひま

学的・物理学的な根拠を持って空間分布を示すこと

わり 8 号 14)、しずく（GCOM-W/AMSR2）15)、しきができ、さらに海面のみならず鉛直方向の情報も得

さい（GCOM-C/SGLI）16)の海面水温データと日平ることができる点において非常に有用である。

均値で比較し、平均差（初期値あるいは予測値ー衛星データ）、標準誤差（平均差を除いた RMS 誤差、バラツキの度合いであり、ここではこの値を精度とする）、相関係数で評価した結果を表 1、表 2 に示す。衛星データの空間解像度はそれぞれ 0.02 度、0.125 度、0.005 度である。
図 3 は、2022 年 2 月 25 日０時を初期値として５日間予測をした計算結果の日本周辺の海面水温の日平均値であり、図 4 は同期間のひまわり 8 号が観測した海面水温の分布図である。この期間は概ね日本
JAFIC Technical Review No.229June, 2022

図 5 2022 年 2 月 25 日における初期値とひまわり 8号の海面水温データの散布図（カラーバーはデータ密度を示している）
図 3 2022 年 2 月 25 日０時を初期値とした５日間の予測結果

同様の比較を 2021 年 11 月 1 日から 2022 年 4 月30 日までの半年間で毎日行い、その統計値の平均値を表 1 に示す。平均差は、しずくとの比較結果はほぼゼロだが、ひまわり 8 号としきさいの比較結果は 0.3℃以上である。標準誤差は 0.6～1.1℃程度であり、相関係数はいずれも 0.98 より大きい値を示す。この結果は、HYCOM から作成された初期値が、しずくが観測した海面水温とよく似ていることを示している。
海洋数値モデルの標準誤差が、初期値の標準誤差よりも改善していくことは通常あり得ず、予測期間が長いほど標準誤差は大きくなる。初期値の標準誤差からどの程度の精度悪化が生じるかが、海洋数値モデルの予測値の良し悪しを判断する目安となる。

図 4 ひまわり 8 号が観測した海面水温分布（2022

表１ 衛星海面水温データを用いた初期値の評価

年 2 月 25 日～3 月１日）
図 5 は 2022 年 2 月 25 日の初期値とひまわり 8号の海面水温の散布図であり、図中に平均差、標準誤差、相関係数を記載している。

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数

ひまわり 8 号

0.387

1.1500.986

しずく-0.0440.6150.996

しきさい0.307

1.1180.988

表 2 に、表 1 に示した初期値の評価と同様に計算した、海洋数値モデルによる予測値の日平均値をJAFIC Technical Review No.2

30June, 2022

衛星海面水温データで評価した結果を示す。平均れていると言える。標準誤差は、衛星海面水温を管差、標準誤差、相関係数のいずれにおいても、予測理された現場観測値と比較した際の標準誤差の最低期間が長くなるほど悪化していることが確認でき

限の目標値は 0.5～0.8℃程度であり 17)、それよりる。特に予測期間が長くなるほど、衛星データよりも幾分高い値を示している。この目標値は、人工衛も高い海面水温を示す点は、予測結果を利用する上星データと海洋数値モデルの計算結果を比較した今で最も注意する点の一つである。初期値の統計値か回の統計量と直接比較できる目安ではないが、海洋らの変化量を見ると、平均差は 0.41℃程度（1 日数値モデルの予測結果が全く使い物にならないのか目）から 0.28℃程度（5 日目）、標準誤差はという観点での評価としては、人工衛星データと比0.04℃程度（1 日目）から 0.34℃程度（5 日目）、較して 1.5℃以下の標準誤差は許容の範囲と考え相関係数は-0.001 程度（1 日目）から-0.007 程度る。

（5 日目）変化している。この変化量は、どの衛星4. 予測結果と石巻沖定置網の漁獲データにおいても同程度である。

図 6 は、2021 年 12 月 1 日から 31 日までの金華
表２ 衛星海面水温データを用いた予測値の評価

山沖の定置網で漁獲されたマイワシの石巻での水揚予測 1 日目

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数量である。12 月上旬は時化により操業できる日がひまわり 8 号

0.435

1.205

0.985

少なく、12 月 12 日、13 日も操業されていない

しずく-0.0150.646

0.996（JAFIC 調べ）。翌 12 月 14 日に 80 トン以上のましきさい

0.352

1.1530.987

とまった水揚げがあり、しばらくマイワシの水揚げ予測 2 日目

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数が続いた。このことから、12 月 14 日以前に三陸沖

ひまわり 8 号

0.476

1.301

0.983

しずく

0.045

0.767

0.994

しきさい

0.399

1.2680.985

予測 3 日目

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数

ひまわり 8 号

0.536

1.367

0.981

しずく

0.104

0.850

0.993

しきさい

0.464

1.350

0.983

予測 4 日目

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数

ひまわり 8 号

0.598

1.417

0.980

しずく

0.161

0.922

0.992

しきさい

0.537

1.418

0.982

予測 5 日目

平均差[℃]

標準誤差[℃]

相関係数

ひまわり 8 号

0.657

1.464

0.979

しずく

0.2120.9810.990

しきさい0.615

1.4650.980

南端の金華山沖にマイワシの来遊があったと推測される。図 7 は、12 月 14 日に獲れたマイワシの体長と体重の組成であり、12～13cm、10～29g の小羽が主体であった。この魚群は、冬から春に生まれた0 歳魚の後期発生群と考えられ、初冬に 12 ㎝前後で親潮の勢力拡大とともに南下することが知られている（未成魚期南下群）18)この漁獲の要因を海洋数値モデルの予測値から得られる情報から確認できるか調べた。

図 6 2021 年 12 月に金華山沖の定置網で漁獲され相関係数は、どの統計量においても 0.98（小数た生マイワシの石巻への水揚量

点 3 桁目を四捨五入）以上の値を示しており、概ね現実的な空間分布が数値予測の計算によって得ら
JAFIC Technical Review No.231June, 2022

陸沖に見られる冷水は、計算が進むにつれて南下し、予測 3 日目（12 月 10 日）には、ひまわり 8 号の観測値ほど明確ではないが、冷水の西端が金華山沖に近づいていることがわかる。そして、その後、この冷水が東進していく。この様に、海洋数値モデ
ルは、金華山沖の定置網にマイワシの漁獲をもたらしたと考えられる 2021 年初冬の冷水の南下を予測することに成功している。

図 7 金華山沖の定置網で漁獲されたマイワシの体長と体重の組成
図 8 は、11 月 30 日、12 月 3 日、12 月 10 日、12 月 14 日のひまわり 8 号の海面水温分布である。
11 月下旬から 12 月上旬にかけて、親潮域の冷水の一部が切り離されて南下して三陸南端まで到達し、

図 8 ひまわり 8 号が観測した 2021 年 11 月下旬か

12 月 10 日に冷水の西端が金華山に近づいているのら 12 月中旬にかけての三陸沖の海面水温分布の変がわかる。その後、この冷水（10℃から 12℃）は化

黒潮に沿って東へと流されている。この時期の南下群のマイワシは、親潮系水の影響を受けた 9℃から11℃の水帯に集まるとされる。19)また、図 9 に示す人工衛星しきさいによって観測された 11 月 30日のクロロフィル a の濃度分布を見ると、この冷水が周囲の海水と比べて値が高く、植物プランクトンが多いことがわかる。マイワシは 5～6cm の幼魚になると植物プランクトンを食べることができるようになり、成長するほど雑食性となる 18)ことから、この冷水はマイワシにとって好環境であると言える。したがって、マイワシはこの冷水と共に南下し、金華山沖の定置網での漁獲に繋がったと推定される。

図 9 しきさいが観測した 2021 年 11 月 30 日の三図 10 は、12 月 8 日を初期値とした海洋数値モデ

陸沖におけるクロロフィル a 濃度の空間分布

ルの予測値である。予測 1 日目（12 月 8 日）に三JAFIC Technical Review No.232June, 2022

れ、また、空間的な観測が難しい流速や塩分のデータも利用できることから新たなサービスの提供に寄与する可能性を秘めている。
今後の予定として、日本付近の数値予測をより高解像度で行うために、東経 120 度～東経 160 度、北緯 23 度～北緯 47 度の範囲を対象にした 1/15 度
格子入れ子モデルの開発を進めることを考えている。また、よりオリジナリティのある海洋数値モデ
ルの運用のために、JAFIC が提供している現場観測データと衛星海面水温データを用いて作成した欠損のない水温図を活用した初期値の作成を検討している。その際には、実測値と数値予測結果を融合させるデータ同化技術を導入する予定である。

謝辞
JAFIC 独自の海洋数値モデルを開発する上で、国立研究開発法人水産研究・教育機構の瀬藤聡様から図 10 12 月 8 日を初期値とした三陸沖の海面水温分多くの助言をいただきました。本テクニカルレビュ

布の予測結果ーでは、国立研究開発法人宇宙航空研究開発法人が作成し、P-TREE、JASMES、GHRSST の各サイトで無償提供されている人工衛星データを使用しまし5. まとめと今後の課題た。

本テクニカルレビューでは、2020 年度より開発を進め、2021 年 11 月より社内運用を始めた海洋数

参考文献

値モデルの紹介をし、2021 年 11 月 1 日から 2022
年 4 月 30 日までの計算結果を用いて、衛星海面水1) 山田道夫: 平成 15 年度(第 25 回)数学入門公開

温データと比較することで精度評価を行った。ま

講座テキスト 大気と海の流体力学,

た、事例解析として、2021 年 12 月中旬の金華山沖

2022/06/02. https://www.kurims.kyoto-

定置網でのマイワシの漁獲をもたらしたと考えられ

u.ac.jp/~kenkyubu/kokai-koza/H15-

る 2021 年初冬の三陸沖を南下する冷水の数値予測

yamada.pdf

結果を示した。海洋数値モデルの予測値の精度の低

2) Bjerknes, V.: Das Problem der Wettervorhersage,

下は、1 日目の予測計算で 0.04℃程度、5 日目の予

betrachtet vom Standpunkte der Mechanik und

測計算で 0.34℃程度であり、数日間の予測値から

der Physik. Meteor. Z., 21, 1–7, 1904.

得られた情報を漁業関係者に提供するのに十分であ3) Richardson, L. F.: Weather Prediction byると考える。海洋数値モデルは時空間的に欠測のな

Numerical Process. Cambridge University

いデータを作成することができる点においても非常

Press, xii + 236 pp, 1922.に有用である。さらに、本テクニカルレビューでは

4) Manabe, S.: Climate and the Ocean Circulation.

示さなかったが、深さ方向にも連続した情報を得らPart I: The atmospheric circulation and theJAFIC Technical Review No.233June, 2022

hydrology of earth's surface, Mon. Yea. Rev.,

15) JAXA: JAXA ひまわりモニタ 分野横断型プロダ

97(11) 739-774, 1962. doi.org/10.1175/1520-

クト提供システム（P-Tree）, 2022/06/09.

0493(1969)097<0739:CATOC>2.3.CO;2.

https://www.eorc.jaxa.jp/ptree/index_j.html

5) Manabe, S.: Climate and the Ocean Circulation.

16) JAXA: GHRSST Server @ JAXA EORC,

Part II: The atmospheric circulation and the2022/06/09.

effect of heat transfer by ocean currents, Mon.

https://suzaku.eorc.jaxa.jp/GHRSST/Yea. Rev., 97(11), 775-805, 1962.

17) JAXA: JASMES, 2022/06/09.

doi.org/10.1175/1520-

https://www.eorc.jaxa.jp/JASMES/index_j.ht

0493(1969)097<0775:CATOC>2.3.CO;2.

ml6) 水産研究・教育機構：FRA-ROMSⅡ,18) 平本紀久雄: イワシの自然誌, 中公新書, 1996.

2022/5/27. https://fra-roms.fra.go.jp/fra-

19) 平本紀久雄: 私はイワシの予報官, 草思社,roms/

1991.

7) 九州大学：DREAMS, 2022/5/27.
https://dreams-c1.riam.kyushu-u.ac.jp/vwp/(2022 年 6 月 24 日受理、Ser. No. 6)

8) ROMS/TOMS Group: ROMS, 2022/5/27.
https://www.myroms.org/
9) Tozer, B. et al.: Global bathymetry andtopography at 15 arc seconds: SRTM15+,
Accepted Earth and Space Science, 6(10),1847-1864, 2019.
doi.org/10.1029/2019EA000658.
10) 気象庁気象研究所: 地球システム・海洋モデリ
ングに関する研究, 2022/6/1.
https://www.mrijma.go.jp/Research/project/M/M_20192023_2.html
11) COAPS: HYCOM, 2022/5/27.
https://www.hycom.org/
12) 宇野木早苗, 久保田雅久: 海洋の波と流れの科
学, 東海大学出版, 1996.
13) NOAA: GFS, 2022/5/27.
https://www.emc.ncep.noaa.gov/emc/pages/n
umerical_forecast_systems/gfs.php
14) JAXA: GCOM-W 研究プロダクト提供サービス,
2022/06/04.
https://suzaku.eorc.jaxa.jp/GCOM_W/researc
h/prdintro_j.html

JAFIC Technical Review No.2

34June, 2022